星载超光谱成像仪摆镜系统轴系的误差分析与设计

　　1 引言

　　超光谱成像仪是上世纪末发展起来的集光学、光谱学、精密机械、电子技术于一体的一种新型星载遥感成像仪器。具有高光谱分辨率、高空间分辨率、小型化、性价比高、实用性强的特点，可广泛应用于土地资源调查与监测、作物估产与精细农业、森林资源调查与监测、地质矿产、油气资源调查、荒漠化监测与防治、水利资源调查与利用、防灾减灾等诸多领域[1]。超光谱成像仪能够在连续光谱段上对同一目标同时成像，并能够直接反映出被测对象的光谱特征，甚至物体表面的物质成分。因此，其民用及军事应用价值极高，是近年来国内外航空技术应用的热点。

　　光谱成像仪在进行遥感探测时，往往采用扫描镜或者摆镜绕轴摆动实现大的扫描视场，对地面不同位置目标进行观察，满足大范围覆盖的要求。光机扫描器是各种航天航空遥感扫描成像系统的重要组成部分，扫描驱动装置驱动扫描镜实现对目标的扫描成像，以获取目标信息[2]。

　　2 摆镜系统的构成和工作原理

　　星载超光谱成像仪的摆镜系统位于超光谱成像仪头部，它的作用之一是反射摆镜绕轴摆动(±15)°，实现超光谱成像仪(±30)°侧视功能;作用之二是摆镜绕轴旋转(+90)°，将定标光路引入主光学系统，进行超光谱成像仪星上定标。焦平面探测器接收摆镜系统反射地面目标的辐射信息来成像，通过摆镜的摆动扩大视场，进行成像和定标工作的切换[3]。摆镜系统主要包括遮光罩、支撑轴系、反射镜组件、蜗轮蜗杆组件、编码器测角装置以及步进电机驱动装置，其结构，如图1 所示。

　　3 轴系误差对成像质量的影响

　　对于该星载超光谱成像仪，与轴系有关的主要技术指标有：

　　(1)侧向可视视场角：±30°;(2)轴系精度≤1.5′;(3)反射摆镜与左右轴的中心线在同一平面内，其误差小于0.008mm。

　　评价轴系好坏的一个重要性能指标就是轴系的回转精度。轴系的回转精度可用主轴的回转误差(即主轴回转轴线的位置变动量)来衡量，误差(变动量)越小，回转精度越高。轴的回转误差可视为由三个误差分量所组成，即：轴向窜动误差△S、径向晃动误差△C 和角运动误差△γ。

　　4 轴系形式选择与误差分析

　　如图1 所示，摆镜轴系由编码器连接轴(左轴)、蜗轮连接轴(右轴)、轴承等组成。左轴与右轴均用螺钉与反射镜组固定连接。左轴用单个向心球轴承支承;为方便将来轴系的装调，右轴用一对向心推力球轴承支承，此类轴承支承刚性好，可在径向和轴向预加载荷，以消除轴承孔与轴、轴承外圈与座孔之间的间隙。轴承采用DB(背靠背)组合，通过调整右端盖上螺钉的松紧来调节轴系的间隙。轴承与轴采用过盈配合，轴承与支座采用间隙配合。左右轴分别与编码器和蜗轮相接，步进电机带动蜗杆蜗轮运转，摆镜随着步进电机的运转而旋转。