王克軍，董吉洪，朱時(shí)雨，李威，孟慶宇

天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)主光機(jī)在線裝調(diào)技術(shù)研究

王克軍*，董吉洪，朱時(shí)雨，李威，孟慶宇

（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）

天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)采用了離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，指標(biāo)精度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研制周期短。鑒于上述要求，對(duì)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并應(yīng)用到天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)主光機(jī)結(jié)構(gòu)的裝調(diào)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)使天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)主光機(jī)結(jié)構(gòu)的裝調(diào)指標(biāo)迅速收斂。各個(gè)視場(chǎng)的平均系統(tǒng)波像差優(yōu)于/14，在特征頻率57.1 lp/mm的平均傳遞函數(shù)0.381。此外，對(duì)主光機(jī)結(jié)構(gòu)開展了一系列的環(huán)境模擬試驗(yàn)，包括力學(xué)應(yīng)力篩選試驗(yàn)、高低溫循環(huán)試驗(yàn)和失重環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。在經(jīng)歷試驗(yàn)后，各技術(shù)指標(biāo)均變化很小，基本滿足總體設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。天問(wèn)一號(hào)成功發(fā)射，傳回了清晰的火星照片，進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)的裝調(diào)效果。

天問(wèn)一號(hào)；空間遙感器；系統(tǒng)裝調(diào)；離軸三反；力學(xué)試驗(yàn)

1 引　言

空間遙感相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局主要包括三種：折射式、折反式和全反式。光學(xué)系統(tǒng)全部由透鏡組成的叫做折射式光學(xué)系統(tǒng)，既有透鏡又有反射鏡組成的叫做折反射式系統(tǒng)，全部由反射鏡構(gòu)成的叫做全反式系統(tǒng)。

簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)可憑借裝調(diào)人員的裝調(diào)經(jīng)驗(yàn)、觀察星點(diǎn)、鑒別率等完成光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)，周期長(zhǎng)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著空間觀測(cè)指標(biāo)的增高，光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，尤其是對(duì)于復(fù)雜的離軸多反光學(xué)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的裝調(diào)方法已經(jīng)無(wú)能為力，計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)，得到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)波像差，對(duì)該波像差進(jìn)行處理和優(yōu)化，確定光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)光學(xué)組件的調(diào)整方向及調(diào)整量，實(shí)現(xiàn)各個(gè)光學(xué)元件的最佳位置裝配，保證光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量接近理論設(shè)計(jì)值［1-3］。

本文基于天問(wèn)一號(hào)選用的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的高精度指標(biāo)設(shè)計(jì)和短周期裝調(diào)要求，深入研究了計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)的基本理論，結(jié)合天問(wèn)一號(hào)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在線快速裝調(diào)，并對(duì)系統(tǒng)開展各項(xiàng)環(huán)模試驗(yàn)和測(cè)試。

2 離軸三反計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)理論

光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)是利用實(shí)測(cè)的手段獲得光學(xué)系統(tǒng)的波像差系數(shù)，利用計(jì)算機(jī)建立系統(tǒng)模型獲得光學(xué)系統(tǒng)中各個(gè)光學(xué)元件的失調(diào)量大小以及方向，確定裝調(diào)的開展方向，進(jìn)行有限次數(shù)的迭代，保證最終的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)像質(zhì)接近光學(xué)系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)值，接近或達(dá)到系統(tǒng)的衍射極限。在理想情況下，光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)像差是能達(dá)到設(shè)計(jì)值的。在面形誤差達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，如果光學(xué)元件存在失調(diào)，將帶來(lái)系統(tǒng)像差的變化，光學(xué)元件的失調(diào)量與系統(tǒng)像差之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。所以，如果已知系統(tǒng)像差，通過(guò)建立光學(xué)元件的失調(diào)量數(shù)學(xué)模型，也就是失調(diào)矩陣，可以獲得光學(xué)元件的失調(diào)量。

