全天时星敏感器热光学问题研究

作     者：周藏龙 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：王虎;薛要克

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：全天时 机载导航 星敏感器 无热化设计 光学设计 

摘      要：随着天文导航技术的发展,通过观测恒星相对位置获得精准导航的星敏感器技术也得到了快速发展。目前星敏感器技术的研究领域逐渐从空间转向近地面,由于近地面大气散射干扰严重且热环境更为复杂,所以对其光学系统提出更苛刻的要求。其中热变化是影响全天时星敏感器光学性能的重要因素。通过对全天时星敏感器热光学问题的研究,利用无热化技术减小宽温度变化对星敏感器光学性能的影响,从而显著提高全天时星敏感器的导航和定位精度,对天文导航技术的发展具有重大意义。本文首先对国内外全天时星敏感器技术和无热化技术的发展现状进行了调研,因温度变化是影响全天时星敏感器导航定位精度的关键,因此重点围绕如何提高全天时星敏感器光学系统的温度适应性问题,通过利用光机结合法实现无热化。本文研究内容主要包含以下几个部分:（1）对光学系统中光学材料折射率、元件面型及各光学元件间的间隔随温度变化而变化的情况进行了研究,分析了光学系统的光学性能随温度变化的原因,这些研究内容可以作为对光学系统进行无热化设计时的理论基础。（2）分析总结了机械被动式、机械主动式和光学被动式和折衍混合式这四种无热化设计方法的基本原理以及优缺点;分析总结了机械被动式无热化设计方法中在使用差动原理实现无热化设计时结构材料的选择原则,并根据具体需求列出了可实现目标的机构组件;基于光学被动式无热化设计方法,归纳总结了部分常用红外材料和可见光材料的热属性,可为光学系统无热化设计提供数据支撑。（3）针对机载全天时星敏感器光学系统在10km工作的空域特点,分析了天空背景光辐射特性和目标恒星的辐射特性,发现天空背景光在可见光区域辐射强度较强,而在近红外谱段有大幅衰减,而目标恒星的辐射强度在600nm之后较天空背景光辐射强度更强,因此结合此特性,选择将900nm～1700nm作为本论文光学系统的工作谱段;然后根据需求选择了一款探测器,并基于所选探测器性能,对光学系统的通光口径、焦距和视场等关键光学参数进行了分析,最终从系统探测信噪比出发,选择了光学系统的关键参数。（4）根据所选择的光学系统设计参数,对机载全天时星敏感器光学系统在常温常压下进行优化设计,然后从光机结合角度对光学系统进行了无热化优化,最终结果表示采用此方法设计得到的光学系统在-40℃～+60℃范围内均能满足使用要求。