齊　光，王書新，李景林，焦愛祥

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

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離軸三反光學(xué)遙感器遮光罩的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

齊光*，王書新，李景林，焦愛祥

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

摘要：遮光罩是空間光學(xué)遙感器的重要組成部分，是抑制空間光學(xué)遙感器雜散光的首要措施。遮光罩削弱雜散光效果的好壞直接影響到光學(xué)遙感器光學(xué)系統(tǒng)的成像品質(zhì)。本文設(shè)計(jì)了一種滿足離軸三反空間光學(xué)遙感器要求的大尺寸碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料遮光罩，并結(jié)合有限元分析、雜散光分析及力學(xué)試驗(yàn)、光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)檢測(cè)手段來驗(yàn)證該遮光罩是否滿足航天使用要求。結(jié)果顯示，各視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)檢測(cè)結(jié)果基本一致，均在0.2以上。表明該大尺寸遮光罩具備良好的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性，能夠滿足空間應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞:空間光學(xué)遙感器；遮光罩；穩(wěn)定性；有限元分析；雜散光分析

1引言

空間光學(xué)遙感器被廣泛地應(yīng)用于空間對(duì)地、空間對(duì)天等領(lǐng)域的目標(biāo)觀測(cè)、偵查，并借此來獲取重要的情報(bào)信息。隨著空間光學(xué)遙感技術(shù)的不斷發(fā)展、創(chuàng)新，空間光學(xué)遙感器的在軌服役壽命、波長(zhǎng)譜段范圍、地面像元分辨率、地面覆蓋寬度等技術(shù)指標(biāo)不斷提高、刷新，推掃成像的CCD測(cè)量相機(jī)已受到國(guó)際上的普遍重視，重訪周期大大縮短，遙感器重量大幅度縮減[1-9]。

在光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的初期，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了抑制、消除雜散光的重要性。幾十年來，在雜散輻射背景下，如何對(duì)需要的光信號(hào)進(jìn)行提取、測(cè)量一直困擾著光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)研究者們。太陽、地球等軸外雜散光源的輻射進(jìn)入到遙感器光學(xué)系統(tǒng)中來，經(jīng)由光學(xué)元件最終到達(dá)遙感器焦平面位置。如果光學(xué)系統(tǒng)中存在雜散光，會(huì)造成目標(biāo)信噪比下降，成像模糊，像面對(duì)比度下降，進(jìn)而影響光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別、探測(cè)能力以及成像性能，甚至?xí)贡惶綔y(cè)目標(biāo)湮沒在背景噪聲中，無法提取目標(biāo)，或者在像面上形成偽目標(biāo)，導(dǎo)致整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)失效。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，歐洲衛(wèi)星組織的地球同步衛(wèi)星Meteosat-5/7系列成像儀、美國(guó)的靜止氣象衛(wèi)星GOES-I/M的光學(xué)系統(tǒng)成像性能都受到過雜散光的影響，后者還曾因?yàn)槭艿诫s散光的干擾被迫短期暫停使用。我國(guó)首顆地球靜止軌道氣象監(jiān)測(cè)衛(wèi)星FY-2能夠?qū)崿F(xiàn)定向覆蓋、連續(xù)遙感地球表面與大氣分布情況，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、時(shí)間分辨率高、客觀性和生動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，其獲取的各通道原始圖像質(zhì)量與國(guó)外同類衛(wèi)星觀測(cè)能力相當(dāng)，但在獲得的氣象觀測(cè)圖像中存在著明顯的雜散光。所以，抑制、衰減空間光學(xué)系統(tǒng)的雜散光是實(shí)現(xiàn)合理的光學(xué)設(shè)計(jì)、保證預(yù)定成像質(zhì)量的重要前提，不容忽視。

