谷松，王紹舉，金光

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)

高分辨率TDICCD空間相機(jī)對(duì)地推掃成像時(shí)，由于受衛(wèi)星飛行速度、地球自轉(zhuǎn)速度等因素的影響，地物在相機(jī)像面產(chǎn)生的像移速度將會(huì)與 TDI CCD 列的方向產(chǎn)生一定的傾斜角，即偏流角[1]。偏流角的存在會(huì)使圖像邊緣模糊，灰度失真，對(duì)比度和分辨率均下降[2]。為了降低像移對(duì)成像質(zhì)量的影響，以獲得清晰的圖像，需要將TDI CCD列的方向調(diào)整到與像移速度的方向一致，使TDICCD沿列的累積積分過(guò)程中完成轉(zhuǎn)移速度與地物像移速度的匹配，這一過(guò)程稱為像移補(bǔ)償。完成像移匹配可通過(guò)像移補(bǔ)償技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，像移會(huì)在兩個(gè)正交方向上產(chǎn)生分量，一個(gè)是飛行器飛行方向上產(chǎn)生的前向像移分量，另一個(gè)是在飛行器飛行的垂直方向上產(chǎn)生的橫向像移分量，即由偏流角產(chǎn)生的像移分量。進(jìn)行像移補(bǔ)償時(shí)，首先通過(guò)調(diào)整偏流角消除橫向像移分量，然后再通過(guò)補(bǔ)償前向像移達(dá)到清晰成像的目的[3]。因此，需要設(shè)置像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)[4-7]。傳統(tǒng)的像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)體積大、質(zhì)量重，不適合當(dāng)今空間相機(jī)小型化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。本文針對(duì)此問(wèn)題設(shè)計(jì)了一套精度高、體積小、質(zhì)量輕的像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。

1 像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)組成及傳動(dòng)原理

空間相機(jī)像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)具有精度高、調(diào)整范圍小、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的要求。目前，空間相機(jī)像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)大體有兩種傳動(dòng)方式，一種是絲杠絲母?jìng)鲃?dòng)，另一種是全齒輪傳動(dòng)。絲杠絲母?jìng)鲃?dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，費(fèi)用低，但在真空低溫條件下的兩個(gè)極限位置易產(chǎn)生卡滯現(xiàn)象，抗沖擊能力差[5]；而全齒輪結(jié)構(gòu)同樣存在抗沖擊能力差的缺點(diǎn)，并且由于偏流角度調(diào)整范圍小，只能用到局部齒，付出代價(jià)相應(yīng)較大。本文設(shè)計(jì)了一種凸輪、齒輪相結(jié)合的像移補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，凸輪、齒輪等運(yùn)動(dòng)件表面經(jīng)特殊處理后無(wú)冷焊、無(wú)卡滯現(xiàn)象，有很好的抗沖擊能力，同時(shí)結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，將凸輪設(shè)計(jì)為一偏心輪，解決了凸輪曲線加工要求高的難點(diǎn)。

像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)主要由減速機(jī)構(gòu)、軸系和 CCD組件組成。像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其傳動(dòng)原理如圖2所示。

圖1 像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 The configuration of image motion compensation mechanism

圖2 像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖Fig.2 Drive structure of the drift angle adjusting

輪驅(qū)動(dòng)蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪帶動(dòng)凸輪在滑槽中轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)焦平面組件繞軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了像移補(bǔ)償?shù)墓δ?。凸輪傳?dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化原理如圖3所示，凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類似于一個(gè)擺臂結(jié)構(gòu)，我們稱之為偏流擺，由于凸輪半徑是一個(gè)變值，并且是按一定規(guī)律變化的，凸輪推動(dòng)滑槽，使偏流擺按一定規(guī)律左右擺動(dòng)，這種規(guī)律是可設(shè)計(jì)的。凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化原理可以簡(jiǎn)化為圖4。

圖3 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化原理圖Fig.3 The elements diagram of cam transmision

圖4 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化原理簡(jiǎn)化圖Fig.4 The elements predigestion diagram of cam transmission

2 精度分析

傳動(dòng)誤差與空回是評(píng)定像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)傳動(dòng)精度的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。本像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制，編碼器作為反饋元件，它所反映的是焦平面的位置，通過(guò)反饋信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于編碼器與焦平面之間傳動(dòng)誤差與空回的存在，使編碼器不能反映實(shí)際焦平面的位置，電機(jī)利用編碼器發(fā)出的反饋信號(hào)對(duì)像移補(bǔ)償角度進(jìn)行控制，導(dǎo)致調(diào)偏流實(shí)際角度偏離理論角度值，從而相機(jī)像面實(shí)際位置偏離像面理想位置。傳動(dòng)誤差與空回過(guò)大，會(huì)使像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償，使相機(jī)成像模糊，甚至不能成像。因此，分析編碼器與焦平面之間的傳動(dòng)誤差與空回是否在誤差允許的范圍內(nèi)是十分必要的。這是對(duì)于這種半閉環(huán)像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)所特有的[9]。

