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高分辨率立体测绘相机系统热控设计及验证

鲁盼 赵振明 高腾 连新昊 夏晨晖 王玉强

鲁盼,赵振明,高腾,等. 高分辨率立体测绘相机系统热控设计及验证[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(4):768-779 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0854
引用本文: 鲁盼,赵振明,高腾,等. 高分辨率立体测绘相机系统热控设计及验证[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(4):768-779 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0854
LU P,ZHAO Z M,GAO T,et al. Thermal control design and verification for high resolution stereo mapping camera system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(4):768-779 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0854
Citation: LU P,ZHAO Z M,GAO T,et al. Thermal control design and verification for high resolution stereo mapping camera system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(4):768-779 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0854

高分辨率立体测绘相机系统热控设计及验证

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0854
详细信息
    作者简介:

    鲁盼等:高分辨率立体测绘相机系统热控设计及验证 3

    通讯作者:

    E-mail:mylifelp@163.com

  • 中图分类号: V423.4

Thermal control design and verification for high resolution stereo mapping camera system

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  • 摘要:

    高分辨率立体测绘相机的光学系统及探测器的温度稳定性影响测绘相机的测绘精度。针对透射式光学系统,采用多级外热流抑制技术,使星相机透镜的温度稳定性提高了6倍;针对反射式光学系统,采用间接辐射式控温等热控技术,使主镜、次镜的温度稳定性达到±0.3 ℃;针对大功率电荷耦合元件(CCD),采用基于环路热管(LHP)的节能型控温技术,在满足温度指标的前提下使环路热管驱动功率的周期平均值由60 W降低至33.8 W,同时节省约40%的主冷凝器面积及质量;针对CMOS,采用两级温度波动抑制技术,使其温度稳定性达到±0.3 ℃。研究了地面热试验的方法,报告了测绘相机系统关键部组件在极端空间环境下的在轨数据,全面验证了热控设计方法的正确性。

     

  • 图 1  高分辨率立体测绘相机系统组成框图

    Figure 1.  Component schematic diagram of high resolution stereo mapping camera system

    图 2  前视地相机焦面组件示意图

    Figure 2.  Component schematic diagram of front earth camera focal plane assemble

    图 3  星相机组成

    Figure 3.  Component schematic diagram of star camera

    图 4  激光测距分系统示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of laser altimeter subsystem

    图 5  电路盒隔热设计示意图

    Figure 5.  Thermal insulation design of circuit box

    图 6  LHP组成示意图

    Figure 6.  Component schematic diagram of LHP

    图 7  蒸发器和储液器温度曲线

    Figure 7.  Temperature curves of evaporator and reservoir

    图 8  第1片和最后1片CCD冷板温度曲线

    Figure 8.  Temperature curves of the first and the last CCD cold plate

    图 9  星相机遮阳罩模型截面

    Figure 9.  Model section of star camera sunshield

    图 10  遮阳罩温度云图

    Figure 10.  Temperature contour of sunshield

    图 11  遮阳罩温度曲线

    Figure 11.  Temperature curves of sunshield

    图 12  遮阳罩仿真与试验温度对比

    Figure 12.  Temperature comparison between simulation and test results

    图 13  星相机CMOS探测器控温原理

    Figure 13.  Schematic diagram of star camera CMOS detector thermal control

    图 14  激光测距分系统散热路径

    Figure 14.  Heat dissipation path of laser altimeter subsystem

    图 15  激光测距分系统光学元件控温区域

    Figure 15.  Thermal control zone of laser altimeter subsystem optical element

    图 16  高分辨率主体测绘相机系统热平衡试验照片

    Figure 16.  Picture of thermal balance test of high resolution stereo mapping camera system

    图 17  前视、后视LHP启动过程温度曲线

    Figure 17.  Temperature curves of each part in LHP startup process of front and back earth camera

    图 18  主框架在外热流极端情况下的温度曲线

    Figure 18.  Temperature curves of main structure at extreme external heat flux

    图 19  地相机镜头在外热流极端情况下的温度曲线

    Figure 19.  Temperature curves for lens of earth camera at extreme external heat flux

    图 20  地相机CCD在外热流极端情况下的温度曲线

    Figure 20.  Temperature curves for CCDs of earth camera at extreme external heat flux

    图 21  星相机镜头在外热流极端情况下的温度曲线

    Figure 21.  Temperature curves for lens of star camera at extreme external heat flux

    图 22  星相机CMOS在外热流极端情况下的温度曲线

    Figure 22.  Temperature curves for CMOS of star camera at extreme external heat flux

    图 23  激光测距仪光学镜头在外热流极端情况下的温度曲线

    Figure 23.  Temperature curves fore lens of laser altimeter at extreme external heat flux

    图 24  激光测距仪热源在极端外热流情况下的温度曲线

    Figure 24.  Temperature curves for heat source of laser altimeter at extreme external heat flux

    表  1  测绘相机热源工作模式与热耗

    Table  1.   Operating mode and heat consumption of mapping camera heat source

    分系统部组件单个部组件热耗/W工作模式/(min·轨−1
    测绘相机前视CCD38
    前视焦面电路98
    后视CCD98
    后视焦面电路218
    坐标测量星相机CMOS18
    星相机焦面电路3615
    光轴位置记录器715
    激光测距发射机LD阵列3.716
    发射机驱动源67.116
    接收机APD探测器416
    足印相机3016
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    表  2  各部组件温度指标

    Table  2.   Temperature requirements of each components

    分系统部组件温度范围/℃在轨长期
    温度波动/℃
    测绘相机主框架10~22±0.5
    反射镜18~22±0.25
    主承力结构18~22±0.25
    CCD18~22
    电路盒−20~30
    坐标测量星相机透镜19~21±0.25
    星相机CMOS20~27±1
    激光测距发射镜头17~21
    发射机腔体17~21
    接收机主、次镜17~21
    APD探测器14~24
    足印镜头17~21
    足印焦面17~21
    主承力结构14~24
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    表  3  LHP主要特性参数

    Table  3.   Main characteristics of LHP

    参数工质
    种类
    质量流量/
    (g·s−1)
    蒸发器
    加热功率/W
    储液器
    加热功率/W
    预热器
    加热功率/W
    前视主冷凝器
    面积/m2
    前视副冷凝器
    面积/m2
    后视主冷凝器
    面积/m2
    后视副冷凝器
    面积/m2
    数值0.056015150.270.200.380.32
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    表  4  热平衡试验各部组件温度结果

    Table  4.   Temperature results of each component in thermal balance test

    分系统部组件试验温度范围/℃
    测绘相机主框架16.0~16.3
    反射镜19.7~20.0
    主承力结构20.0~20.2
    拼接基座20.0~20.4
    前视CCD19.6~20.8
    电路盒15.2~19.3
    坐标测量透镜19.7~20.2
    星相机CMOS21.2~21.8
    电路盒9.0~15.6
    激光测距发射镜头19.3~20.2
    发射机腔体18.9~19.4
    接收机主镜、次镜19.7~20.2
    APD探测器15.8~20.9
    足印镜头18.2~19.2
    足印焦面18.5~19.6
    主承力结构18.4~19.1
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-10
  • 录用日期:  2022-11-04
  • 网络出版日期:  2023-01-05
  • 整期出版日期:  2023-04-30

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