一种星载集成化摆镜系统

本实用新型属于星载光谱成像仪领域，具体涉及一种实现光谱成像仪扩大幅宽和星上定标功能的星载集成化摆镜系统。

背景技术：

随着空间遥感技术的不断发展，对光谱成像仪的波段范围、幅宽要求越来越高，通常需要两台不同波段的载荷对同一地物目标进行探测。同时，载荷需具备星上定标功能，保证光谱数据的准确性。一般在每台光谱成像仪前置系统前增加一个摆镜往复摆动用于扩大幅宽或可视范围。

传统的星载摆镜一般只包括单块反射镜，根据精度要求不同由电机直接驱动或者齿轮间接驱动。直接驱动精度高，但随着负载重量的增加，电机的体积、功耗均有所增加，而且，为保证发射状态下反射摆镜的有效锁止，需要通过较大体积的电磁制动器进行锁定，使得系统的体积相应增大。间接驱动一般通过齿轮传动，由于齿轮间的空回在星载设备上不可避免，往往因为探测器制冷机或者卫星平台的微振动，导致反射摆镜存在一种小幅度的抖动，造成图像的模糊，给光谱数据复原带来困难。

此外，现有的星载摆镜一般只包含驱动部分、反射摆镜以及安装座几部分，不包含成像系统的遮光罩，遮光罩与摆镜独立安装在光谱成像仪载荷上，杂散光严重，且遮光罩通常为单节的碳纤维锥形筒，无法进行主动热控实施，外表面仅包裹聚酰亚胺多层进行被动温控。

中国专利cn106840402b提出了一种用于双光谱成像仪的摆扫及在轨定标组件，包含2个成v形反射摆镜和定标反射镜，通过摆动实现两个光谱成像仪同步摆扫和在轨定标功能，只有反射摆镜的布局及光学工作原理，无具体结构实施方式。中国专利cn108205184b提出了一种集成化摆镜装调方法，也无具体结构实施方式。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决现有星载摆镜系统体积较大、无法进行主动热控实施以及反射摆镜抖动造成图像模糊的问题，提供一种星载集成化摆镜系统，该系统将遮光罩、地物反射镜、定标反射镜、箱体集成在一体，通过精密的轴系转动实现双光谱成像仪的摆扫及在轨定标，具备力学或者发射状态下负载可以锁止、成像图像不抖动、杂散光低、便于温控实施的优势。

为实现上述目的，本实用新型技术方案如下：

一种星载集成化摆镜系统，包括箱体、负载v镜组件、轴系组件和遮光罩；所述箱体上设置有第一定标入光口、第二定标入光口、地物目标入光口、第一出光口和第二出光口；所述负载v镜组件包括v型座、左旋转轴、右旋转轴、挡光板、定标反射镜和两组地物反射镜；所述左旋转轴的左端通过轴承设置在箱体上，右端与v型座连接；所述右旋转轴的右端通过轴承设置在箱体上，左端与v型座连接，且与左旋转轴同轴；所述定标反射镜设置在v型座上，用于将第一定标入光口或第二定标入光口入射的光进行反射，且反射光分别从第一出光口或第二出光口出射；两组地物反射镜设置在v型座上，用于将进入地物目标入光口的光分别进行反射，且反射光分别从第一出光口、第二出光口出射；所述挡光板设置在v型座上，且位于两组地物反射镜之间，用于阻挡杂散光进入地物反射镜；所述轴系组件设置在箱体上，用于驱动负载v镜组件摆动，包括蜗轮、蜗杆、测角器、支撑板、霍尔器件和电磁制动器；所述蜗轮套装在右旋转轴上，且其端面设置有磁钢，所述蜗杆用于与外部驱动装置连接，输入动力；所述测角器设置在左旋转轴上，用于检测负载v镜组件的实时位置；所述电磁制动器通过支撑板设置在箱体外侧，用于锁定右旋转轴；所述支撑板上设置有多组霍尔器件，所述磁钢与霍尔器件形成多个霍尔开关，对负载v镜组件的极限运动位置进行限位；所述遮光罩设置箱体外侧，且位于地物目标入光口的光路上，用于降低杂散光。

进一步地，从负载v镜组件的旋转平面看，负载v镜组件的转轴与地物反射镜的光轴偏心布置。

进一步地，所述负载v镜组件还包括u型架、包裹盒和配重块，所述挡光板通过u型架设置在v型座上，所述配重块设置在u型架上，用于保证负载v镜组件的重心位于转轴中心；所述包裹盒设置在配重块的外侧，用于密封配重块，防止多余颗粒物溢出。

