CN112977895A - 可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构 - Google Patents

Abstract

可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构属于航天遥感技术领域，目的在于解决现有技术存在的成像信息单一、难以同时获取多相源数据、成像模糊，甚至无法成像的问题。本发明的可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构包括：设备舱；位于设备舱内的卫星平台；合成孔径雷达天线，所述合成孔径雷达天线包括七组，一组位于设备舱上端面，均匀设置有三个安装孔，另外六组对称设置在设备舱的两侧，每侧的三组首尾依次连接，相对设备舱折叠或完全伸展，折叠时，和位于设备舱上端面的一组垂直设置，伸展时，和位于设备舱上端面的一组位于同一平面；以及三个光学相机，三个所述光学相机分别位于三个安装孔内，相对安装孔折叠或展开。

Description

可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构

技术领域

本发明属于航天遥感技术领域，具体涉及一种可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构。

背景技术

依赖于物体表面的反射能力，可见光成像能直观反映地物的真实纹理、颜色等信息，在良好的光照环境条件下可提供丰富的细节信息，从而获得解译性强、空间分辨率高的图像，然而可见光成像容易受到光照、雨雾等因素影响成像变得模糊，甚至无法成像；合成孔径雷达(SAR)可以全天时、全天候地对某一特定区域进行不间断的成像探测，且具有一定的穿透性，因此，采用多方式、多波段复合观测可以根据不同的环境来选择不同的波段和观测方式，多种模式在功能上互相弥补对方存在的不足，令其观测能力提升到一个新的台阶。

目前国内外典型的民用光学与SAR卫星探测系统发展现状可归纳为如下几点：

1)光学遥感卫星系统发展较为成熟，如WorldView系列卫星已达到亚米级分辨率，然后受限于光照条件的苛刻要求，现有光学遥感卫星主要工作于阳照区；

2)SAR卫星系统同样已得到广泛研究，如Radarsat系列和GF-3系列卫星等，具备全天时、全天候的技术优势，对目标形貌形貌信息的描述较好，但对如目标的组成成分、材质属性等信息的获取能力不足；

3)现有光学与SAR信息的综合处理方式主要为在地面对多颗卫星不同载荷的探测数据进行同化和融合，过程中必然存在时间相关和空间对准的问题。

因此，为适应用户对地物信息维度和信息关联性需求的不断提升，急需提出一种综合光学与SAR探测优势，同时解决多维度信息时空关联性问题的新体制卫星系统。

国际上许多著名研究机构都已制定了地球观测的战略计划，提出其研究重点和优先领域，NASA在2015年提出了进一步推进地球科学事业系列计划，将在2020年前发射10～20颗光学、微波探测卫星；欧空局也提出了“地球观测系统”的任务规划，同样设计了多种探测形式的观测卫星系统，意图建立地球系统模型，揭示地球系统演化规律。

在上述信息中，光学与SAR信息的综合应用均被视为当前以及未来对地球观测领域的重点发展方向，在目标深度信息提取和特性识别方面具有巨大的应用价值和前景，如何有效解决多平台、多载荷的多维度信息时空一致性问题是提升探测卫星系统效能的关键。

我国已逐步建成具有高低轨道配合、光学与微波多种遥感模式协同的遥感卫星观测系统，但同时也面临单星手段单一、综合信息匮乏等一系列问题，随着遥感探测应用的不断发展和航天技术的日益进步，单一技术手段的成像信息越来越难以满足用户对目标信息全面获取和深入挖掘的需求，亟需开展高效率、多维度的对地综合遥感卫星的技术研究。目前国际上尚未有真正的光SAR一体化探测卫星系统得到在轨验证。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构，解决现有技术存在的成像信息单一、难以同时获取多相源数据、成像模糊，甚至无法成像的问题。

为实现上述目的，本发明的可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构包括：

设备舱；

位于设备舱内的卫星平台；

合成孔径雷达天线，所述合成孔径雷达天线包括七组，一组位于设备舱上端面，并均匀设置有三个安装孔，另外六组对称设置在设备舱的两侧，每侧的三组首尾依次连接，相对设备舱折叠或完全伸展，折叠时，和位于设备舱上端面的一组垂直设置，伸展时，和位于设备舱上端面的一组位于同一平面；