本文對(duì)采用離軸三反一次成像(Wetherell TMA)光學(xué)系統(tǒng)的某空間遙感器的遮光罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出一種大尺寸、輕質(zhì)量、高剛度的結(jié)構(gòu)；并在不同工況條件下，對(duì)其合理性進(jìn)行了分析；通過熱真空、熱光學(xué)試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)以及系統(tǒng)傳遞函數(shù)檢測(cè)等多種檢測(cè)手段對(duì)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性、功能進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該遮光罩結(jié)構(gòu)在具備消雜光功能的同時(shí)能夠符合遙感器發(fā)射的條件。

2遮光罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

2.1遮光罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中，遮光罩安裝于光學(xué)系統(tǒng)的前端，其底部、后側(cè)與主支撐框架用螺釘聯(lián)接。外形設(shè)計(jì)時(shí)，為避免遮擋入射光線，遮光罩外形與入射光線角度相符，同時(shí)，兼顧支撐框架連接部位的外形特征，故將離軸三反空間相機(jī)的遮光罩外形設(shè)計(jì)成楔形，即前端開口處高、寬，后端扁、窄。外廓尺寸為1 100 mm×1 100 mm×400 mm。內(nèi)部設(shè)置橫向環(huán)形光闌和縱向加強(qiáng)筋，高30 mm，間隔300 mm。設(shè)定遮光罩殼體初步厚度均為1.5 mm，重量為4 kg，如圖1所示。

碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料遮光罩是單層板按照不同角度鋪設(shè)而成的層壓板，所以，遮光罩前端底部與主支撐框架接觸面為非加工面，面形精度無法保證，這就使得遮光罩在各螺釘聯(lián)接位置與主支撐框架之間間隙不完全相同，存在差異。遮光罩與主支撐框架在用螺釘緊固聯(lián)接時(shí)，各螺釘迫使遮光罩局部區(qū)域產(chǎn)生不同程度變形，以保證與主支撐框架充分接觸。遮光罩具有一定的剛度，為減小、克服自身的變形，產(chǎn)生不同大小的抵抗螺釘緊固力的反方向作用力，并通過螺釘傳導(dǎo)到主支撐框架上，引起主支撐框架內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，甚至是變形，影響了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

若遮光罩前端采用封閉式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度會(huì)較高，對(duì)主支撐框架穩(wěn)定性的影響也較大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成像質(zhì)量下降，甚至無法成像；采用開口式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，弱化了遮光罩自身的結(jié)構(gòu)剛度，降低了螺釘聯(lián)接對(duì)主支撐框架的的影響，提高了主支撐框架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性。開口式遮光罩及與主支撐框架聯(lián)接示意圖如圖2。

圖2　遮光罩與主支撐框架聯(lián)接簡(jiǎn)圖 Fig.2　Conjunction of the baffle and supporting frame

2.2遮光罩材料的選擇

遮光罩選用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastic,CFRP)T700作為加工材料。碳纖維是一種含碳量在90%以上的不完全石墨結(jié)晶化的纖維狀碳素材料，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料是以碳或石墨纖維為增強(qiáng)體的樹脂基復(fù)合材料。目前，CFRP越來越多地被空間光學(xué)結(jié)構(gòu)所采用如光學(xué)平臺(tái)、精密儀器支撐結(jié)構(gòu)件、太空望遠(yuǎn)鏡支架、輕體光學(xué)反射鏡鏡體等，這主要得益于其優(yōu)越的性能[10-11]。

2.3建立有限元模型

如果拋開主支撐框架，僅把遮光罩單獨(dú)作為分析對(duì)象，進(jìn)行模態(tài)分析、動(dòng)力學(xué)分析，在定義約束時(shí)會(huì)與實(shí)際工況有很大差別，分析結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大誤差。故選擇將遮光罩與主支撐框架模型裝配成組后，一起在分析軟件中建立有限元模型進(jìn)行分析。主支撐框架采用三維體單元?jiǎng)澐?，遮光罩采用二維殼單元?jiǎng)澐?，共?jì)42 979個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 597個(gè)殼單元，20 269個(gè)體單元，并定義主支撐框架底部聯(lián)接面位置6個(gè)自由度全約束，有限元模型如圖3所示。

