High-precision thermal deformation measurement of optical remote sensor optical-mechanical structure

Qinglei WANG; Shijun SUN; Hongjia JIANG; Rongguang GOU; Weizhi WANG; Xiaohua ZHOU

doi:10.37188/OPE.20223008.0948

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

High-precision thermal deformation measurement of optical remote sensor optical-mechanical structure

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2022-04-26

- High-precision thermal deformation measurement of optical remote sensor optical-mechanical structure
- Optics and Precision Engineering Vol. 30, Issue 8, Pages: 948-959(2022)
- 作者机构：
  
  1.北京空间机电研究所，北京 100094
  2.先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094
  3.清华大学，北京 100084
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20223008.0948
  CLC： TN253
- Received：20 September 2021，
  
  Revised：09 November 2021，
  
  Published：25 April 2022
- 稿件说明：
移动端阅览
王庆雷,孙世君,姜宏佳等.光学遥感器光机结构热变形的高精度测量[J].光学精密工程,2022,30(08):948-959.

WANG Qinglei,SUN Shijun,JIANG Hongjia,et al.High-precision thermal deformation measurement of optical remote sensor optical-mechanical structure[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(08):948-959.
王庆雷,孙世君,姜宏佳等.光学遥感器光机结构热变形的高精度测量[J].光学精密工程,2022,30(08):948-959. DOI： 10.37188/OPE.20223008.0948.

WANG Qinglei,SUN Shijun,JIANG Hongjia,et al.High-precision thermal deformation measurement of optical remote sensor optical-mechanical structure[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(08):948-959. DOI： 10.37188/OPE.20223008.0948.

摘要

空间光学遥感器光机结构在复杂的空间轨道热环境中会产生热变形，影响探测精度。为解决光学遥感器光机结构热变形测量问题，本文提出了基于数字摄影测量和光纤光栅传感的热变形组合监测方法；建立了具有热解耦功能的光纤光栅布局方法和变形测量模型算法，理论分析了光纤光栅光谱变化与应变、温度的关系，采用实验方法标定光纤光栅应变传感器和温度传感器，得出光纤光栅中心波长漂移量与应变、温度的关系；搭建了数字摄影测量试验系统，结合光纤光栅传感网络测量光机结构的应变和温度场，实现了光机结构热应变高精度测量。研究结果表明：数字摄影和光纤光栅组合测量方法可实现光机结构位移场、应变场和温度场同时测量，热解耦后结构变形测量精度达到0.02 mm，可用于光机结构在轨热变形的合理预测，在空间光学遥感器光机结构在轨监测中具有应用前景。

Abstract

In the complex space orbit thermal environment， the optical structure of an optical remote sensor is thermally deformed. Thermal deformation affects detection accuracy. To solve the problem of thermal deformation measurement of the optical-mechanical structure of optical remote sensors， an integrated monitoring method is proposed based on digital photogrammetry and fiber Bragg grating （FBG） thermal deformation. A fiber grating layout method and a deformation measurement model algorithm with a thermal decoupling function are developed. The relationship between the spectral variation of the FBG and strain and temperature is analyzed. A digital photogrammetry experimental system is built to measure the strain and temperature fields of the optical machine structure. The FBG sensing network enables high-precision measurement of the thermal strain of optical machine structures. The results reveal that the integrated system can realize the simultaneous measurement of the displacement field， strain field， and temperature field of an optical machine structure. The accuracy of the structural deformation measurement after thermal decoupling reaches 0.02 mm， which can be used to reasonably predict the thermal deformation of optical machine structures on orbit. The proposed measurement method can potential be applied to the on-orbit monitoring of optical machine structures of space optical remote sensors.

关键词

Keywords

references

王小勇 . 空间光学技术发展与展望［J］. 航天返回与遥感， 2018 ， 39 （ 4 ）： 79 - 86 . doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2018.04.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-8518.2018.04.010

WANG X Y . Development and prospect of space optical technology ［J］. Spacecraft Recovery & Remote Sensing ， 2018 ， 39 （ 4 ）： 79 - 86 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2018.04.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-8518.2018.04.010

黄杰，罗达，侯鹏，等 . 光学遥感卫星平台结构热变形试验及测量技术研究［J］. 航天器工程， 2018 ， 27 （ 2 ）： 114 - 118 . doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2018.02.017 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-8748.2018.02.017

HUANG J ， LUO D ， HOU P ， et al . Research on thermal deformation test and measurement technology of optical remote sensing satellite platform ［J］. Spacecraft Engineering ， 2018 ， 27 （ 2 ）： 114 - 118 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2018.02.017 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-8748.2018.02.017

