一种反射式椭球面光栏

摘要

本发明公开了一种反射式椭球面光栏。该椭球面光栏布置于遮光罩内壁，由一片直环光栏和数片椭球面光栏组成，与传统环状光栏相比，本发明在保证消除视场外杂光性能的同时，使外热流无法直接照射到遮光罩内壁，直射到高反射率光栏片外壁的光线除极少量被吸收及漫反射外，绝大部分均通过镜面反射逸出入光口，有效减小了遮光罩内壁及光栏自身的热负荷，消除了遥感相机遮光罩内壁在太阳直射时的高温现象，降低了前镜头光学组件的热控难度，从而给遥感相机的成像质量提供了保证。

说明书

技术领域

本发明涉及一种椭球面光栏，特别涉及一种反射式椭球面光栏，属于航天光学遥感器技术领域。 

背景技术

通常遥感相机遮光罩内壁上会设计消除视场外杂光的高吸收率环状光栏，这种传统的环状光栏又会显著加大系统入光口的黑体表面面积，使阳光直射遮光罩内壁时其温度急剧上升。高温的遮光罩会通过辐射换热显著影响主镜、次镜及其支撑结构的温度水平，导致光学结构畸变，严重影响成像质量；同时，遮光罩持续高温也显著增加了其自身的红外辐射，而这正是红外谱段成像内杂散光的主要来源。 

对高温问题的处理方法主要是增大热容或加强热疏导。增大热容主要是通过在遮光罩上布置相变材料来实现，然而地球静止轨道由于周期较长，遮光罩夜间受晒时间长，总的热通量大，需要大量的相变材料来完成蓄热功能，工程实施可行性较低。热疏导是对遮光罩进行均温化，将高温区域的热量疏散至低温区域，如在遮光罩上正交布置铝氨槽道热管、设计环路热管或流体回路装置等，但此种方法增加了额外的重量，并且日凌所引起的高温区域在遮光罩内壁随时间移动，正交布置的铝氨槽道热管对地面热试验带来新的问题，而环路热管及流体回路需额外的驱动功率。 

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种反射式椭球面光栏，有效减小了遮光罩内壁热负载，降低了遮光罩内壁在太阳直射时的高温现象，同时具备良好的消除视场外杂散光的能力。 

本发明的技术方案是：一种反射式椭球面光栏，布置于遮光罩内壁，由一片直环光栏和数片椭球面光栏组成，其中直环光栏由直线段作为母线绕光轴旋 转一周产生，各椭球面光栏分别由一段椭圆弧线段作为母线绕光轴旋转一周产生；直环光栏位于遮光罩面向太空一侧的入光口平面上，在直环光栏之后，沿光线入射方向每间隔一定距离布置一个椭球面光栏；直环光栏和数片椭球面光栏正对太空一侧壁面粘贴高镜面反射涂层，另一侧为高吸收涂层。 

所述直环光栏母线的一个顶点位于遮光罩内壁面与入光口平面的交线上，另一个顶点位于通光圆柱面与入光口平面的交线上，直环光栏母线长度l=R_O-R_I，其中R_O为遮光罩壁内径，R_I为通光口外径。 

第1片椭球面光栏母线的位置和形状由下面的曲线方程确定： 

$\left(\begin{array}{c}{x}^2/{R_O}^2+y^2/({R_O}^2-{R_I}^2)=1\\ R_I\le x\le R_O\end{array}\right)$

第2片至第N片椭球面光栏母线的位置和形状由下面的曲线方程确定： 

$\left(\begin{array}{c}{x}^2/{(Z_R/\cos {\theta }_T-Z/\left(2\cos {\theta }_T\right))}^2+y^2/({(Z_R/\cos {\theta }_T-Z/\left(2\cos {\theta }_T\right))}^2-{(Z/\left(2\cos {\theta }_T\right))}^2)=1\\ Z/\left(2\cos {\theta }_T\right)\le x\le Z_R/\cos {\theta }_T-Z/\left(2\cos {\theta }_T\right)\\ Z_R=Z(R_I+R_O)/(R_I+R_I)\\ {\theta }_T=\mathrm{arctg}(R_I+R_O)/Z_R\end{array}\right)$

其中，方程坐标系x轴与椭球面光栏母线长轴重合，y轴与椭球面光栏母线短轴重合，x,y分别是椭球面光栏母线上任意一点的横纵坐标，Z为前一片椭球面光栏母线位于通光圆柱面上的顶点到入光口平面的垂直距离，R₀为遮光罩壁内径，R_I为通光口外径。 

每个椭球面光栏母线第一个焦点均位于入光口平面与通光圆柱面的交线上，并始终固定在同一点上，第1片椭球面光栏母线的第二个焦点位于直环光栏母线在通光圆柱面上的顶点处，第2片至第N片椭球面光栏母线的第二个焦点位于其前一片椭球面光栏母线在通光圆柱面上的顶点处。长轴顶点是第一个焦点与第二个焦点连线并延长至遮光罩内壁面的相交点。 

所述沿光线入射方向椭球面光栏之间的距离由公式S=Z[(R_I+R_O)/(R_I+R_I)-1]确定，其中Z为前一片椭球面光栏母线位于通光圆柱面上的顶点到入光口平面的垂直距离，R₀为遮光罩壁内径，R_I为通光口外径。 

所述直环光栏和椭球面光栏为金属或非金属材质，其中非金属材质光栏的高镜面反射涂层为镀银F46膜；金属材质光栏的高镜面反射涂层采用镀银F46膜或金属表面抛光。 

当所述椭球面光栏母线的椭圆弧线段用数段直线段来拼接时，非金属材质光栏的高镜面反射涂层采用镀银F46膜或OSR片；金属材质光栏的高镜面反射涂层采用镀银F46膜或金属表面抛光或OSR片。 

本发明与现有技术相比的技术效果是：本发明由一片直环光栏和数片椭球面光栏组成，布置于遮光罩内壁，与传统环状光栏相比，本发明在保证消除视场外杂光性能的同时，使外热流无法直接照射到遮光罩内壁，直射到高反射率光栏片外壁的光线除极少量被吸收及漫反射外，绝大部分均通过镜面反射逸出入光口，有效减小了遮光罩内壁及光栏自身的热负荷，消除了遥感相机遮光罩内壁在太阳直射时的高温现象，降低了前镜头光学组件的热控难度，从而给遥感相机的成像质量提供了保证。 

附图说明

图1为一组反射式椭球面光栏截面示意图； 

图2为椭圆镜面反射示意图； 

图3为直环光栏及第一片椭球面光栏母线形状及定位； 

图4为第2片至第N片椭球面光栏母线形状及定位； 

图5为太阳直射造成遮光罩内壁及光栏热负荷的变化曲线； 

图6为最高温时刻遮光罩及光栏温度云图；其中，（a）为光筒温度云图，（b）为发黑处理的直环光栏温度云图，（c）为采用OSR片的直环光栏温度云图，（d）为椭球面光栏母线由4段直线段拼接的椭球面光栏温度云图，（e）为椭球面光栏母线由10段直线段拼接的椭球面光栏温度云图； 

图7为地球反照二次反射到达主镜的地球反照热流密度曲线。 

具体实施方式

本发明建立在椭圆几何特性及镜面反射原理的基础上。椭圆弧的光线反射 原理如图2所示，F₁、F₂为椭球体的两个焦点，光线通过焦点F₁，经过椭球体上任何一点A、B或C，入射角为θ_i，反射角为θ_r，反射光线必然会经过另一焦点F₂。如果将其中一个焦点F₁固定在入光口位置，经过椭球面反射回到S点的光线必然逸出入光口。 

借助此原理在遮光罩内壁设计一组反射式椭球面光栏，如图1所示为一组反射式椭球面光栏的截面示意图。所述的反射式椭球面光栏由一片直环光栏和数片椭球面光栏组成，光栏片通过胶接或焊接等连接方式固定在遮光罩内壁上，所有光栏片正对太空一侧表面均布置高镜面反射涂层,另一侧为高吸收涂层。 

图3、图4是直环光栏及第1片至第N片椭球面光栏片母线的形状与定位设计示意图。 

直环光栏位于遮光罩面向太空一侧的入光口平面上，由直线段作为母线绕光轴CC旋转一周并赋予一定厚度产生，直环光栏母线一个顶点为D，另一个顶点为F₂,长度由遮光罩壁内径R_O和通光口外径R_I确定,即

所述的椭球面光栏依次布置在遮光罩内壁上，单片椭球面光栏由一椭圆弧线段作为母线绕光轴CC旋转一周并赋予一定厚度产生。如椭球面光栏母线的第一个焦点F₁均位于通光圆柱面外径R_I处，并始终固定在P点上，另一个焦点F₂（F₂’、F₂”、……）位于前一片光栏母线在通光圆柱面上的顶点处，长轴顶点是焦点F₁与F₂（F₂’、F₂”、……）连线并延长至遮光罩内壁面的相交点。所述的椭球面光栏母线的第一个顶点位于遮光罩内壁面上，第2个顶点位于通光圆柱面上。母线的两个焦点及一个长轴的顶点确定后，其曲线方程及形状位置通过以下公式确定： 

椭圆曲线方程： 

x²/a²+y²/b²=1 

$f=\sqrt{a^2-b^2}$

对于第一片椭球面光栏，在图3所示坐标系下建立以下方程， 

f=R_I

a=R_O

$b=\sqrt{{R_O}^2-{R_I}^2}$

因此第1片椭球面光栏母线曲线方程为： 

$\left(\begin{array}{c}{x}^2/{R_O}^2+y^2/({R_O}^2-{R_I}^2)=1\\ R_I\le x\le R_0\end{array}\right)$

