一种地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统的制作方法

本发明属于航天光学遥感技术领域，尤其涉及一种地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统。

背景技术：

地球静止轨道高分辨探测技术因为其轨道特点所带来的探测范围大、对热点区域可长时间、全天时高分辨率实时监视探测等特点目前已成为国内外未来对地观测技术发展的重要方向。

高分辨率的低地球轨道(leo)红外光学成像遥感卫星已经广泛应用多年，但时间分辨率较低。地球静止轨道(geo)气象卫星具有较高的时间分辨率和较大的成像幅宽，但空间分辨率较低。为满足同时需要高时间分辨率和较高空间分辨率的对地观测需求，提供一种切实可行的地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统总体技术实现方案成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统，解决现有相机对高时间分辨率和高空间分辨率难以兼顾的难题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统，包括：地球静止轨道红外遮光罩、地球静止轨道红外光学系统、调焦机构、地球轨道红外定标组件、地球静止轨道红外大面阵焦面组件、制冷组件、地球静止轨道红外信号处理装置；其中，所述地球静止轨道红外遮光罩罩设于所述地球静止轨道红外光学系统；所述调焦机构与所述地球静止轨道红外光学系统相连接；所述制冷组件与所述地球静止轨道红外大面阵焦面组件相连接，所述制冷组件用于对所述地球静止轨道红外大面阵焦面组件进行制冷；地球轨道红外定标组件产生光信号传输给地球静止轨道红外大面阵焦面组件，地球静止轨道红外大面阵焦面组件对光信号进行采样并转换为电信号输入给地球静止轨道红外信号处理装置，地球静止轨道红外信号处理装置输出辐射校正后均匀的图像；所述地球静止轨道红外光学系统采集探测区域内地面物体辐射信号，所述调焦机构调节所述地球静止轨道红外光学系统使得所述地球静止轨道红外光学系统输出校正后的地面物体辐射信号，地球静止轨道红外大面阵焦面组件对校正后的地面物体辐射信号进行采样并转换为电信号输入给地球静止轨道红外信号处理装置，地球静止轨道红外信号处理装置对电信号进行放大、滤波以及编码后得到地面物体图像信号。

上述地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统中，所述地球静止轨道红外大面阵焦面组件为hgcdte面阵探测器。

上述地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统中，所述制冷组件采用脉冲管制冷机。

上述地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统中，所述地球静止轨道红外遮光罩的内壁设置有挡光环。

上述地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统中，所述地球静止轨道红外遮光罩的内表面喷设有黑漆层，外表面喷设有白漆层。

上述地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统中，所述地球静止轨道红外光学系统为rc双反结合消像差透镜组的光学系统。

上述地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统中，调焦机构包括：步进调焦电机、减速齿轮、滚珠丝杠付、角接触球轴承、滑动轴、电位计组件、活动板、滑动座和固定座；其中，步进调焦电机通过一对减速齿轮与滚珠丝杠付连接，滚珠丝杠付与一对角接触球轴承相连接，当步进调焦电机转动而带动滚珠丝杠付时，滚珠丝杠付就能前后运动，电位计组件安装于滚珠丝杠付一端，进行移动距离位置遥测反馈，滑动轴安装于固定座上，滑动座与滑动轴相连起导向作用，活动板通过轴承安装在两根滑动轴上，从而使地球静止轨道红外光学系统能随着活动板沿光轴方向前后自由滑动，实现调焦功能。

上述地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统中，所述地球轨道红外定标组件包括：定标支架、电机、黑体套筒、高温黑体、常温黑体、黑体套筒隔热垫、霍尔组件、电磁铁、电磁铁座、摆臂、黑体隔热垫、热敏电阻、薄膜加热片；其中，高温黑体和常温黑体通过黑体隔热垫安装在黑体套筒上，黑体套筒与摆臂相连接，摆臂与电机相连接，高温黑体和常温黑体均安装有热敏电阻进行实时温度监测，在高温黑体上安装有薄膜加热片实现加热控制，摆臂通过霍尔组件对黑体位置进行遥测；电磁铁与摆臂相连接，电磁铁座设置于定标支架上，电磁铁能够吸附于电磁铁座。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)采用较大规模的面阵探测器，配合大口径、长焦距光学系统，实现了高时间分辨率、较高空间分辨率、较高辐射分辨率以及较大单景成像幅宽；

