基于飞行时间法（Time-of-Flight, TOF）的 3D相机是一种体积小、误差小、抗干扰能力强、可直接输出深度信息的新型立体成像设备。目前, 该类相机已成为测量成像领域的研究热点。本文首先介绍了 TOF相机的发展历程及测量原理；随后对 TOF相机测量误差来源及类型进行分析；接着将 TOF技术与其他主流的三维成像技术进行对比分析；最后对 TOF相机的应用与发展趋势进行了阐述。

在超大口径原位加工与检测中, 目前多采用被动式 Whiffletree液压支撑系统(原位支撑), 而该类支撑单元的轴向刚度存在较大差异性, 会显著影响轻薄型反射镜的面形精度。为解决这一问题, 研究了主动型原位支撑的支点布局、单元刚度和主动校正力的联合优化方法。首先, 针对支撑单元刚度差异, 提出了支撑刚度、支点位置的分级布局优化方法, 获得了支撑系统的初始优化解; 其次, 结合模式定标法和最小二乘法, 进行了支撑点主动力校正, 以获得支撑面形的最终优化解; 最后, 结合具体案例的数字仿真试验, 验证了方法的有效性。结果表明: 对于 4 m弯月型轻薄反射镜, 仅被动支撑下, 分级布局优化后, 60点方案面形精度 RMS值由 150.6 nm减少到 32.9 nm, 78点方案面形精度 RMS值由 45.2 nm减少到 22.6 nm, 优化效果显著; 进一步经主动校正后, 60点方案和 78点方案面形精度 RMS值分别为 14.6 nm和 6.9 nm, 均满足面形精度 RMS值小于 λ/40(λ=632.8 nm)的指标要求; 最终选取 60点轴向支撑方案。通过对支点布局、支撑刚度和校正力进行联合优化, 可以大幅增加原位支撑系统的适用性、灵活性, 降低实施难度。

为满足大口径反射镜在复杂空间环境下对高面形精度和热稳定性的要求, 针对某Φ 660 mm口径反射镜进行了轻量化研究。提出了一种采用经典理论公式创建反射镜初始结构, 结合灵敏度分析和参数优化进行综合设计的方法。首先构建了反射镜参数化模型, 采用灵敏度分析研究镜体结构参数对面形变化的影响规律, 找到对镜面面形RMS值灵敏度高的结构参数进行优化迭代。相比于传统反射镜结构设计方法,此方法缩小了优化设计空间, 节约了计算成本与时间, 能够在设计空间内全局寻优, 较快收敛于最优值。优化后反射镜在自重载荷工况下镜面面形PV值小于?姿/10, RMS值小于?姿/40(?姿=632.8 nm), 镜体质量为13.6 kg, 轻量化率达78.4%。镜体组件一阶频率为121 Hz, 满足反射镜动态刚度要求, 根据优化后的结果建立了反射镜的最佳结构模型, 并进行了投产制造。

为了补偿空间相机因所处复杂运载环境和空间运行环境导致的焦平面偏移, 研制了一套利用均力输出组件驱动, 正反双曲柄滑块机构传动, 直动组件导向的新型高精度调焦机构。介绍了其结构组成和运动原理, 并对其误差来源及影响因素进行了深入分析。该调焦机构采用两点支撑方式, 两支撑点均力输出且无同步性误差, 机构内应力小, 运行平稳, 调焦精度高; 运动副采用预压消间隙措施, 有效消除配合间隙, 无空回, 重复精度高。在模拟空间环境条件下, 对其各项参数进行了测试。试验结果表明, 该调焦机构可在±1.77 mm间调焦, 直线定位精度大于±8 μm, 重复性优于±2 μm; 同步性误差小于±4 μm, 重复性优于±3 μm; 调焦行程范围内调焦反射镜转角精度优于±5″, 重复性优于±1.5″。得到的结果能够满足空间相机在复杂空间环境下的成像需求。

