CN114815128B - 一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统 - Google Patents

一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统，该系统包括星上计算机、温度采集装置、反射镜相对位置调整装置及加热装置，反射镜相对位置调整装置中的前支架通过+Z调节执行组件与后支架固定连接，前支架还通过‑Z调节执行组件与次镜支架固定连接，次镜固定在次镜支架的镜室内，且次镜支架和次镜位于前支架与后支架之间；加热装置在星上计算机的控制下对调节执行组件进行加热，使调节执行组件膨胀后带动次镜支架和次镜移动。本发明的成像调节系统实现了对微纳遥感相机反射镜组件沿光轴方向相对位置的实时调节，使微纳遥感相机在保证结构轻小化前提下能够对环境因素引起的焦面偏移进行在轨自主调节，大大提高了微纳遥感相机的环境适应能力。

Description

一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统
技术领域
本发明涉及空间光学遥感技术领域，特别是涉及一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统。
背景技术
近年来，随着微纳遥感技术的发展，微纳遥感相机凭借其质量轻、体积小、低成本等优点，在军事侦察、资源勘探、灾害评估等诸多领域的应用越来越广泛。为了获得良好的遥感图像，遥感相机对其光学系统组件的相对位置精度提出了严格的要求。而由于微纳遥感相机需要追求轻质量、低成本，其光机结构在轨工作过程中受到周期性温度载荷作用时，相机支撑结构及光学元件将难以避免地产生微变形，从而致使相机实际焦面位置产生偏移，相机成像质量随之下降。
目前存在并正在应用的技术是以电机通过一系列复杂的运动机构驱动焦面、反射镜或者透镜等进行前后移动，补偿遥感相机结构变形引起的离焦。但这样的调节机构通常体积大、重量大、系统复杂，违背了微纳遥感相机轻小化的设计理念。此外，对于调节后相机成像质量的评判大多依靠将遥感图像传输回地面后进行人工判别，效率较低。
为了增强微纳遥感相机的环境适应能力，提高在轨调节效率，同时满足其小体积、轻质量的要求，亟需设计一种轻小化、紧凑型微纳遥感相机在轨实时成像调节系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统，通过该系统可以实现微纳遥感相机反射镜相对位置在轨实时调节，提高相机在轨工作时的环境适应能力和调节效率，同时满足微纳遥感相机小体积、轻质量的要求。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统，包括星上计算机、温度采集装置和反射镜相对位置调整子系统，所述反射镜相对位置调整子系统包括反射镜相对位置调整装置及加热装置；
所述反射镜相对位置调整装置包括前支架、后支架、+Z调节执行组件和-Z调节执行组件，所述前支架通过所述+Z调节执行组件与所述后支架固定连接，所述前支架还通过所述-Z调节执行组件与次镜支架固定连接，所述+Z调节执行组件和所述-Z调节执行组件的结构相同且在所述前支架上间隔均匀分布，所述后支架通过支架连接螺钉与相机镜筒固定，次镜固定在所述次镜支架的镜室内，且所述次镜支架和所述次镜位于所述前支架与所述后支架之间；所述+Z调节执行组件包括调节执行件、执行件隔热垫、执行件连接螺钉和螺钉隔热垫，所述加热装置用于对所述调节执行件进行加热，所述调节执行件的两端分别通过所述执行件连接螺钉与所述前支架、所述后支架固定连接，并且所述调节执行件与所述前支架、所述后支架之间均设有所述执行件隔热垫，所述执行件连接螺钉与所述前支架、所述后支架之间均设有所述螺钉隔热垫；
