空间遥感相机设计

空间遥感相机镜筒设计加工及装配
摘要
研究了光学镜筒的设计加工和装配，从材料选取结构形式确定和性能分析等方面论述了测绘相机光学镜筒的设计过程。

探讨了透镜支撑结构薄壁壳体的加工方法，最后介绍了单镜组和主镜筒的装配过程。

通过比较选取铸钛合金，ZTC4作为镜筒的材料采用单镜组加筋壳结构的组合形式运用PATRAN/NASTRAN软件对主镜筒的分析表明其结构强度和刚度很好可满足相机结构要求。

薄壁壳体通过精密铸造再经过车削而成各定位阶梯内圆柱面同轴度0.01 mm
达到镜筒装配要点是无变形安装固定透镜精确控制空气间隔和高精度定心，装配完成的镜头光学传递函数达到0.43(77lp/mm) 满足测绘相机精度要求
关键词：遥感相机，光学镜筒，设计，加工，装配
Desigin manufacturing and assembly foe optical lens of Space remote
sensing camera
Abstract
For purpose of designing a Space remote sensing camera quality for stereoscopic mapping task, the design , manufacturing and assembly for the lens of a camera are investigated , the design of the lens is issued from material choice , structure decision ,performance analysis, and so on . Then , the process of single lens unit and primary lens is introduced as well. After comparison , ZTC4 is selected as the materials for lens tube , and a single lens unit and a thin shell are adopted to a combination format .Analysis results with PA TRAN/NASTRAN indicate that the lens shows a good mechanical intensity and stiffness and can precisely , ang the co-axiality of column in orientation ladders is 0.01 mm. During the assembly of lens , it is very important to keep no deformation , to control an air space accurately and to position a high precision cention for assembly . The tested result shows that the optical transfer function of single lens can reasch to 0.43(77 lp/mm), which meet the requirements of a mapping camera.
Key words: Space remote sensing camera; optical lens ; design ; manufacturing ; assembly
目录
摘要 (1)
1空间遥感相机概况 (4)
1.1空间遥感相机定义 (4)
1.2空间遥感的发展前景 (6)
1.2.1空间信息获取的发展趋势 (6)
1.2.2.空间信息处理的发展趋势 (6)
1.2.3.空间信息管理的发展趋势 (6)
1.2.4.空间信息应用的发展趋势 (6)
1.2.5.发展重点 (7)
2光学镜筒选取 (10)
2.1.材料选取 (10)
2.2结构设计 (11)
2.3性能分析 (12)
2.3.1重力释放变形分析 (12)
2.3.2发射阶段动力学分析 (12)
2.3.3结构动力学分析 (12)
3镜筒装配 (13)
4.镜座镜片的装配 (14)
5、压圈的安装 (17)
5.1隔圈的设计 (18)
结论 (20)
参考文献： (21)
致谢 (22)
1空间遥感相机概况
1.1空间遥感相机定义
空间遥感相机是由CCD等所构成高级光学系统，是搭载在卫星上用来获取地球目标信息的传感器。

被广泛用于资源普查、地形测绘、军事侦察等许多领域。

随着航天遥感技术的不断发展,遥感相机对地分辨率不断提高。

空间遥感（特别是红外遥感技术）在资源调查、环境监测、大气和海洋观测、地球辐射测量和天文观测以及军事等方面拥有广阔的应用，
2013年4月20日震后雅安遥感图片
朝鲜2013年2月份第三次核试验基地遥感图
包括美美国RQ-4A全球鹰无人机使用的遥感相机，这方面是各国争相研究的方
面
1.2空间遥感的发展前景
1.2.1空间信息获取的发展趋势
地球空间信息获取的发展趋势具有多平台、多传感器、多比例尺和高光谱、高空间、高时间分辨率以及空天地一体化的明显特征。

随着航天技术、通信技术和信息技术的飞速发展，人们将可以从各种航天、近空间、航空和地面平台上，用紫外、可见光、红外、微波、合成孔径雷达、激光雷达、太赫兹等多种传感器获取多种比例尺的目标影像，大大提高其空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。

