摘要：为了设计适用于空间望远镜的具有质量轻、刚度高、高面形精度特点的大尺寸反射镜,提出了基于水平集方法的反射镜拓扑优化设计方法。首先,在口径1 m反射镜镜体初始结构模型的基础上建立有限元模型,基于SIGFIT采用DRESP2建立面形RMS的目标响应函数,将镜面面形精度直接作为目标函数,在重量约束条件下,基于变密度算法与水平集拓扑方法分别进行优化设计,并基于OSSmooth功能对设计结果分离阈值进行研究。通过对优化模型分离阈值进行分析,得到最优化的输出结构模型。采用水平集方法的拓扑优化设计方法的中间密度单元格数目远小于变密度方法,输出结构边界连接性更好。优化模型面形RMS值小于λ/50(λ=632.8 nm),满足设计指标。

摘要：为了消除在实际飞行过程中温度变化对机载折反式光学系统成像质量的影响,对该系统的光学元件、机械结构等部分进行热分析,实现机载折反式光学系统的无热化设计。首先,根据透镜的光焦度公式推导透镜的光焦度温度函数,列出透镜组的消热差方程。接着,在考虑支撑结构的影响时引入轴向放大率,以此表现折反式系统部分元件间隔变化对系统焦距影响大的特点。最后,结合前两者确定完整的消热差方程来指导无热化设计。仿真结果表明,工作在486～656nm波段,焦距为1 850mm的机载折反式可见光光学系统在0～40℃之间成像良好,调制传递函数下降不到0.1。

摘要：研究了飞机姿态角速度变化的不确定性扰动对相机反射镜前向像移补偿效果的影响,设计了带有干扰观测器的伺服控制方案来抑制干扰。介绍了一种基于力矩扰动作用的反射镜系统数学模型。采用干扰观测器将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制输入端。然后,在控制中引入等效的补偿来实现对干扰的抑制。最后,应用该方法设计了带有干扰观测器的控制器对相机反射镜组件进行像移补偿控制。与先进的PID方法的比较结果表明:在相同扰动作用下基于干扰观测器的补偿控制算法得到的干扰前向像移残差减小了40%～60%左右。该方法提高了相机反射镜前向像移的补偿精度和补偿控制的鲁棒性。

摘要：针对大视场、高分辨率、低畸变和环境适应性要求高的三线阵航空测绘相机光学系统设计要求,开展新型光学系统结构形式设计:首先,根据总体方案要求以及稳定平台安装特点,确定了单镜头的技术方案;接着,分析计算了光学系统各项指标参数,光学系统拉氏不变量达到9.5;然后,对比分析了非像方远心光路、像方远心光路和准像方远心光路的结构形式;最后,设计了一种航空环境适应性良好的双高斯复杂化失对称准像方远心光学系统结构形式。设计的光学系统成像质量好,在全色谱段内的Nyquist频率为100lp/mm,全视场调制传递函数均优于0.36;分别在R、G、B谱段的Nyquist频率为50lp/mm,全视场调制传递函数均优于0.6。光学系统全视场最大相对畸变优于0.1%,在均匀温度0~40℃范围内,全色谱段调制传递函数优于0.3。实验室鉴别率板测试结果表明,相机静态分辨率达到102lp/mm;飞行验证试验结果表明,相机摄影分辨率达到0.16m@2km航高。光学系统设计完全满足大视场三线阵航空测绘相机环境适应性和分辨率的要求。

摘要：针对斜视航空相机成像时产生的离焦,设计了相应的调焦机构以补偿斜距离焦量。分析了斜距离焦原理,得出了斜距离焦补偿量的计算公式,并提出采用凸轮机构对斜距离焦量进行补偿。考虑传统的基于偏心凸轮的斜距调焦机构的理论模型具有数学近似的缺点,设计了理论模型没有进行数学近似的基于圆柱凸轮的斜距调焦机构。由于斜距调焦机构设计时是基于某一典型高度,当相机工作于其他高度时会产生剩余离焦量,文中分析了剩余离焦量产生的原因、处理方法和处理流程,从而使斜距离焦量在相机所有工作高度和扫描角范围内均得到补偿,为相机获得高质量图像提供了条件。最后,在实验室利用平行光管模拟了不同物距的成像,验证了提出的斜距调焦机构的有效性和准确性。