进一步地，所述箱体的外侧设置有电机热控壳，所述蜗轮、蜗杆和电磁制动器均位于电机热控壳内；所述箱体、遮光罩以及电机热控壳外壁上均设置有电加热片，用于对摆镜系统实现主动温控。

进一步地，所述左旋转轴通过深沟球轴承和左轴承座设置在箱体上，所述右旋转轴通过一对角接触球轴承和右轴承座设置在箱体上。

进一步地，所述电磁制动器为失电制动型，其锁止力矩大于微振动引起的负载v镜组件的转矩；所述蜗轮蜗杆为自锁型蜗轮蜗杆副。

进一步地，所述测角器通过弹性联轴器与左旋转轴的无应力连接，所述蜗轮与右旋转轴通过锥销刚性连接。

进一步地，所述v型座上设置有排气孔，避免与左旋转轴和右旋转轴紧密配合时受气压影响不能装配到位。

进一步地，所述遮光罩包括内遮光罩和外遮光罩，所述内遮光罩包括内遮光罩外壳和设置在内遮光罩外壳内的多个第一挡光环，所述外遮光罩包括外遮光罩外壳和设置在外遮光罩外壳内的多个第二挡光环；所述内遮光罩采用导热性能好的金属材料制作，所述外遮光罩采用密度较小的复合材料制作。

进一步地，所述箱体与左轴承座、右轴承座组合加工，保证两轴承座内孔的同轴度优于0.01mm，并通过销钉定位；所述v型座与左旋转轴、右旋转轴组合加工，保证两轴的同轴度优于0.01mm，并通过销钉定位。

进一步地，所述销钉为锥销，其外壁上设置有沿轴向贯通的排气槽。

与现有技术相比，本实用新型技术方案具有以下有益效果：

1.本实用新型系统采用蜗轮蜗杆间接驱动、摆动到位后锁止的方案，驱动机构和电磁制动器体积均较小，在力学或者发射状态下负载v镜组件不会旋转，而且探测器制冷机以及卫星平台的微振动不会导致负载v镜组件在工作时的抖动。

2.本实用新型系统将引入两路定标光路、引入地物目标、扩大可视范围、降低杂散光、温控实施等功能集成于一体，具有功能全、体积小、可靠性高等特点，适合应用于星载光谱成像仪。

附图说明

图1为本实用新型星载集成化摆镜系统的整体示意图；

图2为本实用新型系统中箱体的结构示意图；

图3本实用新型星载集成化摆镜系统的剖视图；

图4为本实用新型系统中霍尔器件的安装示意图；

图5a为本实用新型系统中负载v镜组件的结构示意图；

图5b为本实用新型系统中负载v镜组件的转轴和光轴偏心布置示意图；

图6为本实用新型系统中左旋转轴、右旋转轴与v型座的组合体示意图；

图7为本实用新型系统中遮光罩的结构示意图；

图8为本实用新型系统中销钉的结构示意图。

附图标记：1-箱体；2-轴系组件；3-负载v镜组件；4-电机热控壳；5-遮光罩；6-销钉；101-第一定标入光口；102-第二定标入光口；103-地物目标入光口；104-第一出光口；105-第二出光口；201-测角器；202-弹性联轴器；203-深沟球轴承；204-左轴承座；205-角接触球轴承；206-右轴承座；207-蜗轮；208-蜗杆；209-支撑板；210-电磁制动器；211-磁钢；212-霍尔器件；301-v型座；302-左旋转轴；303-右旋转轴；304-地物反射镜；305-定标反射镜；306-u型架；307-包裹盒；308-挡光板；309-配重块；310-负载v镜组件的转轴；311-地物反射镜的光轴；3011-排气孔；501-内遮光罩；502-外遮光罩；5011-第一挡光环；5012-内遮光罩外壳；5021-第二挡光环；5022-外遮光罩外壳；601-排气槽。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述。

本实用新型提供一种星载集成化摆镜系统，包括箱体、轴系组件、负载v镜组件和遮光罩。该系统采用蜗轮蜗杆间接驱动，通过精密的轴系转动实现双光谱成像仪的摆扫及在轨定标，具备力学或者发射状态下负载可以锁止、成像图像不抖动等特点。负载v镜组件上具有随轴系转动的挡光板，杂散光低、便于温控实施。霍尔器件作为测角器的冗余设计，可保证星上负载v镜组件的绝对位置。该集成化摆镜系统功能全，体积小，可靠性高。