形成天地一体化摄影测量与遥感的数据获取方法，为人们提供愈来愈多的影像和非影像数据。

随着新一代全球卫星导航定位系统的发展，将以更高的精度自动测定各类传感器的空间位置和姿态，从而实现无地面控制的实时摄影测量与遥感。

1.2.2.空间信息处理的发展趋势
地球空间信息处理和信息提取的发展趋势是走向定量化、自动化和实时化。

通过从时空基准、遥感成像机理、模式识别、计算机视觉及数据挖掘等诸多方面取得突破，实现几何与物理方程的整体反演求解，进而实现空间信息处理和信息提取的定量化、自动化和实时化。

1.2.3.空间信息管理的发展趋势
地球空间信息管理与分析的发展趋势是走向信息共享、互操作和网格化。

随着全球信息网格（GIG）概念的提出，建立全球统一的空间信息网格已势在必行。

为此应在全球统一地理坐标框架下，根据自然社会发展的不平衡特征将全球分成粗细不等的格网，格网中心为经纬度坐标和全球地心坐标系坐标，格网内存贮各个地物及其属性特征，这种存贮方法特别适合于国家社会经济数据的空间统计与分析，使基于空间数据的分析、空间数据挖掘和辅助决策上一个新的台阶。

1.2.4.空间信息应用的发展趋势
地球空间信息成果应用的发展趋势是成果的多样化和应用的大众化与普适化。

未来的地球空间信息成果产品可以是矢量的或栅格的，可以是图形的或影像的，可以是二维的或三维的，可以是静态图像或连续动画视频图像，可以是多媒体或流媒体，可以是虚拟现实或可量测的实景影像，也可以是上述各种形式产品的融合与集成。

地球空间信息在为经济建设、国防建设和政府决策中广泛应用的基础上，将进一步创造高效优质的服务模式，包括汽车导航、盲人导航、手机图形图像服务、智能小区服务、移动位置服务等基于位置的公众信息化服务。

地球空间信息的社会化服务包括对国家资源、环境、灾害调查和各种经济活动的时空分布及其变化的实时服务，为数字城市、数字港口、数字仓库、数字化物流配送等提供时空信息服务。

时空信息的全社会服务是拉动地球空间信息学和3S技术产业化发
展的根本原动力，它具有上百亿的市场前景
1.2.5.发展重点
随着国家经济实力的增长，科学技术的进步和社会可持续发展的需要，中国的地球空间信息科学与技术，包括摄影测量与遥感在内，在今后若干年内将出现更加飞速发展的大好时机。

我们要坚持自力更生，自主创新，努力工作，并虚心向世界各国同行学习，学习和吸收世界各国的先进技术和经验，围绕创建我国和谐社会，以空间信息服务为中心，建立一个智能化和实时化的地球空间信息服务体系。

(1).发展先进的高分辨率对地观测系统
为了进一步推动中国遥感对地观测的发展，首先要抓好空间信息的数据源。

2005～2020年《国家中长期科技发展规划纲要》指出：发展基于卫星、飞机和平流层飞艇的高分辨率（分米级）先进对地观测系统，发射一系列的高分辨率遥感对地观测卫星，建成覆盖可见光、红外、多光谱、超光谱、微波、激光等观测谱段的、高中低轨道结合的、具有全天时、全天候、全球观测能力的大气、陆地、海洋先进观测体系。

与其它中、低分辨率地面覆盖观测手段结合，形成时空协调、全天候、全天时的对地观测系统，并可根据需要对特定地区进行高精度观测；整合并完善现有遥感卫星地面接收站，建立对地观测中心等地面支撑系统。

