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大尺寸离轴反射式相机的仿真集成分析方法

航天返回与遥感 2018年第1期39卷 78-86页

作者：姜宏佳北京空间机电研究所北京100094 先进光学遥感技术北京市重点实验室北京100094

离轴三反相机光学元件的不对称性,给相机的温控设计带来较大难度,因此有必要研究各种温度场对离轴三反相机性能的影响,特别是大型离轴三反相机,由于其外形尺寸大、焦距长、构型复杂,增大了研究难度。文章针对某大型离轴三反相机,通过光... 详细信息

离轴三反相机光学元件的不对称性,给相机的温控设计带来较大难度,因此有必要研究各种温度场对离轴三反相机性能的影响,特别是大型离轴三反相机,由于其外形尺寸大、焦距长、构型复杂,增大了研究难度。文章针对某大型离轴三反相机,通过光机热集成分析的方法,研究了其性能受不同温度影响的变化规律,从而为设计合理的热控措施提供依据。通过计算相机真实在轨温度场,得到温度边界条件;利用集成分析软件仿真了10种温度工况下相机光机结构的变形规律;最后利用光学仿真软件计算出光机系统的成像品质。仿真结果表明:若干温度工况下,相机的反射镜更容易产生离焦现象,而不容易产生离轴和倾斜现象;相机对整机径向的温度差最敏感,对轴向的温度差最迟滞;均匀温度变化和单个反射镜的温度差变化对相机的成像品质不产生影响。

关键词：光机热集成仿真分析离轴三反光学传递函数空间相机

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激光通信终端光学系统杂散光抑制技术研究

激光与红外 2021年第10期51卷 1378-1382页

作者：赵迎接长伟长春理工大学光电信息学院吉林长春130052

随着空间应用领域的扩展,卫星激光通信凭借其在速率、带宽、体积、重量和功耗等方面的优势而得到广泛应用。对于卫星光通信来说,终端光学系统的性能直接影响通信的可靠性和稳定性,本文根据激光通信中收发一体、双向双工工作模式对收发... 详细信息

随着空间应用领域的扩展,卫星激光通信凭借其在速率、带宽、体积、重量和功耗等方面的优势而得到广泛应用。对于卫星光通信来说,终端光学系统的性能直接影响通信的可靠性和稳定性,本文根据激光通信中收发一体、双向双工工作模式对收发隔离度的要求,采用Code V软件完成了830 nm激光通信终端光学系统设计,实现物方全视场15 mrad,全视场MTF值>0.65@100线对/mm,限制光线出射角不小于8,设计结果满足系统使用要求。通过对光学系统杂散光分析与抑制技术研究,控制轴外杂散光在离轴角5°~20°时杂散光抑制能力大于45 dB且20°时大于60 dB。实验结果给出830 nm激光通信终端光学系统光路图并对系统轴外杂光范围及抑制能力进行了测试,测试结果与仿真的结果一致,满足卫星激光通信系统使用要求。

关键词：激光通信光学天线离轴三反杂散光

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空间离轴相机反射镜组件超轻量化技术研究

空间离轴相机反射镜组件超轻量化技术研究

作者：黄拓中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

空间相机作为遥感卫星的核心载荷,其质量轻、体积小、性能优的设计并研究是实现中小型卫星高度集成化、低成本、高性价比的关键。离轴三反空间相机由于具有高轻量化、紧凑结构、长焦距、大视场以及无遮拦等优点,近年来被各国空间光学遥... 详细信息

