微光多譜段成像儀調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析

曹業(yè)豪，賀玉坤，單博聞，彭越洋，辛宏偉，陳長征

〈系統(tǒng)與設(shè)計(jì)〉

微光多譜段成像儀調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析

曹業(yè)豪1,2，賀玉坤1,2，單博聞1,2，彭越洋1,2，辛宏偉1，陳長征1

（1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

根據(jù)某型號微光多譜段成像儀的整機(jī)結(jié)構(gòu)特性和工作條件，設(shè)計(jì)了一種調(diào)焦及像移補(bǔ)償一體化的設(shè)備，達(dá)到節(jié)約空間、保證成像質(zhì)量以及實(shí)現(xiàn)低照度環(huán)境下成像的目的。其中調(diào)焦功能由絲杠螺母配合楔形滑塊實(shí)現(xiàn)，像移補(bǔ)償功能由音圈電機(jī)實(shí)現(xiàn)，且配合有動(dòng)、靜態(tài)兩級鎖緊裝置，使機(jī)構(gòu)的可靠性、抗沖擊性顯著提高。結(jié)構(gòu)外形尺寸為349mm×192mm×174mm，調(diào)焦范圍為±2mm，像移補(bǔ)償量為3mm，調(diào)焦分辨率為0.05mm，實(shí)測的定位精度為±5.7mm。掃頻振動(dòng)試驗(yàn)得出其一階模態(tài)為225 Hz，與有限元仿真分析結(jié)果基本一致，正弦振動(dòng)試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果良好，均在技術(shù)指標(biāo)要求范圍內(nèi)，說明具有良好的動(dòng)態(tài)剛度，可以有效地避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。綜上所述，該調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)具有體積小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可以很好地滿足微光相機(jī)的工作條件。

調(diào)焦機(jī)構(gòu)；像移補(bǔ)償；有限元分析；振動(dòng)試驗(yàn)；精度分析

0 引言

微光空間遙感成像儀具有在低照度環(huán)境下成像的能力，在觀測城市夜間燈光、檢測顆粒物污染、研究南北極冰川、探測海洋環(huán)境等應(yīng)用領(lǐng)域有著巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和科學(xué)研究價(jià)值[1]。搭載微光成像載荷的衛(wèi)星平臺在發(fā)射過程中，會(huì)經(jīng)歷一系列沖擊、振蕩等嚴(yán)苛的動(dòng)力學(xué)環(huán)境，使成像儀內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)組件發(fā)生少量的位置變化；光學(xué)載荷在軌運(yùn)行工作的狀態(tài)下，會(huì)由于溫度變化、大氣壓、衛(wèi)星姿態(tài)等空間環(huán)境的因素，使光學(xué)系統(tǒng)的焦平面發(fā)生一定的偏移，即為離焦現(xiàn)象[2-3]，若不采取措施補(bǔ)償離焦量，則會(huì)形成一個(gè)模糊的圖像，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。因此，高精度的空間相機(jī)中都會(huì)裝有調(diào)焦機(jī)構(gòu)來保證感光探測器與像面的重合。

調(diào)焦機(jī)構(gòu)是成像儀的核心組件之一，它使得成像儀在應(yīng)對衛(wèi)星火箭發(fā)射過程中的嚴(yán)苛動(dòng)力學(xué)環(huán)境時(shí)保證焦平面組件不發(fā)生過大的偏離，也能保證成像儀在軌工作運(yùn)行時(shí)CMOS感光探測器與像面重合，對最終的成像質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。為了確保微光多譜段成像儀在低照度條件下獲得較為清晰的圖像，系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的弱信號探測能力，因此需要CMOS感光探測器達(dá)到一定時(shí)長的連續(xù)曝光，以實(shí)現(xiàn)凝視成像的效果，這就需要成像儀帶有像移補(bǔ)償功能[4]。

本文結(jié)合微光多譜段成像儀的工作特性，采用了調(diào)整焦平面組件的方式，設(shè)計(jì)了一種調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種功能的一體化，在保證定位精度和可靠性的同時(shí)，使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)盡可能緊湊，輕量化程度更高，提高微光成像儀對工作環(huán)境的適應(yīng)能力。

1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的指標(biāo)