到2020年，建成稳定的运行系统，提高我国空间数据的自给率，形成空间信息产业链。

(2). 构建面向实时服务的广义空间信息网格
地上的全球信息网格与天上的智能传感器网格相集成，形成全球的广义空间信息网格。

建立好广义空间信息网格所面临的任务是：
(3) 借助天、空、地各类传感器，实现全天候、全天时、全方位的全球空间数据获取和在轨数据处理；
(4) 借助由卫星通信、数据中继网，地面有线与无线计算机通信网络组成的天地一体化信息网格，实现从传感器直到应用服务端的无缝交链；
(5) 在广义空间信息网格上实现定量化、自动化、智能化和实时化的网格计算，实现从数据到信息和知识的升华；
(6) 通过广义空间信息网格对各类不同用户提供空间信息灵性服务，将最有用的信息，以最快的速度和最便捷的方式送给最需要的用户。

发展的大趋势是利用自动化、智能化、网格化和实时化的地理空间信息数据获取、处理、分析、应用和服务等技术手段，回答何时（When）、何地（Where）、何目标（What Object）发生了何种变化（What Change），并且把这些信息（即4W）随时随地提供给
每个人，服务到每件事（4A服务—Anyone, Anything, Anytime and Anywhere）。

（7）. 加强高性能空间信息处理与分析技术的研究，解决应用的关键技术
为推动空间信息技术的应用，进一步加强高性能遥感图像处理与分析技术，突破高精度定标与定位，宽带微波成像修正，遥感图像超分辨率分析与相干处理，多源卫星遥感影像自动配准与融合，高空间分辨率影像目标自动识别，高光谱影像地物精细分类，基于遥感机理模型的地物参数定量反演与同化等技术。

发展复杂地表环境下的地物信息自动提取与定量分析技术，地下目标探测与隐伏特征提取新技术，复杂海况条件下海表特征遥感识别与定量演技术。

建立多源遥感资源任务规划平台和快速数据服务系统，面向区域监测监视、减灾防灾等重大遥感应用需求，针对国内不同部门管理的遥感卫星，研制协作式任务规划与资源管理平台；研究以多源多尺度三维地球空间信息系统为基础的多源遥感数据管理与调度技术以及快速响应机制，解决分布式网络环境下多源遥感资源高效管理与快速调度等瓶颈问题，实现多源遥感数据资源的高效服务。

突破高可信地理空间数据库管理系统的核心技术，研制开发自主知识产权、高性能、可信地理空间数据库统平台软件。

研究网格环境下异构空间数据集成、互操作、在线分析与智能服务技术，面向海量空间数据处理的空间数据挖掘与知识发现技术，以及动态地理编码与空间数据自组织服务技术，基于地理本体与空间语义的空间数据服务技术等。

制定异构GIS数据互操作规范，研发符合该规范的互操作组件，实现国产GIS软件之间空间数据高效互访与操作，提高国产GIS软件群体创新能力和空间数据在线共享服务能力。

突破空间信息自主加载、维护、复合匹配与服务等技术，开发具备自我维护功能的空间信息网络服务软件系统。

突破动态交通信息的获取、融合、分析、预测与动态路径规划等关键技术，开发基于动态交通信息的智能导航与位置服务软件，建立应用系统，为开发具有自主知识产权的新一代位置服务与智能导航系统奠定基础
（8）．加强空间信息的应用
加强空间信息的应用是国家经济建设和社会发展的重大需求。

为实现资源可持续利用，建设资源节约型社会应用空间信息技术对我国经济发展、资源利用等综合指标的及时监测评价，有利于实现国家对自然资源宏观调控，强化国家对资源的综合管理，制订可持续利用资源的政策，保证国家经济健康、平稳运行。

加强空间信息的应用，实现对关系我国经济安全的石油、天然气等战略资源、能源的前期勘探、开发及其环境影响评价，为合理开发利用国内有限资源，制订科学的资源、能源政策提供决策依据。

加强空间信息技术的应用，开展重大自然灾害的监测、预警和应急反应，及时制订防灾减灾措
施，有效的减轻灾害对人类的生命、财产损失，在重大自然灾害的预报、预警和动态监测中发挥重要作用。

