用于微卫星星座的空间监视望远镜系统设计

　　引 言

　　新型监视传感器对空间目标成像，而微卫星装载平台对传感器提出体积，重量及成本要求。望远镜系统设计是新型监视传感器设计的核心，决定整个传感器的性能、体积和重量。

　　1 光学设计

　　望远镜在宽光谱范围成像，是新型监视传感器的核心。传感器尽可能利用空间目标反射的太阳光能量，需充分利用硅器件的光谱响应。探测器采用帧转移CCD，光谱响应0.4μm-1.1μm。设计约束参数见表1。

　　1.1 设计分析

　　全反成像系统宽带无色差，相对折射系统，获取相同像质的情况下，结构简单。全反系统分为同轴和离轴系统，离轴系统综合性能优于同轴系统，但国内在同轴系统的设计、加工、装校和检测上非常成熟。考虑到系统成本和技术难度，采用同轴全反系统。由表1 可知，系统性能要求较高。两反射镜系统若不加校正透镜，很难满足要求，故选用三反射镜系统。图1 是同轴三反射镜望远镜的几何关系。假定目标无穷远，入瞳位于主镜M1。次镜对主镜和第三镜对次镜遮拦比，次镜和第三镜放大率由式(1)表示

　　1.3 优化设计

　　以上计算结果作为初始结构参数，使用 ZEMAX 优化设计获得3 组结果，见表2，其中结果1 的光学筒长最短，次镜和第三镜口径最小，有利于减小系统体积和重量，选择结果1 为最终设计结果。图2 为望远镜系统布局，由主镜、次镜、第三镜3片非球面镜和1 片45 全反镜组成。图3 为望远镜视场光路，需要说明的是，图中1 和2 均为仿真45 镜遮拦状态而添加的虚拟障碍物。

图 2 同轴三反望远镜系统布局

Fig. 2 Layout of three mirrors on-axis telescope

　　表3 是反射镜面形参数。主镜作用面为环形面，外径150mm，内径 68mm。45°全反镜为椭圆面，x和y 方向长度分别为 36mm 和51mm。其它反射镜面形均为非球面。图4 为系统点列图，图5 为系统 MTF。同轴三反系统最难解决的问题之一就是光束遮挡导致能量损失。为使性能有一定提升，对产生光束遮挡的45°镜中心偏移系统光轴，x 和y 方向的偏移量分别为1.2mm 和-5.3mm。由以上可知，尽管采取部分措施提高光学系统性能，45°镜的光束遮挡仍相当严重，尤其在轴上视场和轴外1 视场，MTF 仅大于 0.2。而轴外0.7 视场的情况稍好，MTF 大于0.4。

　　2 结构设计

　　新型监视传感器装载在微卫星平台上，要求传感器结构紧凑、重量轻。传感器重量配置主要在望远镜，望远镜轻量化措施十分必要。