高分辨率详普查结合型遥感成像技术
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第34卷第3期 2013年6月 航天返回与遥感
SPACECRAFT RECOVERY&REMOTE SENSING 9
高分辨率详普查结合型遥感成像技术 赵惠 樊学武 邹刚毅1,2庞志海1,2王炜 任国瑞 杜云飞 苏宇 f1中科院西安光学精密机械研究所空间光学室,西安710119) f2中国科学院研究生院,北京100049)
摘要首先介绍了详普查相结合的空间光学观测技术在空间观测领域的重要应用,总结了详普查 空间光学观测的实现方法和发展现状。分析了变形镜变焦的理论设计思路,提出了采用变形镜结合光学 杠杆作用实现无运动部件变焦光学系统的设计方案,设计了一个变焦比为4的大视场四反射变焦光学系 统。通过视场离轴消除了中心遮拦.其中第三镜为变形镜;通过控制其曲率的变化来实现系统焦距从 625mm到2.5m的变换;为了分担变形镜所承担的光焦度,采用了分离主镜的光学设计方案,最终光学系 统的成像性能达到衍射极限。同时,研制了缩比系统进行了关键技术原理性试验验证,并成功实现了基 于无运动部件的4倍变倍成像效果。该技术的研究对于在未来构建新型的高分辨率详普查结合型有效载 荷有一定借鉴作用。 关键词 变焦距变形镜分离主镜光学杠杆试验验证空间遥感 中图分类号:TP72 文献标志码:A 文章编号:1009.8518(2013)03.0009.07 D0I:10.3969/j.issn.1009-8518.2013.03.002
High-resolution Imaging Technique Combining Capabilities of Coarse and Fine Rec0nnaissance
ZHAO Hui FAN Xuewu ZOU Gangyi , PANG Zhihai , WANG Wei1 REN GuOrui DU Yunfei SU Yu
(1 Space Optics Lab,Xi’an Institute ofOptics and Precision Mechanics,Xi’an,710119,China) (2 Graduate University ofChinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
Abstract The important applications of space optical observation technologies based on the general and detailed investigation imaging are first introduced,and the internal and overseas optical observation methods and current status of development are summarized.Then,the design theory for zoom optical systems using de— formed mirors(DM)is introduced,and a zoom optical system design method based on DMs without any me— chanical moving parts is put forward.Finally,a four—mirror reflective zoom optical system with large field-of-view(FOV)is designed,with the zoom ratio 4.The central obscuration is eliminated by making the FOV non-coaxia1.The third mirror is DM,the curvature of which is controlled to make the focal length change from 2.5m to lOm.The separate primary mirors for the different focal positions are used in order to reduce the optical—power changing range of DM.The performance of the final optical system is diffraction limited.At the same time,the experiments have been carried out and the results demonstrate the effectiveness of the deform— able miror based on optical zooming without moving elements involved. Key words changeable focal length;deformable mirror;segmented primary mirror;optical leveraging;