如图1所示，本实用新型星载集成化摆镜系统包括箱体1、轴系组件2、负载v镜组件3、电机热控壳4和遮光罩5，用于可见及短波红外光谱仪，具备扩大成像可视范围和引入定标光路两个功能。该系统为非实时扫描型，系统成像时，负载v镜组件3不往复摆动。当根据功能需要定标或者扩大可视范围时，电机带动负载v镜组件3摆动到需求的位置，保证精确的指向，成像电路开机采集图像。箱体1的作用在于通过轴系组件2承载负载v镜组件3以及遮光罩5。轴系组件2的作用在于驱动负载v镜组件3摆动并保证其处于要求的指向。电机热控壳4的作用一是保护电机以及传动机构，二是进行主动热控实施。下面对各部件的具体结构进行描述。

如图2所示，箱体1为多面镂空箱体，其上设置有第一定标入光口101、第二定标入光口102、地物目标入光口103、第一出光口104和第二出光口105。

如图3、图5a、图5b和图6所示，负载v镜组件3包括v型座301、左旋转轴302、右旋转轴303、定标反射镜305、u型架306、包裹盒307、挡光板308、配重块309和两组地物反射镜304。左旋转轴302的左端通过轴承设置在箱体1上，右端与v型座301连接；右旋转轴303的右端通过轴承设置在箱体1上，左端与v型座301连接，且与左旋转轴302同轴。该v型座301与左旋转轴302、右旋转轴303可组合加工，保证两根轴的同轴度优于0.01mm，并通过螺钉连接，销钉6定位。同时，v型座301上设置有排气孔3011，避免与左旋转轴302和右旋转轴303紧密配合时，受气压影响不能装配到位。

如图5a所示，定标反射镜305和两组地物反射镜304均通过结构件用螺钉与v型座301相连，定标反射镜305用于将第一定标入光口101或第二定标入光口102入射的光进行反射，且反射光分别从第一出光口104或第二出光口105出射；两组地物反射镜304用于将进入地物目标入光口103的光分别进行反射，且反射光分别从第一出光口104、第二出光口105出射；u型架306的作用在于引出并扩大v型座301的安装接口，用于连接配重块309和挡光板308。挡光板308通过沉头螺钉与包裹盒307连接后，再一起与u型架306通过螺钉连接。包裹盒307的作用在于密封配重块309，防止多余颗粒物溢出。挡光板308为运动零件，位于两组地物反射镜304之间，随着负载v镜组件3的摆动而摆动，有效阻挡了杂散光进入地物反射镜304。u型架306、包裹盒307和配重块309采用高密度金属材料制作，用于配平，保证负载v镜组件3的重心位于转轴中心，误差优于±1mm。在本实用新型实施例中，u型架306、包裹盒307采用密度较大的铟钢制作，配重块309为2块，采用钨合金材料制作，一般加工成小尺寸的多块，通过微调位置以及修研尺寸可调整重心位置。

如图5b所示，从负载v镜组件的旋转平面看，负载v镜组件的转轴310和地物反射镜的光轴311偏心布置，保证摆扫成像范围、静平衡满足要求的同时，有效降低了负载v镜组件3的体积，本实用新型实施例中，偏心量为8mm。

如图3所示，轴系组件2设置在箱体1上，用于驱动负载v镜组件3摆动，包括测角器201、蜗轮207、蜗杆208、支撑板209、霍尔器件212和电磁制动器210。蜗轮207套装在右旋转轴303上，且其端面设置有磁钢211，蜗杆208用于与外部驱动装置连接，输入动力。本实用新型左旋转轴302通过深沟球轴承203和左轴承座204设置在箱体1上，右旋转轴303通过一对角接触球轴承205和右轴承座206设置在箱体1上，轴承的固定均通过常规的隔圈、端盖、螺母进行双方向的固定。此时，使得轴系组件2的一端通过一对角接触球轴承205固定，一端通过一个深沟球轴承203游动支撑，固定后，固定端轴承无轴向游隙，游动端轴承仅保留有0.02mm的游隙，适应热胀冷缩。游动端通过弹性联轴器202将左旋转轴302与测角器201无应力连接，避免过定位，右旋转轴303与蜗轮207通过锥销刚性连接。

本实用新型系统中，测角器201用于检测负载v镜组件3的实时位置，并反馈给驱动电机，用于保证负载v镜组件3的精确指向。测角器201可以为感应同步器、旋转变压器、光电编码器或者电位器，本实用新型实施例中选择精度较高的光电编码器，精度30″。

