中国光学  2015, Vol. 8 Issue (1): 1-16

文章信息

宣明, 王家骐
XUAN Ming, WANG Jia-qi
长春光机所航天光学遥感器研制基地建设进展
Current status of space remote sensing equipments research base in CIOMP
中国光学, 2015, 8(1): 1-16
Acta Ecologica Sinica, 2015, 8(1): 1-16
http://dx.doi.org/10.3788/CO.20150801.0001

文章历史

收稿日期:2014-10-11
修订日期:2014-12-13
长春光机所航天光学遥感器研制基地建设进展
宣明, 王家骐     
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
摘要:通过20多年的努力, 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称长春光机所)现已成为我国航天光学遥感器研制领域的重要基地。本文在回顾其发展历史的基础上, 详实地介绍了近10年来长春光机所在这一领域取得的技术进步, 涵盖了航天光学遥感器研究、设计、制造、装调、检测、试验等各个方面。
关键词航天光学遥感器    空间光学    
Current status of space remote sensing equipments research base in CIOMP
XUAN Ming, WANG Jia-qi     
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
Abstract:Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics(CIOMP), Chinese Academy of Sciences(CAS) has made great efforts for over two decades on promoting herself to be a very important base of space remote sensing equipments' developing in China. The current status of CIOMP in this field is introduced in this paper based on the review of its development history, including the design, manufacturing, alignment, detection, and test of space remote sensing equipments, etc.
Key words: space optical remote sensors    space optics    
1 引 言

长春光机所建所于1952年,在中国光学事业的开拓者王大珩先生的带领下,白手起家,从炼制第一炉光学玻璃开始,到1958年研制成 “八大件”(即填补当时国内空白的高精度、高技术水平的八项现代光学仪器),在代代相传的自力更生、科学报国的长光精神的指引下,现已成为我国从事光学研究与光学工程和光电工程研制领域成立最早、规模最大、综合性最强的研究所。

20世纪60、70年代,长春光机所开辟了我国动态光测技术领城,研制成功了我国系列靶场光学和光电仪器,为我国两弹一星快速发展做出了重大贡献。同时,长春光机所开创了我国航天和航空光学遥感技术领域,在20世纪90年代、21世纪初,成功研制了系列高级航天和航空光学遥感器。经过63年的发展,长春光机所已建设成为一流的集研究、设计、制造、装调、检测、试验为一体的航天光学遥感器研制基地。

2003年,我们曾在《光学 精密工程》杂志上发表过一篇题为《Present status of research on space remote sensors at CIOMP》的综述文章,介绍了当时长春光机所在这一领域的研究情况,该文受到了广大科研工作者的欢迎,并在2004年获得了第二届中国科学期刊优秀学术论文奖。如今又过去了整整10年,本文将介绍长春光机所近10年在空间光学遥感器研制领域取得的技术进步。

2 空间光学遥感器设计技术进展

空间光学遥感器的研发是一个复杂的系统工程,集材料学、光学、机械学、机构学、电子学、计算机学和环境工程学等多学科于一体,可以体现现代工程技术综合实力。其研发过程包括了设计、材料制备、制造工艺、计量和检验、组装和集成、定标和试验等工程技术。涉及的主要的设计技术有:空间光学遥感器总体设计技术;光学设计技术;结构和力学/热设计技术;电子学设计技术;软件设计技术;可靠性设计技术;星载一体化设计技术等。

近10年来,长春光机所在空间光学遥感器研制领域,紧紧围绕进一步提高空间分辨力、光谱分辨力、时间分辨力、成像质量,减轻重量,缩小体积,降低功耗,提高可靠性等方面,进一步提升长春光机所航天光学遥感器研发实力,开拓性地开展了更大型、更精密、更高集成度、更高技术水平、更大难度的航天光学遥感器的研究和开发工作。

为了实现上述的总体目标,长春光机所近10年来,首先在提高设计技术方面给予了高度重视,取得了长足进步,以下重点、简要地介绍几个具有突破性、创新性、取得较大进步的主要设计方面进展。

2.1 先进光学系统设计

近10年来,空间光学系统设计技术取得了跨越式的发展,国家对空间光学系统高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率和宽地面覆盖等方面的迫切需求极大地推动了我所空间光学设计的进步和发展。同时,光学设计的理论与技术的不断创新又为空间光学系统发展提供了强有力的支撑。空间光学系统正向着大口径、长焦距、大视场、高测量精度和多维、多模式等方向发展。

空间光学系统形式由传统的折射式、折反射式、同轴反射式、离轴三反向新型的离轴多反、偏轴多反等方向发展,光学系统面形由传统的球面、非球面向自由曲面方向发展。光学设计正在不断突破以往的极限,比如视场由通常的几度发展到几十度,甚至上百度。“管窥”已成为历史,宽覆盖、超宽覆盖等广域观测正得以实现。可以说长春光机所在空间光学设计领域正赶超世界先进水平,尤其在大视场空间光学设计技术方面有着我们自主的特色。

在具体设计技术方面,可多手段、多设计平台开展工作。在软件平台建设上,我所达到了可同步进行光学设计和杂光分析、光学设计软件可达到每秒顺序追迹数万条光线、可全视场内逐像元像质评价、杂光分析可最多非顺序追迹数亿条光线的水平;对全部种类的二次曲面及高次非球面、绝大多数种类的自由曲面可进行建模,实现数据从设计、加工、检测、装调全过程的无损传递。在硬件平台上有了长足的进步,配置了配套的多套工作站,形成了光、机、力、热等多学科一体化联合仿真集成设计环境。可满足空间对地观测光学遥感器和空间天文大科学工程的研发需求。

在我国航天事业高速发展的大背景下,空间光学设计已进入了新时代,光学设计正在追求全求解域优化得到全局极小值。长春光机所正不断地努力奋斗、打破约束、自主创新,创建满足国家需求的先进的、高质量的光学设平台和设计技术。

2.2 结构和力/热设计

长春光机所20年前开始空间光学遥感器的仿真设计技术研究,主要包括力学设计、热设计技术。通过10年努力,目前可以说达到了国内领先水平,长春光机所已经具备从二、三维设计、力学仿真、热设计仿真到在轨光机集成仿真能力。主要应用软件有:开目、CAD、天河、AutoCAD、UG三维设计软件、MSC/NASTRAN力学仿真软件,Ideas/TMG、Sinda/G热设计软件。可以完成20万自由度模型的空间光学遥感器的静、动力学仿真,热控设计及轨道外热流模拟。通过自写程序可以完成空间光学遥感器在轨的光机集成仿真,完成空间微重力影响下光学面形评价及系统成像质量分析。

近10年来,为了进一步提升我所航天光学遥感器研发实力,开拓性地开展更大型、更精密、更高集成度、更高技术水平、更大难度的航天光学遥感器的研发工作,实现空间光学遥感器在高度轻量化条件下的高力学稳定性和热稳定性。长春光机所重点开展以下三个方面的工作:(1)在广泛应用复合材料的基础上,通过结构轻量化、大口径反射镜支撑、高精度空间结构与机构、光机热一体化设计、振动抑制技术等多项技术攻关;(2)重点建设了光、机、热集成仿真系统平台,该平台由96核CPU处理能力的计算服务器、2T网络存储及主要的设计分析软件NX、Hypermesh、Patran/Nastran、Abaqus、TMG及多学科集成优化软件Isight构成,系统具有300万自由度模型的线性/非线性的静力学分析、动力学分析、空间热分析、光机热集成仿真及多学科优化设计能力,并可以完成空间力热综合环境下光学遥感器的成像质量评价,并以传函为目标的系统优化设计,不但大大提高了设计效率,而且提高了仿真精度,其中模态分析的准确率可达95%以上,正弦振动响应的准确率可达90%以上;(3)建设面向大型、高精度空间光学遥感器的设计与试验相结合的精密热控技术,建立了有效直径Φ 3 m和Φ 4.3 m的真空热光学试验平台,可对在研的大口径、长焦距的空间光学遥感器模拟在轨环境下的成像性能仿真实验。

总体来说,长春光机所的结构和力/热设计仿真设计技术的发展,经历了从单学科仿真评估、光机集成仿真到光机热集成仿真;单学科设计优化、光机热集成仿真到多学科优化设计的发展过程。

2.3 电子学设计

通过应用新型电子器件、电路设计仿真EDA软件的应用水平的提高,以及10年来从事航天电子学人员所积累的丰富经验,电子学的设计水平得到了飞速的提高。电路信号完整性、电磁兼容性水平大幅提升,电装工艺逐步完善,对空间环境防护的手段也不断走向成熟。

提髙空间分辨力主要有三个技术途径:加长镜头的焦距;提高图像传感器像元的尺度;降低航天器的轨道高度。但是这三个技术措施,都会使地物在光学遥感器像面上的像移速度成比例地增大,也就极大地提高了TDICCD的行转移频率。高速、多通道、低噪声、高集成度、高可靠、长寿命、低功耗、轻量化是今后发展的趋势。因此,近年来长春光机所在像面电子学的以下三个方面给予高度重视,并取得了很大的进步。

(1)开发和应用高速、多通道并行的CCD视频信号处理技术,提高CCD成像系统的采样频率。

长春光机所在某空间光学遥感器上已成功实现55通道12 MHz读出频率的CCD信号处理能力,信噪比达到45 dB。图像量化位数已从早先的8位、10位发展到12位、14位。同时1.6 Gbps高速光纤传输技术已成功在星上实现。

(2)采用高速电路硬件仿真技术以及专用信号处理模块,降低噪声提高信噪比。

长春光机所目前已统一电子学设计平台,采用Cadence软件设计,充分采用原理图和PCB仿真,保证了设计信号的完整性、电磁兼容性、电源完整性,满足系统指标要求,并已在多个空间光学遥感器的研制过程中得到应用。在某载荷上应用的紫外光CCD探测器,其致冷温度达-12 ℃,读出频率1.38 MHz,总的读出噪声控制为σRE=-20e-。动态范围达到75 dB,采用14位A/D转换器,有效位数达到12.5位。

(3)高速TDICCD成像系统采样频率已突破17 MHz,且成像画面清晰,动态范围宽,系统信噪比高。

恒量一幅图像的质量,除了空间分辨力之外,还与在该空间频率下的传递函数、信噪比、灰度等级有关。要想获得高传递函数、高信噪比、多灰度等级就必须要求具有非常精密的像移速度矢量补偿(同时包括像移速度和方向的补偿,即行转移频率和偏流角控制),建立完善的计算像移速度矢量的数学模型成为关键。近10年来,长春光机所通过孜孜不倦地攻关,不断地完善数学模型,在第一版本的基础上,开发了第二、第三和第四版本的计算像移速度矢量的数学模型(见表 1)。