收稿日期:2012.12.05 基金项目:国家重大科技专项工程 10 航天返回与遥感 2013年第34卷 experimental demonstration;space remote sensing
1 引言 目前,空间光学观测技术已经广泛应用于空间天文观测、深空探测及对地观测等领域[1 J。通常来讲, 空间对地观测包含详查和普查两类。普查强调的是相机的观测覆盖能力,而详查则强调的是相机的高分 辨率信息获取能力。考虑到多层次信息获取的需求,详普查一体化将成为未来空间对地观测光学系统的 一个重要发展方向,而变焦技术恰好能满足这样的要求L3 J。然而,由于传统光学或机械补偿式变焦都存在 运动部件,对卫星平台及相机本身会带来以下影响:1)运动部件的启动和停止会对卫星平台带来干扰 破坏动量平衡;2)大口径部件的运动提高了对相机支撑结构稳定性、控制系统功耗等的要求;3)驱动 运动部件到达指定位置所需的时间可能导致系统响应时间增大,从而会降低相机详普查切换的时效性要 求。因此,在变焦的同时,能否回避运动部件成为详普查结合型相机设计的一个重点考虑因素。 随着材料、电子学等学科的快速发展,光学系统中的常规镜片可以被由特殊材料制造的主动光学元 件替代,变形镜就是其中之一。由于变形镜的面形曲率半径可以通过电控的方式予以改变,所以很适合 无运动部件变焦系统的设计要求。美国、德国等航天强国在此方面都已积极开展了相关的研究工作,并 初步给出了一些有潜在应用价值的设计实例。德国Dresden大学的研究人员于2009—201 1年间提出并围 绕一种基于压电变形镜PDM的离轴四反变焦光学系统展开研究。在该系统中,主镜和四镜均采用变形镜, 通过控制变形镜的曲率,实现了3倍变焦的原型设计,光学系统如图1所示_4 J。其中,不同颜色的光线 代表不同视场
4 (a1焦距5.2 mill Ca)Focal length 5.2 mm 2 方案原理 4 (b)焦距7.8mm (b)Focallength 7 8mm
4 (c)焦距15.6 lnm (c)Focallength 15.6mill
图1 采用变形镜的无遮拦全反射变焦光学系统 Fig.1 All—reflective unobscured zoom optical system using deformed mirrors (图中1,4为变形镜,2和3镜均为常规反射镜)
光学系统初始结构求解时,为简化问题分析,只求解光学元件的光焦度及光学元件的间隔。光学系统 的基本结构可简化为如图2所示(其中, ・, ,S分别表示元件之间的问隔;t'p表示光学系统归一化的匹兹 万半径)。为保证初始结构计算结果的通用性,用光学系统短焦位置的光焦度对各个光学参数(如间隔、 口径、曲率半径)进行归一化。这样计算结果将不会局限于特定的设计,可通过缩放来满足不同设计参 数的需要。 第3期 赵惠等:高分辨率详普查结合型遥感成像技术 ’ “2 ———,_— 、 、I
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图2变焦光学系统线性模型(其中1、3为变形镜) Fig.2 Linear model of zoom optical system(1,3,deformed mirror)
在变焦过程中,光学系统中变形镜光焦度的变化将会引起场曲的变化,通常情况下场曲不能被完全 校正。在光学系统初始设计阶段必须考虑光学系统的场曲最小化设计,这可以通过同轴系统的匹兹万和 获得,对于具有Ⅳ个光学元件的光学系统,其匹兹万和公式为
÷=∑ =∑÷ 鲁 式中 表示归一化的光焦度;厂表示归一化的焦距。 在确定了光学系统的结构形式之后,接下来需确定光学元件的个数及其组合形式。初始结构为反远 距结构,所需最少元件数量为2个(1个正光焦度元件、1个负光焦度元件),但是两个光学元件的光学 结构形式没有足够的自由度来校正像差,因此至少应采用3个光学元件来满足系统像差校正的要求。由 光学系统的ABCD矩阵理论可知,各光学元件可以通过2 x 2的矩阵来表示:
E =(一 ]; :=(一 ];E =(一 ]
光学系统各元件间的间隔可以表示为: (㈡ =(
近轴光学矩阵 表示整个光学系统, r, 8、 M=l 1= ・ ・E2・ ・ lC D J 。
其中 , ,c,D分别为: A=1一d2・ +d1・d2・ ・ 一d1・ 一d2・ B=dl—d1・d2・ + C=一 一 一 +d2・(P2・tP3+d1・ ・ +dl・ ・ + ・岛・tP3一dl。d2。 ‘ ‘ D=1一dl・ 一d1・ 一d2・(P3+dl・d2・ 2・ 光学系统的焦距厂为 厂=一 1
后截距 为 S:一 :厂.=一一 ,・ C 则第一个光学元件的光焦度 1和第三个光学元件的光焦度 3可表示为: