1.1 课题背景和意义
航空侦察作为一种侦察手段自产生以来一直是军事侦察领域的重要组成部分，在战场情况瞬息万变的现代战争中更表现出不可或缺的地位。现代航空侦察不但克服了地球曲率和地形障碍对地面侦察设备视线的限制，又弥补了卫星侦察细节不足和时效性差的弊端，在当前全球军事行动和国家安全诸多任务上起着越来越重要的支撑与先导作用，军事专家也由此称 21 世纪为信息化战争的时代[1]。航空侦察相机是航空侦察设备中出现较早，应用较为广泛的分支，20世纪初的两次世界大战，对战场形势的分析需求、飞机的军事应用及更早时期成熟的照相技术得以相互结合并催生了航空侦察照相技术，航空侦察相机与技术随着战后各国的不断认知与投入迅速发展更新。 研究国外航空侦察相机的发展可以看出，为提高战场生存能力和作战效用，在减少国际争端的前提下获取更精细可靠的战场信息，航空侦察平台趋向于向高空、隐身等方向发展，即航空侦察活动趋向于远距离侦察、隐蔽侦察的方向发展。为适应远距离侦察的需要，航空侦察相机的镜头焦距不断增加。目前应用最为广泛的美国 DB-110 航空侦察相机可见光波段的镜头焦距接近 3 米[2]（110英寸），而英国 BAE 公司的 F-9120 航空侦察相机镜头焦距已经突破 3 米，达到3048 毫米[3]。
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1.2 典型光机分析方法的应用情况
有限元分析方法伴随着解决工程问题而产生，后经数学家进行了严格的数学论证和推广，目前已广泛应用于不同学科领域，包括对于复杂光学机械系统的结构设计和分析。有限元分析方法最早应用于光学系统的结构设计和分析是在 20 世纪七八十年代，当时主要应用于大型天文望远镜的设计中，利用静力学分析技术对空间望远镜主镜的变形规律进行了研究；后来 Paxson、Genberg 和 Hatheway 等人做了大量工作，进一步对有限元分析方法在光学机械系统结构设计中的应用进行了研究[8][9][10]；九十年代后，Mark D. Nickerson 等人利用有限元分析技术对单体结构和装配体系统设计进行了大量的对比分析[11]和实验；Pearson 等人用有限元分析方法计算了不同温度条件下 1.8m 口径望远镜主镜的热稳态变形情况[12] [13]；William R. Powell 用有限元方法分析了光学机构粘接的热稳定性[14]；Roger 用有限元方法分析了不同温度变化下火星侦察相机主镜的面形变化[15]。这些研究使有限元分析在含有光学系统的机构中的应用得到了长足的发展。 在国内，有限元分析技术在含有光学系统的机构分析中也不断应用，曾志革等人应用有限元方法对自适应光学的薄镜面进行了分析[16]；张林波等人对含水平轴系的光学仪器进行了分析[17]；陈永聪等人分析了不同支撑结构对反射镜的影响；王洋等人分析了支撑结构对大口径望远镜主镜影响并据此进行了优化设计[22][23]。刘国庆等人对采用 18 个点结构支撑的大口径轻质反射镜进行了应力变形分析[24]；吴永前等人对大型轻质反射镜的加工受力情况进行了静力学分析[25]；吴清文等人对自重作用下反射镜镜面变形进行了分析和研究。
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第 2 章 地物反射镜工程实现的设计方法及理论研究
2.1 地物反射镜工程实现的设计方法
航空相机用地物反射镜虽然参与航空相机光学系统成像，属于光学系统的一部分，但对其进行结构设计仍然要按照机械零件设计的一般方法，一般机械设计的教材中均有详细的论述[32]。随着现代计算机及工程软件的发展，工程中通常结合各种设计和应用分析的手段，将上述步骤概括为一个闭环的设计循环，即： 1）确定设计指标； 2）详细设计； 3）设计指标实现的分析和验证； 4）画出零件图，必要时计算过程写入设计计算书。 另外，航空相机用地物反射镜不单纯是一种机械零件，除了需要在结构上实现转动功能外，其反射面面形的精度还影响整个光学系统的成像质量。对地物反射镜进行结构设计，既要遵循机械零件设计的基本步骤和原则，同时还需要将光学系统满足最终成像质量对地物反射镜反射面面形的要求结合到设计准则中。
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2.2 地物反射镜工程设计理论及应用软件