表1 计算像移速度矢量数学模型四个版本的简要说明 Tab.1 Brief description for four versions of mathematic model of calculating image motion velocity vector
版本号数学模型的完善过程应用的局限性载荷的应用情况
第一版定义18个影响像移速度矢量的参数;只适用于同轴光学系统的星下点2003年,XX_5星下点摄像;
建立7个坐标系;摄像;2005年,XX_6星下点摄像;
进行7个坐标系之间共11次齐次线性变换;
从物空间到像空间的位置场映射;
建立像面位置方程;
求解像面像移速度矢量;
第二版定义18个影响像移速度矢量的参数;可应用于离轴光学系统;
建立7个坐标系;只分别适用于卫星侧摆或前后摆
引入光轴、视轴和光线的概念;姿态下的摄像;
进行7个坐标系之间共11次齐次线性变换;只分别适用于卫星侧摆或前后摆姿
从物空间到像空间的位置场映射;态下的摄像;要区分左、右摆,南北极,
建立像面位置方程;上、下行的8种组合;前、后摆、
求解像面像移速度矢量;南、北半球,上、下行的8种组合,
引入并单独补充计算投影畸变和地球曲率共16种情况进行计算;
半径畸变形成的偏流角;由投影畸变和地球曲率半径畸变产
生的畸变偏流角需单独补充计算;
第三版定义18个影响像移速度矢量的参数;由于釆用位置场的映射,和投影畸2009年,XX_9首星,
建立8个坐标系(引入过景点星下垂线地平变、地球曲率半径畸变的单独计算,最大侧摆角40度摄像
坐标系);造成18个参数之间的相关项漏算,(TDICCD片与片之间
引入光轴、视轴和光线的概念,并进行光线追迹;得到的像移速度矢量,无论是由于计算得到的像
进行8个坐标系之间共15次齐次线性变换;大小和方向上都有理论误差移速度矢量误差大,
从物空间到像空间的位置场映射;特别在大卫星姿态时,误差值都会明显地在交叉拼
建立像面位置方程;很大,引起图像传函下降;接处的图像有漏缝)
求解像面像移速度矢量;
引入并单独计算投影畸变和地球曲率半径
畸变形成的偏流角;
第四版定义18个影响像移速度矢量的参数;无应用的局限性(1)2011年和2013年,
建立8个坐标系(引入过景点星下垂线地平坐XX-9,02星,XX-9,03星,
标系);最大侧摆角40度摄像;
引入光轴、视轴和光线的概念,并进行光线追迹;(2)2011年,T_XX_1,
进行8个坐标系之间共15次齐次线性变换;最大侧摆角:15度摄像;
求解物空间速度矢量;(3)2013年,K_XX_1,
从物空间到像空间的速度场映射,得到像面像移最大侧摆角:45度摄像;
速度矢量;(4)2014年,K_XX_2,
最大侧摆角:45度摄像,
都取得了清晰的图像。
2.4 软件设计

长春光机所于20世纪90年代中期,全面开展了软件工程化工作,软件研制工作步入了全面受控状态,于2008年通过了GJB5000二级的正式评价。

经过最近10年的努力,于2013年,长春光机所在中科院系统,第一家通过了GJB5000A三级的正式评价,软件研制进入了良性发展提升阶段,研制能力上了一个新台阶。

为满足长春光机所空间光学遥感器软件研制的需求,2008年开始,长春光机所筹建软件测评中心,添置了软件设计、测试、管理、调试等方面的软件工具,有效地提升了软件测评能力,并于2012年通过了国家级的资格认证,正式成立了“中国科学院长春软件测评中心”,不但满足了长春光机所软件测评的需求,也具备了软件第三方测评的资质和能力。

2.5 星载一体化设计

星载一体化设计包括:结构一体化设计(可提高系统结构强度、刚度、稳定性);控管一体化设计(可简化结构、提高精度、反应灵敏、降低功耗); 功能一体化设计(相互协调,完成特殊的摄像功能模式)。 也就是:在结构上实现光学遥感器和卫星为一体;在控管上做到光学遥感器和卫星统一指挥。

特别是为了提高时间分辨力,实现敏捷摄像(诸如卫星大姿态角下的沿轨纯侧摆推扫摄像、非沿轨倾斜方向推扫摄像、任意方向沿轨推扫摄像、对同一景区多幅拼接推扫摄像、对一个景区的凝视摄像、对同一景区立体推扫摄像等特殊摄像)方式时必须做到控管一体化。例如K_XX_1、K_XX_2光学遥感器采用卫星和遥感器之间统一协调的控制,实现了侧摆角达到±45°的苛刻条件下,仍能实现高精度的像移速度矢的匹配,在轨获取了高清晰的图像。实现卫星大姿态角条件下的摄像,可以显著地提高时间分辨力,例如在某个轨道下,对于一个低纬度的地面景物,一个1.5°视场角的光学遥感器,如不具备侧摆摄像功能,地面覆盖宽度仅为10.5 km,而当具有±45°侧摆摄像功能时,其相当于地面覆盖宽度增加到827.4 km;同时每月可对此景物的摄像次数会有质的提升,如表 2所示。

