空间成像光谱仪的主体支撑方式

　　1　引　言

　　成像光谱仪是多光谱成像遥感技术发展的一个重要进步,它显著地提高了遥感技术探测地球表面特征和物体性质的能力,在军事、资源调查与环境监测等许多领域有重要的应用前景[1]。高分辨成像光谱仪(High Resolution ImageSpectrometer,HRIS)一般都采用离轴非球面三反射镜(TMA)系统,对于离轴安装的各反射镜,不但对反射镜本身的面型精度有严格的要求,而且对每一块光学反射镜的位置度误差也有严格的限制,即位置度公差要求严格[2-3]。传统的光学件轻量化及支撑优化设计技术只能提高单个光学件的面形精度,满足单个光学件的尺寸稳定性和热稳定性,而不能解决整个光学系统的尺寸稳定性和热稳定性问题。工程分析和实践表明,如果主体支撑结构不能满足力学环境和热环境的要求,由此带来的主体稳定性和热变形将不只影响光学系统的分辨率和成像质量,严重的时候甚至决定着整个光学系统能否成像。

　　本文将在各光学件组件已经优化设计的前提下,重点讨论主体支撑方案对光学系统的视轴漂移以及镜面的波前畸变的影响,并给出具有较高尺寸稳定性和热稳定性的主体支撑方案,以提高成像光谱仪的分辨率和成像质量。

　　2　成像光谱仪的主体支撑结构要求

　　图1为成像光谱仪的光路简图,为了同时达到高分辨、大视场和较低的体积和重量,望远镜采用非球面的主镜、次镜和第三镜构成离轴TMA系统,光谱仪采用非球面准直和成像镜也构成离轴非球面系统,光谱仪的色散元件为复合棱镜。

　　由于在运输、发射和在轨工作期间受到力学和温度载荷的作用,光机结构内部各零件都会发生变形,最终导致光机结构的尺寸稳定性发生变化[4-5],进而对分辨率和成像质量产生影响。为了满足恶劣环境下光学分辨率和成像质量要求,TMA系统成像光谱仪对主体支撑提出了较高的要求:

　　2.1　刚度要求

　　空间遥感仪器结构件的失效形式通常为刚度失效,而非强度失效。由于运输、发射条件的限制,为了保证空间遥感仪器整个生命周期内不发生刚度破坏,主体支撑结构须使整机具有较高的刚度,这是任务成功的前提。

　　2.2　热稳定性要求

　　成像光谱仪采用的TMA光学系统决定了其主体的箱式结构,离轴分布各光学件的视轴漂移以及镜面的波前畸变对温度载荷非常敏感,要求主体支撑结构具有较高的热稳定性。

　　3　成像光谱仪支撑技术

　　3.1　光学遥感仪器安装支撑方式

　　为了使光学遥感仪器能够承受在地面运输、发射运载以及在轨运行期间恶劣的力学和热真空环境载荷作用,光学遥感仪器必须通过可靠的支撑方式和平台连接。光学遥感仪器与平台的机械接口即光学遥感仪器的安装支撑方式决定了光学遥感仪器能否正常完成遥感成像任务。当前,空间光学遥感仪器的主体支撑方式主要有以下两种: