空间遥感相机
空间遥感相机是一种以CCD为主要成像元件，用来获取地球等空间目标信息的探测器，可谓是“太空之眼”。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所多年来致力于空间遥感相机的研制，从光学系统、光机结构、光学成像以及图像处理等方面的研究上硕果累累，并在“神五”“神六”等多个国家重大项目中表现出色，不辱使命。2022年正值长春光机所成立70周年，现将我所科研人员发表在光学精密工程上的主要成果汇集成集。
主题关键词： 光学设计光学遥感空间相机遥感相机
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空间相机碳纤维薄壁筒式主次镜支撑结构
摘要：在大口径、长焦距空间遥感相机中，主、次镜间相对位置变化会影响相机的成像质量和稳定性，因此，作为主次镜间承力结构的主次镜支撑结构，是相机设计过程中的关键一环。本文针对大口径、长焦距相机特点，设计并研制了碳纤维薄壁筒式主次镜支撑结构。首先，根据给定光学系统，选取了筒式基结构形式。然后，根据筒式基结构形式的特点，依次对筒式结构的次镜支撑梁和纵向加强筋的几何结构形式进行了分析与选型。接着，为了充分发挥碳纤维材料铺层可设计性特点，对主次镜支撑结构进行了结构关键尺寸、铺层厚度和铺层角度三者的迭代优化设计，并对设计结果进行了有限元仿真分析。最后，通过测量次镜角度变化量和特征级扫频振动试验，验证了支撑结构的稳定性和结构刚度。试验结果表明：次镜相同状态下长期监测差值变化量小于1.5″，重力翻转前后变化量小于1.08″，支撑结构一阶固有频率大于115 Hz，轴向频率大于180 Hz，表明主次镜支撑结构具有良好的刚度和结构稳定性，满足设计指标要求。关键词：空间相机;主次镜支撑结构形式;迭代优化;结构稳定性675|1539|5<HTML><网络PDF><WORD><Meta-XML>更新时间：2026-09-11金属橡胶减振器在同轴两反空间相机中的应用
摘要：为了减少振动对同轴两反空间相机的影响，研究了金属橡胶减振结构及同轴两反空间相机的随机振动响应。分析金属橡胶结构的力学模型，研制出串联金属橡胶减振结构，建立空间相机的有限元模型并进行模态分析和随机振动响应分析；最后，通过正弦扫频试验和随机振动试验验证有限元分析的准确性。试验结果表明，装配有金属橡胶减振器的同轴两反空间相机X，Y与Z三个方向的一阶固有频率均大于100 Hz，远离卫星的固有频率，不会与卫星发生共振，地面正弦扫频试验也不会发生共振。随机振动试验中同轴两反空间相机在X，Y与Z三个方向上的输入激励响应为4.98grms，而次镜在X，Y与Z三个方向上的振动响应分别为3.381grms，2.884grms和1.969grms，振动试验后系统没有出现明显像差。金属橡胶减振器对空间相机有显著的减振效果，可为同类型空间相机减振结构的设计提供参考。关键词：空间相机;金属橡胶;减振;有限元分析;随机振动570|1317|4<HTML><网络PDF><WORD><Meta-XML>更新时间：2026-09-11锥摆扫一体化空间相机成像模式设计
摘要：针对高分辨相机难以实现超宽覆盖的问题，本文设计了锥摆扫一体化成像模式。通过对锥摆扫一体化成像原理进行分析，建立了锥摆扫一体化成像模型；然后，设计了最佳地面轨迹模型，并分析了轨道速度、平台旋转角速度和摆扫转动角速度的关系，并基于地面轨迹给出了曝光时间、帧频的计算方案。最后，通过MATLAB进行算例仿真，并对地面覆盖宽度和地面像元分辨率进行分析。结果表明：在轨道高度为500 km，像素尺寸为2.5 μm，焦距为360 mm，像元数为5 120×5 120时，取相机安装倾角为30°，摆扫成像帧数为10，地面覆盖宽度达到1 105.7 km，是星下点推扫成像的31.1倍，并且地面像元分辨率在6.4 m以下。锥摆扫一体化成像模式可以完全覆盖地面目标，并且在保证一定分辨率的条件下大幅增大幅宽。关键词：空间相机;成像模式;宽幅成像;几何参数;地面轨迹627|1008|3<HTML><网络PDF><WORD><Meta-XML>更新时间：2026-09-11大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计
摘要：针对某1 m分辨率、200 km幅宽的大尺度空间相机框架支撑结构轻质量、高刚度的设计要求，设计了一种轻型分体支撑结构。首先从大型空间离轴三反相机研制需求出发，综合比刚度、热稳定性及加工工艺等因素选择了性能良好的高体份SiCp/Al复合材料；然后以结构质量分数为约束条件，建立以基频为目标函数的拓扑优化数学模型，得到了拓扑结果清晰的各分体结构最优传力路径；进一步对主支撑结构各部分尺寸进行二次优化，得到了各分体结构的最佳构型和最优设计尺寸。设计后的分体支撑结构总重为227.8 kg，轻量化率达到93.9%，满足了高轻量化和高刚度要求。有限元分析结果及力学样机试验结果表明：分体支撑结构满足遥感相机整机基频大于50 Hz的刚度要求，在升温5 ℃工况下反射镜变形在公差范围之内，完全符合卫星平台对光学载荷的要求；力学样机在振动实验前后反射镜组件相对偏移角度均不超过22″，具有较好的稳定性，证明了拓扑优化和尺寸优化方法的合理性和可行性。本文提出的分体支撑结构设计对大型空间离轴相机支撑设计具有较高的工程实践价值。关键词：大型空间相机;拓扑优化;分体支撑;轻量;尺寸优化1214|1864|9<HTML><网络PDF><WORD><Meta-XML>更新时间：2026-09-11高分辨力遥感相机CCD采样位置自适应补偿技术
摘要：由于受温度变化的影响，高分辨力遥感相机焦平面CCD采样信号的相位会发生变化，采样位置的温度漂移会严重影响图像的信噪比、动态范围等，甚至会造成图像无法正常显示。为了解决采样位置随温度漂移的问题，对高分辨力遥感相机CCD采样位置进行了自适应补偿设计，首先对CCD采样信号的初始位置进行精密调节，然后设计了自适应补偿电路，通过对功耗的控制使各驱动芯片温度基本一致，CCD信号与采样信号在温度变化上具有跟踪性，在动态上保证CCD信号采样位置的准确性，从而保证图像信噪比的稳定性。实验表明，利用该方法，相关双采样信号的初始位置调节精度小于0.039 ns；在卫星在轨温度范围内，相关双采样信号延时最大值为0.46 ns，保证了相机的高质量成像，满足航天应用需要。关键词：高分辨力遥感相机;相关双采样;温度;自适应补偿426|375|3<HTML><网络PDF><Meta-XML>更新时间：2020-08-13推扫式遥感相机超满阱大动态范围成像
摘要：为了提高推扫式遥感相机的动态范围，对应用DTDI（Digital domain Time Delay Integration）技术并采用固定积分级数的成像方法以及高动态范围图像的显示方法等进行研究。首先介绍了DTDI技术基本原理，然后利用该技术突破传统模拟域TDI的满阱电荷限制，获得更高深度、更大动态范围的灰度图像数据，进而拓展了推扫式遥感相机的动态范围。最后结合图像熵和图像灰度分布方差构造评价函数，并将其作为判据选择被关注目标高动态范围图像的最优显示窗口，将信息量最大、层次最为丰富的区间自动显示出来。计算和实验结果表明，当固定积分级数为64的时候，推扫式遥感相机的动态范围可以有效地提高36.124 dB；基于评价函数的显示窗口自动选取方法较人工选择能够更加快速、准确地显示最优结果。本文提出的方法能够基本满足推扫式遥感相机领域大动态范围成像及选择显示的需求。关键词：CMOS;DTDI;超满阱;推扫式遥感相机325|715|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-05空间相机调焦机构自锁特性评价与试验