圖3　遮光罩與主支撐框架有限元模型 Fig.3　FEM model of the baffle and supporting frame

2.4組件模態(tài)分析

將選定的遮光罩方案進(jìn)行模態(tài)分析，得到遮光罩的前三階自然頻率和振型，從而判斷其是否具備良好的動(dòng)態(tài)剛度。自然頻率越大，動(dòng)態(tài)剛度就越高，結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定，避免遙感器發(fā)射入軌時(shí)出現(xiàn)破壞、撕裂現(xiàn)象，不會(huì)影響到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和遙感器成像質(zhì)量。

遮光罩選定的設(shè)計(jì)方案前三階振型圖如圖4所示。通過對(duì)遮光罩設(shè)計(jì)方案前三階自然頻率及振型分析(圖4，表1)可以看出，遮光罩1階頻率較低，前三階響應(yīng)較大的位置都集中在遮光罩前端居中位置。但遮光罩不是承力部件，主要作用為遮攔雜散光，可以放寬要求，但需要通過動(dòng)力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)來最終檢驗(yàn)其是否滿足設(shè)計(jì)需求和發(fā)射時(shí)的動(dòng)力學(xué)環(huán)境。

圖4　遮光罩前三階振型圖 Fig.4　First 3rd order modes shapes

表1　遮光罩前3階自然頻率及振型描述

2.5頻率響應(yīng)分析

將模態(tài)分析優(yōu)選出的方案參照鑒定級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)條件進(jìn)行頻率響應(yīng)分析計(jì)算，以驗(yàn)證遮光罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，避免結(jié)構(gòu)在承受正弦載荷時(shí)失效、破壞。

圖5　加速度響應(yīng)曲線 Fig.5　Acceleration response curve

圖6　應(yīng)力變形云圖 Fig.6　Stress contour diagram

圖7　位移變形云圖 Fig.7　Displacement contour diagram

通過頻率響應(yīng)分析，得到了遮光罩加速度響應(yīng)曲線(圖5)、遮光罩1階位移云圖(圖6)和1階應(yīng)力云圖(圖7)。

從遮光罩加速度響應(yīng)曲線可以看出，遮光罩在1階頻率處動(dòng)態(tài)響應(yīng)最大；觀察遮光罩1階位移云圖和1階應(yīng)力云圖可以看出，在遮光罩上板前端居中位置位移變形量最大，為2.38 mm，變形方向?yàn)樯习宓拇怪狈较?；遮光罩前端?根環(huán)形筋兩端圓角處應(yīng)力值最大，為3.4 MPa，遠(yuǎn)小于CFRP的抗拉強(qiáng)度極限。

2.6遮光罩熱彈力分析

遮光罩與主支撐框架制造、加工選材不同，線脹系數(shù)存在較大差異。環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，線脹系數(shù)的差異會(huì)使得遮光罩與主支撐框架產(chǎn)生不同的變形量，在聯(lián)接位置引起或拉或壓的應(yīng)力變化，可能導(dǎo)致各光學(xué)元件位置變化，最終影響相機(jī)在軌成像質(zhì)量。

為了比較相機(jī)熱環(huán)境在±4 ℃溫度變化時(shí)，遮光罩的熱變形對(duì)主支撐框架的影響而引起的變形情況，對(duì)主支撐框架在與遮光罩裝配前、后兩種狀態(tài)進(jìn)行±4 ℃溫度變化的熱彈力分析，比較主支撐框架的變形差異，從而判斷遮光罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。

遮光罩與主支撐框架裝配前后，4 ℃溫度變化時(shí)主支撐框架最大變形如圖8、9，變形量分別為6.53×10-2mm、6.61×10-2mm，變形量增大8×10-4mm，占裝配前變形量的1.22%，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

圖8　框架4 ℃溫度變形 Fig.8　Supporting frame′s displacement contours for 4 ℃ temperature change

圖9　遮光罩裝配后框架4 ℃溫度變形 Fig.9　Supporting frame′s displacement contours for 4 ℃ temperature change with baffle