像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的誤差主要來(lái)源于軸S-1和軸S-2之間的齒輪傳動(dòng)誤差、空回及凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差、空回。

2.1 齒輪傳動(dòng)誤差計(jì)算

齒輪傳動(dòng)誤差是在齒輪的加工制造、裝配過(guò)程中產(chǎn)生的。傳動(dòng)誤差的大小是由齒輪的加工精度、裝配質(zhì)量等因素決定的。齒輪的加工精度越高、裝配越合理，齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差越小，傳動(dòng)精度越高。齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差是由齒輪固有誤差和裝置跳動(dòng)誤差引起的。齒輪的固有誤差就是齒輪的實(shí)際齒廓對(duì)理想齒廓的偏離。產(chǎn)生齒輪的固有誤差的因素主要有：齒輪的幾何偏心；齒輪的運(yùn)動(dòng)偏心；齒輪的基節(jié)誤差；齒輪的齒形誤差。裝置跳動(dòng)誤差就是實(shí)際旋轉(zhuǎn)中心、對(duì)理想旋轉(zhuǎn)中心的偏離。產(chǎn)生裝置跳動(dòng)誤差的因素主要有：齒輪孔與軸之間的間隙；齒輪安裝處軸徑的跳動(dòng)；滾珠軸承環(huán)偏心。

由于齒輪誤差是隨機(jī)的連續(xù)變量；各種誤差源的分布都是相互獨(dú)立的；齒輪誤差的分布遵循正態(tài)分布。因此，可以用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的計(jì)算方法對(duì)各部分誤差進(jìn)行計(jì)算。

像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差主要為齒輪6、齒輪5嚙合處的傳動(dòng)誤差。由于齒輪5、6加工精度等級(jí)為5-6-5，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可求得齒輪6、齒輪5嚙合處角值傳動(dòng)誤差為268"。

2.2 凸輪傳動(dòng)誤差計(jì)算

帶入值得凸輪傳動(dòng)誤差為：

2.3 空回計(jì)算

焦平面到編碼器空回由凸輪機(jī)構(gòu)空回和齒輪5和齒輪6嚙合處產(chǎn)生，但是齒輪6采用了消間隙設(shè)計(jì)，所以齒輪5和齒輪6嚙合處空回基本為0；凸輪機(jī)構(gòu)空回主要由凸輪與滑槽之間間隙引起，間隙為0.005，凸輪與滑槽之間間隙引起的偏流角空回為：

則系統(tǒng)總誤差為：

3 測(cè)量試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 精度檢測(cè)試驗(yàn)[10]

精度檢測(cè)方法如圖5所示，在偏流機(jī)構(gòu)基準(zhǔn)面上貼基準(zhǔn)鏡，驅(qū)動(dòng)偏流轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，用經(jīng)緯儀測(cè)量偏流角度的實(shí)際值，可以得到傳動(dòng)誤差，試驗(yàn)所用經(jīng)緯儀的精度為3"，而偏流機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度要求小于3'，所以所用經(jīng)緯儀可以作為檢測(cè)工具。

圖5 精度檢測(cè)方法Fig.5 The method of precision

表1 力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)前精度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Result of precision test before dynamics vibration

表2 力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)后精度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Result of precision test after dynamics vibration

由于偏流角在 4°～4°之間，本實(shí)驗(yàn)中給定偏流機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為 4°、 3°、 2°、 1°，0°、1°、2°、3°、4°，并進(jìn)行復(fù)檢，力學(xué)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)前測(cè)量結(jié)果如表1，力學(xué)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)后測(cè)量結(jié)果如表2。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)前后傳動(dòng)精度均小于1'，精度高，滿足使用要求，并且可以斷定由于發(fā)射帶來(lái)的動(dòng)態(tài)載荷不會(huì)對(duì)像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的精度造成影響。

3.2 力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)

為有效的驗(yàn)證偏流機(jī)構(gòu)組件自身的力學(xué)特性，考核總體力學(xué)環(huán)境對(duì)偏流機(jī)構(gòu)的影響，分別在X、Y、Z三個(gè)方向?qū)ζ鳈C(jī)構(gòu)進(jìn)行了0.5g正弦掃描、5g正弦振動(dòng)、和4g隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)狀態(tài)如圖6所示，偏流機(jī)構(gòu)一階頻率為150Hz；正弦振動(dòng)最大放大倍率在100Hz處約為2倍，由于偏流機(jī)構(gòu)的第一階頻率大于100Hz，故在0Hz～100Hz間結(jié)構(gòu)件響應(yīng)很小，試驗(yàn)響應(yīng)曲線與輸入曲線近似一致，說(shuō)明結(jié)構(gòu)件剛度好，在0Hz～100Hz間具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)最大響應(yīng)放大倍率約為輸入的5倍，均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)是空間相機(jī)的關(guān)鍵部件之一，直接影響空間相機(jī)的成像質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)的像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)精度高—可以達(dá)到1'，剛度好—一階頻率150 Hz，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，體積小，適合空間相機(jī)的高精度小型化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)小型化光學(xué)衛(wèi)星有效載荷像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定借鑒作用。

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