如图4所示，支撑板209为l型板，通过螺钉安装在箱体1上，利用螺钉将电磁制动器210固定在支撑板209上，且电磁制动器210的中心与转轴同心。电磁制动器210为失电制动型，与摆镜系统的驱动电机同步工作，用于固定负载v镜组件的转轴310，避免由探测器制冷机运行或者卫星平台微振动导致负载v镜组件3在蜗轮蜗杆空回范围内的抖动，造成图像的抖动。加电时，电磁制动器210释放转轴，驱动电机通过蜗轮蜗杆传动带动负载v镜组件3转动，负载v镜组件3根据指令转动到工作位置后，电磁制动器210断电锁死转轴。电磁制动器210的锁止力矩要求较低，只需大于微振动引起的负载v镜组件3的转矩即可，因此，电磁制动器210的体积可以做小，本实用新型实施中，电磁制动器210直径仅为26mm。

本实用新型在支撑板209两侧通过螺钉及结构件固定两组霍尔器件212，两组霍尔器件212在支撑板209上左右对称布置，用于对负载v镜组件3的两个极限位置进行电限位。负载v镜组件3的实时指向与磁钢211的相位一致，当其旋转时，磁钢211与霍尔器件212形成2个霍尔开关，可控制加断电，避免负载v镜组件3处于非工作区。另外，霍尔器件212也作为测角器201件的冗余措施，保证在轨时，若测角器201件发生故障，负载v镜组件3依然能通过霍尔开关找回绝对位置，避免了光谱成像仪致盲。

本实用新型传动机构为自锁型蜗轮蜗杆副，即只能由电机驱动蜗杆208，从而带动蜗轮207旋转，不能由蜗轮207带动蜗杆208旋转，保证负载v镜组件3在力学环境或者发射状态下不会发生旋转。蜗杆208通过结构件与箱体1用螺钉固定。驱动电机为双绕组冗余设计，增加在轨可靠性。

如图2、图3、图6所示，本实用新型箱体1与左轴承座204、右轴承座206组合加工，保证两轴承座内孔的同轴度优于0.01mm，并通过销钉6定位。整个集成化摆镜系统装配时，可将负载v镜组件3的左旋转轴302、右旋转轴303分离，将v型座301及其他结构件放入箱体1后，再将左旋转轴302和右旋转轴303从箱体1两侧的过孔穿入，与v型座301连接。左轴承座204和右轴承座206的作用包括两方面，一是降低零件加工风险，箱体1组合加工时，若同轴度加工失败，可重新只投产左轴承座204和右轴承座206，与箱体1组装后，重新加工即可，二是将之拆卸后，方便装入左旋转轴302和右旋转轴303，同时便于将轴承拆卸。

如图8所示，销钉6为锥销，其外壁上设置有沿轴向贯通的排气槽601，锥销直径d＝3mm。

如图7所示，遮光罩5设置箱体1外侧，且位于地物目标入光口103的光路上，用于降低杂散光。本实用新型遮光罩5分为两级，包括内遮光罩501和外遮光罩502，降低杂散光同时满足温控实施。内遮光罩501包括内遮光罩外壳5012和设置在内遮光罩外壳5012内的多个第一挡光环5011，第一挡光环5011与内遮光罩外壳5012通过螺钉螺母连接。外遮光罩502包括外遮光罩外壳5022和设置在外遮光罩外壳5022内的多个第二挡光环5021，第二挡光环5021与外遮光罩外壳5022利用胎具一体加工成型。内遮光罩501为导热性能好的金属材料，外遮光罩502为导热性能虽差但密度较小的复合材料。本实用新型实施例中，内遮光罩501采用铝合金材料2a12加工成形，外遮光罩502采用碳纤维t700加工成形，该种设计可满足光谱仪系统降低杂散光的同时，还可进行主动温控实施。

本实用新型电机热控壳4设置在箱体1的外侧，蜗轮蜗杆和电磁制动器210均位于电机热控壳4内。箱体1、内遮光罩501以及电机热控壳4外壁贴有不同尺寸的电加热片，完成对摆镜系统的主动温控。

本实用新型星载集成化摆镜系统具备扩大成像可视范围和引入定标光路两个功能。

成像时，地物目标通过遮光罩5进入地物目标入光口103，经两组地物反射镜304反射后，分别从第一出光口104和第二出光口105出射，进入可见光路及短波红外光路，参与干涉并成像。另外，通过轴系组件2驱动负载v镜组件3进行正负范围内的旋转，可扩大可见及短波红外光谱仪的可视范围，本实用新型实施例中，转轴旋转范围为±15°，可视范围为±30°。

定标时，可见定标光源和短波红外定标光源分别经过第一定标入光口101、第二定标入光口102经定标反射镜305反射后，从第一出光口104和第二出光口105出射，进入可见光路及短波红外光路，参与干涉并成像。可见定标和短波红外定标分时进行，定标时，负载v镜组件3旋转+90°或者-90°，此时，定标反射镜305的位置位于第一定标入光口101或者第二定标入光口102处，从而将定标光路引入对应的可见或者短波红外干涉成像光路。