以及三个光学相机，三个所述光学相机分别位于三个安装孔内，相对安装孔折叠或展开。

所述光学相机为同轴光学相机，包括：

同轴相机固定组件；

设置在同轴相机固定组件内的同轴相机后光路组件；

设置在同轴相机固定组件上表面的同轴相机主镜组件；

和所述同轴相机主镜组件同轴设置的同轴相机次镜组件；

圆周均布在同轴相机固定组件上表面外圆周的多个同轴相机支杆组件，所述同轴相机支杆组件沿轴线方向伸缩运动，所述同轴相机支杆组件的另一端和同轴相机次镜固定环连接，所述同轴相机次镜组件位于所述同轴相机次镜固定环中心，所述同轴相机次镜组件外圆周和所述同轴相机次镜固定环内圆环通过同轴相机连接杆连接支撑；

以及同轴相机遮光罩，所述同轴相机遮光罩位于同轴相机固定组件外侧，并沿轴线方向伸缩运动，所述同轴相机遮光罩伸展长度大于所述同轴相机支杆组件的伸展长度。

所述同轴相机支杆组件为轴向套筒式伸展机构，包括：

n个同轴设置的支杆套筒组件，由内向外第一个至第n-1个支杆套筒组件的外壁均设置有轴向的导向条，相邻两个支杆套筒组件通过导向条导向滑动配合。

所述同轴相机遮光罩包括：

m个同轴设置的第一遮光罩套筒，由内向外第一个至第m-1个第一遮光罩套筒的外壁均设置有轴向的第一导向体，相邻两个第一遮光罩套筒之间通过第一导向体导向滑动配合。

所述光学相机为离轴光学相机，包括：

离轴相机固定组件；

设置在离轴相机固定组件内的离轴相机后光路组件；

设置在离轴相机固定组件上表面的离轴相机主镜组件；

离轴相机支杆组件，多个离轴相机支杆组件的一端和离轴相机固定组件上端面连接，多个所述离轴相机支杆组件同向折叠弯曲；

离轴相机次镜组件；所述离轴相机次镜组件的外圆周和多个离轴相机支杆组件的另一端连接；

以及离轴相机遮光罩，所述离轴相机遮光罩位于离轴相机固定组件外侧，并沿轴线方向伸缩运动，所述离轴相机遮光罩伸长度大于所述离轴相机支杆组件的伸展长度。

所述离轴相机支杆组件包括一组主动支杆以及两组对称设置的从动支杆，所述主动支杆位于两组从动支杆的对称面上；

所述主动支杆包括：

主动杆，所述主动杆一端通过铰链组件和所述离轴相机固定组件连接；

和所述主动杆另一端通过铰链组件连接的传动杆；

和所述传动杆另一端固定连接的前板，所述前板和所述离轴相机次镜组件固定连接；

以及设置在所述主动杆和所述所述离轴相机固定组件连接处的展开驱动组件，通过所述转开驱动组件带动所述主动杆相对所述离轴相机固定组件转动；

每组所述从动支杆包括：

被动杆，所述被动杆的一端和所述前板固定；

和所述被动杆另一端通过铰链组件连接的固定杆，所述固定杆另一端和所述离轴相机固定组件固定连接。

所述离轴相机遮光罩为：

p个同轴设置的方形遮光罩套筒，由内向外第一个至第p-1个方形遮光罩套筒的外壁均设置有轴向的第二导向体，相邻两个方形遮光罩套筒(413)通过第二导向体导向滑动配合。