1.1 微光多譜段成像儀的光學(xué)系統(tǒng)介紹

微光多譜段成像儀的光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該光學(xué)系統(tǒng)為離軸反射式，相比于同軸式光學(xué)系統(tǒng)，具有大視場、無遮擋、高分辨率的優(yōu)勢，還能減小空間相機(jī)的尺寸，但由于其非軸對稱的結(jié)構(gòu)，且對反射鏡之間的位置精度要求十分嚴(yán)格，給裝調(diào)帶來較大難度。光線通過主鏡、次鏡、三鏡后，匯聚在CMOS感光探測器上成像。當(dāng)衛(wèi)星平均軌道高度達(dá)到505 km時(shí)，該光學(xué)系統(tǒng)的幅寬可以達(dá)到300km，分辨率可達(dá)10m。

1.2 像移補(bǔ)償量的確定

微光多譜段成像儀要求在城市夜間燈光、極地月光冰雪探測的條件下成像，為了確保微光多譜段成像儀在低照度（入瞳處亮度范圍覆蓋10－1W/m2×sr～10－4W/m2×sr）的條件下獲得較為清晰的圖像，滿足一定的信噪比要求，需要微光CMOS探測器進(jìn)行至少200ms的連續(xù)曝光，以實(shí)現(xiàn)凝視成像的效果。而由于衛(wèi)星搭載了微光和紅外兩個(gè)載荷，無法進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償，因此采取焦平面平移的方式，補(bǔ)償衛(wèi)星飛行時(shí)形成的像面移動(dòng)，保證焦平面與像面位置的相對一致。

當(dāng)衛(wèi)星軌道的平均高度為505 km，由第一宇宙速度公式計(jì)算得衛(wèi)星相對地心速度為：

式中：sat即為衛(wèi)星相對于地球的飛行速度；為萬有引力常數(shù)；earth為地球質(zhì)量；earth為地球半徑。

地面目標(biāo)移動(dòng)的速度為：

式中：earth即為地面目標(biāo)相對于衛(wèi)星的移動(dòng)速度。

CMOS成像行頻p計(jì)算公式為：

式中：￠為后擺角速率；為CMOS探測器像元尺寸，值為11mm；為相機(jī)焦距，值為555.5 mm。微光多譜段成像儀在前向移動(dòng)并成像過程中，姿態(tài)角速率保持為0，所以姿態(tài)角在理想情況下保持為恒定值，因而￠也為0，行頻隨時(shí)間的變化相對很小。計(jì)算后得行頻為0.7 kHz。

CMOS探測器的行周期為行頻p的倒數(shù)，即為1.415 ms。根據(jù)要求，探測器需要進(jìn)行至少200 ms的連續(xù)曝光，因此，像移補(bǔ)償量的最少為：

為了留出有一定的裕度，最終設(shè)定的像移補(bǔ)償量為3mm。

1.3 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的綜合指標(biāo)確定

光學(xué)成像系統(tǒng)都具有一定的允許離焦量，如果焦平面的偏移量在這個(gè)范圍內(nèi)則成像質(zhì)量不會(huì)下降，其最大允許的離焦量即為光學(xué)系統(tǒng)的半倍焦深：

式中：為半倍焦深；為成像儀的中心工作波長；為光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)，即相對孔徑的倒數(shù)；經(jīng)過計(jì)算后得出為±45mm，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的精度應(yīng)小于四分之一個(gè)半倍焦深，即為±11.25mm，考慮到微光多譜段成像工作的復(fù)雜環(huán)境，最終將定位精度指標(biāo)設(shè)置為±10mm以內(nèi)，調(diào)焦分辨率設(shè)置為2mm以內(nèi)。通過對離焦因素的分析，最大離焦量約為±1mm，考慮到需留有一定的安全裕度，將最大調(diào)焦量設(shè)定為±2mm。根據(jù)衛(wèi)星總體提供的外界擾動(dòng)頻率，調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的一階自然頻率應(yīng)大于100Hz。

2 調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)如圖2所示，其外形尺寸為349mm×192mm×174 mm，總質(zhì)量為9.8kg（不包括兩側(cè)的動(dòng)態(tài)鎖緊機(jī)構(gòu)）。

圖2 調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

2.1 傳動(dòng)原理的設(shè)計(jì)

調(diào)焦的傳動(dòng)方式按照結(jié)構(gòu)分類，十分多樣化，常用的有螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)[5-6]。螺旋絲杠機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，加工難度低，傳動(dòng)鏈短，但抗沖擊能力差。凸輪機(jī)構(gòu)通常配合齒輪傳件使用，如蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，能起到穩(wěn)定的減速作用，易于防冷焊處理，但是難于加工，組件之間為點(diǎn)、線接觸，易磨損。