摘要：本文设计了一种应用于测绘型数字航空摄影相机的新型镜间快门,该快门具有结构紧凑、布局合理及可靠性高等特点,快门采用双叶片结构形式实现了五叶片快门同样高的快门效率。快门通过小型化设计,实现同轴轮系按不同传动比驱动双叶片旋转实现控制曝光的目的。控制电机转速连续调节叶片转速,可获得合适曝光量。对快门进行了模拟和实验分析,实验结果表明,快门的曝光时间范围达到1/100s^1/1000s,效率达到85%,快门对光学畸变影响小,具有曝光时间范围广、快门效率高和刚度较大等优点,同时刚度和强度满足相机的使用要求。

摘要：为了使光学机械结构设计满足成像系统的要求,对机械振动对光学调制传递函数(MTF)的影响做了分析。从光学成像系统物像相对振动的形式入手,基于刀口理论(线扩展函数),用MTF作为评价函数,针对各种振动形式对图像分辨率的影响进行量化分析,并分析各种参数对MTF的影响,为光学机械的强度、刚度、和精度设计提供了理论基础。结合工程实际,提出减小振动对成像质量影响的具体措施;通过对某成像设备中振动对MTF影响的分析,计算出其动态分辨率为22 lp/mm,与实际拍摄结果较为接近;说明了该分析的正确性及其可用性。

摘要：快门是控制感光介质曝光量的重要组件，为使航摄快门适应面阵CCD相机对空间结构上的要求，同时做到幅面曝光时间均匀、曝光时间调节范围大、并且曝光时间连续可调，设计了新型帘幕式快门。 在分析了快门的曝光原理的基础上推导出快门有效曝光时间计算公式， 并结合快门的有效曝光时间计算公式设计了单帘式快门，采用帘幕环绕面阵 CCD 的快门结构形式，快门帘幕采用四辊轴的结构形式，并利用正时带实现了快门的曝光功能，利用高斯误差合成对快门系统的精度进行了分析计算，得到系统的曝光精度为 0.057。 实验结果显示，快门能够实现 1/50~1/250 s 的曝光时间调节范围，通过光电法实验测得快门的曝光精度达到 0.056，满足 0.1 的曝光精度指标要求。

摘要：考虑帘幕式快门的曝光精度和面阵CCD相机的结构尺寸,利用正时带在高速运动中能够保证高精度传动的特点,设计了以正时带为快门帘幕,以正时带轮为快门辊轴的新型单帘式焦平面快门。分析了影响快门曝光精度的主要因素,利用系统误差合成法建立了快门曝光精度的数学模型。利用齿轮综合误差组评价了驱动机构的传动误差,通过分析正时带的传动机理建立了多边形效应的几何模型,并计算了多边形效应对速度精度的影响。在接入快门负载的情况下测试得到了快门辊轴的稳速精度,并利用高斯法计算得到了快门的曝光精度0.067。最后,利用光电法测试了幅面上均匀五点的有效曝光时间,测量结果显示幅面内快门的曝光精度达到0.056,可实现宽目标照度范围航空摄影的曝光。

摘要：为了保证光学遥感器在平流层空间热环境中安全可靠地工作,对工作在平流层内的光学遥感器进行了热分析。分析了运行在25 km以上空间的飞艇要经历的平流层的环境特点,包括平流层内的大气密度、温度分布等。建立了平流层光学遥感器的传热数学模型,分析了遥感器的迎风面、侧面和背风面在顺风飞行和逆风飞行情况下的对流情况,计算得到在逆风飞行和顺风飞行时迎风面、侧面、背风面的对流换热系数分别为5.009,8.259,3.33 W/(m2.K)和2.609,2.959,1.005 W/(m2.K)。最后,根据稳态换热平衡方程,利用热分析软件分析了光学遥感器在两种极端工况下的温度场分布。结果显示,采用热控措施后光学遥感器的轴向温差从15°减小到了2.7℃,飞艇与空气的对流换热系数随着它们之间的相对速度的增大而增大。结果表明,本文采用的热控手段可以减小遥感器的温差,这为进一步开展平流层光学遥感器的热分析奠定了基础。