(2)红外焦面组件采用hgcdte面阵探测器，由脉冲管制冷机组件制冷到80k，脉冲管制冷机在轨连续工作；

(3)采用大面源常温黑体和高温黑体进行星上定标，定标频次可根据需要进行设置，高温黑体的温度可根据需要进行调整；

(4)本发明的调焦机构保证了能够得到高时间分辨率和高空间分辨率的图像。

附图说明

图1是本发明的地球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统的框图；

图2是本发明的遮光罩及其挡光环图；

图3是本发明的rc双反结合透镜组消像差的光学系统图；

图4(a)是本发明的调焦机构的结构示意图；

图4(b)是本发明的调焦机构的又一结构示意图；

图4(c)是本发明的调焦机构的另一结构示意图；

图5(a)是本发明的红外定标组件的结构示意图；

图5(b)是本发明的红外定标组件的又一结构示意图；

图5(c)是本发明的红外定标组件的另一结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，根据本发明的球静止轨道高分辨率红外面阵凝视相机系统包括地球静止轨道红外遮光罩1、地球静止轨道红外光学系统2、调焦机构3、地球静止轨道红外定标组件4、地球静止轨道红外大面阵焦面组件5、制冷组件6、地球静止轨道红外信号处理装置7。

地球静止轨道红外遮光罩1罩设于地球静止轨道红外光学系统2；

如图2所示，红外遮光罩1的内壁设置有挡光环1-1；

调焦机构3与地球静止轨道红外光学系统2相连接；

红外光学系统光路图如图3所示，包括rc双反2-1和透镜组2-2；

制冷组件6与地球静止轨道红外大面阵焦面组件5相连接，制冷组件6用于对所地球静止轨道红外大面阵焦面组件5进行制冷；

地球轨道红外定标组件4产生光信号传输给地球静止轨道红外大面阵焦面组件5，地球静止轨道红外大面阵焦面组件5对光信号进行采样并转换为电信号输入给地球静止轨道红外信号处理装置7，地球静止轨道红外信号处理装置7输出辐射校正后均匀的图像。此步骤是通过地球轨道红外定标组件4来使得地球静止轨道红外信号处理装置7能够输出一个理想的图像，从而将地球静止轨道红外大面阵焦面组件5和地球静止轨道红外信号处理装置7的性能调整到最优的状态。

地球静止轨道红外光学系统2采集探测区域内地面物体辐射信号，地面物体辐射信号依次通过rc双反2-1和透镜组2-2，调焦机构3调节地球静止轨道红外光学系统2使得地球静止轨道红外光学系统2输出校正后的地面物体辐射信号，地球静止轨道红外大面阵焦面组件5对地面物体辐射信号进行采样并转换为电信号输入给地球静止轨道红外信号处理装置7，地球静止轨道红外信号处理装置7对电信号进行放大、滤波以及编码后得到地面物体图像信号。

地球静止轨道红外遮光罩1在整个星载红外相机的最前端，保证地球静止轨道红外光学系统2工作时不受太阳光等杂散辐射影响，地球静止轨道红外遮光罩1内表面喷设有黑漆层，外表面喷设有白漆层，提高遮光罩温度均匀性及温度稳定性，降低热控难度，地球静止轨道红外光学系统2将探测区域内地面物体信息汇聚到地球静止轨道红外大面阵焦面组件5上，地球静止轨道红外大面阵焦面组件5对探测目标信号进行采样响应后转换为电信号输入给地球静止轨道红外信号处理装置7，地球静止轨道红外信号处理装置7对地球静止轨道红外大面阵焦面组件5生成的海量电信号进行放大、滤波以及编码后输出。通过透镜调焦方式实现在轨调焦。其中，地球静止轨道红外定标组件4为位于光学系统一次像面处，实现相机在轨运行过程中的星上相对定标，以及对相机的响应进行监测；红外焦面组件5采用hgcdte面阵探测器，由制冷机组件6制冷到80k。进一步的，制冷机组件6为脉冲管制冷机。

