带可调节挡光板的外扩式遮光罩构型设计及效能评估方法与流程

本发明涉及空间探测，具体地，涉及一种带可调节挡光板的外扩式遮光罩构型设计及效能评估方法。

背景技术：

1、我国正大力发展高轨卫星遥感技术，随着光学系统探测能力的大幅提升，大型可展开遮光罩是保证光学系统高可靠工作的前提。通过可展开遮光罩和可调节挡光板保证相机每日尽可能长的工作时间。可展开遮光罩在轨展开后，其形成的强光抑制角即为定值；挡光板位于遮光罩顶端，通过转动调节可改变抑制角，但同时也将遮挡视场，减小进入光学系统的目标能量。

2、经调研，可展开遮光罩相关的专利文献如下，但均未涉及可调节挡光板。

3、在申请号为cn201710858018.9的中国专利文献中，公开了一种用于静止轨道遥感相机可展开遮光罩装置，对可展开遮光罩装置的各处结构机构进行了描述，但未涉及遮光罩的构型设计方法和效能评估方法。

4、在申请号为cn201911329311.1的中国专利文献中，公开了一种空间半刚性可展开遮光罩的折叠方法，对可展开遮光罩的折叠方法进行了描述，但未涉及遮光罩的构型设计方法和效能评估方法。

5、在申请号为cn202010195573.x的中国专利文献中，公开了一种空间可展开遮光结构，对可展开遮光罩的结构、结构以及展开方法进行了描述，但未涉及遮光罩效能评估方法。

6、在申请号为cn201310596450.7的中国专利文献中，公开了一种可展开遮光罩，对可展开遮光罩的温控方法进行了描述，但未涉及遮光罩的构型设计方法和效能评估方法。

7、在申请号为cn201220027571.0的中国专利文献中，公开了一种空间遥感器大口径可展开遮光罩结构，对可展开遮光罩的结构、展开方法进行了描述，但未涉及遮光罩的构型设计方法和效能评估方法。

8、论文《“高分七号”卫星遥感相机可展开遮光罩的设计和实现》(曹旭,江长虹,冯昊,等.“高分七号”卫星遥感相机可展开遮光罩的设计和实现[j].航天返回与遥感,2020,41(2):67-77.)，对遥感相机轻小型化自展开遮光罩进行了研究，采用弹性豆荚杆展开驱动技术，但未涉及遮光罩的构型设计方法和效能评估方法。

9、论文《地球同步轨道随动可展开异形遮光罩技术研究》(蒋范明,陈凡胜,等.地球同步轨道随动可展开异形遮光罩技术研究[j].红外技术,2012,34(2):73-77.)，对随动可展开的异形遮光罩技术进行了研究，采用随动技术可以让遮光罩具备相对于太阳入射角度的转动功能，对日形成遮蔽，与本发明技术路径不同，且未涉及遮光罩的构型设计方法和效能评估方法。

10、论文《“高分四号”卫星相机杂散光分析与抑制技术研究》(石栋梁,肖琴,练敏隆,等.“高分四号”卫星相机杂散光分析与抑制技术研究[j].航天返回与遥感,2016,37(5):49-56.)，详细设计了主遮光罩及挡光环、蜂窝结构的次镜遮光罩、中心消光筒及挡光环、杜瓦内多级冷屏等杂光抑制结构，与本发明的斜切多面体遮光罩构型设计差别大，且未涉及遮光罩效能评估方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种带可调节挡光板的外扩式遮光罩构型设计及效能评估方法。