所述合成孔径雷达天线位于设备舱每侧的三组的连接关系为：相邻的两个合成孔径雷达天线侧壁采用带状弹簧驱动形式转动配合。

本发明的有益效果为：

1)合成孔径雷达天线与光学相机一体化设计，采用单台设备即可实现，且二者可互不干扰地同时工作；

2)合成孔径雷达(SAR)不受光照与气候条件的影响，弥补了光学成像的不足，采用合成孔径成像方式时，通过模式转换可单独实现多波段、多模式复合观测功能；

3)合成孔径雷达所获取的图像能够反映出目标的微波散射特性，通过可见光系统获得的图像具有丰富的光谱特性，通过图像融合技术将可见光图像与SAR图像融合一起，可使其图像信息所包含的内容更加丰富，从而使图像更加真实，特征更加明显，可减少对目标的误判。

4)通过可折叠方案设计，可以减小空间相机的体积，实现多台光学相机与雷达天线复合成像能有效提高探测卫星系统的效能。

附图说明

图1为本发明采用同轴光学相机时结构折叠状态示意图；

图2为本发明采用同轴光学相机时结构展开状态示意图；

图3为本发明采用同轴光学相机时展开过程示意图；

图4为本发明中同轴光学相机折叠状态示意图；

图5为本发明中同轴光学相机展开状态示意图；

图6为本发明中同轴光学相机展开过程示意图；

图7为本发明采用离轴光学相机时结构折叠状态示意图；

图8为本发明采用离轴光学相机时结构展开状态示意图；

图9为本发明采用离轴光学相机时展开过程示意图；

图10为本发明中离轴光学相机折叠状态示意图；

图11为本发明中离轴光学相机展开状态示意图；

图12为本发明中离轴光学相机展开过程示意图；

其中：1、设备舱，2、合成孔径雷达天线，201、安装孔，3、同轴光学相机，301、同轴相机固定组件，302、同轴相机后光路组件，303、同轴相机主镜组件，304、同轴相机次镜组件，305、同轴相机支杆组件，306、同轴相机次镜固定环，307、同轴相机连接杆，308、同轴相机遮光罩，309、支杆套筒组件，310、第一套筒遮光罩，4、离轴光学相机，401、离轴相机固定组件，402、离轴相机后光路组件，403、离轴相机主镜组件，404、离轴相机次镜组件，405、离轴相机支杆组件，406、离轴相机遮光罩，407、主动杆，408、传动杆，409、前板，410、铰链组件，411、被动杆，412、固定杆，413、方形遮光罩套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

实施例一

参见附图1-附图6，本发明的可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构包括：

设备舱1；

位于设备舱1内的卫星平台；

合成孔径雷达天线2，所述合成孔径雷达天线2包括七组，一组位于设备舱1上端面，均匀设置有三个安装孔201，另外六组对称设置在设备舱1的两侧，每侧的三组首尾依次连接，相对设备舱1折叠或完全伸展，折叠时，和位于设备舱1上端面的一组垂直设置，伸展时，和位于设备舱1上端面的一组位于同一平面；

以及三个光学相机，三个所述光学相机分别位于三个安装孔201内，相对安装孔201折叠或展开。

所述光学相机为同轴光学相机3，包括：

同轴相机固定组件301；

设置在同轴相机固定组件301内的同轴相机后光路组件302；

设置在同轴相机固定组件301上表面的同轴相机主镜组件303；

和所述同轴相机主镜组件303同轴设置的同轴相机次镜组件304；

圆周均布在同轴相机固定组件301上表面外圆周的多个同轴相机支杆组件305，所述同轴相机支杆组件305沿轴线方向伸缩运动，所述同轴相机支杆组件305的另一端和同轴相机次镜固定环306连接，所述同轴相机次镜组件304位于所述同轴相机次镜固定环306中心，所述同轴相机次镜组件304外圆周和所述同轴相机次镜固定环306内圆环通过同轴相机连接杆307连接支撑；

以及同轴相机遮光罩308，所述同轴相机遮光罩308位于同轴相机固定组件301外侧，并沿轴线方向伸缩运动，所述同轴相机遮光罩308伸展长度应大于所述同轴相机支杆组件305的伸展长度，避免一次杂光直接照射到相机的光学元件上。