建立光學(xué)元件失調(diào)量數(shù)學(xué)模型-失調(diào)矩陣是開展計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)的必要環(huán)節(jié)，所建數(shù)學(xué)模型的精度與光學(xué)元件失調(diào)量求解的精度直接相關(guān)，建立失調(diào)量數(shù)學(xué)模型的常用方法有逆向優(yōu)化法（評(píng)價(jià)函數(shù)回歸法）、靈敏度矩陣法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、矢量像差法、差分波前采樣法、遺傳算法等［4-7］。在此，詳細(xì)介紹應(yīng)用較多的逆向優(yōu)化法和靈敏度矩陣法。

2.1　逆向優(yōu)化法

在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)參量進(jìn)行整體優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)是獲得滿足指標(biāo)要求的光學(xué)系統(tǒng)，誤差函數(shù)的值則代表了光學(xué)系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)值與設(shè)計(jì)人員給出的設(shè)計(jì)目標(biāo)值的偏差，在最理想情況下，誤差函數(shù)值應(yīng)該是零。在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODE V 中誤差函數(shù)如公式1所示：

2.2　靈敏度矩陣法

利用矩陣形式表示上述方程組可大大簡(jiǎn)化該表達(dá)式。

則（4）式可簡(jiǎn)單處理成：

靈敏度矩陣法的使用前提是光學(xué)系統(tǒng)的像差和失調(diào)量函數(shù)關(guān)系符合線性關(guān)系，而實(shí)際情況是該線性關(guān)系只有在失調(diào)量很小的情況下近似成立；也就是說(shuō)，裝調(diào)誤差很小時(shí)，計(jì)算出的失調(diào)量準(zhǔn)確度高，失調(diào)量很大時(shí)，計(jì)算出的失調(diào)量誤差很大，對(duì)裝調(diào)來(lái)說(shuō)意義不大。逆向優(yōu)化法在失調(diào)量大的情況下也有很高的精度，克服了靈敏度矩陣法的缺點(diǎn)。但是，逆向優(yōu)化法是基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的自動(dòng)優(yōu)化功能來(lái)獲得系統(tǒng)失調(diào)量，假如光學(xué)系統(tǒng)失調(diào)量個(gè)數(shù)很多，優(yōu)化耗時(shí)會(huì)很長(zhǎng)。

3 光學(xué)系統(tǒng)及主光機(jī)結(jié)構(gòu)形式

3.1　光學(xué)系統(tǒng)

離軸三反光學(xué)系統(tǒng)是以三反消像散為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)，離軸三反光學(xué)系統(tǒng)舍棄光學(xué)對(duì)稱性，增加鏡面偏心和偏軸等自由度，增加了像差校正的自由度，增加了視場(chǎng)角度，常作為空間光學(xué)遙感光學(xué)系統(tǒng)的重要選型。天問(wèn)一號(hào)遙感器的光學(xué)系統(tǒng)采用了離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)布局形式見圖1。

圖1　天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局

天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)為：

（a）焦距′=4 640 mm；

（b）通光口徑D=387 mm；

（c）12；

（d）視場(chǎng)角2=2°（9 km幅寬對(duì)應(yīng)視場(chǎng)角：2=1.95°）；

（e）系統(tǒng)波像差優(yōu)于/14（包括加工殘差和裝配殘差等）；

（f）光學(xué)傳遞函數(shù)在632.8 nm譜段上的全視場(chǎng)靜態(tài)平均MTF優(yōu)于0.34@57 lp/mm（包括加工殘差和裝配殘差等）。

（g）像面長(zhǎng)度2＞157.90 mm（對(duì)應(yīng)星下點(diǎn)9 km幅寬）；

（h）像面寬度2=56.13 mm（考慮TDI CCD拼接、彩色TDI CCD通道與面陣CMOS）。

3.2　光機(jī)結(jié)構(gòu)

