多光谱相机高稳定性光机结构设计技术

   

    1引言

    “资源三号”卫星是中国第一颗民用立体测绘卫星，卫星通过三线阵相机拍摄高几何定位精度的立体图像，通过多光谱相机影像与三线阵正视相机全色影像的融合处理确定地形图上主要地物的物理属性，生成彩色正射影像产品。为确保对所观测地物的平面定位精度，用户及卫星总体对多光谱相机在轨内方位元素(主点、主距、畸变)的稳定性也提出了严格的要求。经分析，相机入轨后，引起内方位元素变化的主要因素是由于卫星及相机主体温度的波动产生的结构热变形和热应力f 1-zl。另外，相机还要经历严酷的发射环境，因此为了保证入轨后具有良好的成像品质，相机需具有高的力学和热稳定性。

    多光谱相机光机主体采用三反离轴光学系统，如图1所示。相机主要包括:主镜组件、三镜组件、次镜组件、平面镜调焦组件、焦面组件、主体框、遮光罩以及柔性卸载装星结构等。

    本文从影响相机在轨成像品质和内方位元素稳定性的因素出发，结合三反离轴相机的特点，分别从反射镜支撑设计、高刚度主体结构设计以及柔性卸载装星结构设计等方面重点介绍多光谱相机高稳定性光机主体设计技术。

    2反射镜组件的设计及分析

    反射镜组件是遥感相机的核心部件，其面形精度和位置精度直接影响光学系统的成像品质及光学系统内方位元素。在轨真空、热交变等复杂的环境条件将会引起相机结构变化，从而产生的应力传入反射镜将使得面形超差，导致成像品质下降，因此要求反射镜组件具有一定的刚度满足发射环境的同时，具有一定的应力卸载设计，保证反射镜具有较好的稳定性【3-5]0

    以主镜为例介绍反射镜的无应力支撑设计。主镜采用多点球铰支撑结构，通过中心1点及侧面3点支撑结构的自由度解藕设计，在支撑框与反射镜之间实现静定支撑，如图2所示。这种静定结构不会将因热不匹配或装配失调产生的外应力传至反射镜[6]，从而保证反射镜面形的稳定。

    利用有限元分析方法和数值技术手段.对反射镜组件在轨重力释放和在轨温度变化2℃情况下的面形变化和位置变化进行了仿真分析，结果如图3}5所示，图中PV为面形的峰谷值，RMS为面形的均方根值。图3中的最大位移为0.005 54mm , PV值为2.665 7nm , RMS为0.367 7nm;图4中的最大位移为0.011 2mm , PV值为3.003 4nm , RMS为0.508 9nm;图5中的最大位移为0.023 mm , PV值为3 .627 3 nm ,RMS为0.463 3nm。

   可见，主反射镜组件在自重和温度影响下，最大面形RMS为0.508 9nm，小于1x10，反射镜最大位置变化为0.023 mm，小于光学系统公差要求的0.04mm。验证了这种多点柔性球铰支撑具有较好的卸载作用，能够保证反射镜在空间环境中面形的稳定[o-}}0