航空相机本质上是一部装载在飞行器上的照相机。在设计阶段，对其设计质量的评判，主要考虑其光学系统的成像质量以及其在搭载的飞行器平台上的适应能力。地物反射镜作为航空相机光学系统的一部分，既要考虑其自身对光学系统成像质量的影响，同时还要考虑其处于飞行器平台上所承受的环境变化引起的应力的承受能力，以及这些环境应力对其作用产生的应力应变反映到光学系统中对成像质量产生的影响。 任何一个光学系统，无论应用于何处，本质上都是把目标发出的光或电磁波，按照一定的具体要求，设计和控制光路的传播方向和传播位置，最终达到接收器件的接收端，从而得到目标的各种信息，包括目标的几何形状、细节轮廓和能量分布等等。因此，对光学系统性能的要求主要分为两个方面：一方面是系统的光学特性，包括焦距、相对孔径（F 数）、视场角、放大率、透过率、入瞳位置、出瞳位置等；另一方面是系统的成像质量,即经过光学系统所成的像应该清晰，物像关系相似，而且变形要小。 当然，实际的光学系统成像都无法绝对的清晰和没有变形，就是说无法理想成像。光学系统实际成的像与理想像之间总会存在差异，即实际成像与理想像之间存在像差，光学系统的设计人员将像差控制在什么范围内才能满足目标装备的性能需求，同时具有同等量级像差的不同光学系统又如何甄别选优，即如何评价一个光学系统成像质量。
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第 3 章 地物反射镜反射面变形原因及结构设计原则 ..... 29
3.1 重力作用引起面形变化的理论分析 ........... 29
3.2 形状对重力作用下面形精度的影响 ........... 31
3.3 材料对镜面自重下面形精度的影响 ........... 32
3.4 结构形式对面形变化的影响 ........ 33
3.5 支撑固定方案对面形变化的影响........ 35
3.6 航空相机地物反射镜结构设计的一般原则和方法 ........... 37
3.7 本章小结 ........ 38
第 4 章 航空相机地物反射镜设计研究 ....... 39
4.1 反射镜设计指标的确定 ........ 39
4.2 反射镜结构设计与分析 ........ 48
4.3 支撑结构设计 ........ 57
4.4 地物反射镜组件设计验证 .... 69
4.5 本章小结 ........ 75
第 5 章 结论和展望 ....... 77
5.1 论文工作总结 ........ 77
5.2 不足和展望 .... 78
第 4 章 航空相机地物反射镜设计研究
航空相机地物反射镜的详细设计，是一个将设计指标转换为加工要求的过程，其中包括设计指标的获得、结构形式的确定、减重形式的确定、支撑与固定形式的确定等设计过程，同时还包含结构设计的有限元分析以及最终的光学成像质量评价等设计验证过程，以确定地物反射镜设计的合理合理性，同时在经过加工、装调后，还应通过实物检验环节，验证设计的合理性。下面结合一个航空相机地物反射镜的具体设计，阐述地物反射镜镜体的详细设计过程。
4.1 反射镜设计指标的确定
由于使用内反射面的平面反射镜对两表面的平行度要求非常高，且无法避免平面度误差的存在，使用中将产生双象差和色差，在汇聚光路中使用还会产生其他像差，所以实际应用均采用外反射面形式的平面反射镜。本设计中采用外反射面作为光学系统的反射面。 地物反射镜的设计指标概括起来分为两类，一类是地物反射镜反射面的大小、形状等几何要求，另一类是地物反射镜反射面表面的面形误差要求。
总结
航空相机远距离倾斜成像的细节分辨能力需求不断提高，光学系统焦距和口径都随之不断增大，地物反射镜参与光学系统成像，并实现既定的像移补偿功能，如何提高地物反射镜下载机的使用环境下反射面面形的精度受到越来越多的关注。本文对地物反射镜结构设计中应重点关注的相关问题进行了研究，包括: 分析了存在光学系统的结构设计中常用到的理论分析方法，包括有限元分析法、光学系统成像质量的评价方法和数值转换工具 Zernike 多项式。有限元分析方法是结构设计常用的分析方法，由于结构中存在光学系统，单一的有限元分析不能全面的得到系统最终的分析结论。分析了光学系统成像质量评价的方法，对理论评价和检测评价的方法进行了详细的论述，指出 MTF 评价方法由于在设计和实际检测中具有相同的评价结果而受到广泛的重视。研究了有限元分析数据到转换到光学评价的数据纽带 Zernike 多项式变换法，由于其具有与光学初级像差存在一定的联系的优点而在反射镜面形处理中得到了广泛的应用。从理论上分析了受重力作用下反射镜反射面面形的变形原因。讨论了材料、结构形状和支撑方案对反射镜面形的影响，列举了常用的反射镜材料、支撑方案的特点和不同减重形式的对比。并结合理论分析总结了反射镜结构设计的原则和方法，主