发展空间信息技术，提高对自然灾害及其影响监测、预警和应急反应的实时性、准确性，实现自然灾害的大范围、全天候、全天时、动态的监测，加强自然灾害的预报、预警、监测、评估，以及应急响应、灾害救助、恢复重建决策信息支持。

加强空间信息的应用，提高农作物种植面积估算、长势监测和产量评估等方面能力，建立全球农作物长势监和估产国家系统，对全球农作物长势及产量的及时监测，为我国粮食贸易决策食安全管理提供重要的参考依据。

为精准农业管理提供土壤水分、土壤养分的监测，生长期长势的监测，产量预报等信息支持，为加快农业科技进步，转变农业增长方式，提高农业综合生产能力，应用空间信息技术准确、快速地掌握我国耕地现状、潜力、变化规律和利用状况，科学规划、配置、合理利用、保护耕地资源，保证耕地总量动态平衡，提高耕地质量。

应用空间信息技术建立国家、区域尺度的生态环境监测与评价技术体系，是实施生态保护、防止生态退化、维护生态安全的一项基础性工作。

通过对重要生态环境因子的适时监测与评估，及时、准确地掌握国家或区域生态环境变化的动态信息，为国家或地方的生态环境保护宏观决策、制定合理的生态环境建设规划提供科学依据。

建立国家重大工程生态效应评价，实现国家对重点区域土地利用/土地覆盖变化、森林资源动态、湿地资源动态、草地资源动态、重点区域生物多样性动态、重点城市生态景观动态、海岸带和近海生态、冰川资源动态等生态环境指标的实时监测应用空间信息技术加速国家基础测绘技术改造，提升我国测绘技术水平，实现基础测绘的数字化，地形图和数字高程模型等产品的快速生产，增加测绘技术含量，降低基础测绘的成本，缩短测绘的更新周期。

今后应当理论与应用并重发展，软硬件一起抓，系统研发与人才培养一起抓。

坚持自力更生为主，引进消化为辅，不断提升中国摄影测量与遥感的水平。

21世纪的中国摄影测量与遥感事业任务艰巨，前程似锦，大有作为
2光学镜筒选取
2.1.材料选取
空间光学遥感器镜筒应用的材料主要有铝合金，钛合金，碳纤维复材料等，表1列出了几种典型材料的性能参数
测绘相机镜头在光学设计时，为满足设计指标，部分透镜的径厚比设计偏薄，透镜容易变形，要求镜筒材料的热膨胀系数与透镜材料相兼容；光学设计要求测绘相机在轴向温差±0.1℃，径向温差±0.3℃的环境下工作，温差要求严格，需要镜筒材料有较高的结构稳定性，通过比较，铸钛合金与所选光学玻璃的热膨胀系数最为接近；钛合金通过热真空失效后，应力释放率可达到95%这种方法处理后会使钛合金有良好的结构稳定性，综合国内外空间光学遥感器应用材料的经验，选取铸钛合金ＺＴＣ４为镜筒的结构材料。

表1空间光学遥感器常用典型结构材料性能
材料名称
密度ρ
(g/3mm )
弹性模量E (1010 Pa) 热导率 （W/m·C ) 比热容c (J/kg ·℃） 比刚度E/ρ （710N·mm/g ) 热膨胀系数α (6-10/℃) (-60~120℃) 铝合金7A09
2.8 7.1 142 904 2.54 2
3.6 钛合金TC4
4.4 10.9 7.4 611 2.45 9.1 铸钛合金
ZTC4
4.40 11.4 8.8 577 2.59 8.9 碳纤维复合
1.8 纵向 9.5 70 5.28 0~1 材料T300B
横向 3.1 8.5 1.72 铺层工艺确定
2.2结构设计
光学设计的基础建立在整个光学系统的一条旋转对称轴——光轴上，即各个起光学作用的表面的曲率中心都应位于这条光轴上。