天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)的主光機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括：框架、主鏡、次鏡、三鏡和調(diào)焦鏡，調(diào)焦鏡將系統(tǒng)焦面折轉(zhuǎn)到主三鏡之間的位置，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊，主光機(jī)結(jié)構(gòu)詳見圖2。主光機(jī)結(jié)構(gòu)裝調(diào)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)指標(biāo)是系統(tǒng)波像差和傳遞函數(shù)。

圖2　天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)主光機(jī)結(jié)構(gòu)

4 主光機(jī)結(jié)構(gòu)裝調(diào)

4.1　裝調(diào)技術(shù)要求與難點(diǎn)分析

（1）單鏡面形RMS值優(yōu)于/50（=632.8 nm）；

（2）裝調(diào)檢測(cè)環(huán)境溫度：20 ℃±2 ℃；

（3）各個(gè)視場(chǎng)的平均系統(tǒng)波像差優(yōu)于/14；

（4）MTF要求：采用位相法檢測(cè)，在632.8 nm譜段全視場(chǎng)靜態(tài)平均MTF優(yōu)于0.34@57 lp/mm。

天問(wèn)一號(hào)有效通光口徑為387 mm，離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，三塊反射鏡，每個(gè)反射鏡有六個(gè)空間自由度，共計(jì)十八個(gè)空間自由度，空間定位難度大。

考慮發(fā)射成本，整個(gè)相機(jī)開展了高度的輕量化設(shè)計(jì)，尤其是反射鏡組件和框架組件，輕量化率很大，剛度和強(qiáng)度均有大幅度的降低，對(duì)外界載荷如裝配應(yīng)力等因素的敏感度更高。

4.2　裝調(diào)策略

天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)主光機(jī)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)裝調(diào)分為粗調(diào)和精調(diào)，粗調(diào)采用補(bǔ)償器穿軸的手段完成，精調(diào)采用計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)靈敏度矩陣法來(lái)完成。粗調(diào)將各個(gè)反射鏡調(diào)整到接近理論位置，作為利用靈敏度矩陣法進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)的精度基礎(chǔ)，而靈敏度法計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)的前提恰恰是光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)元件的各個(gè)自由度的失調(diào)量不能太大。

在離軸三反光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)中，首先要確定需要調(diào)整的自由度參數(shù)。系統(tǒng)中共有三個(gè)反射鏡，每個(gè)反射鏡有6個(gè)自由度，共18個(gè)調(diào)整自由度。根據(jù)反射鏡的公差情況，先固定一個(gè)反射鏡，即可減少6個(gè)自由度；由于該光學(xué)系統(tǒng)三塊反射鏡共母軸且母鏡鏡面繞母軸回轉(zhuǎn)對(duì)稱，可去掉次、三鏡繞光軸的旋轉(zhuǎn)的自由度；所以，在裝調(diào)中，需要調(diào)整的自由度為10個(gè)。

光機(jī)結(jié)構(gòu)的裝調(diào)過(guò)程就是調(diào)整參數(shù)的過(guò)程，主要是由理論計(jì)算和實(shí)際操作兩部分構(gòu)成。理論計(jì)算是確定裝調(diào)方向和調(diào)整量，實(shí)際操作則是實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算，裝調(diào)流程見圖3。

圖3　裝調(diào)流程

對(duì)光學(xué)加工完成后的各個(gè)光學(xué)反射鏡進(jìn)行檢測(cè)，獲得反射鏡實(shí)際的光學(xué)參數(shù)（如半徑，離軸量，面形等）。面形參數(shù)（頂點(diǎn)半徑、二次曲面系數(shù)、離軸量等）的加工誤差，可以通過(guò)調(diào)節(jié)各鏡面間間隔加以補(bǔ)償；各個(gè)鏡面和像面的位置誤差，在地面裝調(diào)時(shí)可以有多個(gè)相互補(bǔ)償?shù)沫h(huán)節(jié)，例如可通過(guò)控制像面的離焦量加以補(bǔ)償。