在調(diào)試閉環(huán)控制曲線的過程中，螺旋絲杠的旋轉(zhuǎn)角度和焦平面組件的理論位移關(guān)系是線性的，而凸輪機(jī)構(gòu)則是非線性的，容易造成焦平面組件的定位誤差。綜合分析了微光多譜段成像儀的工作環(huán)境和整機(jī)結(jié)構(gòu)，最終選擇了絲杠螺母運(yùn)動(dòng)副配合楔形滑塊導(dǎo)軌的傳動(dòng)方式。

絲杠螺母的自鎖性[7]，主要取決于機(jī)構(gòu)的導(dǎo)程角和當(dāng)量摩擦角，若導(dǎo)程角小于當(dāng)量摩擦角，則具有自鎖性，導(dǎo)程角和當(dāng)量摩擦角的計(jì)算公式為：

式中：為導(dǎo)程角；為當(dāng)量摩擦角；為絲杠螺母的導(dǎo)程；2為絲杠的中徑；為絲杠螺母的摩擦系數(shù)；為螺紋的牙型角。該絲杠螺母設(shè)計(jì)成導(dǎo)程為2mm，絲杠中徑為15mm的梯形螺紋，牙型角為30°，根據(jù)使用材料的特性，絲杠螺母的摩擦系數(shù)為0.09，將數(shù)值帶入公式得導(dǎo)程角＝2.43°，當(dāng)量摩擦角＝5.32°，＜，說明絲杠螺母的自鎖性良好。

像移補(bǔ)償功能采用音圈電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，相比于壓電陶瓷電機(jī)，音圈電機(jī)具有體積小、行程長等優(yōu)勢，其位移分辨率理論上取決于測量機(jī)構(gòu)的精度。壓電陶瓷的缺點(diǎn)在于其行程較短，一般只有幾微米，通常采用疊加壓電陶瓷片的形式提高行程。如果該像移補(bǔ)償結(jié)構(gòu)采取壓電陶瓷電機(jī)的方案則需要設(shè)置位移放大機(jī)構(gòu)，這樣就會(huì)提高結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，不利于輕量化設(shè)計(jì)。因此采用三臺音圈電機(jī)并排排布的方式帶動(dòng)焦平面組件直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償功能。

調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的原理如圖3所示。該結(jié)構(gòu)的調(diào)焦部分由步進(jìn)電機(jī)、絲杠螺母運(yùn)動(dòng)副、光電編碼器、楔形滑塊導(dǎo)軌以及焦平面組件構(gòu)成，像移補(bǔ)償部分由音圈電機(jī)、直線位移傳感器以及直線導(dǎo)軌組成，兩者的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，互不干擾。

圖3 調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理

2.2 動(dòng)態(tài)鎖緊機(jī)構(gòu)

為了彌補(bǔ)絲杠螺母的抗沖擊能力的不足，提高機(jī)構(gòu)的可靠性，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)鎖緊機(jī)構(gòu)，其原理如圖4所示，可以將其功能理解為一種拔銷器。解鎖機(jī)構(gòu)將形狀記憶合金（shape memory alloys，SMA）作為驅(qū)動(dòng)元件，加工成橢圓環(huán)狀，將其一端固定在鎖緊機(jī)構(gòu)的支撐件上，另一端固定在一個(gè)錐銷上，錐銷的另一端插入焦平面組件的支撐架中，此時(shí)焦平面組件的位置被固定，這種狀態(tài)一直持續(xù)到微光多譜段成像儀在軌運(yùn)行工作前。當(dāng)衛(wèi)星完成發(fā)射階段進(jìn)入空間軌道后，啟動(dòng)加熱程序，在記憶合金環(huán)兩側(cè)分別設(shè)置一組加熱片，加熱片通電后會(huì)給記憶合金環(huán)加熱，觸發(fā)其形狀記憶效應(yīng)將銷拔出，焦平面組件便可以正常移動(dòng)。

圖4 動(dòng)態(tài)鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 靜態(tài)鎖緊機(jī)構(gòu)

微光多譜段成像儀的像移補(bǔ)償功能主要是用在微光條件下，實(shí)現(xiàn)凝視成像的效果，當(dāng)像移補(bǔ)償不啟動(dòng)的時(shí)候，需要保證焦平面組件在該方向上的穩(wěn)定，因此在音圈電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置一個(gè)靜態(tài)鎖緊機(jī)構(gòu)，起到自鎖的功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 靜態(tài)鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖

音圈電機(jī)不工作的時(shí)候，靜態(tài)鎖緊裝置如左邊的狀態(tài)，由兩個(gè)滾珠在彈簧的作用下卡住固定桿，防止焦平面組件的移動(dòng)，當(dāng)啟動(dòng)像移補(bǔ)償功能，音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)焦平面組件克服滾珠和推桿之間的摩擦力，移動(dòng)到右圖所示的位置，再開始進(jìn)行像移補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。

3 調(diào)焦功能的理論精度

定位精度是衡量精密儀器質(zhì)量的核心重要指標(biāo)之一，誤差分析可以從理論上預(yù)測調(diào)焦機(jī)構(gòu)的精度是否符合微光多譜段成像儀的成像質(zhì)量要求和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，是設(shè)計(jì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)中必不可少的步驟。

3.1 調(diào)焦功能的分辨率

調(diào)焦機(jī)構(gòu)的分辨率，即為步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)角焦平面組件所移動(dòng)的距離，也是調(diào)焦的最小單位，其計(jì)算公式為：

式中：為步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，其值為1.8°；為絲杠螺母的導(dǎo)程；為電機(jī)減速裝置的減速比，其值為50；為楔形滑塊導(dǎo)軌的斜角，其值為15°。

3.2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的定位誤差

絲杠螺母的梯形螺紋嚙合處存在縫隙，其齒形之間也存在著一定的加工精度誤差、絲杠中心距的竄動(dòng)誤差。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一段距離后，開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，上述因素使螺母不能隨之立刻反向運(yùn)動(dòng)，這種空回現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致定位精度的降低。絲杠在安裝過程中也會(huì)存在實(shí)際位置與理論位置發(fā)生偏移的狀況。因此引入由絲杠螺母造成的焦平面組件定位誤差1＝4mm。

考慮到裝調(diào)時(shí)的環(huán)境和人為因素，可能會(huì)對導(dǎo)軌、絲杠螺母的安裝造成一定的偏差，引入由裝調(diào)造成的定位誤差2＝3mm。

通過查閱產(chǎn)品手冊可知，步進(jìn)電機(jī)的誤差最大約為步進(jìn)角的3%，即0.054°，通過減速器折合到焦平面組件的直線運(yùn)動(dòng)上后數(shù)值很小，對精度基本沒有影響。所選用的14位光電編碼器的靜態(tài)誤差最大為0.1°，由此造成的焦平面位置誤差為：

編寫閉環(huán)控制程序時(shí)，為了防止由于慣性等因素，使焦平面反復(fù)運(yùn)動(dòng)，會(huì)設(shè)定一個(gè)控制閾值，若編碼器碼值在這個(gè)范圍內(nèi)，則視為焦平面組件到達(dá)了正確位置，因此引入控制誤差4＝0.98mm。

調(diào)焦功能的綜合定位誤差為：

4 有限元分析

為了研究調(diào)焦機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，利用Hypermesh軟件對調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元模型的建立，其中，動(dòng)態(tài)鎖緊機(jī)構(gòu)插入焦平面組件中的錐銷采用梁單元模擬其鎖緊效果；由于編碼器，步進(jìn)電機(jī)，解鎖機(jī)構(gòu)并不是動(dòng)力學(xué)仿真中研究的重點(diǎn)，因此用質(zhì)量點(diǎn)代替；CMOS探測器組件數(shù)量多，體積小，分布復(fù)雜，除了焦平面組件的支撐框架外，其余也都采用質(zhì)量點(diǎn)代替，與相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)件之間使用MPC（multi-pointconstraints）連接。最終建立的有限元模型如圖6所示，該模型共包含2036149個(gè)3D單元，512934個(gè)節(jié)點(diǎn)。

模態(tài)仿真分析[9]是一種用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型的方法，在設(shè)計(jì)需要承受動(dòng)態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)時(shí)，其固有頻率和振型是需要考慮的重要因素。結(jié)構(gòu)件的模態(tài)越高，說明其抗振能力越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)剛度越高。調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的前四階模態(tài)分析結(jié)果如表1所示，相應(yīng)的振型云圖如圖7所示。

表1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的前四階模態(tài)