所述加热装置在所述星上计算机的控制下对所述+Z调节执行组件或者所述-Z调节执行组件进行加热，使所述+Z调节执行组件膨胀后带动所述前支架、所述-Z调节执行组件、所述次镜支架和所述次镜共同向相机光轴的+Z方向移动或者使所述-Z调节执行组件膨胀后带动所述次镜支架和所述次镜向相机光轴的-Z方向移动；
在所述成像调节系统完成遥感相机所有工作时段中不同温度场下的地面标定，得到地面标定结果之后，所述成像调节系统通过以下步骤完成对微纳遥感相机的在轨实时成像调节：
步骤1：星上计算机控制温度采集装置开始工作，采集微纳遥感相机内各个相机组件的温度水平数据，并将温度水平数据传递至星上计算机；
步骤2：星上计算机接收各个所述相机组件的温度水平数据后，通过插值计算得到整个微纳遥感相机的温度场，并将计算得到的温度场与地面标定结果进行匹配，确定当前温度场对应的相应方向的调节执行组件上所需的最佳控制温度；
步骤3：星上计算机根据最佳控温参数控制加热装置开始工作，将相应方向的调节执行组件主动加热至所述最佳控制温度，加热后的调节执行组件膨胀变形，带动所述次镜和所述次镜支架移动，实现次镜相对位置的调整，使微纳遥感相机获得质量良好的遥感图像；
步骤4：星上计算机控制温度采集装置重新采集微纳遥感相机内各个相机组件的温度水平数据，并根据重新采集的温度水平数据判断对调节执行组件的温度控制是否准确，若是，则获得的质量良好的遥感图像即为微纳遥感相机当前温度场下的最佳遥感图像，否则返回步骤2，重新进行温度场拟合及最佳控制温度的计算。
本发明具有如下有益效果：
本发明所提出的微纳遥感相机在轨实时成像调节系统实现了对微纳遥感相机反射镜组件沿光轴方向相对位置的实时调节，使微纳遥感相机在保证结构轻小化前提下能够对环境因素引起的焦面偏移进行在轨自主调节，大大提高了微纳遥感相机的环境适应能力。此外，该原理广泛适用于各类空间光学遥感相机。
附图说明
图1是其中一个实施例本发明的微纳遥感相机在轨实时成像调节系统的组成图；
图2是其中一个实施例本发明中的反射镜相对位置调整装置的结构示意图；
图3是图2中前支架与后支架的连接结构示意图；
图4是图2中前支架与次镜支架的连接结构示意图；
图5是+Z调节执行组件的剖面图；
图6是本发明的微纳遥感相机在轨实时成像调节系统的工作流程图；
附图标记说明：1、次镜；2、次镜支架；3、-Z调节执行组件；4、前支架；5、+Z调节执行组件；51、调节执行件；52、调节执行件隔热垫；53、执行件连接螺钉；54、螺钉隔热垫；6、后支架；61、支架连接螺钉。
具体实施方式
微纳遥感相机在轨工作时将受到周期性温度载荷作用，其结构变形引起的光学组件相对位置变化以及相机焦面偏移也随之呈现周期性。为降低在轨结构变形对遥感相机成像质量的影响，并满足微纳遥感相机体积小、质量轻的要求，本发明通过材料热胀变形驱动遥感相机反射镜的方式补偿相机结构变形，并通过地面标定与在轨温度实时监测控制提高了调节系统的工作效率。通过在轨实时调整遥感相机反射镜相对位置来补偿微纳遥感相机在轨离焦现象，确保相机获得高质量的遥感图像。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
在其中一个实施例中，如图1至图4所示，本发明提供一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统，其主要包含温度采集装置、星上计算机以及反射镜相对位置调整子系统三部分，其中反射镜相对位置调整子系统包含反射镜相对位置调整装置及加热装置。
