摘要：微卫星装载的新型监视传感器对空间目标成像，要求其望远镜简单，重量轻，成本低和快速实现。针对任务要求和当前技术水平，提出采用同轴三反射镜望远镜构型与使用新型材料相结合的设计方法。望远镜系统为同轴三反射镜构型，由 3 片非球面镜和 1 片 45 度全反镜组成，其性能优于两反，而设计与制造又相对离轴三反容易;使用诸如碳化硅和碳纤维复合材料等材料容易控制系统重量。望远镜采用管状外形，反射镜支撑采取周边支撑与背部支撑相结合的形式，使加工和装调较为简单。望远镜模装设计的调制传递函数大于 0.2，重量小于 5kg，满足微卫星星座平台装载空间监视传感器的关键设计要求。
引 言
新型监视传感器对空间目标成像，而微卫星装载平台对传感器提出体积，重量及成本要求。望远镜系统设计是新型监视传感器设计的核心，决定整个传感器的性能、体积和重量。
1 光学设计
望远镜在宽光谱范围成像，是新型监视传感器的核心。传感器尽可能利用空间目标反射的太阳光能量，需充分利用硅器件的光谱响应。探测器采用帧转移CCD，光谱响应0.4μm-1.1μm。设计约束参数见表1。
1.1 设计分析
全反成像系统宽带无色差，相对折射系统，获取相同像质的情况下，结构简单。全反系统分为同轴和离轴系统，离轴系统综合性能优于同轴系统，但国内在同轴系统的设计、加工、装校和检测上非常成熟。考虑到系统成本和技术难度，采用同轴全反系统。由表1 可知，系统性能要求较高。两反射镜系统若不加校正透镜，很难满足要求，故选用三反射镜系统。图1 是同轴三反射镜望远镜的几何关系。假定目标无穷远，入瞳位于主镜M1。次镜对主镜和第三镜对次镜遮拦比，次镜和第三镜放大率由式(1)表示
1.3 优化设计
以上计算结果作为初始结构参数，使用 ZEMAX 优化设计获得3 组结果，见表2，其中结果1 的光学筒长最短，次镜和第三镜口径最小，有利于减小系统体积和重量，选择结果1 为最终设计结果。图2 为望远镜系统布局，由主镜、次镜、第三镜3片非球面镜和1 片45 全反镜组成。图3 为望远镜视场光路，需要说明的是，图中1 和2 均为仿真45 镜遮拦状态而添加的虚拟障碍物。
图 2 同轴三反望远镜系统布局
Fig. 2 Layout of three mirrors on-axis telescope
表3 是反射镜面形参数。主镜作用面为环形面，外径150mm，内径 68mm。45°全反镜为椭圆面，x和y 方向长度分别为 36mm 和51mm。其它反射镜面形均为非球面。图4 为系统点列图，图5 为系统 MTF。同轴三反系统最难解决的问题之一就是光束遮挡导致能量损失。为使性能有一定提升，对产生光束遮挡的45°镜中心偏移系统光轴，x 和y 方向的偏移量分别为1.2mm 和-5.3mm。由以上可知，尽管采取部分措施提高光学系统性能，45°镜的光束遮挡仍相当严重，尤其在轴上视场和轴外1 视场，MTF 仅大于 0.2。而轴外0.7 视场的情况稍好，MTF 大于0.4。
2 结构设计
新型监视传感器装载在微卫星平台上，要求传感器结构紧凑、重量轻。传感器重量配置主要在望远镜，望远镜轻量化措施十分必要。
2.1 光学材料
光学材料要求重量轻、刚度好和稳定性高。制作反射镜的传统材料有熔石英玻璃、微晶玻璃、零膨胀玻璃，非传统材料有铍、硅、铝、钛和碳化硅。表4 是光学材料的特性比较，可知碳化硅是制作反射镜的理想材料。
2.2 结构材料
表5 是空间结构材料的特性比较。结构材料选择的原则是保持结构性能的前提下，尽可能选择热膨胀系数低的轻质材料，以确保系统轻量化。故选择碳纤维复合材料作为系统的结构材料。
2.3 安装结构
望远镜安装结构包括反射镜支撑和外形结构。反射镜支撑方法主要有周边支撑、中心支撑和背部支撑。设计中反射镜采用周边支撑与背部支撑相结合，次镜和第三镜采用周边支撑，主镜采用背部支撑，折反镜采用桁架支撑。外型结构形式主要有管状结构和桁架结构。综合各种因素，采用管状架构，其比刚度比桁架结构稍差，但加工和装调较简单，特别适合小型望远镜。图6 是望远镜系统模装设计。望远镜外观尺寸小于Φ200×400mm，重量控制在5Kg 以下。
3 结 论
微卫星装载的新型监视望远镜采取技术相对成熟的同轴三反射镜构型和使用碳化硅与碳纤维复合材料等新型材料相结合的设计方法，使得望远镜设计达到 MTF 大于 0.2 和重量小于 5Kg 的任务要求，满足微卫星星座平台装载空间监视传感器的关键设计要求。新型监视望远镜设计结构简单，重量轻，成本低，能够快速设计和制造，便于空间监视网络的部署和实现。
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基金项目：国家 863 计划课题资助
作者简介：许武军(1972-)，男(汉族)，安徽当县人，博士生，工程师，从事空间光学遥感仪器的技术研究。E-mail：army_hsu@citiz.net