空间相机作为遥感卫星的核心载荷,其质量轻、体积小、性能优的设计并研究是实现中小型卫星高度集成化、低成本、高性价比的关键。离轴三反空间相机由于具有高轻量化、紧凑结构、长焦距、大视场以及无遮拦等优点,近年来被各国空间光学遥感卫星广泛使用。在保证空间相机反射镜优异的静、动力学特性的前提下,还要使其组件质量最轻,这两者矛盾的权衡使得反射镜组件的结构设计难度加大。本文针对某中等口径离轴三反相机项目,对其反射镜组件进行超轻量化设计。首先介绍球面拟合、齐次坐标变换以及Zernike多项式拟合等多种镜面面形拟合方法,研究归纳Zernike项数、离散点数目对拟合精度的影响,提出基于SVD算法求解以消除拟合过程中方程组出现严重病态的情况。分析表明相较于离散点数目,Zernike多项式的项数对拟合精度的影响更大;对球面反射镜进行拟合时,采用28项Zernike多项式就能保证光学系统的精度要求。由主镜的外形尺寸确定采用背部单点支撑的形式,利用拓扑优化和多参数尺寸优化结合的方法对主镜镜体进行超轻量化设计,得到性能最优、质量最轻的主镜结构;针对单点支撑刚度不足的问题,设计了适用于主镜的支撑结构,分析讨论了螺钉连接环直径对反射镜面形及动力学特性的影响。通过与传统经验所设计反射镜对比,本文设计的主镜轻量化率提高了14%,性能指标也优于传统反射镜;最后分析校核了主镜组件在受到外界动力学激励下的响应。三镜采用背部三点支撑的形式,结合支撑形式对支撑孔的尺寸进行优化分析。类比主镜镜体结构的优化方法,对三镜镜体进行了超轻量优化设计。其次对三镜的背部支撑结构进行了设计,针对刚性支撑结构无法兼顾三镜在热力学工况下面形的情况,在刚性支撑结构的基础上,分别针对柔节的形式以及具体参数进行优化分析。最后对所设计的三镜组件进行性能校核。结合主镜和三镜的外形尺寸以及指标要求设计出后背板的初始结构,采用拓扑优化方法对后背板进行轻量化设计,最终后背板的质量仅为12.81kg,轻量化率达81%。主三镜组件的总质量仅为23.01kg,其中主镜组件5.39kg,三镜组件4.81kg。为验证本文所设计主三镜组件的性能特性,对其进行静力学和动力学校核:主镜和三镜在重力工况和4℃温升工况耦合下的镜面面形分别为6.96nm和11.1nm,满足所提设计要求;组件的一阶固有频率达189Hz,过载和随机振动下的响应和应力也都满足强度要求。

关键词：空间相机离轴三反反射镜组件超轻量化拓扑优化多参数尺寸优化支撑结构

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基于自由曲面的大视场推扫式光学系统设计

基于自由曲面的大视场推扫式光学系统设计

作者：魏雨西安工业大学

学位级别：硕士

经济的快速增长下,空间对地遥感在国防和国民经济中的应用越加广泛,高精度、高清晰度的对地成像和遥感技术在旅游、交通运输、环境监测、地理测绘、灾害预防等方面需求量巨大,遥感光学系统的视场由几度扩大到了十几度甚至几十度,地元分... 详细信息

经济的快速增长下,空间对地遥感在国防和国民经济中的应用越加广泛,高精度、高清晰度的对地成像和遥感技术在旅游、交通运输、环境监测、地理测绘、灾害预防等方面需求量巨大,遥感光学系统的视场由几度扩大到了十几度甚至几十度,地元分辨率从几百米提高到几十米甚至几米。在地面目标信息一定的情况下,为了及时得到可靠的信息,需要多星并轨和高重返周期,提高刈幅宽度,光学系统则需要更大的焦距和视场。传统的光学系统使用面阵探测器,该探测器兼顾了子午和弧矢方向的视场,在系统焦距增大的情况下,视场仍不能得到有效扩展,离轴推扫光学系统主要考虑子午或弧矢方向。同时,在使用自由曲面的基础上,系统能够对宽光束引起的高阶像差和大视场所带来的像散、彗差等进行有效的校正,因此在增大焦距的同时视场大小得以有效提升。本文设计了基于自由曲面的大视场推扫式光学系统进行,根据三阶像差理论求取光学系统的初始结构,利用遗传算法对初始结构进行优化,最终得到了入瞳直径为150mm,焦距为1300mm,视场为20°×2°的非球面离轴三反光学系统,利用灵敏度函数的蒙特卡罗公差分析理论,完成了对非球面离轴三反光学系统的装配误差分析。介绍了面型的自由曲面在精度上和加工上的差异,引入Zernike自由曲面模型,优化了所设计的非球面离轴三反光学系统,探索了在焦距一定情况下,视场及通光口径的拓展性能。最终完成了入瞳直径162.5mm,焦距为1300mm,视场为35°×2°的自由曲面离轴三反光学系统,利用ZEMAX完成了公差分析,给出了优化后的光学系统误差分析结果。针对长条形非球面和自由曲面光学元件的设计,根据球差匹配的非球面镜补偿器设计方法,完成了大口径非球面镜检测的补偿器设计。根据数字全息零位检测(CGH)法,结合光线追迹法完成了自由曲面主镜CGH补偿板的设计。利用ZEMAX-ZPL和MATLAB仿真CGH相位函数与二元光栅环带,完成检测方案的设计,最后利用ZEMAX验证了CGH的正确性。

关键词：光学设计离轴三反非球面补偿器自由曲面零位补偿CGH

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长焦距宽视场航天测绘相机光学系统研究

长焦距宽视场航天测绘相机光学系统研究

作者：郭永祥中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

随着空间遥感技术的逐步发展，人们对地元分辨率的要求越来越高。如果摄影高度一定，而且CCD相机满足其极限分辨率，则由比例关系可以得到地元分辨距离与相机光学系统的焦距成反比。因此，增大相机光学系统的设计焦距有利于提高系统的... 详细信息

