航天光学遥感器光学装调技术现状与展望

航天光学遥感器光学装调技术现状与展望

伏瑞敏;岳丽清

【摘要】航天光学遥感器工作于太空中,长期恶劣的空间环境及短暂发射入轨时的状态对光学系统的设计与装调提出了苛刻的要求,确保光学系统在轨像质优异是航天光学遥感器研制的关键技术.文章结合国际上航天光学遥感器的发展需求对光学系统装调技术及发展现状进行了分析、总结,提出了中国后续航天光学遥感器装调与测试技术的突破方向.%With the tough working environment in the space and the temporary state during the launching procedure, higher demands of the design and alignment of optical system are required. Based on the analysis and summarization on the present and developing state of alignment technology for optical system, which has been used to meet the development requirements for foreign space remote sensor, this paper presents the direction of the alignment and testing technology of domestic space optical remote sensor.

【期刊名称】《航天返回与遥感》

【年(卷),期】2011(032)003

【总页数】6页(P30-35)

【关键词】光学系统；装调技术；航天遥感；综述

【作者】伏瑞敏;岳丽清

【作者单位】西北工业大学，西安7100072;北京空间机电研究所，北京100190;北京空间机电研究所，北京100190

【正文语种】中文

【中图分类】TP705

1 引言

航天光学遥感器工作于外太空环境中，其发射入轨阶段的加速度及震动、入轨后辐射、真空等环境对光学系统的设计及装调提出了不同于地面光学仪器设备的苛刻要求。航天光学遥感器的装调必须结合使用环境的需求，要保证各光学元件位于正确的位置并符合严格的面形要求，还需要保证光学元件的高可靠性，对于大口径光学系统还应考虑重力影响。总之，保证遥感器的光学系统在轨像质优异是遥感器光学装调追求的最终目标。

2 国外航天光学遥感器发展介绍

航天光学遥感器光学装调技术与遥感器的发展需求是紧密结合在一起的。自从人类发射第一颗遥感卫星以来，卫星遥感图像的空间分辨率不断刷新，20世纪70年代美国陆地卫星分辨率为50m，80年代法国SPOT系列卫星的分辨率达10m，到1992年美国的KH-12卫星分辨率提高到了0.1m的量级[1-2]。

空间分辨率的提高与光学系统的参数密切相关，最突出的就是光学系统的焦距越来越长，口径越来越大。遥感器的发展一方面带动了光学加工、检测、装调技术的迅猛发展，同时其最终指标的实现与光学加工、检测、装调的水平密切相关，二者相辅相成。

随着光学技术的发展，航天光学遥感器的光学系统型式从折射式、折反式逐渐向反射式发展，逐步形成反射式光学系统占主导的趋势。同时，光学零件的材料、形状等也在发生着概念性的改变。

以美国为例，其Landsat系列、KH系列卫星光学系统在前期均为折射式系统，从

Landsat、KH系列后期及IKONOS、QuickBird等其他系列卫星开始大量采用反

射式光学系统；光学系统焦距从以往的几百毫米逐步向几米、几十米发展；口径从以往的几十毫米、几百毫米向超过1m发展。由于反射式系统对镜体内部的气泡

或条纹的要求比折射式系统的要求低，因此在材料的选择上逐渐选用非传统材料以减轻整个相机的质量。目前国内外常用铍（Be）、铝（Al）、融石英（Fs）、微

晶玻璃（Mc）及钛（Ti）、碳化硅（SiC）作为镜坯材料。

国外已经成功在轨运行的几种光学技术指标见表1[3-8]。

表1 国外主要光学遥感器光学系统技术指标?

光学遥感器光学系统型式的发展可以从以下两方面概括：

1）随着光学系统口径增大、焦距加长，反射式系统占主导，且在光学零件及支撑结构方面大量采用SiC等新型材料，以减轻总质量。

2）当主镜口径超过700mm以上时，三反同轴（Three Mirror

Anastigmat,TMA）系统使用更多一些；三反离轴主要应用于中等口径及焦距的系统上，该形式具有视场角大（2.1°）、MTF高的特点，在轨成功运行最大口径为QuickBird-2的主镜600mm，焦距8.8m，其它光学系统主镜的口径均在123～218mm，焦距均在1～2m。由于三反同轴系统的结构对称性、工程可实现性及相比离轴系统体积、质量与图像品质间的性价比更优等特点，应用前景会更好。

3 遥感器相关光学装调技术及发展现状

空间遥感器涉及光、机、电、热等多专业，遥感器的光学装调实际是光、机、热系统设计实现的过程。装调性能的评判分为3个层次：1）装调后的光学像质；2）

经历环境实验后的光学像质；3）入轨后的光学像质。最终评判以入轨图像像质为标准。

光学装调是光学系统设计的实现过程，涵盖了对光学材料均匀性、折射率等的控制，光学零件面形、几何尺寸的检测，装调过程空间位置的控制及装调后系统性能的检

测多个环节。光学装调技术与航天光学遥感器光学系统的型式是密切相关的。随着光学遥感器的发展，遥感器光学系统型式的转变和光学系统口径的增大，都带动了光学装调技术的进步。同时，光学装调技术与光机设计技术是紧密联系的，即使是对于同一种光学系统形式，也会由于不同的光机结构设计而采用不一样的光学装调技术。

由于遥感器的形式多样性，以及光机设计的方案变化，在光学装调中，光学组件固定方式也从单一托框形式向背板、背部支撑等多种方式发展，系统固定方式从以往的筒式发展成框架式、杆式、箱式等多种形式。上述几种典型的遥感器结构型式见图1。

图1 几种典型的遥感器结构型式

在早期的光学遥感器中，受加工能力与检测技术能力的限制，为满足光学成像的要求，在光学装调中均采用“预留公差型”装调技术。所谓“预留公差型”是依据光学设计所确定的各项公差，首先进行零部件的加工，而后再通过装调设备来控制装调环节的各项调整偏差。在这个过程中，所有偏差项目都是依据设计图纸事先设定，因而会导致加工误差与装调误差分别独立地作用于光学系统的组装、调试过程中。这种装调方式不能等量地直接预估最终系统成像品质，主要应用于折射式光学系统的装调，装调流程如图2所示。

图2 预留公差型光学装调流程图

随着计算机技术的迅猛发展，光学装调技术已经从早期的“预留公差型”向“误差补偿型”发展。“误差补偿型”是根据光学设计给定的公差范围，综合考虑加工误差与装调误差的叠加作用，通过调节光学系统中一个或多个元件的空间位置补偿其他元件空间位置误差引起的附加像差。“误差补偿型”装调技术在仿真与计算机技术飞速发展的带动下形成并逐步完善，在反射式光学系统及新型光学系统的装调过程中，这种装调方式更为实用。