表2 在不同的侧摆角下,每月可对一个目标摄像的次数和可覆盖的地面宽度(注:轨道倾角42.75°,轨道高度400 km) Tab.2 Numbers to shoot one target per month and coverable width of the ground under different lateral angulars(note:orbit inclination is 42.75°,and orbit altitude is 400 km)
可摄像的次数/月 太阳高角/(°) 可覆盖的地面宽度/km (光学遥感器视场:1.5°)
10203040
侧摆角/(°)±5°211070.01
±10°2110141.20
±15°3220214.85
±25°8441375.68
±35°11752569.25
45°161273827.42

要做到卫星和遥感器之间统一协调的控制,实现敏捷摄像,其关键技术之一是开发出系列的数学模型,有地面的、还有在轨的。表 3为根据光学遥感器的摄像能力,针对不同的在轨摄像模式进行的地面规划内容,以及由此计算出的供在轨摄像时,卫星和遥感器之间统一协调控制的一系列控制参数。

表 3中只是针对景区中一个特征点(一般是景区中心点)规划出的摄像参数,实际的初始摄像时刻和对应的星下点位置(星下点的经纬度),还要根据所摄景区的大小和形状,以不同的在轨摄像模式进行修正。

表3 地面规划的三次规划工作内容表 Tab.3 Three planning work content of ground planning
规划摄像模式规划前已知的参数规划后得到的参数
第一次规划沿轨纯侧轨道到地球质心的距离:H0 摄像点卫星运行的圈数:nk1
推扫摄像;轨道倾角:i0摄像点轨道的象限位置:mk1(上行、下行,南半
非沿轨倾卫星第一降交点时刻:tk0球、北半球);
斜方向推在降交点地球坐标系E中给出的摄像点相对第一降交点的摄像时刻:tk1
扫摄像;第一降交点经度:α0摄像点轨道地球中心角:γ01=Ωtk1
在地理坐标系Ge中给出的第一降交点摄像时星下点的经度:αk1
经度:αEαW0摄像时星下点的纬度:λk1
相机可以应用的最大侧摆角:φmax摄像时卫星的侧摆姿态角:φ1
相机可以应用的最大俯仰角:max摄像时星下点太阳天顶角:Ek
景点在地球坐标系中的经度:αEgαWg摄像时景点的太阳天顶角Eg
景点在地球坐标系中的纬度:λNgλSg
景点的地心距:Rg
第二次规划任意方向沿第一次规划前已知的参数;摄像点卫星运行的圈数:nk2
轨推扫摄第一次规划后得到的参数; 摄像点轨道的象限位置:mk2
像;对同一景设定摄像时需要的卫星俯仰姿态角:2≠0;摄像点相对第一降交点的摄像时刻:tk2
区多幅拼接摄像点轨道地球中心角:γ02=Ωtk2
推扫摄像;摄像时星下点的经度:αk2
对一个景区摄像时星下点的纬度:λk2
的凝视摄像;摄像时卫星的侧摆姿态角:φ2
第三次规划对同一景第一、二次规划前已知的参数;根据摄像时刻星下点位置所对应的偏航姿态调
区立体推第二次规划后得到的参数;整角(原始偏流角):βsk3
扫摄像;摄像时卫星的姿态角:φ33
其它摄像参数都不变,即:
tk3=tk2,αk3=αk2,λk3=λk2
3 光学材料制备进展

2003年之前,长春光机所光学材料的研究成果主要集中于传统玻璃材料,在光学玻璃精密退火及性能精密测试方面进行了大量的研究,达到了国际先进水平,出色地完成了本所和国内其他单位承制的航天光学遥感器及其配套检测设备所需要的一批高质量光学玻璃的制备任务。

近十几年来,反射式系统在航天光学遥感器中成为主流,为了满足空间大口径反射镜的需求,长春光机所在以碳化硅、铍铝合金为代表的镜坯材料的制备、加工方面的研究工作又取得了突破性进展。

长春光机所自20世纪90年代末开始启动RBSiC陶瓷材料制备技术相关研究,先后建立了可烧结直径为Φ 1 m、Φ 2 m和Φ 4 m SiC反射镜镜坯的高温真空烧结炉,如图 1所示。

图 1 SiC高温真空烧结炉 Fig. 1 SiC high temperature vacuum sintering furnace

SiC镜坯的制备工艺包括:选料、颗粒级配、制模、制浆、注模、凝胶固化、脱水、干燥、装炉、烧结、稳定化处理、冷却、清理、评价等上百道工序。每道工序做到了规范化,稍有差错将会产生致命缺陷。直径在2.4 m以下的SiC镜坯,地面应用的成品率接近100%;空间应用也达到了很高的成品率。目前在复杂结构反射镜型腔消失模设计与制备、大尺寸SiC素坯成型、干燥、反应烧结以及RBSiC无应力反应连接等方面积累了丰富的科研数据,获得了一系列研究成果。

例如:(1)在反射镜材料的镜体结构方面,长春光机所研究了一种低温消失模技术,实现了SiC反射镜体的背部半封闭结构,在热学性能和机械性能方面优势显著,如图 2所示。该项研究实现了材料的成型方法、去除机理及去除效率之间的最优匹配,解决了传统消失模易吸水、阻碍素坯干燥收缩、需高温去除等弊端,为制备各种不同复杂型腔SiC镜体提供了一种可行的技术途径。

图 2 利用低温消失模技术实现SiC反射镜的背部半封闭结构 Fig. 2 Back semi-closed structure of SiC mirror by the EPC technology at low temperature

(2)采用目前世界上最先进的陶瓷成型技术——凝胶注模(gel-casting)成型技术完成SiC陶瓷素坯成型,对制备工艺过程中存在的高固相含量低粘度浆料制备、浆料流变性、浆料稳定分散以及浆料凝胶时间控制等内容进行了深入研究。结合低温消失模技术,获得了一次注模成型单块Φ2.4 m量级SiC陶瓷素坯。

(3)在大尺寸轻型SiC湿坯的干燥过程中,由于坯体结构形式复杂,水分在型腔内外表面存在挥发速率差异,因此极易在干燥过程导致坯体开裂。为了实现大尺寸复杂形状SiC陶瓷的均匀缓慢干燥,发明了一种液体干燥新工艺,将湿坯中的大部分水分扩散至干燥液中,并使坯体接近完全收缩的90%以上,之后将坯体移入干燥箱实现最终干燥。采用该技术完成了单块Φ 2.4 m SiC湿坯的无缺陷干燥。图 3为干燥后的Φ 2.4 m SiC素坯。通过反应烧结即可得到RBSiC反射镜坯,经测试已完全达到空间光学系统的使用要求,该反射镜是目前世界上公开报道口径最大的整体烧结SiC反射镜如图 4所示。

图 3 Φ 2.4 m SiC素坯 Fig. 3 SiC biscuit with Φ 2.4 m
图 4 Φ 2.4 m RBSiC镜坯 Fig. 4 SiC mirror substrate with Φ 2.4 m

(4)为实现大镜面镜坯制备,通过工艺攻关,在镜面无应力反应连接方面,一次反应烧结同时实现了坯体的连接与致密化,最大限度降低了焊缝与基材之间显微结构的差异,实现了焊缝与基材之间物理性能的一致性。采用该工艺成功制备得到Φ 2.0 m反应连接RB-SiC镜体,镜体光学加工性能良好。同时4 m量级的RBSiC连接镜坯制备技术也正在研制中,如图 5所示。

图 5 Φ 4.0 m SiC连接镜体素坯 Fig. 5 SiC biscuit of joining mirror with Φ 4.0 m

(5)超轻反射镜坯制备方面,长春光机所研究了一种真空辅助凝胶注模技术,制备了口径Φ 200 mm和Φ 500 mm的超轻RBSiC镜坯,面密度分别为9.27和10.8 kg/m2(常规面密度大于60 kg/m2)(图 6)。

图 6 Φ 200 mm和Φ 500 mm超轻RBSiC镜坯 Fig. 6 Ultrlight RBSiC mirror blank with Φ 200 mm and Φ 500 mm

同时口径200 mm超轻RBSiC镜坯表面进行了光学加工,面形精度RMS质优于λ/20(图 7)。

图 7 Φ 200 mm超轻RBSiC反射镜 Fig. 7 RBSiC mirror with Φ 200 mm

(6)复合材料与金属材料镜坯制备方面,针对高体积分数SiC/Al复合材料在综合热机械品质方面的明显优势,长春光机所开展了相关材料制备的研究。目前已完成SiC素坯制备、铝合金配方以及铝合金熔渗工艺方面的研究,正在开展大尺寸SiCp/Al结构件制造的研究。在以往低精度铝金属镜红外波段应用基础上,突破了高精度铍铝合金应用于高性能红外光学系统的设计、制造等关键技术,为航空、航天光学载荷的性能提升开拓了新的技术途径,为下一步在可见甚至紫外的应用奠定基础。目前已完成多个铍铝合金反射镜样品的制造,性能满足使用要求。在完成制造条件改造的基础上,正在开展铍铝金属镜的批量制造技术研究。

4 光学冷加工进展

长春光机所于1997年自主研制成功国内第一台实用化的“FSGJ-1型非球面数控光学加工中心”,如图 8(a)所示,采用了4轴联动技术,可加工Φ 600 mm以内同轴光学非球面,加工精度为λ/40 RMS。进入21世纪以来,面向国家对空间大型反射镜制造技术的重大需求,长春光机所在光学加工方面研发了系列非球面数控加工中心。并在技术上取得了多方面的研究成果,例如:在FSGJ-1型基础上研发的FSGJ-2型非球面数控光学加工中心采用6轴联动取代4轴联动;并通过优化磨头工作函数和调节气动压力提高了磨头工作效率,实现了1 m量级离轴非球面λ/50 RMS的加工精度。

图 8 非球面数控光学加工中心 Fig. 8 Numerical controlled machining center for aspherical mirror

近年来,在对碳化硅等光学材料进行了大量工艺实验及理论分析的基础上,建立了基于反卷积迭代、矩阵代数及正则化技术的大口径离轴非球面表面误差收敛模型;给出了基于质心算法及面形误差权重因子的加工轨迹自适应优化算法;建立了基于平转动小磨头加工方式的SiC材料加工工艺规范及基于固着磨料的准确定性SiC材料去除模型。在FSGJ-1、FSGJ-2型两代非球面数控加工中心研制技术基础上,成功研制了基于计算机辅助FSGJ-3型非球面数控光学加工中心及其控制软件,反射镜加工能力口径达到Φ 3.2 m量级、在线轮廓测量精度优于1 μm RMS、非球面面形加工精度优于λ/50。目前最新研制的大口径SiC反射镜非球面抛光设备采用了适用于非回转对称自由曲面加工的平转动应力盘,并实现了12轴伺服电机联动控制,如图 9所示。