反射镜相对位置调整装置包括前支架4、后支架6、+Z调节执行组件5和-Z调节执行组件3，其中前支架4通过+Z调节执行组件5与后支架6固定连接，同时前支架4还通过-Z调节执行组件3与次镜支架2固定连接，+Z调节执行组件5和-Z调节执行组件3的结构相同并且在前支架4上间隔均匀分布。后支架6通过支架连接螺钉61与相机镜筒固定。次镜1通过胶粘的方式固定在次镜支架2的镜室内，并且次镜支架2和次镜1位于前支架4与后支架6之间。
加热装置在星上计算机的控制下对+Z调节执行组件5或者-Z调节执行组件3进行加热。当加热装置对+Z调节执行组件5进行加热后，+Z调节执行组件5膨胀，带动前支架4、-Z调节执行组件3、次镜支架2和次镜1共同向相机光轴的+Z方向移动；当加热装置对-Z调节执行组件3进行加热后，-Z调节执行组件3膨胀，带动次镜支架2和次镜1向相机光轴的-Z方向移动。
由于+Z调节执行组件5和-Z调节执行组件3的结构相同，只是长度不同，因此下面仅以+Z调节执行组件为例详细介绍其结构及工作原理：
参见图5，+Z调节执行组件5包括调节执行件51、执行件隔热垫52、执行件连接螺钉53和螺钉隔热垫54，加热装置用于对调节执行件51进行加热，其加热方式可以采用现有的适用于材料加热的方法实现。调节执行件51的两端分别通过执行件连接螺钉53与前支架4、后支架6固定连接，并且调节执行件51与前支架4、后支架6之间均设有执行件隔热垫52，执行件连接螺钉53与前支架4、后支架6之间均设有螺钉隔热垫54。执行件隔热垫52和螺钉隔热垫54的作用在于实现调节执行件51与前支架4、后支架6之间的隔热，避免对调节执行件51加热时由于热传导使得前支架4和后支架6温度升高产生形变而影响+Z调节执行组件5的运动精度。
当需要将次镜1和次镜支架2所组成的次镜组件向+Z方向移动时，星上计算机控制加热装置通过主动热控的方式加热+Z调节执行组件5中的调节执行件51，此时随着温度上升，调节执行件51发生膨胀，进而带动前支架4、-Z调节执行组件3、次镜支架2及次镜1一同向+Z方向移动，此时微纳遥感相机主次镜间距随之增加。
类似地，当需要将次镜组件向-Z方向移动时，可以通过加热-Z调节执行组件3中的调节执行件实现，此时-Z调节执行组件3中的调节执行件膨胀，仅带动次镜支架2和次镜1一同向-Z方向移动。
优选地，为保证次镜1及次镜支架2的稳定性，+Z调节执行组件5和-Z调节执行组件3的数量均为三个，并且+Z调节执行组件5和-Z调节执行组件3在前支架4上间隔均匀分布。
优选地，为满足微纳遥感相机的质量轻的要求，本发明中的前支架4和后支架6上设有镂空部，镂空部可以位于任意相邻的+Z调节执行组件5和-Z调节执行组件3之间或者位于其他设计位置。
本实施例中的反射镜相对位置调整装置摒弃了以往调整机构中复杂的传动机构，利用材料的热胀变形原理，通过加热装置对反射镜相对位置调整装置中的调节执行件进行主动加热的方式使其发生受热膨胀，带动反射镜组件沿相机光轴产生相对移动，达到调节相机反射镜间距，修正焦面偏移，补偿相机结构件受热变形的目的。此外，本发明中设有沿相机光轴前后两个方向(+Z方向、-Z方向)的反射镜组件调节装置，可以实现反射镜组件向两个方向进行偏移，使整个系统具有双向调节的能力。
微纳遥感相机在轨实时成像调节系统在相机发射入轨前需要在地面经过温度场标定。在对遥感相机施加其在轨工作过程中所处的不同温度环境条件下，对成像调节系统中的调节执行件进行温度调节，直至达到最佳成像质量，并记录最佳成像质量所对应的调节执行件最佳控制温度。然后分别记录一系列温度场所对应的调节执行件的最佳控制温度，得到地面标定结果，并将地面标定结果输入星上计算机以便在轨工作时调用。
参见图6，对成像调节系统进行遥感相机所有工作时段中不同温度场下的地面标定时，具体的标定过程包括以下步骤：
步骤1：根据微纳遥感相机的实际工作环境，将其在轨工作时所处的连续变化的温度场环境通过不同时间段近似拟合成N个确定的温度场；
步骤2：将微纳遥感相机置于真空环境中，并对其施加某一在轨工作时段内拟合的温度场，此时光学系统焦面产生偏移，成像质量下降；
步骤3：通过对反射镜相对位置调整装置中的调节执行组件进行主动加热使其产生变形，以调节主次镜间距，然后不断调整调节执行组件的控制温度，并在微纳遥感相机成像质量最佳时记录此时对于调节执行组件的控制温度，完成该温度场下调节执行组件的最佳控制温度标定；
步骤4：对微纳遥感相机施加下一个工作时段的温度场，并重复步骤3，直至完成N个不同温度场下对成像调节系统的标定，得到地面标定结果。
在成像调节系统完成遥感相机所有工作时段中不同温度场下的地面标定，得到地面标定结果之后，在在轨工作阶段，成像调节系统通过以下步骤完成对微纳遥感相机的在轨实时成像调节，仍参见图6：
步骤1：星上计算机控制温度采集装置开始工作，采集微纳遥感相机内各个相机组件的温度水平数据，并将温度水平数据传递至星上计算机；
步骤2：星上计算机接收各个相机组件的温度水平数据后，通过插值计算得到整个微纳遥感相机的温度场，并将计算得到的温度场与地面标定结果进行匹配，确定当前温度场对应的相应方向的调节执行组件上所需的最佳控制温度；
步骤3：星上计算机根据最佳控温参数控制加热装置开始工作，将相应方向的调节执行组件主动加热至最佳控制温度，加热后的调节执行组件膨胀变形，带动次镜1和次镜支架2移动，实现次镜相对位置的调整，使微纳遥感相机获得质量良好的遥感图像；
步骤4：星上计算机控制温度采集装置重新采集微纳遥感相机内各个相机组件的温度水平数据，并根据重新采集的温度水平数据判断对调节执行组件的温度控制是否准确，若是，则获得的质量良好的遥感图像即为微纳遥感相机当前温度场下的最佳遥感图像，否则返回步骤2，重新进行温度场拟合及最佳控制温度的计算。
星上计算机在控制加热装置对反射镜相对位置调整装置中的调节执行件的温度进行调整后，再次通过温度采集装置采集相机内各点温度水平数据，重新进行温度场拟合及调节执行件最佳控制温度的计算，从而实现成像调节系统闭环控制，完成微纳遥感相机在轨实时成像调节。
本发明所提出的微纳遥感相机在轨实时成像调节系统实现了对微纳遥感相机反射镜组件沿光轴方向相对位置的实时调节，使微纳遥感相机在保证结构轻小化前提下能够对环境因素引起的焦面偏移进行在轨自主调节，大大提高了微纳遥感相机的环境适应能力。此外，该原理广泛适用于各类空间光学遥感相机。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统，其特征在于，包括星上计算机、温度采集装置和反射镜相对位置调整子系统，所述反射镜相对位置调整子系统包括反射镜相对位置调整装置及加热装置；
所述反射镜相对位置调整装置包括前支架(4)、后支架(6)、+Z调节执行组件(5)和-Z调节执行组件(3)，所述前支架(4)通过所述+Z调节执行组件(5)与所述后支架(6)固定连接，所述前支架(4)还通过所述-Z调节执行组件(3)与次镜支架(2)固定连接，所述+Z调节执行组件(5)和所述-Z调节执行组件(3)的结构相同且在所述前支架(4)上间隔均匀分布，所述后支架(6)通过支架连接螺钉(61)与相机镜筒固定，次镜(1)固定在所述次镜支架(2)的镜室内，且所述次镜支架(2)和所述次镜(1)位于所述前支架(4)与所述后支架(6)之间；所述+Z调节执行组件(5)包括调节执行件(51)、执行件隔热垫(52)、执行件连接螺钉(53)和螺钉隔热垫(54)，所述加热装置用于对所述调节执行件(51)进行加热，所述调节执行件(51)的两端分别通过所述执行件连接螺钉(53)与所述前支架(4)、所述后支架(6)固定连接，并且所述调节执行件(51)与所述前支架(4)、所述后支架(6)之间均设有所述执行件隔热垫(52)，所述执行件连接螺钉(53)与所述前支架(4)、所述后支架(6)之间均设有所述螺钉隔热垫(54)；