圖6 調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)有限元模型

圖7 模態(tài)分析的振型圖

從結(jié)果中可以看出，調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的一階基頻顯著高于要求的100Hz，具有良好的抗振能力和動(dòng)態(tài)剛度。根據(jù)一階模態(tài)的振型圖可以看出，晃動(dòng)最強(qiáng)烈的部分為焦平面組件的前端，因此在接下來的振動(dòng)試驗(yàn)中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注該位置。

5 定位精度檢測

采用閉環(huán)控制的方式對調(diào)焦功能的定位精度進(jìn)行檢測[10]。本次試驗(yàn)中，使用下位機(jī)控制焦平面組件的運(yùn)動(dòng)，利用數(shù)顯千分尺記錄36個(gè)測量點(diǎn)的焦平面實(shí)際位置，并整理出每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)與上一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)位置的差值，對位移變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，處理數(shù)據(jù)后的位移變化量的殘差如圖8所示。

圖8 閉環(huán)控制位移變化量的殘差

位移變化量的標(biāo)準(zhǔn)差為：

式中：V為開環(huán)控制位移變化量的殘差，根據(jù)格拉布斯判別式[11]：

式中：為樣本數(shù)量，為35；顯著度取值為0.05；查表得臨界值0(,)為2.81，判別后知測量數(shù)據(jù)中沒有粗大誤差的存在。根據(jù)“3”原則，則調(diào)焦功能的閉環(huán)定位精度為：

＝±3＝±5.7mm (13)

該測試結(jié)果滿足了±10mm的技術(shù)指標(biāo)，與理論的定位誤差較為接近。

6 振動(dòng)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)抵御衛(wèi)星發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的沖擊、振蕩的能力，了解其動(dòng)力學(xué)特性[12]，需要對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)（動(dòng)態(tài)鎖緊機(jī)構(gòu)用質(zhì)量塊代替）。

6.1 掃頻振動(dòng)試驗(yàn)

掃頻振動(dòng)試驗(yàn)的目的是檢測機(jī)構(gòu)在正弦激勵(lì)載荷的作用下，關(guān)鍵點(diǎn)位置的加速度響應(yīng)值，來確定機(jī)構(gòu)的自然頻率。對機(jī)構(gòu)的三個(gè)方向進(jìn)行0.5的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，加速度頻率響應(yīng)曲線如圖9所示，3個(gè)方向的模態(tài)分別為240Hz、225Hz、243Hz，對比第4章中的有限元模態(tài)仿真結(jié)果，根據(jù)相應(yīng)的振型，掃頻振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果分別相差了5.8%，2.5%，9.5%，誤差在可接受范圍內(nèi)，上述結(jié)果均顯著高于衛(wèi)星總體要求的100Hz，說明調(diào)焦及像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)可以很好地避免與微光多譜段成像儀發(fā)生共振。

6.2 正弦振動(dòng)試驗(yàn)

正弦振動(dòng)試驗(yàn)與掃頻振動(dòng)試驗(yàn)原理相同，區(qū)別在于正弦振動(dòng)試驗(yàn)的頻域范圍小、振幅高，主要針對低頻段。其中響應(yīng)最大的是方向上，100Hz處，焦平面組件的支撐結(jié)構(gòu)上的測量點(diǎn)，此時(shí)的激勵(lì)振幅為3.9，響應(yīng)振幅為4.25，放大倍率為1.09倍，如圖10所示。

6.3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)是用來檢測結(jié)構(gòu)件是否會(huì)發(fā)生變形、損壞的常用方法之一，輸入的激勵(lì)載荷一般為功率譜密度（power spectral density）的形式，計(jì)算的結(jié)果為功率譜密度與頻率的曲線，曲線下的面積即加速度總均方根（grms），通過對比輸入和輸出的加速度總均方根值得到放大倍率，以此來衡量結(jié)構(gòu)的抗振性能。本次試驗(yàn)的頻域?yàn)?0～2000Hz，加速度RMS為6.52，其中放大倍率最大處發(fā)生在方向上，響應(yīng)的加速度RMS為22.11，放大倍率為3.39倍，試驗(yàn)曲線如圖11所示。符合衛(wèi)星總體提出的小于5倍技術(shù)指標(biāo)，證明機(jī)構(gòu)的抗振能力良好。