光学镜筒的主要功能就是保证各个透镜的球面中心与光轴重合，并使各透镜相互间的间隔满足光学设计要求。

要保证整个光学镜筒中每个光学折射面的定心精度，必须减少定中心基准轴的环节，将整个光学镜筒的定中心环节放在镜筒最后的总装上，其核心是通过精密研磨镜座以及精密调整镜组在镜筒中的位置来保证各透镜间的间隔和同轴要求。

因此在光学镜筒设计上要为总装留有充分的调整环节，每块透镜都要有独立的镜座设计出用于支撑各独立镜座的薄壁壳体结构，并要求壳体内所有定位阶梯内圆柱面同轴。

所以尽量减少镜筒数量测绘相机主镜筒内有８片光学零件，，如图１所示。

单镜组采用压圈固定法!把光学零件装入带有内螺纹的镜座中!依靠光学零件外圆与镜座内。

孔的配合及端面轴向定位!再利用带有外螺纹的压圈将光学零件压紧。

此种固定法的优点在于结构可拆卸!装配方便!可以进行选配和修配，单镜组与薄壁壳体间的装配也采用压圈轴向固定法
,
镜筒设计还需考虑如下几个方面
（1）薄壁壳体内定位阶梯内圆柱面间应有较高的同轴度要求，用于镜座轴向定位的靠面应有较高的垂直度，以保证光轴的精确传递
"
（2）相机属航天遥感器!光学设计按真空环境设计，在装调过程中会在透镜间遗留空气。

空气的折射率会影响光路传播，还会在透镜内外形成气压差!造成透镜面形变化，严重地影响成像质量，在镜筒设计时必须考虑。

2.3性能分析
2.3.1重力释放变形分析
空间遥感器在地面进行研制!到空间微重力环境下工作。

由于重力释放会使结构发生变形，导致光学零件位置发生相对变化，通过对主镜筒各个方向上施加1g 重力进行静力分析，可得出结构的变形情况，进而了解结构的强度和刚度情况。

将主镜筒的支撑法兰端面及外圆柱面与支撑结构配合处设为固定约束，在镜筒的3个方向施加1g重力，考查镜筒的最大等效应力和变形值，如表2所示，
表2静力学分析结果
静力学分析结果
项目x方向y方向y方向等效应力（MPa）0.283 0.277 0.186 变形（nm）9.46 10.4 4.55
, 分析结果表明：镜筒各方向的受力都比较小
镜筒各方向的变形值与相机整体精度相比可以忽略不计
2.3.2发射阶段动力学分析
考核镜筒在发射时5.5g加速度的作用下，结构是否产生塑性变形#即最大应力值是否超出铸钛合金的屈服应力强度极限，结果得到镜筒所
受的最大应力值为1.6MPa,远小于铸钛合金的屈服应力极限890 MPa,不会产生塑性变形,当5.5g的静力载荷释放后，能恢复到原来的位置，
2.3.3结构动力学分析
由于空间遥感仪器还要经历地面运输和发射运载等阶段，为保证结构在这些阶段不破坏，不变形#还要求它具备一定的动态特性，故需要进行动力学分析，首先对镜筒进行模态分析，模态分析结果云图如图5所示，前四阶的固有频率分别为500.55Hz,1372.2Hz,1526.4Hz和1910.1Hz主镜筒的固有频率满足要求。

另外#还对主镜筒进行了正弦振动分析，对主镜筒各方向施加5.5g
的加速度，
分析表明!主镜筒正弦振动响应较小!满足工程要求，各方向的最大应力都远
小于材料的屈服。

综合以上分析!主镜筒的各项性能均满足航天相机结构要求。

3镜筒加工
镜座加工需要保证内外配合表面的同轴度和光学零件靠面的垂直度，相对于加工薄壁壳体而言较为容易，故这里只讨论主镜筒薄壁壳体的
加工方法，薄壁壳体首先通过熔模精密铸造形成铸件，再经过冷加工达到最后精度要求。