2、根据本发明提供的一种带可调节挡光板的外扩式遮光罩构型设计方法，包括：

3、步骤s1：根据相机光学系统设计给出的杂散光抑制角需求，结合相机视场角和实际遮光罩的安装，给出遮光罩高度与相机杂散光抑制角的几何关系；

4、步骤s2：基于遮光效果对遮光罩外扩角与光学系统视场角进行匹配；

5、步骤s3：根据杂散光抑制角确定设置遮光罩斜切角；

6、步骤s4：对遮光罩多面构型进行设计；

7、步骤s5：基于视场和抑制角设置遮光罩顶端可调节板外形尺寸；

8、步骤s6：基于最小化杂散光抑制角对遮光罩顶端可调节板旋转角度进行设计。

9、优选地，所述步骤s1包括：

10、设遮光板底部与载荷通光孔的距离为d，通光孔直径设为d，β是光学系统的视场角，α是杂散光抑制角；遮光板采用外扩角γ，且外扩角γ小于相机视场角β，h为外扩遮光板总高度，遮光罩高度与光学系统杂散光抑制角几何关系为：

11、

12、

13、优选地，所述步骤s2包括：

14、所述遮光板的末端紧贴视场角的边缘，满足几何关系

15、

16、优选地，所述步骤s3包括：

17、设置遮光罩斜切角σ为杂散光抑制角的余角：

18、

19、其中，β是光学系统的视场角；

20、所述步骤s4包括：

21、对圆弧型遮光罩进行多边形化，对于n等分多边形，则其对应的圆心角为：

22、

23、优选地，所述步骤s5包括：

24、可调节遮光板长边不超过可展开遮光罩中间板顶端宽度，且大于通光孔的直径；可调节遮光板短边设计包括：

25、设可调节挡光板转角为θ，短边长度为l，则得到杂散光抑制角为

26、

27、视场角为

28、

29、从而解算得到短边长度。

30、优选地，所述步骤s6包括：根据挡光板短边长度后，通过设定不同角度的挡光板转角θ，依据杂散光抑制角计算公式，得到不同挡光板转角对应的杂散光抑制角，取杂散光抑制角最小时对应的挡光板转角即为最优转角。

31、根据本发明提供的一种带可调节挡光板的外扩式遮光罩构型效能评估方法，包括步骤a1：在卫星本体系下计算太阳矢量；

32、步骤a2：计算遮光罩在相机通光平面内的可视化投影；

33、步骤a3：计算遮光罩顶端可调节板最优转角。

34、优选地，所述步骤a1包括：

35、太阳矢量在卫星本体系下的计算方法包括：

36、①根据当前时刻计算太阳矢量在j2000惯性系中的指向ssi；

37、②根据当前时刻和当前卫星轨道根数计算j2000惯性系到卫星轨道系的转换矩阵troi；

38、③根据当前卫星姿态计算卫星轨道系到卫星本体系的转换矩阵trbo；

39、④计算得到卫星本体系中的太阳矢量ssb；

40、ssb＝trbotroissi

41、优选地，遮光罩在相机通光平面内的可视化投影计算方法包括：

42、建立遮光罩上任意一点与其在相机通光孔平面上的投影的连线，求解得到遮光板的投影坐标，包括：

43、设遮光罩上任意一点在轨道坐标系中的位置为：

44、pk＝[xk yk zk]

45、太阳矢量在卫星本体坐标系中的单位向量为：

46、

47、遮光罩上任意一点在相机通光孔平面内的投影为：

48、pks＝[xks yks 0]

49、则从投影指向遮光罩对应点的矢量为：

50、lks＝[xk-xks yk-yks zk]

51、根据投影几何关系可知：

52、

53、从而可得：

54、

55、通过投影直接判断遮光罩在通光孔平面内投影对通光孔的覆盖遮挡能力。

56、优选地，所述遮光罩顶端可调节板最优转角计算方法包括：

57、可调节挡光板根据每日太阳高度角调整至固定角度，实现午夜前后太阳规避的同时，对相机视场的遮挡最小。

58、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

59、1、本发明相比于非外扩的直筒型遮光罩，可适应大视场相机的遮光应用；

60、2、本发明相比于固定式遮光罩，通过展开可形成更佳的杂散光抑制效果；

61、3、本发明通过顶端可调节遮光板设计，可实现在午夜前后相机可持续工作；

62、4、本发明提出了遮光罩效能评估方法，可对遮光罩各项参数进行量化评估。