所述加热装置在所述星上计算机的控制下对所述+Z调节执行组件(5)或者所述-Z调节执行组件(3)进行加热，使所述+Z调节执行组件(5)膨胀后带动所述前支架(4)、所述-Z调节执行组件(3)、所述次镜支架(2)和所述次镜(1)共同向相机光轴的+Z方向移动或者使所述-Z调节执行组件(3)膨胀后带动所述次镜支架(2)和所述次镜(1)向相机光轴的-Z方向移动；
在所述成像调节系统完成遥感相机所有工作时段中不同温度场下的地面标定，得到地面标定结果之后，所述成像调节系统通过以下步骤完成对微纳遥感相机的在轨实时成像调节：
步骤1：星上计算机控制温度采集装置开始工作，采集微纳遥感相机内各个相机组件的温度水平数据，并将温度水平数据传递至星上计算机；
步骤2：星上计算机接收各个所述相机组件的温度水平数据后，通过插值计算得到整个微纳遥感相机的温度场，并将计算得到的温度场与地面标定结果进行匹配，确定当前温度场对应的相应方向的调节执行组件上所需的最佳控制温度；
步骤3：星上计算机根据最佳控温参数控制加热装置开始工作，将相应方向的调节执行组件主动加热至所述最佳控制温度，加热后的调节执行组件膨胀变形，带动所述次镜(1)和所述次镜支架(2)移动，实现次镜相对位置的调整，使微纳遥感相机获得质量良好的遥感图像；
步骤4：星上计算机控制温度采集装置重新采集微纳遥感相机内各个相机组件的温度水平数据，并根据重新采集的温度水平数据判断对调节执行组件的温度控制是否准确，若是，则获得的质量良好的遥感图像即为微纳遥感相机当前温度场下的最佳遥感图像，否则返回步骤2，重新进行温度场拟合及最佳控制温度的计算。
2.根据权利要求1所述的一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统，其特征在于，对所述成像调节系统进行遥感相机所有工作时段中不同温度场下的地面标定时，包括以下步骤：
步骤1：根据遥感相机的实际工作环境，将其在轨工作时所处的连续变化的温度场环境通过不同时间段近似拟合成N个温度场；
步骤2：将微纳遥感相机置于真空环境中，并对其施加某一在轨工作时段内拟合的温度场，此时光学系统焦面产生偏移，成像质量下降；
步骤3：通过对反射镜相对位置调整装置中的调节执行组件进行主动加热使其产生变形，以调节主次镜间距，然后不断调整调节执行组件的控制温度，并在微纳遥感相机成像质量最佳时记录此时对于调节执行组件的控制温度，完成该温度场下调节执行组件的最佳控制温度标定；
步骤4：对微纳遥感相机施加下一个工作时段的温度场，并重复步骤2和步骤3，直至完成N个不同温度场下对所述成像调节系统的标定，得到地面标定结果。
3.根据权利要求1所述的一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统，其特征在于，所述+Z调节执行组件(5)和所述-Z调节执行组件(3)的数量均为三个。
4.根据权利要求1所述的一种微纳遥感相机在轨实时成像调节系统，其特征在于，所述前支架(4)和所述后支架(6)上设有镂空部。
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