李波，张旭辉 . 空间光学遥感器天然辐射效应数据库研究［J］. 航天返回与遥感， 2005 ， 26 （ 4 ）： 37 - 44 . doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2005.04.008 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-8518.2005.04.008

LI B ， ZHANG X H . Research of space radiation database system for remote sensor ［J］. Spacecraft Recovery & Remote Sensing ， 2005 ， 26 （ 4 ）： 37 - 44 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2005.04.008 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-8518.2005.04.008

黄宇飞，白绍竣，高冀，等 . 大口径空间光学反射镜面形动力学响应分析［J］. 红外与激光工程， 2019 ， 48 （ 11 ）： 181 - 186 . doi: 10.3788/irla201948.1114001 http://dx.doi.org/10.3788/irla201948.1114001

HUANG Y F ， BAI S J ， GAO J ， et al . Dynamic surface response analysis of large-aperture space mirror ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2019 ， 48 （ 11 ）： 181 - 186 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla201948.1114001 http://dx.doi.org/10.3788/irla201948.1114001

GIBBS B . GOES image navigation and registration integral systems ［J］. Inc Sat Magazine ， 2008 ， 12 （ 2 ）： 23 - 28 .

黄洪昌，解晓莉，顾军 . 航天器太阳电池阵空间外热流环境模型及分析［J］. 航天器环境工程， 2020 ， 37 （ 3 ）： 275 - 279 . doi: 10.12126/see.2020.03.011 http://dx.doi.org/10.12126/see.2020.03.011

HUANG H C ， XIE X L ， GU J . Modelling and analysis of spacecraft external heat flux environment for the solar array ［J］. Spacecraft Environment Engineering ， 2020 ， 37 （ 3 ）： 275 - 279 . （in Chinese） . doi: 10.12126/see.2020.03.011 http://dx.doi.org/10.12126/see.2020.03.011

寿秋爽，赵啟伟，周佐新 . GEO卫星大型固面反射器背部高频箱热环境分析［J］. 航天器工程， 2020 ， 29 （ 4 ）： 93 - 98 .

SHOU Q S ， ZHAO Q W ， ZHOU Z X . Analysis of thermal environment of RF box mounted on back of large solid reflector for GEO satellite ［J］. Spacecraft Engineering ， 2020 ， 29 （ 4 ）： 93 - 98 . （in Chinese）

李晓春，藏磊 . 某光学遥感器热试验的定温边界模拟技术［J］. 航天器环境工程， 2018 ， 35 （ 6 ）： 588 - 592 . doi: 10.12126/see.2018.06.013 http://dx.doi.org/10.12126/see.2018.06.013

LI X C ， ZANG L . Temperature boundary simulation for thermal test of optical remote sensors ［J］. Spacecraft Environment Engineering ， 2018 ， 35 （ 6 ）： 588 - 592 . （in Chinese） . doi: 10.12126/see.2018.06.013 http://dx.doi.org/10.12126/see.2018.06.013

赵希婷，张超，冀翼，等 . 超宽视场离轴光学系统畸变一致性校正技术［J］. 应用光学， 2020 ， 41 （ 5 ）： 1032 - 1036 . doi: 10.5768/jao202041.0503005 http://dx.doi.org/10.5768/jao202041.0503005

ZHAO X T ， ZHANG C ， JI Y ， et al . Distortion consistency correction technique for ultra-wide field of view off-axis optical system ［J］. Journal of Applied Optics ， 2020 ， 41 （ 5 ）： 1032 - 1036 . （in Chinese） . doi: 10.5768/jao202041.0503005 http://dx.doi.org/10.5768/jao202041.0503005

孟庆亮，杨涛，于志，等 . 空间遥感器用环路热管瞬态数值模拟与在轨验证［J］. 北京航空航天大学学报， 2020 ， 46 （ 11 ）： 2045 - 2055 .