所述同轴相机支杆组件305为轴向套筒式伸展机构，包括：

n个同轴设置的支杆套筒组件309，由内向外第一个至第n-1个支杆套筒组件309的外壁均设置有轴向的导向条，相邻两个支杆套筒组件309通过导向条导向滑动配合；

采用电机驱动薄壁开口管带动套筒组件309实现轴向逐级展开，薄壁开口管材料选择铍铜合金，采用固溶、成型以及失效的处理工艺保证开口管材料具有良好的弹性特性。

轴向套筒式伸展机构由多级套筒组件309和轴向套筒展开驱动机构构成，套筒的材料选择碳纤维管，碳纤管的外壁黏贴导向条，每个碳纤管的两端固定碳纤管转接件；相邻的套筒组件309之间有锁紧销，实现套筒组件309的展开锁紧功能；压缩状态下，每一级的锁紧销与下一级的套筒锁紧固定，展开状态下，每一级的锁紧销与上一级的套筒锁紧固定；锁紧销通过锥形压缩弹簧提供驱动力。

轴向套筒展开驱动机构提供轴向展开的驱动力，实现八级套筒组件309的逐级展开；利用卷曲薄壁开口管结构卷曲后的高弯曲刚度，实现大伸缩比下可靠的轴向力传递；薄壁开口管材料选择铍铜合金，采用固溶+成型+实效的处理工艺，具有良好的弹性特性。

所述同轴相机遮光罩308包括：

m个同轴设置的第一遮光罩套筒310，由内向外第一个至第m-1个第一遮光罩套筒310的外壁均设置有轴向的第一导向体，相邻两个第一遮光罩套筒310之间通过第一导向体导向滑动配合。

采用电机驱动拉绳机构实现多级遮光罩套筒310的逐级展开，拉绳驱动机构的驱动力大，同步性好。

所述合成孔径雷达天线2位于设备舱1两侧，每侧三组的连接关系为：相邻的两个合成孔径雷达天线2侧壁采用带状弹簧驱动形式转动配合。

展开驱动形式：采用带状弹簧驱动形式，实现雷达天线的展开，提高了展开机构工作可靠性。随着柔性复合材料自锁铰链机构的发展，该结构可以实现更精准的展开动作，一套机构就能替换传统的转轴铰链、电机驱动机构、展开后锁定机构的全部功能，该种材料展示出了优异的性能，其循环使用10万次而不产生性能的衰退。带状弹簧采用两根带状弹簧对称布置制作，可以充分利用带状弹簧的正反向弯曲特性，同时，为避免带状弹簧连接部位的应力集中，采用与带簧曲率相同的圆柱面进行连接。星体左右两侧的三组雷达天线在发射过程中，采用火工品锁定处于收拢状态，入轨后，火工品解锁，利用带状弹簧的动能实现展开。

同轴相机支杆组件305及同轴相机遮光罩308均采用套筒式展开结构，其展开过程首先是同轴相机支杆组件305展开，然后同轴相机遮光罩308展开。三台同轴光学相机3及合成孔径雷达天线2组成的一体化轻量结构，发射中合成孔径雷达天线2处于收拢状态；入轨后，设备舱1两侧的合成孔径雷达天线2依次展开，天线展开完毕后，同轴光学相机3同步展开。

实施例二

参见附图7-附图12，本实施例与实施例一的区别在于：

所述光学相机为离轴光学相机4，包括：

离轴相机固定组件401；

设置在离轴相机固定组件401内的离轴相机后光路组件402；

设置在离轴相机固定组件401上表面的离轴相机主镜组件403；

离轴相机支杆组件405，多个离轴相机支杆组件405的一端和离轴相机固定组件401上端面连接，多个所述离轴相机支杆组件405同向折叠弯曲；

离轴相机次镜组件404；所述离轴相机次镜组件404的外圆周和多个离轴相机支杆组件405的另一端连接；

以及离轴相机遮光罩406，所述离轴相机遮光罩406位于离轴相机固定组件401外侧，并沿轴线方向伸缩运动，所述离轴相机遮光罩406伸展极限长度时的长度大于所述离轴相机支杆组件405的伸展极限长度时，避免一次杂光直接照射到相机的光学元件上。

所述离轴相机支杆组件405包括一组主动支杆以及两组对称设置的从动支杆，所述主动支杆位于两组从动支杆的对称面上；

所述主动支杆包括：

主动杆407，所述主动杆407一端通过铰链组件410和所述离轴相机固定组件401连接；

和所述主动杆407另一端通过铰链组件410连接的传动杆408；

和所述传动杆408另一端固定连接的前板409，所述前板409和所述离轴相机次镜组件404固定连接；

以及设置在所述主动杆407和所述所述离轴相机固定组件401连接处的展开驱动机构，具体采用电机驱动，通过所述展开驱动机构带动所述主动杆407相对所述离轴相机固定组件401转动；

每组所述从动支杆包括：

被动杆411，所述被动杆411的一端和所述前板409固定；

和所述被动杆411另一端通过铰链组件410连接的固定杆412，所述固定杆412另一端和所述离轴相机固定组件401固定连接。

展开驱动组件设置在主动杆407与主体框架间的铰链组件410处，用于驱动整个桁架的折叠与展开；还可以锁定展开组件，位于各铰链组件410附近，用于实现展开后的锁定。

所述离轴相机遮光罩406为：

p个同轴设置的方形遮光罩套筒413，由内向外第二个至第p-1个方形遮光罩套筒413的外壁均设置有轴向的第二导向体，相邻两个方形遮光罩套筒(413)通过第二导向体导向滑动配合；

与同轴相机遮光罩的展开驱动机构一样，也采用拉绳机构实现离轴相机遮光罩套筒组件406的轴向展开。

离轴相机支杆组件405采用折杆式展开机构，离轴相机遮光罩406采用套筒式展开机构，其展开过程，首先是离轴相机支杆组件405展开，然后离轴相机遮光罩406展开。

三台离轴光学相机4和合成孔径雷达天线2形成轻量化一体结构，发射中合成孔径雷达天线2处于收拢状态；入轨后，设备舱1两侧的合成孔径雷达天线2依次展开，合成孔径雷达天线2展开完毕后，离轴光学相机4同步展开。

本发明用于多波段、多模式同平台复合探测，综合光学和SAR的优势，获取目标多源细节特征。通过光学相机和合成孔径雷达天线2二者的一体化设计，极大提高了一体化结构的轻量化率，有效提升了探测卫星系统的效能。在发射光学相机处于折叠压缩状态，处于合成孔径雷达天线2的结构内部，并可布置多个光学相机。入轨后，合成孔径雷达采用“书本式”展开，与此同时，光学相机同步展开，从而实现可见光与合成孔径雷达(SAR)信息的复合成像。本发明通过创新成像体制，对光学和SAR探测手段实现一体化设计，可以极大的改变现有的载荷体制设计模式，提高单星综合工作能力，对未来载荷成像体制的发展起到巨大的技术支撑作用。

Claims (8)

1.可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构，其特征在于，包括：

设备舱(1)；

位于设备舱(1)内的卫星平台；

合成孔径雷达天线(2)，所述合成孔径雷达天线(2)包括七组，一组位于设备舱(1)上端面，并均匀设置有三个安装孔(201)，另外六组对称设置在设备舱(1)的两侧，每侧的三组首尾依次连接，相对设备舱(1)折叠或完全伸展，折叠时，和位于设备舱(1)上端面的一组垂直设置，伸展时，和位于设备舱(1)上端面的一组位于同一平面；

以及三个光学相机，三个所述光学相机分别位于三个安装孔(201)内，相对安装孔(201)折叠或展开。

2.根据权利要求1所述的可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构，其特征在于，所述光学相机为同轴光学相机(3)，包括：

同轴相机固定组件(301)；

设置在同轴相机固定组件(301)内的同轴相机后光路组件(302)；

设置在同轴相机固定组件(301)上表面的同轴相机主镜组件(303)；

和所述同轴相机主镜组件(303)同轴设置的同轴相机次镜组件(304)；

圆周均布在同轴相机固定组件(301)上表面外圆周的多个同轴相机支杆组件(305)，所述同轴相机支杆组件(305)沿轴线方向伸缩运动，所述同轴相机支杆组件(305)的另一端和同轴相机次镜固定环(306)连接，所述同轴相机次镜组件(304)位于所述同轴相机次镜固定环(306)中心，所述同轴相机次镜组件(304)外圆周和所述同轴相机次镜固定环(306)内圆环通过同轴相机连接杆(307)连接支撑；