其中2a为椭圆长轴长度，2b为椭圆短轴长度，f为椭圆焦距。 

对于第2片至第N片椭球面光栏，在图4中坐标系下可以建立以下方程： 

f=Z/(2cosθ_T) 

a=Z_R/cosθ_T-f 

$b=\sqrt{{(Z_R/\cos {\theta }_T-f)}^2-{(Z/\left(2\cos {\theta }_T\right))}^2}$

因此第2片至第N片椭球面光栏母线曲线方程为： 

$\left(\begin{array}{c}{x}^2/{(Z_R/\cos {\theta }_T-Z/\left(2\cos {\theta }_T\right))}^2+y^2/({(Z_R/\cos {\theta }_T-Z/\left(2\cos {\theta }_T\right))}^2-{(Z/\left(2\cos {\theta }_T\right))}^2)=1\\ Z/\left(2\cos {\theta }_T\right)\le x\le Z_R/\cos {\theta }_T-Z/\left(2\cos {\theta }_T\right)\\ Z_R=Z(R_I+R_O)/(R_I+R_I)\\ {\theta }_T=\mathrm{arctg}(R_I+R_O)/Z_R\end{array}\right)$

其中，方程坐标系中x轴与椭球面光栏母线长轴重合，y轴与椭球面光栏母线短轴重合，x,y分别是椭球面光栏母线上任意一点的横纵坐标，Z为前一片椭球面光栏母线位于通光圆柱面上的顶点到入光口平面的垂直距离，R₀为遮光罩壁内径，R_I为通光口外径。 

椭球面光栏数量由遮光罩长度确定。沿光线入射方向椭球面光栏之间的距离由公式S=Z[(R_I+R_O)/(R_I+R_I)-1]确定，其中Z为前一片椭球面光栏母线位于通光圆柱面上的顶点到入光口平面的垂直距离。 

本发明中所有光栏（包括直环光栏和椭球面光栏）为金属或非金属材质，其中非金属材质光栏的高镜面反射涂层为镀银F46膜；金属材质光栏的高镜面反射涂层采用镀银F46膜或金属表面抛光。 

工程实际中，椭圆母线段可用数段直线段来拼接，当所述椭球面光栏母线的椭圆弧线段用数段直线段来拼接时，非金属材质光栏的高镜面反射涂层采用 镀银F46膜或OSR片；金属材质光栏的高镜面反射涂层采用镀银F46膜或金属表面抛光或OSR片，OSR片尺寸与直线段尺寸对应，直线段及OSR片的尺寸越细小，拼接后的表面越符合光栏曲面，被反射出入光口外热流光线越多，消除热负荷效果越好。涂层的镜面反射率大小决定被反射出入光口外热流光线的多少和消除热负荷的效果。 

本发明的特征是外热流光线无法直接照射到遮光罩内壁，利用椭圆曲线几何特征和光学镜面反射的原理，直射到光栏片外壁的光线除极少被吸收及漫射外，绝大多数通过镜面反射逸出入光口。 

表1给出了采用本发明椭球面光栏的两种实施方案和未采用椭球面光栏的三种对比方案中光栏片及遮光罩壁的物理属性，表2给出了热控涂层属性。其中光栏及遮光罩壁厚的设置保证了实施方案与对比方案热容的一致。 

表1遮光罩壁及光栏片物理属性 

表2热控涂层辐射特性 

备注：OSR片的单向反射率取为总反射率的0.9倍 

图5、图6、图7分别是通过UG NX软件分析得到的地球静止轨道上夜间太阳直射造成遮光罩内壁及光栏热负荷的变化曲线、夜间遮光罩内壁及光栏片出现最高温时刻的温度分布图、白天通过光栏片表面及遮光罩内壁二次反射到达主镜的地球反照热流密度。计算时选取冬至时刻，模型对地定向，入光口指向星下点。分析热负荷和温度场时OSR片辐射特性取8年寿命末期值，分析视场外杂光时，OSR片辐射特性取初期值。分析温度场时，遮光罩外壁布置OSR片。可见光谱段视场外杂光的主要来源是白天的地球反照，考虑到仅为比较实施方案与对比方案消除视场外杂光的相对能力，因此只统计了通过光栏片表面及遮光罩内壁二次反射到达遮光罩末端圆面中心点的地球反照热流密度。 

实施方案1中将椭球面光栏的椭圆母线段用4段直线段替代，实施方案2中将椭球面光栏的椭圆母线段用10段直线段替代，光栏片外壁均布置OSR片。结果显示，到达实施方案1中遮光罩内壁及光栏的热负荷夜间平均值为155.2W，分别是对比方案1、2、3的51.6%、38.1%、46.7%；实施方案2中热负荷夜间平均值为146.9W，分别是对比方案1、2、3的48.8%、36.1%、44.2%。实施方案1与实施方案2模型夜间最高温度分别为9.1℃、2.2℃，而对比方案1、2、3中模型夜间最高温度分别高达53.4℃、44.9℃、45.6℃。比较白天通过光栏片表面及遮光罩内壁二次反射到达遮光罩末端圆面中心点的地球反照热流密度，实施方案2最小，其次是对比方案2，再次是实施方案1（约为对比方案2的两倍），最后是对比方案3。 

以上所述，仅为本发明一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，简单的推演或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。