2.7遮光罩重力分析

主支撐框架在與遮光罩裝配前、后兩種狀態(tài)進(jìn)行1 g重力分析，比較主支撐框架兩種狀態(tài)的變形情況，判斷遮光罩對(duì)主支撐框架結(jié)構(gòu)的影響。

圖10　1 g重力作用下主支撐框架X方向變形 Fig.10　Supporting frame′s displacement contours in X-direction under 1 g gravity

圖11　遮光罩裝配后1 g重力作用下主支撐框架X方向變形 Fig.11　Supporting frame′s displacement contours in X-direction under 1 g gravity with baffle

從分析計(jì)算結(jié)果(圖10、圖11，表2)可以看出，主支撐框架與遮光罩裝配后，1 g重力載荷作用下，X向、Y向、Z向重力變形變化很小，最大不超過1 μm，且重力最大變形位置遠(yuǎn)離反射鏡組件聯(lián)接位置，不會(huì)影響鏡面面形精度、系統(tǒng)成像質(zhì)量，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

表2　遮光罩裝配前后1g重力作用下主支撐框架變形結(jié)果

2.8遮光罩雜散光分析

將光學(xué)系統(tǒng)各反射鏡組件、遮光罩及主支撐框架三維模型導(dǎo)入到光學(xué)仿真軟件Tracepro中進(jìn)行雜散光分析，如圖12。

圖12　Tracepro雜散光分析模型 Fig.12　Stray light analyse model by Tracepro

圖13中，主鏡、次鏡、第三鏡均為離軸二次非球面，系統(tǒng)無中心遮攔，僅一次成像，視場(chǎng)為17°×6.5°。折疊鏡為平面反射鏡，用于折轉(zhuǎn)光路，進(jìn)而縮短系統(tǒng)尺寸。

圖13　BRDF模型中的參數(shù) Fig.13　Parameters of BRDF model

利用雙向反射分布函數(shù)BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)的ABg模型表示材料表面的反射特性，表達(dá)式為：

(1)

各材料表面的具體參數(shù)如下[12-13]：

(1)SiC反射鏡表面：λ=10μm，r≥95%，BRDF模型A=0.001 5，B=0.001 4，g=2；

(2)框架、遮光罩及擋光環(huán)(表面噴Z306黑漆):α=90%，r≥2%，BRDF模型A=0.006 6，B=0.1，g=2；

(3)CCD探測(cè)器：α=100%。

其中：λ為波長(zhǎng)；α為吸收率；r為反射率。

采用歸一化的點(diǎn)源透過率PST(PointSourceNormalizedIrradianceTransmittance)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的雜散輻射水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。PST是反映光學(xué)系統(tǒng)自身抑制雜散光能力的參數(shù)，與雜散光源無關(guān)。其定義為光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)外某一離軸角度θ的點(diǎn)光源發(fā)出的雜散光，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后在CCD探測(cè)器上的輻射照度E(θ)與該點(diǎn)光源在光學(xué)系統(tǒng)入口處的輻射照度Ei(θ)的比值[14-15]，其大小為：

(2)

計(jì)算得到的PST值越小，表明光學(xué)系統(tǒng)抑制雜散光的能力越強(qiáng)。

在Tracepro中設(shè)置光線追跡閾值為1×10-7，選取1 800根光線進(jìn)行追跡，擬定兩種追跡方案：

(1)X方向，視場(chǎng)外離軸角度在0°～+50°之間，選取21個(gè)角度進(jìn)行光線追跡，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制PST分布曲線，如圖14。

圖14　X方向PST曲線 Fig.14　PST curve in X direction

圖15　Y方向PST曲線 Fig.15　PST curve in Y direction

(2)Y方向，離軸角度在-50°～+50°之間，選取47個(gè)角度進(jìn)行光線追跡，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制PST分布曲線，如圖15。