將實(shí)際反射鏡的光學(xué)參數(shù)重新帶入到光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，重新確定系統(tǒng)間隔等光學(xué)參數(shù)，從新公差分析得出各反射鏡的公差，根據(jù)各反射鏡的公差嚴(yán)格程度來(lái)判斷裝調(diào)基準(zhǔn)，即公差最嚴(yán)的反射鏡作為固定基準(zhǔn)，其它參數(shù)就是要調(diào)整的參數(shù)。同時(shí)在公差分析中，對(duì)所確定的調(diào)整參數(shù)，分析計(jì)算出調(diào)整的靈敏度矩陣，確定調(diào)整參數(shù)的優(yōu)先級(jí)，明確調(diào)整參數(shù)的先后順序，從而指導(dǎo)裝調(diào)迅速收斂［8-11］。

4.3　光學(xué)裝調(diào)

選用高精度的大理石平臺(tái)做基準(zhǔn)平臺(tái)，采用激光跟蹤儀或便攜式測(cè)量臂調(diào)整標(biāo)定三個(gè)補(bǔ)償器的空間位置，依據(jù)三個(gè)補(bǔ)償器各自與對(duì)應(yīng)反射鏡的相對(duì)位置關(guān)系，利用基準(zhǔn)傳遞，確定三個(gè)反射鏡組件的空間位置，利用干涉儀粗調(diào)系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)波像差。以此系統(tǒng)波像差為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)確定各個(gè)反射鏡的失調(diào)量并調(diào)整，檢測(cè)各個(gè)視場(chǎng)的像質(zhì)和傳函，監(jiān)視三個(gè)反射鏡組件的空間位置，調(diào)整框架，令主鏡與框架無(wú)應(yīng)力連接。按照理論位置安裝調(diào)焦鏡組件，將焦面引出到主三鏡組件的理論位置，監(jiān)視系統(tǒng)像質(zhì)及各個(gè)反射鏡的空間位置，測(cè)量并修研次鏡調(diào)整墊，將次鏡與框架無(wú)應(yīng)力連接。監(jiān)視系統(tǒng)像質(zhì)，測(cè)量及修研三鏡組件修研墊，將三鏡組件與框架無(wú)應(yīng)力連接，修研調(diào)焦鏡修研墊并連接，測(cè)量系統(tǒng)各個(gè)視場(chǎng)的像質(zhì)、焦距、分辨率和靜態(tài)傳函，合格后將基準(zhǔn)傳遞至框架，安裝調(diào)整指向棱鏡。

431光學(xué)系統(tǒng)粗裝調(diào)

相機(jī)的三個(gè)非球面反射鏡共計(jì)18個(gè)自由度，包括9個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)量和9個(gè)平移量，分解后單獨(dú)測(cè)量、單獨(dú)調(diào)整，角度用自準(zhǔn)式光管和經(jīng)緯儀測(cè)量，平移用高度尺、測(cè)桿測(cè)量。

光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)主要就是各個(gè)反射鏡平移量和旋轉(zhuǎn)量的調(diào)整，光學(xué)粗裝調(diào)是低精度裝調(diào)，粗裝調(diào)的目的是快速建立精裝調(diào)的基礎(chǔ)。

粗裝調(diào)前檢測(cè)三個(gè)反射鏡組件和調(diào)焦鏡的鏡面面形誤差，確保每個(gè)組件的面形精度優(yōu)于/50（=632.8 nm），見圖4～圖7。