图 9 大口径碳化硅反射镜抛光设备 Fig. 9 Polishing machine for large scale SiC mirror

同时,长春光机所致力于研究和开发超大尺度精度比离轴非球面反射镜的铣磨加工技术。开发了计算机辅助数控编程技术,提出了五轴联动斜轴定角度加工方式,并给出消除工件几何中心处加工残留的方法。在超声振动辅助五轴加工中心(图 10所示)上,成功开展了离轴非球面SiC反射镜的铣磨加工试验,大幅度缩短了SiC反射镜的精密研磨周期,为大口径反射镜面形误差的快速收敛,提供了解决方案。

图 10 五轴联动超声振动加工中心 Fig. 10 Five-axis ultrasonic vibration machining center

从2010年起开始磁流变加工设备与技术的专项研发,相继完成了多种型号磁流变抛光设备的研制与工艺研究,积累了大量的实验数据,已经成功应用于国家重大任务研制过程。

离子束抛光技术是传统数控小磨头加工的技术升级,可实现高精度的材料去除。长春光机所合作研发了IBF-1500离子束非球面数控加工中心,最大可加工口径达到Φ 1 500 mm,通过控制离子束在镜面上各点的驻留时间实现对光学表面的精确修正,可达纳米级的加工精度。

在自由曲面加工方面,采用小磨头/磁流变/离子束组合加工技术,实现自由曲面的高精度加工。并完成了自由曲面轮廓测量软件的研发,指导数控研磨达到1 μm RMS面形精度。图 11为自由曲面小磨头/磁流变/离子束组合加工技术流程。

图 11 自由曲面组合加工技术 Fig. 11 Combined machining technology of freeform surfaces

在短波光学所需的高面形精度超光滑表面加工方面,通过将数控加工和非接触抛光技术的有机结合,克服了以往在超光滑表面加工中的表面粗糙度与面形精度加工相矛盾的技术难点,加工出面形精度5 nm(RMS值),表面粗糙度0.6 nm(RMS值)的超光滑反射镜,并成功应用于工程项目。对熔石英、微晶玻璃、K9玻璃和硅片等已经做了大量的实验,掌握了多种材料的加工工艺。如图 12为超光滑表面加工的设备和反射镜成品。

图 12 超光滑表面加工 Fig. 12 Processing for ultra smooth surface
5 光学镀膜进展

光学镀膜在空间光学遥感器研制中是非常重要的技术之一。反射镜面的高反膜,要求在λ= 0.5~ 0.9 μm 范围内反射率R≥97%;折射界面的减反膜,要求λ=0.5~ 0.9 μm范围内反射率R≤0.4%;窗口的透明导电膜,要求可见光反射率R ≤10%、红外反射率R≥90%,并具有导电加热功能;红外截止膜要求尽量不损失可见光透过率;半反半透分光膜要求透射和反射率尽可能相等并且不产生偏振效应。空间光学遥感器中应用的膜层除要达到上述光学性能要求外,还要求在空间使用环境下膜层稳定耐久。

为了满足大口径非球面的上述镀膜需求,在自行研制了Φ1 100 mm低压离子辅助镀膜机的基础上,近年来又联合研制了Φ 2 500 mm口径镀膜机;自行研制了Φ3 200 mm和Φ5 000 mm口径的镀膜机(如图 13所示)并投入使用,大大提高了长春光机所的镀膜能力。

图 13 不同口径的镀膜机 Fig. 13 Coating machines with different diameters

为更加深入地开展空间相机中各种光学薄膜的基础性、原理性研究,近年来,引进了光谱椭偏仪、表面轮廓仪、摩擦磨损仪等多种检测设备,如图 14所示,检测手段由单纯的光谱特性检测发展到光谱特性、表面形貌、机械性能等一系列薄膜特性检测。

图 14 薄膜特性检测设备 Fig. 14 Film property testing equipment

在满足空间温度冲击和辐照环境的大口径光学Ag、Al反射膜制备工艺方面,通过引进各种不同的先进辅助离子源,并对镀膜工艺进行研究和改进,在低温成膜方面取得显著进展,确保镀膜前后反射镜面型不发生改变。目前可以在50 ℃以下完成空间光学遥感器反射膜的镀膜工作,得到的Ag、Al反射膜在保证高反射率的前提下,能够满足空间环境的要求。温度冲击(沸水-液氮)、辐照(5年总剂量辐射)后反射率仅下降1%。

伴随着SiC反射镜在空间光学遥感器中的应用,自2000年起在国内率先开始了SiC反射镜表面改性的研究工作,提出了采用物理气相沉积硅改性层的方法对SiC反射镜进行改性,经过十年逐渐深入的研究和完善,形成了一整套SiC表面改性的理论和工艺,在国内处于领先水平。SiC反射镜改性前后表面对比如图 15所示。

图 15 SiC反射镜改性前后表面对比 Fig. 15 Comparison of SiC mirror surface before and after modification

针对超大口径(4 m量级)碳化硅表面改性,成功应用Φ 3.2 m磁控溅射镀膜设备开展 的孪 生靶中频溅射大口径大厚度碳化硅改性层的研究,突破了膜层应力控制、反应溅射连接层、表面缺陷改进等关键技术。SiC反射镜改性抛光并镀反射膜后,反射率已经达到微晶玻璃的水平,目前已经具备2 m量级碳化硅反射镜改性层镀制的能力。