通過以上X、Y兩個(gè)方向離軸角度的雜散光追跡，可以看出PST都達(dá)到了1×10-3～1×10-6水平。表明，本文設(shè)計(jì)的大尺寸遮光罩具備了消雜光的功能特點(diǎn)，使得離軸三反一次成像(Wetherell TMA)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于外部雜散光的抑制能夠滿足成像質(zhì)量要求。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1遮光罩力學(xué)試驗(yàn)

考慮到?jīng)_擊、過載、振動(dòng)等因素對(duì)空間光學(xué)遙感器的影響，為了確保其順利發(fā)射成功、在軌正常工作，必須要在地面試驗(yàn)室再現(xiàn)空間光學(xué)遙感器地面運(yùn)輸和發(fā)射飛行過程中所經(jīng)歷的振動(dòng)環(huán)境，以考驗(yàn)遙感器及遙感器上的儀器設(shè)備經(jīng)受該環(huán)境的能力。

遮光罩與主支撐框架裝配成組后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)，檢驗(yàn)遮光罩的動(dòng)力學(xué)性能。遮光罩通過25個(gè)M4螺釘、8個(gè)M5螺釘與主支撐框架聯(lián)接，主支撐框架通過36個(gè)M8螺釘與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)聯(lián)接，如圖16所示。

圖16　遮光罩、支撐框架聯(lián)接后與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)聯(lián)接狀態(tài) Fig.16　Conjunction state of baffle and supporting frame on the vibration test bench

在遮光罩動(dòng)力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)過程中，遮光罩未出現(xiàn)異常聲響，遮光罩表面噴涂的消雜散光黑漆未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，緊固螺釘未出現(xiàn)松動(dòng)、與遮光罩及主支撐框架分離現(xiàn)象。

遮光罩動(dòng)力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果以特征值掃描曲線、加速度響應(yīng)曲線形式輸出。遮光罩正弦振動(dòng)試驗(yàn)前0.2 g特征值掃描曲線、正弦振動(dòng)加速度響應(yīng)曲線、正弦振動(dòng)試驗(yàn)后0.2 g特征值掃描曲線，如圖17～圖19所示。

圖17　X方向振動(dòng)試驗(yàn)前0.2 g特征值掃描曲線 Fig.17　0.2 g eigenvalue scanning frequency response in X direction acceleration before vibration test

圖18　X方向正弦振動(dòng)加速度響應(yīng)曲線 Fig.18　Response curves in X direction acceleration under sinusoidal vibration

圖19　X方向振動(dòng)試驗(yàn)后0.2 g特征值掃描曲線 Fig.19　0.2 g eigenvalue scanning frequency response in X direction acceleration after vibration test

將遮光罩X、Y、Z方向正弦振動(dòng)前后0.2 g特征值掃描曲線及正弦振動(dòng)加速度響應(yīng)曲線中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，得到表3所示力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果。

表3　遮光罩動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)遮光罩與主支撐框架試驗(yàn)組件0.2 g正弦掃頻測(cè)得諧振頻率達(dá)175 Hz以上，遠(yuǎn)高于整機(jī)提出的1階頻率高于90 Hz的要求；

(2)遮光罩上板前端居中位置結(jié)構(gòu)剛度最差，在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)響應(yīng)較大，變形情況較嚴(yán)重，這與有限元分析結(jié)果相符，但試驗(yàn)后檢查遮光罩上板前端居中位置，并未發(fā)現(xiàn)明顯變形，未發(fā)生破壞或撕裂現(xiàn)象，表明遮光罩具備經(jīng)受遙感器發(fā)射時(shí)振動(dòng)環(huán)境的能力，不需要做設(shè)計(jì)加強(qiáng)處理；

(3)試驗(yàn)組件X、Y、Z3個(gè)方向正弦振動(dòng)前后0.2 g正弦掃頻測(cè)得頻率無明顯變化，表明主支撐框架結(jié)構(gòu)未受到振動(dòng)試驗(yàn)的影響，具備良好的動(dòng)力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)也表明遮光罩設(shè)計(jì)合理，未影響主支撐框架的尺寸穩(wěn)定性。

在遮光罩進(jìn)行力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)前后，利用平行光管進(jìn)行相機(jī)整機(jī)光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)檢測(cè)[16]，如圖20所示。實(shí)際測(cè)試使用的是黑白光柵靶，測(cè)得的是相機(jī)的對(duì)比度傳遞函數(shù)，可通過調(diào)制度傳函MTF與CTF的關(guān)系式:

(3)

圖20　X方向正弦振動(dòng)加速度響應(yīng)曲線 Fig.20　Response curves of X direction acceleration

來計(jì)算相機(jī)傳函。各視場(chǎng)對(duì)比度傳遞函數(shù)CTF檢測(cè)結(jié)果基本一致(排除溫度、環(huán)境等對(duì)檢測(cè)的影響)，均在0.28～0.30左右，計(jì)算得到MTF優(yōu)于0.22，如表4所示。傳函檢測(cè)結(jié)果表明遮光罩經(jīng)歷力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)對(duì)主支撐框架的穩(wěn)定性沒有影響。

表4　遮光罩力學(xué)試驗(yàn)前后傳函檢測(cè)數(shù)據(jù)

3.2熱真空檢測(cè)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證相機(jī)遮光罩及相機(jī)結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)的正確性，考核系統(tǒng)適應(yīng)空間環(huán)境的能力，在真空罐內(nèi)對(duì)相機(jī)進(jìn)行熱真空試驗(yàn)。相機(jī)的工作溫度范圍為16 ℃～24 ℃((20±4) ℃)，因此在熱真空試驗(yàn)中設(shè)置兩個(gè)溫度循環(huán)，每一個(gè)溫度循環(huán)中設(shè)計(jì)16 ℃真空保持和24 ℃真空保持。

(1)真空罐內(nèi)真空度：優(yōu)于1.3×10-3Pa；

(2)熱沉溫度：不高于-173.15 ℃；

(3)16 ℃真空保持真空罐系統(tǒng)達(dá)到試驗(yàn)要求后，相機(jī)調(diào)溫參數(shù)設(shè)為16 ℃，穩(wěn)定(溫度變化≤3 ℃/h)后連續(xù)工作≥12 h。

(4)真空罐系統(tǒng)達(dá)到試驗(yàn)要求后，相機(jī)調(diào)溫參數(shù)設(shè)為24 ℃，穩(wěn)定(溫度變化≤3 ℃/h)后連續(xù)工作≥12 h。

熱真空檢測(cè)試驗(yàn)前后，測(cè)試成像系統(tǒng)不同視場(chǎng)的靜態(tài)傳遞函數(shù)。試驗(yàn)前后，傳函數(shù)值沒有明顯變化，如表5。

表5　遮光罩熱真空試驗(yàn)前后傳函檢測(cè)數(shù)據(jù)

3.3熱光學(xué)檢測(cè)試驗(yàn)

光學(xué)系統(tǒng)各反射鏡組件及遮光罩與相機(jī)主支撐框架裝配完成后，為驗(yàn)證±4 ℃溫度變化時(shí)遮光罩對(duì)相機(jī)系統(tǒng)光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性的影響，對(duì)相機(jī)成像系統(tǒng)開展熱光學(xué)檢測(cè)試驗(yàn)，即在環(huán)境真空度不低于1.3×10-3Pa、內(nèi)部環(huán)境溫度在16 ℃～24 ℃范圍內(nèi)的條件下，分別測(cè)試成像系統(tǒng)不同視場(chǎng)的靜態(tài)傳遞函數(shù),如圖21所示。

16 ℃、20 ℃、24 ℃溫度條件下光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)檢測(cè)結(jié)數(shù)據(jù)如表6所示。

圖21　熱真空光學(xué)檢測(cè)試驗(yàn) Fig.21　Thermal vacuum imaging test

測(cè)量狀態(tài)CCD1CCD2CCD3CCD4CCD5CCD616℃CTF0.2690.2730.2720.2810.2690.267MTF0.2110.2140.2130.2210.2110.20920℃CTF0.2680.2730.2700.2780.2710.263MTF0.2110.2140.2120.2180.2130.20724℃CTF0.2640.2680.2710.2790.2640.264MTF0.2070.2110.2130.2190.2070.207

通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

(1)成像系統(tǒng)在真空和規(guī)定工作溫度范圍16 ℃～24 ℃內(nèi)，其平均MTF>0.2，滿足總體指標(biāo)要求。

(2)成像系統(tǒng)中心視場(chǎng)傳函數(shù)值高于邊緣視場(chǎng)傳函數(shù)值，兩個(gè)邊緣視場(chǎng)傳函數(shù)值比較接近。

4結(jié)論

針對(duì)離軸三反空間光學(xué)系統(tǒng)(Wetherell TMA)，本文設(shè)計(jì)了一種滿足其消除雜散光應(yīng)用的大尺寸遮光罩，外廓尺寸為1 100 mm×1 100 mm×400 mm。利用有限元分析軟件，將遮光罩與主支撐框架裝配后的組件進(jìn)行了模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析、熱彈力分析以及重力分析，分析結(jié)果表明：遮光罩具備足夠的剛度，不會(huì)在振動(dòng)環(huán)境下撕裂、破壞；且遮光罩與主支撐框架裝配前后，對(duì)主支撐框架結(jié)構(gòu)精度、穩(wěn)定性無明顯影響。利用Tracepro軟件對(duì)X、Y兩個(gè)方向離軸角度的雜散光追跡，進(jìn)行雜散光分析，點(diǎn)源透過率PST都達(dá)到了1×10-3～1×10-6水平，表明設(shè)計(jì)的遮光罩具備了良好的消雜光的功能特點(diǎn)，對(duì)于外部雜散光的抑制能夠滿足成像質(zhì)量要求。

試制了碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的遮光罩試驗(yàn)件，與主支撐框架裝配成組后進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)、熱試驗(yàn)，試驗(yàn)前后、試驗(yàn)過程中對(duì)光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，各視場(chǎng)對(duì)比度傳遞函數(shù)CTF檢測(cè)結(jié)果基本一致，均在0.28～0.30左右，計(jì)算得到MTF優(yōu)于0.22。分析及試驗(yàn)結(jié)果表明該遮光罩具備良好的穩(wěn)定性、可靠性，能夠滿足航天使用要求。

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收稿日期:2016-03-03；

修訂日期:2016-04-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(No.863-2-5-1-13B)

文章編號(hào)2095-1531(2016)04-0472-11

中圖分類號(hào)：V445.8； TH16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3788/CO.20160904.0472

作者簡(jiǎn)介：

齊　光(1981—)，男，吉林白城人，碩士，助理研究員,2005年于天津大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2015年于吉林大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)儀器光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：ygwx01@163.com

Design and test verification of baffle for off-axis three-mirror space optical remote sensor

QI Guang*, WANG Shu-xin, LI Jing-lin, JIAO Ai-xiang

(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)*Correspondingauthor,E-mail:ygwx01@163.com

Abstract:The baffle is an important component of the space optical remote sensor, which is the main way to weaken the stray light from the out-of-field radiation source, and the imaging quality of the space optical remote sensor is dependent on the baffle′s performance. In this paper, a large size baffle layout will be designed to meet the off-axis Wetherell TMA optical system. The baffle is made of carbon fiber reinforced polymer(CFRP). The FEM analysis, stray light analysis, mechanical vibration test and optical system MTF test are used to verify the usage requirement in aerospace. Results show that the MTF of the optical remote sensor can reach up to 0.2 in each field of view. It is indicated that the baffle has stable structure and good reliability and can meet the requirements of space applications.

Key words:space optical remote sensor;baffle;stability;FEM;stray light analysis

Supported by National High-tech R&D Program of China(No.863-2-5-1-13B)