采用三坐標(biāo)精測(cè)鏡組件上與框架連接法蘭面的平面度、框架上與鏡組件連接法蘭面的平面度，防止裝配應(yīng)力引入單鏡組件面形的變化。

將主鏡組件按照理論位置直接固定于桁架組件，配打銷釘。利用主鏡補(bǔ)償器和干涉儀檢測(cè)主鏡面形，將主鏡的位置基準(zhǔn)傳遞到主鏡補(bǔ)償器上，按照主鏡補(bǔ)償器和三鏡補(bǔ)償器理論位置關(guān)系，以主鏡補(bǔ)償器作為基準(zhǔn)，利用激光跟蹤儀確定三鏡補(bǔ)償器的空間位置，再以三鏡補(bǔ)償器為基準(zhǔn)，確定三鏡組件的空間位置，位置精度在0.05 mm以內(nèi)；同理，按照主鏡補(bǔ)償器與次鏡補(bǔ)償器之間的理論位置關(guān)系，以主鏡補(bǔ)償器為基準(zhǔn)，同三鏡組件的空間定位手段一樣，確定次鏡組件的空間位置關(guān)系，將調(diào)焦鏡安裝到理論位置，把焦面折轉(zhuǎn)到實(shí)際的焦面位置。利用平面反射鏡和干涉儀搭建系統(tǒng)光路，系統(tǒng)波像差檢測(cè)光路見圖8，系統(tǒng)裝調(diào)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

圖4　主鏡組件面形誤差

圖5　次鏡組件面形誤差

圖6　三鏡組件面形誤差

圖7　調(diào)焦鏡組件面形誤差

圖8　系統(tǒng)波像差檢測(cè)光路

圖9　系統(tǒng)裝調(diào)現(xiàn)場(chǎng)

將平面反射鏡固定至大理石平臺(tái)，調(diào)整小型球面干涉儀與平面鏡使系統(tǒng)成像。檢測(cè)（0.1°，1°）視場(chǎng)、（+0.37°，0°）視場(chǎng)、（0.1°，+1°）視場(chǎng)等如圖10所示的9個(gè)視場(chǎng)的像質(zhì)情況。

圖10　系統(tǒng)裝調(diào)視場(chǎng)分布

粗裝調(diào)完成后，系統(tǒng)的平均波像差為0.202 5λ（/4.9），平均傳遞函數(shù)0.110。

432光學(xué)系統(tǒng)精裝調(diào)

光學(xué)系統(tǒng)精裝調(diào)是在光學(xué)系統(tǒng)粗裝調(diào)基礎(chǔ)上開展的。精裝調(diào)的目的是將光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量調(diào)整到最佳狀態(tài)。

利用粗裝調(diào)獲得9個(gè)視場(chǎng)的系統(tǒng)波像差，計(jì)算出各視場(chǎng)出瞳處的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)，根據(jù)多項(xiàng)式系數(shù)的大小確定出該系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的像差。光學(xué)裝調(diào)只是對(duì)初級(jí)像差進(jìn)行裝調(diào)，所以只用三級(jí)像差來(lái)表示系統(tǒng)出瞳的波像差，也就是Zernike多項(xiàng)式的前9項(xiàng)即可；根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)的公差分析，計(jì)算出各種三級(jí)像差相對(duì)于調(diào)整參數(shù)的靈敏度矩陣，確定每一種像差所對(duì)應(yīng)的最敏感調(diào)整參數(shù)，從而確定針對(duì)不同像差的調(diào)整策略；根據(jù)像差的靈敏度矩陣和實(shí)際干涉圖計(jì)算出多項(xiàng)式系數(shù)，通過(guò)矩陣運(yùn)算求解出針對(duì)特定像差的調(diào)整參數(shù)的失調(diào)量大小，對(duì)次、三鏡的位移及旋轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)離焦對(duì)次鏡、三鏡的平移（）敏感，像散對(duì)次鏡角度（TX和）、三鏡角度（和）、次鏡的平移（、）和三鏡的平移（、）都敏感，彗差對(duì)次鏡平移（和）和三鏡平移（和）敏感。隨著裝調(diào)過(guò)程進(jìn)行，系統(tǒng)的主導(dǎo)像差也是在不斷變化的。在裝調(diào)過(guò)程中，逐項(xiàng)消除系統(tǒng)中的像差，即先消除主要像差，然后進(jìn)行微量調(diào)整，經(jīng)過(guò)四次迭代此過(guò)程，過(guò)程中的失調(diào)量計(jì)算見表1，系統(tǒng)波像差收斂曲線見圖11，最終獲得9個(gè)視場(chǎng)的最佳像質(zhì)。9個(gè)視場(chǎng)的系統(tǒng)波像差面形云圖見圖12，各個(gè)視場(chǎng)的系統(tǒng)波像差及間接計(jì)算傳遞函數(shù)見表2。