地球静止轨道红外遮光罩1内壁设置光栏片以削减外部杂散光。遮光罩内表面喷设有黑漆层，外表面喷设有白漆层，提高遮光罩温度均匀性及温度稳定性，降低热控难度。

为满足大成像幅宽及较高像元分辨率要求，地球静止轨道红外光学系统2选择rc双反结合消像差透镜组的光学系统方案，同时满足像质和空间布局要求。经优化设计，光学系统构型布局：主光学为rc双反系统，主镜为抛物面，次镜为双曲面，红外近红外谱段经次镜反射进入红外校正镜组，通过光路一次像面处设置的定标组件实现星上定标。本实施例采用大口径主镜，可地球静止轨道红外光学系统2的焦距为长焦距。本实施例通过采用较大规模的面阵探测器，配合大口径、长焦距光学系统，实现了高时间分辨率、较高空间分辨率以及较大单景成像幅宽。

地球静止轨道红外光学系统2中部分光学元件安装在调焦机构上，主要用于校正像差及空间环境与地面不同可能引起的离焦，校正后将地面信号成像在红外焦面组件上。调焦机构3可以有多种结构，本实施例选取的调焦机构3如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示。

如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，调焦机构3包括：步进调焦电机3-3、减速齿轮3-2、滚珠丝杠付3-7、角接触球轴承3-8、滑动轴3-9、电位计组件3-5、活动板3-1、滑动座3-4、固定座3-6。活动板3-1及轴套通过直线轴承安装在两根滑动轴3-9上。步进调焦电机3-3通过一对减速齿轮3-2与滚珠丝杠付3-7连接，滚珠丝杠付3-7与一对角接触球轴承3-8相连接，当步进调焦电机3-3转动而带动滚珠丝杠付3-7时，滚珠丝杠付3-7就能前后运动，电位计组件3-5安装于滚珠丝杠付3-7一端，进行移动距离位置遥测反馈，滑动轴3-9安装于固定座3-6上，滑动座3-4与滑动轴3-9相连起导向作用，活动板3-1通过轴承安装在两根滑动轴3-9上，从而使地球静止轨道红外光学系统2能随着活动板3-1沿光轴方向前后自由滑动，实现调焦功能。。

如图5(a)、图5(b)和图5(c)所示，地球轨道红外定标组件4包括：定标支架4-1、电机4-2、黑体套筒4-3、高温黑体4-4、常温黑体4-5、黑体套筒隔热垫4-6、霍尔组件4-7、电磁铁4-8、电磁铁座4-9、摆臂4-10、黑体隔热垫4-11、热敏电阻4-12、薄膜加热片4-13。高温黑体4-4和常温黑体4-5通过摆臂4-10与电机4-2相连。高温黑体4-4和常温黑体4-5是面源黑体，黑体表面采用一定夹角的v型开槽设计，能够保证黑体具有较好的温度均匀性和较高的辐射发射率。高温黑体4-4和常温黑体4-5均安装有热敏电阻4-12进行实时温度监测，在高温黑体4-5上安装有薄膜加热片4-13实现加热控制。摆臂4-10通过霍尔组件4-7对黑体位置进行遥测。电磁铁4-8与摆臂4-10相连接，电磁铁座4-9设置于定标支架4-1上，电磁铁4-8能够吸附于电磁铁座4-9。卫星在发射阶段，加电时，电磁铁4-8吸附于电磁铁座4-9上，从而使得摆臂4-10不能够摆动，地球轨道红外定标组件4处于锁定状态，卫星入轨后，断电，电磁铁4-8与电磁铁座4-9分离开，摆臂能够摆动。

针对地球静止轨道面阵凝视成像，为了校正相机的非均匀性、监测相机响应情况，设置了星上大面源高低温黑体，通过设置定标频次及高低温黑体温度，实现根据探测目标不同，灵活设置定标组合状态，提升成像质量。

地球静止轨道红外大面阵焦面组件采用hgcdte面阵探测器，由脉冲管制冷机组件制冷到80k，脉冲管制冷机在轨连续工作。

利用基于面阵传感器的相机视频电路的设计方案解决了对图像传感器模块输出的高速、超大数据量的快速实时处理技术难点。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。