MENG Q L ， YANG T ， YU Z ， et al . Transient numerical simulation and on-orbit verification of loop heat pipe used for space remote sensor ［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics ， 2020 ， 46 （ 11 ）： 2045 - 2055 . （in Chinese）

贾学志，张雷，安源，等 . 空间光学遥感器精密调焦机构设计与试验［J］. 机械工程学报， 2016 ， 52 （ 13 ）： 25 - 30 . doi: 10.3901/jme.2016.13.025 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2016.13.025

JIA X Z ， ZHANG L ， AN Y ， et al . Design and experiment research on precision focusing mechanism of space remote sensor ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2016 ， 52 （ 13 ）： 25 - 30 . （in Chinese） . doi: 10.3901/jme.2016.13.025 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2016.13.025

王阳，孟庆亮，郭楠 . 多模式控温在航天光学遥感器上的应用［J］. 航天返回与遥感， 2020 ， 41 （ 3 ）： 79 - 85 . doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2020.03.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-8518.2020.03.009

WANG Y ， MENG Q L ， GUO N . Application of a multimode thermal control method on space optical remote sensors ［J］. Spacecraft Recovery & Remote Sensing ， 2020 ， 41 （ 3 ）： 79 - 85 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2020.03.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-8518.2020.03.009

黄高爽，王庆民，黄桂平，等 . 像片数目对工业摄影测量精度影响研究［J］. 宇航计测技术， 2020 ， 40 （ 5 ）： 70 - 75 . doi: 10.12060/j.issn.1000-7202.2020.05.11 http://dx.doi.org/10.12060/j.issn.1000-7202.2020.05.11

HUANG G S ， WANG Q M ， HUANG G P ， et al . Study on the influence of photograph number on industrial photogrammetry accuracy ［J］. Journal of Astronautic Metrology and Measurement ， 2020 ， 40 （ 5 ）： 70 - 75 . （in Chinese） . doi: 10.12060/j.issn.1000-7202.2020.05.11 http://dx.doi.org/10.12060/j.issn.1000-7202.2020.05.11

柏宏武，王勇，黄桂平，等 . 一种卫星天线真空热变形测量方法［J］. 空间电子技术， 2016 ， 13 （ 3 ）： 20 - 25 . doi: 10.3969/j.issn.1674-7135.2016.03.004 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-7135.2016.03.004

BAI H W ， WANG Y ， HUANG G P ， et al . A method of thermal distortion measurement of satellite antennas ［J］. Space Electronic Technology ， 2016 ， 13 （ 3 ）： 20 - 25 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1674-7135.2016.03.004 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-7135.2016.03.004

PAPPA R S ， GIERSCH L R ， QUAGLIAROLI J M . Photogrammetry of a 5m inflatable space antenna with consumer‐grade digital cameras ［J］. Experimental Techniques ， 2001 ， 25 （ 4 ）： 21 - 29 . doi: 10.1111/j.1747-1567.2001.tb00028.x http://dx.doi.org/10.1111/j.1747-1567.2001.tb00028.x

于江，蒋山平，杨林华 . 基于数字近景摄影测量的天线变形测量［J］. 航天器环境工程， 2008 ， 25 （ 1 ）： 56 - 258 . doi: 10.3969/j.issn.1673-1379.2008.01.014 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-1379.2008.01.014

YU J ， JIANG SH P ， YANG L H . Displacement measurement of antennas by means of digital close range photogrammetry ［J］. Spacecraft Environment Engineering ， 2008 ， 25 （ 1 ）： 56 - 58 . doi: 10.3969/j.issn.1673-1379.2008.01.014 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-1379.2008.01.014

许杰，蒋山平，杨林华，等 . 卫星结构件常压热变形的数字摄影测量［J］. 光学精密工程， 2012 ， 20 （ 12 ）： 2667 - 2673 . doi: 10.3788/ope.20122012.2667 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20122012.2667

XU J ， JIANG S P ， YANG L H ， et al . Digital photogrammetry for thermal deformation of satellite structures in normal environment ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 12 ）： 2667 - 2673 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20122012.2667 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20122012.2667

HE Y L ， ZHU L Q ， SUN G K ， et al . Design， measurement and shape reconstruction of soft surgical actuator based on fiber Bragg gratings ［J］. Applied Sciences ， 2018 ， 8 （ 10 ）： 1773 . doi: 10.3390/app8101773 http://dx.doi.org/10.3390/app8101773

SONG S ， LI Z ， YU H Y ， et al . Electromagnetic positioning for tip tracking and shape sensing of flexible robots ［J］. IEEE Sensors Journal ， 2015 ， 15 （ 8 ）： 4565 - 4575 . doi: 10.1109/jsen.2015.2424228 http://dx.doi.org/10.1109/jsen.2015.2424228

CHILDERS B A ， GIFFORD D K ， DUNCAN R G ， et al . Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto ： US7781724 ［P］. 2010-08-24 .