摘要：空间相机调焦机构需具有一定的锁止能力，以应对火箭发射中的冲击与振动，因此，对机构的自锁特性进行评价是保证空间光学遥感器正常工作的关键。针对某型空间相机调焦机构，研究了螺纹接触面的滑移机理，建立了工程分析模型，详细分析了两种螺距（1 mm，1.5 mm）的螺纹的接触应力、切应力分布特征及其自锁性。结果表明：螺纹螺距为1 mm的调焦机构Mises应力值大于其自锁标定值，自锁失效；螺距为1.5 mm的调焦机构Mises应力值小于其自锁标定值，满足自锁要求。最后，对调焦机构进行了振动试验，结果显示：螺距为1 mm的调焦机构焦平面位移达2 753 μm，自锁失效；螺距为1.5 mm的调焦机构焦平面位移为6 μm，小于测量误差，机构自锁正常，验证了分析方法的可靠性。这种动力学环境下研究机构自锁性的新方法对工程应用具有重要的意义。关键词：空间相机;调焦机构;自锁;螺纹;随机振动511|857|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-05吉林一号轻型高分辨率遥感卫星光学成像技术
摘要：为了实现吉林一号光学遥感卫星轻量化设计与高分辨率多光谱多模式成像，采用星载一体化设计理念及敏捷多模式成像策略，完成了吉林一号卫星的指标、方案及关键技术的设计与在轨多模式光学成像。吉林一号整星的质量为450 kg，有效载荷比高达40%，机动能力达2.1（°）/s，可实现大侧摆、同轨立体与条带拼接等多模式成像，结合星上800 GB的FLASH存储能力和X波段双通道600 Mbps的数据传输能力，卫星每天可获取近150 000 km2的图像数据。吉林一号轻型高分辨率光学卫星于2015年发射入轨，运行在656 km太阳同步轨道，地面全色和多光谱分辨率分别优于0.72 m和2.88 m，满足多行业应用及商业化运营的需求。关键词：光学遥感;星载一体化;吉林一号;多模式成像;轻型高分辨1184|1108|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-07空间相机温度-离焦特性分析与试验
摘要：为了提高空间相机在不同温度条件下的成像质量，本文建立了空间相机光-机-热集成分析模型，以此模型为基础，对系统的温度-离焦特性进行研究，得到了相机温度调焦曲线，并开展了热光学试验。首先，分析了温度变化对光学系统的影响，特别是对最佳像面位置的影响，得到了相机离焦量与光学元件参数的关系；介绍了光机热集成分析的一般方法，即将热分析的温度场，经过映射，作为结构分析的边界条件，然后进行结构有限元的热弹性分析，通过对变形结果中光学元件曲率和刚体位移做拟合，得到敏感因素的温度-离焦敏感度矩阵；在此基础上得到了相机温度调焦曲线；最后，开展了相机热光学试验。试验结果表明，基于集成分析结果的温度调焦，空间相机在20℃±8℃内的最大误差小于0.1 mm，基本满足相机在轨自动调焦的要求，并指出了进一步提高相机温度调焦精度的方法。关键词：空间相机;集成分析;温度调焦;有限元;热光学试验435|823|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-07空间相机碳纤维框架的设计与优化
摘要：设计了一个应用于轻小型空间相机的碳纤维框架。根据光学系统中各光学元件的空间分布特点，通过比较选择结构性能和工艺性能优异的M40J碳纤维复合材料完成了相机框架的结构设计，并使用TC4预埋镶嵌的方法解决了碳纤维框架接口精度低的问题。对碳纤维框架进行区域划分，采用集成仿真与优化设计方法、遗传算法全局寻优与单纯型下山法局部寻优的组合优化策略对碳纤维框架各区域结构参数进行优化设计。经过优化，碳纤维框架包含TC4预埋件的总质量为15.6 kg，仅占相机整机质量的18.4%，相机的一阶频率达104.8 Hz。最后通过力学环境试验得到相机整机一阶频率为102 Hz，与仿真结果相符，进一步验证了设计的合理性和正确性。文中提出的碳纤维框架方案对轻小型空间相机设计有一定的借鉴意义。文中所采用的优化方法可广泛应用于空间相机光机结构设计中，能大幅度提高设计效率，缩短研制周期。关键词：空间相机框架;碳纤维复合材料;集成优化;组合优化策略597|1020|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-07