以及同轴相机遮光罩(308)，所述同轴相机遮光罩(308)位于同轴相机固定组件(301)外侧，并沿轴线方向伸缩运动，所述同轴相机遮光罩(308)伸展长度大于所述同轴相机支杆组件(305)的伸展长度。

3.根据权利要求2所述的可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构，其特征在于，所述同轴相机支杆组件(305)为轴向套筒式伸展机构，包括：

n个同轴设置的支杆套筒组件(309)，由内向外第一个至第n-1个支杆套筒组件(309)的外壁均设置有轴向的导向条，相邻两个支杆套筒组件(309)通过导向条导向滑动配合。

4.根据权利要求2所述的可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构，其特征在于，所述同轴相机遮光罩(308)包括：

m个同轴设置的第一遮光罩套筒(310)，由内向外第一个至第m-1个第一遮光罩套筒(310)的外壁均设置有轴向的第一导向体，相邻两个第一遮光罩套筒(310)之间通过第一导向体导向滑动配合。

5.根据权利要求1所述的可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构，其特征在于，所述光学相机为离轴光学相机(4)，包括：

离轴相机固定组件(401)；

设置在离轴相机固定组件(401)内的离轴相机后光路组件(402)；

设置在离轴相机固定组件(401)上表面的离轴相机主镜组件(403)；

离轴相机支杆组件(405)，多个离轴相机支杆组件(405)的一端和离轴相机固定组件(401)上端面连接，多个所述离轴相机支杆组件(405)同向折叠弯曲；

离轴相机次镜组件(404)；所述离轴相机次镜组件(404)的外圆周和多个离轴相机支杆组件(405)的另一端连接；

以及离轴相机遮光罩(406)，所述离轴相机遮光罩(406)位于离轴相机固定组件(401)外侧，并沿轴线方向伸缩运动，所述离轴相机遮光罩(406)伸展长度大于所述离轴相机支杆组件(405)的伸展长度。

6.根据权利要求5所述的可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构，其特征在于，所述离轴相机支杆组件(405)包括一组主动支杆以及两组对称设置的从动支杆，所述主动支杆位于两组从动支杆的对称面上；

所述主动支杆包括：

主动杆(407)，所述主动杆(407)一端通过铰链组件(410)和所述离轴相机固定组件(401)连接；

和所述主动杆(407)另一端通过铰链组件(410)连接的传动杆(408)；

和所述传动杆(408)另一端固定连接的前板(409)，所述前板(409)和所述离轴相机次镜组件(404)固定连接；

以及设置在所述主动杆(407)和所述所述离轴相机固定组件(401)连接处的展开驱动组件，通过所述转开驱动组件带动所述主动杆(407)相对所述离轴相机固定组件(401)转动；

每组所述从动支杆包括：

被动杆(411)，所述被动杆(411)的一端和所述前板(409)固定；

和所述被动杆(411)另一端通过铰链组件(410)连接的固定杆(412)，所述固定杆(412)另一端和所述离轴相机固定组件(401)固定连接。

7.根据权利要求5所述的可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构，其特征在于，所述离轴相机遮光罩(406)为：

p个同轴设置的方形遮光罩套筒(413)，由内向外第一个至第p-1个方形遮光罩套筒(413)的外壁均设置有轴向的第二导向体，相邻两个方形遮光罩套筒(413)通过第二导向体导向滑动配合。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的可折叠可见光与合成孔径雷达复合一体化轻量化结构，其特征在于，所述合成孔径雷达天线(2)位于设备舱(1)每侧的三组的连接关系为：相邻的两个合成孔径雷达天线(2)侧壁采用带状弹簧驱动形式转动配合。

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