何彦霖，张旭，孙广开，等 . 复合基底柔性光纤曲率传感器［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 6 ）： 1263 - 1269 . doi: 10.3788/ope.20192706.1263 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192706.1263

HE Y L ， ZHANG X ， SUN G K ， et al . Flexible curvature sensor based on composite substrate ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 6 ）： 1263 - 1269 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192706.1263 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192706.1263

卢建中，孟凡勇，闫光，等 . 卫星镜头结构光纤光栅温度传感器研究［J］. 激光与红外， 2019 ， 49 （ 10 ）： 1252 - 1259 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2019.10.018 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2019.10.018

LU J Z ， MENG F Y ， YAN G ， et al . Research on fiber Bragg grating temperature sensor of satellite lens structure ［J］. Laser & Infrared ， 2019 ， 49 （ 10 ）： 1252 - 1259 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2019.10.018 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2019.10.018

韩放，廖韬，苏新明，等 . 用于航天环境的布拉格光栅温度传感器灵敏度与精度研究［J］. 计算机测量与控制， 2019 ， 27 （ 10 ）： 289 - 293 .

HAN F ， LIAO T ， SU X M ， et al . Study on sensitivity and accuracy of Bragg grating temperature sensor for spacecraft environment ［J］. Computer Measurement & Control ， 2019 ， 27 （ 10 ）： 289 - 293 . （in Chinese）

PARK S O ， MOON J B ， LEE Y G ， et al . Usage of fiber Bragg grating sensors in low earth orbit environment ［C］. Sensors and Smart Structures Technologies for Civil， Mechanical， and Aerospace Systems 2008. DiegoSan ， California. SPIE ， 2008 ， 6932 ： 526 - 533 . doi: 10.1117/12.776631 http://dx.doi.org/10.1117/12.776631

TAKEDA S I ， AOKI Y ， NAGAO Y . Damage monitoring of CFRP stiffened panels under compressive load using FBG sensors ［J］. Composite Structures ， 2012 ， 94 （ 3 ）： 813 - 819 . doi: 10.1016/j.compstruct.2011.02.020 http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2011.02.020

魏晋和，崔建军，张福民，等 . 光纤光栅应变传感器校准的环境温度测量系统及其标定方法研究［J］. 计量学报， 2019 ， 40 （ S1 ）： 42 - 46 . doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2019.z1.09 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2019.z1.09

WEI J H ， CUI J J ， ZHANG F M ， et al . Research on multi-point temperature field measurement system for fiber Bragg grating measurement environment ［J］. Acta Metrologica Sinica ， 2019 ， 40 （ S1 ）： 42 - 46 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2019.z1.09 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2019.z1.09

魏莉，刘芹，王兢兢，等 . 光纤光栅应变传感在扭振测量中的应用［J］. 机械设计与制造， 2020 （ 4 ）： 204 - 207 . doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2020.04.048 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3997.2020.04.048

WEI L ， LIU Q ， WANG J J ， et al . The application of fiber Bragg grating strain sensor in the torsional vibration measurement ［J］. Machinery Design & Manufacture ， 2020 （ 4 ）： 204 - 207 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2020.04.048 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3997.2020.04.048

徐福胜，闫光，钟国舜，等 . 卫星环境温度监测的光纤光栅传感器研究［J］. 激光与红外， 2018 ， 48 （ 6 ）： 762 - 768 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2018.06.017 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2018.06.017

XU F S ， YAN G ， ZHONG G S ， et al . Study on FBG sensor for satellite ambient temperature monitoring ［J］. Laser & Infrared ， 2018 ， 48 （ 6 ）： 762 - 768 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2018.06.017 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2018.06.017

Views

1503

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Digital photogrammetry for thermal deformation of satellite structures in normal environment

CubaSat solar wing and repeatable unlocking mechanism

Design and analysis of the repeatable development and collapse mechanism film protective cover of space camera

Thermal deformation optimization method for optical satellite payload mounting surface based on honeycomb lamination technology

Thermal-structural coupled analysis and verification of 2-D mirror gimbal for lunar-based telescope

Related Author

XU Jie

JIANG Shan-ping

YANG Lin-hua

XIAO Da-zhou

ZHANG Jing-chuan

GUO Jianguo

ZHANG Jiaolong

LIU Yiheng

Related Institution

Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity

Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering

Ningbo Institute of Northwestern Polytechnical University

National United Engineering Laboratory of Microsatellite Technology and Application， Northwestern Polytechnical University

Institute of Precision Guidance and Control， Northwestern Polytechnical University

AI问答

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176855 Email：gxjmgc@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