在空间探测器多光谱滤光片镀膜技术方面,在国内率先开展了多光谱滤光片的研制工作。通过技术升级,采用光刻技术与镀膜相结合的方法,突破了单片式多光谱滤光片制作的多项关键技术,并和国外开展了合作。如图 16为单片式多光谱滤光片实物及其实测光谱曲线。

图 16 单片式多光谱滤光片 Fig. 16 One-chip multispectral filters
6 检测装调进展

为了满足更大型、更高精度的离轴三反航天光学遥感器的研制需求,近10年来新建了光学材料检验实验室、机械参量检验实验室、光学装调检验实验室、电子学系统检验实验室、电子学性能检验实验室、电磁兼容实验室等。

其中,光学材料检验实验室中配备了Φ 800 mm口径平面干涉仪、高精度折射率测量机、4D干涉仪、以及常规的ZYGO球面干涉仪等,如图 17图 18所示。实验室可以完成大口径平面镜的面形精度的检验,补偿器用光学玻璃折射率的检验等。

图 17 Φ 800 mm口径干涉仪 Fig. 17 Interferometer with Φ 800 nm
图 18 高精度折射率测量机 Fig. 18 High precision refractive index measuring machine

机械参量检验实验室配备了新的三坐标测量机及激光跟踪仪,如图 19图 20所示。实验室可以完成复杂系统的高精度光机结构标定检测,尺寸及位置标定测量精度0.02 mm,为光学系统的精细装调提供良好的初装基础。

图 19 三坐标测量机 Fig. 19 Three-coordinate measuring machine
图 20 激光跟踪仪 Fig. 20 Laser tracker

光学装调检验实验室配备了镜面定位仪、交汇测量系统、高精度测角仪、莱卡经纬仪、气浮平台等,如图 21图 22所示。实验室可以完成航天光学遥感器在单镜加工阶段补偿器间隔的测试、航天光学遥感器各单镜的顶点曲率半径、离轴量、二次项系数等几何参数的测试。

图 21 镜面定位仪 Fig. 21 Mirror locator
图 22 交汇测量系统 Fig. 22 Intersection measuring system

电子学系统检验实验室配备了电子学仿真装置,硬件方面几乎集成了我所研制的各型号航天光学遥感器的全部电子学通讯及数据采集接口,各采集接口数据的时间误差可以控制在μs级;软件方面采用了Vxworks实时操作系统和通用性界面设计思想。可以完成不同型号的电子学集成仿真测试工作,其完整的测试用例生成、数据自动采集、实时解析及判读等功能,是我所目前功能最全、自动化程度最高的一套电子学仿真测试装置,如图 23所示。

图 23 电子学系统检验实验室 Fig. 23 Electronics system test laboratory

电子学性能检验实验室主要设备有16 GHz的高速示波器、20 GHz的网络分析仪、3 Gbps的串行误码率测试仪、2 GHz 68通道的逻辑分析仪、直流电源变换器自动测试系统、特征阻值测试仪和1553B数据通路完整性测试仪。实验室建成后可以完成时域、频域、逻辑域和误码率的信号完整性测试;能够对高速电路的信号质量进行定量的评价;能够对1553B远程终端进行电气层、协议层以及应用层相关参数的测试;能够完成直流电源变换器和电接口静态参数的自动化测试,如图 24所示。

图 24 电子学性能检验实验室 Fig. 24 Electronics properties test laboratory

电磁兼容实验室由一个5 mF电波暗室、控制室、功放室、负载室组成,配备仪器设备包括信号源、功率放大器、发射天线、接收天线、抑制网络、接收机、线路阻抗稳定网络等。该实验室建成后,可以完成新版GJB151A中全部20个测试项的自动校准及测试。可以满足我所航天、航空光学遥感器产品的电磁兼容测试需求,如图 25所示。

图 25 电磁兼容实验室 Fig. 25 EMC laboratory

除上述系列专用实验室外,本所近年来在检测技术研究及检测设备研制方面取得了跨跃式的发展,许多新型检测技术在光学非球面加工检测、大型光学系统检测中得到了应用,如采用CGH补偿、子孔径拼接等组合检测技术实现自由曲面的高精度标定、测量;大型空间光学遥感器的计算机辅助装调技术愈加成熟、高精度定心技术不断开发应用。

研发了灵敏度矩阵条件数法、像差逐项优化法、分组补偿器法等计算机辅助装调技术,减少了调整的变量,使计算更准确、装调更快速。利用该项技术已成功装调出10余套离轴三反光学系统,如图 26所示。

图 26 计算机辅助装调现场 Fig. 26 Computer-aided alignment

大口径光学系统定心仪借助色差位移传感器附件,仪器可实现球面与非球面系统的定心装调,突破了传统定心仪只能定心装调纯球面系统的瓶颈,该仪器偏心测量精度高达0.02″,转台直径Φ 800 mm,导轨行程2 m,如图 27所示。

图 27 大口径定心仪 Fig. 27 Large-scale eccentricity error measurement instrument

为了实现对大口径光学相机辐射定标杂散光特性的测试,研制开发了Φ 3 m、Φ 4 m和Φ 8 m等多个大积分球。Φ 4 m积分球开口直径Φ 1.6 m,Φ 8 m积分球开口直径Φ 2.5 m,如图 28所示。目前可满足Φ 2.5 m口径以下的可见、近红外系统的辐射定标。