研究了1.5 m口径空间相机反射镜组件的结构, 设计了主镜组件结构系统。采用RB-SiC作为反射镜镜坯材料, 分析并优化了反射镜支撑形式和镜体的结构参数, 得到了重131.9 kg, 轻量化率达到81%的反射镜结构。在主镜基本构型确定的基础上, 设计了主镜支撑结构, 通过合理设计柔性卸载结构满足了主镜结构系统的力、热环境适应性和抗振性要求。最后, 利用有限元法综合分析了主镜组件的性能。试验结果表明: 主镜在1g重力作用下的面形精度RMS达到0.025λ(λ=632.8 nm), (20±4)℃温变环境中主镜面形变化量在RMS 0.01λ范围内, 主镜组件一阶固有频率为95.8 Hz, 有限元分析结果的误差为4%。得到的结果表明主镜组件的静态刚度、动态刚度及热环境适应性完全满足设计指标要求。

设计了一种新的光机结构，以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析， 说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后，以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构，对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析，说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后，论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验，结果表明: 在-60 ℃～80 ℃进行热冲击试验后，主镜不会出现炸裂现象; 而在-20 ℃~50 ℃温度下，反射镜面形精度RMS仍保持在 0.025λ(λ=632.8 nm)水平。 得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。

研究了空间相机调偏流机构运动公式的提取方法, 以便提高运动机构精度, 改善空间相机成像质量。分析了调偏流机构测试数据的分布规律, 建立了它的分布规律模型。采用对角频率ω一维搜索的三参数三角函数拟合方法, 对测试数据进行了最小二乘拟合, 并研究分析了首次拟合残差的分布规律, 提取并修正了其中的系统误差分量, 从而进一步提高了拟合精度。试验结果表明: 使用上述方法提取调偏流机构运动公式后, 调偏流系统控制精度优于30″, 与最小二乘拟合结果(最大拟合偏差20.5107″)相符, 同时满足系统控制要求, 不仅实现了高精度的偏流角控制, 还降低了对零部件加工、装配的要求和制作成本。

设计了一种 18杆空间相机桁架式主支撑结构, 解决了大型离轴三反空间相机主支撑结构要求同时具备轻质、高刚度、高强度和高热尺寸稳定性的难题。分析了采用整体框架结构及桁架支撑结构作为离轴三反空间相机主支撑结构的优缺点, 根据光学系统及相机整体结构尺寸特点, 确定了桁架支撑方案。分析对比了单层 6杆桁架结构和双层 18杆桁架结构的动静态刚度。合理选取了桁架式主支撑结构的材料, 分析了对支杆基频的影响因素, 优化设计了支杆的结构参数, 分析了 18杆桁架支撑结构的力、热特性, 并对支杆与杆接头的胶粘结强度进行了试验测试。有限元分析结果表明, 相机桁架主支撑结构一阶固有频率为 78.4 Hz, 次镜在 X向重力作用下绕 Y轴的最大倾角为 4.6″, 动静态刚度均满足设计指标要求。碳纤支杆拉伸试验结果表明, 胶粘结支杆的抗拉强度为 5.85 MPa, 满足强度要求。

针对1 m口径空间相机反射镜的设计要求，提出了一种新的反射镜柔性支撑结构。以材料选择、径厚比、支撑点数量和位置、轻量化结构形式等为设计变量，以自重作用下反射镜面形精度rms值为目标函数，优化设计了一种背部开口、三角形轻量化孔、背部三点支撑的SiC空间反射镜结构，同时提出了一种反射镜柔性支撑结构。对反射镜在光轴水平状态下进行装调检测时影响反射镜面形精度的柔性支撑结构参数进行了灵敏度分析，找到了影响反射镜面形精度的结构参数。对反射镜组件动、静态特性和热特性进行了有限元分析，分析结果表明，光轴水平方向重力载荷作用下反射镜面形精度rms达到 5.6 nm，4 ℃均匀温升工况下反射镜面形rms为2.7 nm，反射镜组件一阶固有频率为192 Hz。最后，进行了反射镜组件的动力学测试试验，测得反射镜组件一阶固有频率为197 Hz，最大响应应力为181 MPa，验证了有限元分析的准确性。得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求。