表1失調(diào)計(jì)算

Tab.1　Values of misalignment

圖11　系統(tǒng)波像差收斂曲線

利用計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)使得系統(tǒng)的像質(zhì)和傳函快速收斂到最佳狀態(tài)。系統(tǒng)的平均波像差0.070 8，優(yōu)于/14，平均傳遞函數(shù)0.381。精裝調(diào)后的指標(biāo)相對(duì)粗裝調(diào)后的指標(biāo)有了明顯的提升。

圖12　精裝調(diào)后各視場(chǎng)系統(tǒng)波像差

表2粗調(diào)和精裝調(diào)后各視場(chǎng)波像差及傳函

Tab.2　System wavefront aberration and transfer function after initial alignment and precision alignment

5 環(huán)境模擬試驗(yàn)

為充分驗(yàn)證主光機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力，確保主光機(jī)結(jié)構(gòu)具有抵抗外界干擾載荷的能力，對(duì)主光機(jī)結(jié)構(gòu)開展了多項(xiàng)環(huán)境模擬試驗(yàn)，包括力學(xué)應(yīng)力篩選試驗(yàn)、高低溫循環(huán)試驗(yàn)和失重環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)［12-14］。

5.1　力學(xué)應(yīng)力篩選試驗(yàn)

天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)主光機(jī)結(jié)構(gòu)裝調(diào)完成后，對(duì)主光機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了總均方根加速度4g的隨機(jī)振動(dòng)力學(xué)篩選試驗(yàn)，隨機(jī)振動(dòng)為三個(gè)方向。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖13。

圖13　隨機(jī)振動(dòng)力學(xué)篩選試驗(yàn)

試驗(yàn)前后，分別檢測(cè)了主光機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)波像差和傳遞函數(shù)，基本不變。說(shuō)明主光機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)惡劣的外界振動(dòng)環(huán)境有足夠的適應(yīng)能力。

5.2　高低溫循環(huán)試驗(yàn)

天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)工作于火星橢圓軌道，工作過(guò)程中溫度環(huán)境很惡劣，為早期驗(yàn)證主光機(jī)結(jié)構(gòu)的熱適應(yīng)能力。對(duì)主光機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了20 ℃～+52 ℃的高低溫循環(huán)試驗(yàn)，共計(jì)8個(gè)循環(huán)，試驗(yàn)環(huán)境見圖14。

圖14　主光機(jī)結(jié)構(gòu)高低溫循環(huán)試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)前后，分別對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行全視場(chǎng)像質(zhì)和傳遞函數(shù)檢測(cè)，基本沒(méi)有變化。

5.3　失重環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

光機(jī)裝調(diào)是在重力場(chǎng)下進(jìn)行的，相機(jī)發(fā)射入軌后重力消失（或處于微重力狀態(tài)）。為驗(yàn)證相機(jī)無(wú)重力狀態(tài)下的光學(xué)性能，使相機(jī)光機(jī)系統(tǒng)相對(duì)于裝調(diào)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)180°，檢測(cè)系統(tǒng)波像差和傳遞函數(shù)，如圖15所示。對(duì)0°和180°的系統(tǒng)波像差和傳函進(jìn)行比較，基本無(wú)變化，說(shuō)明光機(jī)系統(tǒng)在無(wú)重力狀態(tài)下具有良好的光學(xué)性能，對(duì)重力載荷的有無(wú)具有很好的適應(yīng)性。

圖15　失重環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

在歷經(jīng)各項(xiàng)環(huán)模試驗(yàn)后，復(fù)測(cè)主光機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)波像差和傳遞函數(shù)，各個(gè)視場(chǎng)的系統(tǒng)波像差面形云圖見圖16，系統(tǒng)波像差和傳遞函數(shù)見表3。

圖16　環(huán)模試驗(yàn)后各視場(chǎng)系統(tǒng)波像差

表3環(huán)境試驗(yàn)后各視場(chǎng)波像差及傳函

Tab.3　System wavefront aberration and transfer function after environmental simulation tests

各個(gè)視場(chǎng)的平均系統(tǒng)波像差約/13.3，接近光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限，傳遞函數(shù)平均值0.379，大于0.34。

天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)相機(jī)于2020年7月23日12時(shí)41分在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空。歷經(jīng)大約7個(gè)月到達(dá)火星環(huán)繞軌道，拍攝傳回火星的圖片見圖17（距離火星約220萬(wàn)公里）和圖18（拍攝距離火星表面約330～350 km高度，分辨率約0.7 m）。

圖17　火星全貌

圖18　火星局部細(xì)節(jié)

6 結(jié)　論

針對(duì)天問(wèn)一號(hào)高分相機(jī)的指標(biāo)精度高和研制周期短的要求，從研制周期占比較大的裝調(diào)入手，深入研究了計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)的原理，采用粗裝調(diào)與精裝調(diào)（計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)）相結(jié)合的裝調(diào)策略，使主光機(jī)系統(tǒng)的裝調(diào)指標(biāo)迅速收斂，短周期內(nèi)完成了系統(tǒng)裝調(diào)。在歷經(jīng)力學(xué)篩選試驗(yàn)、高低溫循環(huán)試驗(yàn)和失重環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)后，各個(gè)視場(chǎng)的平均系統(tǒng)波像差約/13.3，接近光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限，傳遞函數(shù)平均值0.379，大于指標(biāo)要求的0.34。

天問(wèn)一號(hào)拍攝傳回的火星清晰圖片非常也有力地證明了輔助裝調(diào)的裝調(diào)效果。該裝調(diào)方法也可用于其它類似光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)。

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Research on on-line alignment technology with main optical-mechanical structure of Tianwen-1 high-resolution camera

WANG Kejun*，DONG Jihong，ZHU Shiyu，LI Wei， MENG Qingyu

（，，，130033，），：1163

The Tianwen-1 high-resolution camera adopts an off-axis three-mirror optical system， with a high precision index， complex structure， and short development cycle. In view of the above requirements， the computer-aided alignment technology of the off-axis three-mirror optical system is thoroughly investigated and applied to the alignment process of the main optical-mechanical structure of the Tianwen-1 high-resolution camera. The application of this technology causes the alignment index of the main optical-mechanical structure of the camera to converge rapidly. The average system RMS is better than/14 for each field of view and the average transfer function is 0.381 at the characteristic frequency of 57.1 lp/mm. A series of environmental simulation tests， including a mechanical test， temperature cycling test， and weightlessness adaptability test， was conducted on the main optical-mechanical structure. Following the experiments， all the technical indexes changed only slightly， thus meeting the requirements of the overall design indexes. Finally， Tianwen-1 was successfully launched， and clear images of Mars were sent， thus proving the effectiveness of the computer-aided alignment technology.

Tianwen-1； space remote sensor； system alignment； off-axis three-mirror； mechanical test

TH751

A

10.37188/OPE.20223002.0199

王克軍（1982），男，山東樂(lè)陵人，博士，研究員，2006年、2008年于吉林大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，2016年于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)獲得工學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)主要從事空間遙感器光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：wangkejun1@163.com

1004-924X（2022）02-0199-11

2021-01-06；

2021-02-26.

國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目（No.11703027）