图 28 大口径积分球 Fig. 28 Large-scale integrating sphere

为了完成1∶5万比例尺立体测绘相机的装调和内方位元素等几何参数的高精度标定,研制了口径Φ 750 mm自准直平行光管和0.5″二维转台,建立了航天光学遥感器内方位元素精密标定系统,如图 29所示。

图 29 内方位元素标定系统 Fig. 29 Calibration system of inner orientation elements

为了检测CCD器件的性能,专门购置了TDICCD 器件光电参数/传递函数检测设备CAPELLA测试系统,如图 30所示,主要用于进行TDICCD器件的光电参数、传递函数、光谱曲线、动态范围的测试,为相机用TDICCD器件的筛选提供准确、可靠的测试数据。

图 30 TDICCD 器件性能测试系统 Fig. 30 Measurement system for TDICCD performance

随着光学遥感器成像幅宽增大,单片CCD已不能满足幅宽的需求。解决CCD拼接技术在航天光学遥感器在研制过程中尤为重要,长春光机所自主开发研制了一系列高精度CCD拼接仪。目前工作台面最大的CCD拼接仪两个方向的行程分别为1 000和400 mm,导轨面平行度1 μm,整机拼接定位精度优于2 μm,可实现大尺寸线、面阵CCD焦面组件拼接装调,如图 31所示。

图 31 高精度大量程CCD拼接仪 Fig. 31 CCD assembling instrument with high precision and wide range

为了实现对大口径长焦距空间相机的光学性能检测,研制了多个大型的平行光管,以满足多个项目的并行研制需求。先后研制了焦距为13和20 m的牛顿式平行光管,并配套有热真空罐及Φ 1.5 m口径平面反射镜,可以实现对长焦距空间相机的热光学性能测试,包括相机的星点检验、目视分辨率检验、静态和动态调制传递函数MTF。为了满足长焦距系统调制传递函数测试需要,2013年又研制了焦距30 m的短程平行光管,该光管采用了卡式系统,筒长仅为3.9 m。焦距50 m、口径Φ 2 m的平行光管也正在研制中,如图 32所示为大口径长焦距光学遥感器光学性能检验设备。

图 32 光学性能检测设备 Fig. 32 Optical performance testing equipment
7 电装工艺进展

为了满足航天光学遥感器的电装需求,中国科学院长春光机所在2000年成立了电装工艺与装联技术中心(简称电装中心)。经过10年的完善,建有10万级的超净工作间2 000余平方米,分为九大功能区,全面实施防静电/超净化管理,如图 33所示;同时拥有行业I级标准的高等级库房400余平方米,能够满足电子元器件的存储要求;组建了以2条全自动表面组装(SMT)生产线为代表的先进制造平台,形成了覆盖前期测试、生产监测、结果检验全过程的检测平台,以及用于开展基础工艺研究和创新工艺开发的综合实验平台;具备电路板高可靠组装、精密组件电气布线和航天器主/被动热控实施等传统电装技术;通过攻关,开发了芯片成形、热控多层组件一体化设计、整星电缆网实施、太阳电池阵制作、低温焊接、精密联动机构布线、小空间/动组件隔热组件设计与包覆等一系列专项工艺技术,并成功实现了在轨应用与验证。

图 33 10万级防静电超净工作间 Fig. 33 Antistatic super-clean working cabin with 105 class

同时,培养了具有优秀电子装联能力的技术队伍,在国际互联协会(IPC)举办的手工焊接大赛中屡次获得佳绩,其中包括2010年的全国冠亚军、2012年青岛赛区亚军、2013年全球季军,如图 34所示。

图 34 2013年获得IPC在美国圣地亚哥举办的首届手工焊接世界冠军赛季军 Fig. 34 Staff of CIOMP won the third place for the 1st hand soldering competition and IPC world championship in 2013
8 空间环境模拟试验进展

航天器及其载荷系统与地面产品的重要区别之一就是要经历复杂、严酷的发射和空间环境的考验。所以,要在地面对航天器、空间载荷进行充分的空间环境模拟试验,以保证其入轨后的功能和性能。长春光机所先后配备了5 t、10 t和40 t等振动台,用来模拟发射过程中力学环境条件,如图 35所示。

图 35 振动台 Fig. 35 Vibrostand

热试验方面,经过十几年的努力,已经具备包括:湿热试验箱、高低温试验箱、温度冲击试验箱等一些列温度试验设备。目前,长春光机所拥有多个大型光学遥感器空间环境模拟试验设备,并配备了可抽真空的平行光管,满足大型航天光学遥感器热真空和热光学环境试验的要求。最大试验设备有效容积为直经Φ 5.5 m、长度8 m,如图 36所示。并改造完成了可用于测绘相机交会角稳定性测试的多光学窗口热真空试验设备,如图 37所示。

图 36 大型光学遥感器空间环境模拟试验设备 Fig. 36 Space environment simulation test equipment of large scale optical remote sensors
图 37 测绘相机用热真空试验设备 Fig. 37 Thermal vacuum test equipment for surveying and mapping camera
9 结 论

本文详细介绍了近10年来长春光机所在航天光学遥感器研制基地建设方面取得的进展。目前长春光机所的技术能力已经能够全面覆盖2 m以下口径航天光学遥感器的研制。在不断提高大口径航天光学系统制造能力的同时,长春光机所还致力于发展更多类型、更大型、更高性能、更高集成度的航天光学遥感器,在提高时间、空间和光谱分辨力、拓展谱段、提高使用效能等诸多方面持续努力,以满足国民经济各个领域日益增长的航天信息获取需要。