国内外铸造工艺迅猛发展，对于薄壁壳体的铸造可采取多种铸造方式。

关键是考虑冷加工时加工余量值的设计问题。

薄壁壳体总长度接近558mm,壳体的平均直径接近Ф170mm,平均厚度在3mm 左右壳体尺寸链复杂,形位公差要求严格,加工过程中易出现变形。

壳体铸件在外表面和内表面光栏处径向预留3mm加工余量。

定位阶梯内圆柱面径向和轴向均留有3mm加工余量。

薄壁壳体铸件采用以车削加工为主的加工方式，为防止零件在车削的过程中产生变形。

车削分成三步进行，即粗车，半精车，精车，在粗车，半精车后均进行真空时效处理，去除加工应力；在车削的过程中制作多种胎具用于零件定位，同时要注意装夹的对称性，尽量减少零件装夹时的夹紧力，并逐渐减少每次车削时的进刀量，刀具选用德国进口钛合金专用加工刀具，车削时根据进刀量的大小调整刀具的锋利程度。

最后精车时，刀具要锋利，切削量要小，并随时注意车削时零件温度的变化。

另外，在精车前和精车过程中要保证基准的重复性和准确性，选择薄壁壳体的右端面为基准，并分两次进行研磨，端面的平面度和垂直度均要求达到0.002mm。

薄壁壳体各定位阶梯内圆柱面同轴度达到0.01mm,圆柱度达到0.01mm,各定位端面垂直度达到0.005mm。

此精度已达到此类零件加工的工艺极限。

3镜筒装配
镜筒装配分为透镜安装到镜座和单镜组安装到薄壁壳体两个过程!要求透镜安装
位置必须接近理想状态。

光学仪器的装配难度主要体现在无变形安装固定，空气间隔精确控制和高精度定心3个方面单镜组装配
如图单镜片安装三个调整螺钉用于调整镜片圆心
4.镜座镜片的装配
镜座镜片的安装是将单镜组从上至下安装到薄壁壳体中。

首先将薄壁壳体的中心轴线调整到与内调焦定心仪的基准轴线重合。

薄壁壳体的安装
镜座镜片的装配装配过程照片基准面与内调焦定心仪的基准轴线垂直。

然后顺次将单镜组安装到薄壁壳体中，通心精度光学镜筒外层结构薄壁壳体通过铸造和过精密研磨镜座端面和精心调整，测量，以达到每冷加工而成!薄壁壳体形位公差要求严格，尺寸链个面中心误差的要求和各透镜间空气间隔的要复杂，冷加工难度大，其冷加工采取以车削为主，车削过程中应注意刀具的选择，装夹的对称性，
车削速度，基准的精确和重复性等问题
5、压圈的安装
压圈作为固定镜片的装置，它的设计要求精度比较高，由于镜筒内部安装环境狭窄，所以一些特殊设计也是作为镜筒设计特有的，包过它的安装工具
压圈的安装压圈内有螺纹下图为安装眼圈工具
5.1隔圈的设计
隔圈是介于镜片之间的装置，它的作用是保持镜片间的间距，是镜片在正确的位置它的大小是有规定的，以下是镜片间隔圈的计算方法
m和n是半径
()212
2d
2
-
=
f-
n
n
()212
2
2
=
-
m
g c
m-
f
g e a +-=
由以上公式求出隔圈尺寸
但有些隔圈起固定作用例如：
结论
光学镜筒的装配分单镜组和整体装配两个过程装配步骤简单，主要难度体现在无变形安装固定测绘相机光学镜筒的结构材料为铸钛合金。

气间隔精确控制和高精度定心等3个方面。

须采取单镜组!即镜座#透镜和压圈独立装配形成组注意装配过程中测量的严格性和重复性，最后装件。

进而装入薄壁壳体中的结构形式，分析表明配出的测绘相机单只镜头光学传递函数达到0.43（77/p/mm),此种结构能够满足单台测绘相机技术指标的要满足相机对镜头的精度要求.
"。