圖10 Z方向掃頻振動(dòng)試驗(yàn)加速度響應(yīng)曲線

圖11 Y方向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)功率譜密度響應(yīng)曲線

6.4 試驗(yàn)后的鎖緊能力檢測

在每一個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)前后，對調(diào)焦機(jī)構(gòu)的編碼器碼值進(jìn)行記錄和對比，來驗(yàn)證其鎖緊效果，記錄結(jié)果如表2所示?？梢钥闯鲈囼?yàn)前后碼值變化量很小，最大變化量折合成約等于6￠，同時(shí)考慮到光電編碼器的靜態(tài)誤差因素，可能會(huì)存在一定量碼值的偏移，因此可以認(rèn)為焦平面組件未發(fā)生位移，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的鎖緊效果良好。

表2 振動(dòng)試驗(yàn)前后碼值對比

7 總結(jié)

本文針對微光多譜段成像儀的整機(jī)結(jié)構(gòu)特性和工作條件，設(shè)計(jì)了一種調(diào)焦及像移補(bǔ)償一體化的設(shè)備，該設(shè)備的最大優(yōu)勢在于，將兩種功能結(jié)合在一起，在保證達(dá)到所需技術(shù)指標(biāo)的前提下，使整體所需要的空間最小化，結(jié)構(gòu)最簡單化，且配合有動(dòng)、靜態(tài)兩級鎖緊裝置，使機(jī)構(gòu)的可靠性、抗沖擊性顯著提高。結(jié)構(gòu)外形尺寸為349mm×192mm×174mm，總質(zhì)量為9.8kg（不包括兩側(cè)的動(dòng)態(tài)鎖緊機(jī)構(gòu)）。其最大像移補(bǔ)償量為3mm，最大調(diào)焦量為±2mm，調(diào)焦分辨率為0.05mm，實(shí)測的定位精度為±5.7mm。通過掃頻振動(dòng)試驗(yàn)得出其一階模態(tài)為225Hz，與有限元仿真分析結(jié)果基本一致，顯著高于設(shè)計(jì)指標(biāo)的100Hz。正弦振動(dòng)試驗(yàn)中曲線跟隨狀況良好，最大放大為1.09倍，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的加速度RMS最大放大為3.39倍，均在技術(shù)指標(biāo)的要求范圍內(nèi)，表明該機(jī)構(gòu)可以適應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射過程中的嚴(yán)苛動(dòng)力學(xué)環(huán)境，可以有效地避免機(jī)構(gòu)因發(fā)生共振而受到破壞。振動(dòng)試驗(yàn)前后對編碼器碼值的對比，說明了調(diào)焦機(jī)構(gòu)具備了良好的自鎖能力。綜上所述，該調(diào)焦機(jī)構(gòu)可以很好地滿足微光多譜段成像儀的工作需求。

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Design and Performance Analysis of Focusing and Image Motion Compensation Mechanism for Low Light Level Multispectral Imager

CAO Yehao1,2，HE Yukun1,2，SHAN Bowen1,2，PENG Yueyang1,2，XIN Hongwei1，CHEN Changzheng1

(1.,,,130033,;2.,100049,)

According to the structural characteristics and working conditions of a low light level multispectral imager, an integrated device of focusing and image motion compensation is designed to be smaller, better imaging quality and low illumination imaging. The focusing function is realized by the screw nut and the wedge slider. The realization of the motion compensation function depends on the voice coil motor, and with the dynamic and static two-stage locking device. The reliability and impact resistance of the mechanism are significantly improved. The overall dimension of the structure is 349mm×192mm×174mm, the focusing range is ±2mm, the image motion compensation is 3mm, the focusing resolution is 0.05mm, and the actual positioning accuracy is ±5.7mm.The first order mode is 225Hz, which is consistent with the result of finite element simulation. The results of the sine vibration test and random vibration test meet the requirements of the technical indicators. It shows that it has good dynamic stiffness and can effectively avoid the resonance phenomenon. The focusing and image motion compensation mechanism has small size and high structural strength, which meet the working conditions of low light level cameras.

focusing mechanism, image motion compensation, finite element analysis, vibration test, Accuracy analysis

TH122；V443+.5

A

1001-8891(2022)08-0837-09

2021-04-21；

2021-06-21.

曹業(yè)豪（1998-），男，浙江省金華人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

陳長征（1976-），男，山東省寧津人，研究員，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)遙感器總體設(shè)計(jì)。E-mail：chencz@ciomp.ac.cn。

國家自然科學(xué)基金（11803036）資助項(xiàng)目。