随着空间遥感技术的逐步发展，人们对地元分辨率的要求越来越高。如果摄影高度一定，而且CCD相机满足其极限分辨率，则由比例关系可以得到地元分辨距离与相机光学系统的焦距成反比。因此，增大相机光学系统的设计焦距有利于提高系统的地元分辨率。如果在增大地元分辨率的同时，做到宽视场，则可拓宽所能探测到的物平面的范围。因而，长焦距宽视场光学系统的发展成为一种趋势。本文首先对国内外航天测绘相机的发展状况进行调研，并详细叙述了印度IRS-P5卫星搭载的专门用于立体测绘的载荷Cartosat-1、印度月球探测卫星Chandrayaan-1搭载的地形测绘相机TMC、日本先进对地观测卫星ALOS搭载的全色遥感立体测绘仪PRISM、法国SPOT-5卫星上搭载的高分辨率立体成像装置HRS、法国待发射的Pleiades卫星相机系统。在发展较为成熟的两镜系统和三镜系统的基础上，提出了两种新型反射式光学系统，分别是两镜三反射式光学系统和由格里高利系统改进后的三反射镜光学系统。分别研究了它们的具体设计方法，并给出了设计实例。根据长焦距宽视场航天测绘相机光学系统设计指标要求，通过三种方法进行了设计，分别为两镜折反式结构、同轴三反式结构和离轴三反式结构。通过三种方案进行优化，分别得到了良好的设计结果。综合考虑设计指标要求和实际加工装调成本，最终选用离轴三反式结构。实际仪器由于受到各种工程因素的制约，性能不可能达到设计水平。对最终选定的1.7°离轴三反式系统进行公差分析，查看加工和装调误差对离轴三反射光学系统成像质量的影响，并给出公差的分配结果，为后续的加工和装调提供参考。

关键词：航天测绘相机光学设计离轴三反畸变内方位元素

红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪光学系统分析与设计研究

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红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪光学系统分析与设计研究

作者：计云兵中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

成像光谱探测技术是一种以光谱分析理论为核心,集成像与光谱探测为一体的新一代光学探测技术。作为一种极其重要的探测手段,成像光谱探测技术被广泛的应用于空间监测、环境保护等军用和民用领域。随着安全生产形势日益严峻、环境污染及... 详细信息

成像光谱探测技术是一种以光谱分析理论为核心,集成像与光谱探测为一体的新一代光学探测技术。作为一种极其重要的探测手段,成像光谱探测技术被广泛的应用于空间监测、环境保护等军用和民用领域。随着安全生产形势日益严峻、环境污染及灾害事故频发等问题的出现,能够快速检测、环境适用性强、稳定性高、可靠性好及轻小型化的宽谱段中长波红外成像光谱仪成为人们的迫切需求。为满足环境适用性强、稳定性高、宽谱段测量等应用需求,本文提出了一种基于静态干涉系统的中、长波红外双谱段时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪,分别对前置望远光学系统及后置成像系统进行了设计。本文的主要工作包括以下三个方面1)本文研究了以阶梯微反射镜作为干涉系统核心器件的双谱段一体化静态傅里叶变换成像光谱仪,完成了系统的建模和仿真工作。根据系统的技术指标计算了成像光谱仪光学系统的技术参数及阶梯微反射镜的结构参数。2)根据像差理论,通过添加约束的方式,计算了反射式前置望远系统的初始结构,通过光学设计软件优化,矫正了系统中倾斜分束板和补偿板带来的大数量级像散和彗差。完成了透射式后置成像系统设计,将前置望远系统和后置成像系统进行对接优化,实现了良好的成像质量。最终得到了视场角为1.5°,中波通道F数为4、长波通道F数为2的整体光学系统。在双谱段范围,该光学系统的点列图RMS小于7.9μm,MTF值在探测器的特征频率17lp/mm处大于0.5,具有良好的成像效果。3)完成了成像光谱仪光学系统的杂散光及公差分析工作,得到了易于加工且杂散光得到有效抑制的整体系统,从而为后期仪器的加工及装调提供参考。

关键词：光学设计中长波傅里叶变换成像光谱仪离轴三反

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超宽视场成像光谱仪前置光学系统设计

超宽视场成像光谱仪前置光学系统设计

作者：刘青函苏州大学

学位级别：硕士

近年来,大视场宽覆盖已成为光学遥感仪器重要发展趋势。为满足用于全球对流层大气监测的推扫式成像光谱仪超宽视场、宽波段和高分辨率的探测需求,本文主要研究和设计可实现超宽视场的离轴两反射镜和三反射镜前置光学系统。首先,阐述仪... 详细信息

近年来,大视场宽覆盖已成为光学遥感仪器重要发展趋势。为满足用于全球对流层大气监测的推扫式成像光谱仪超宽视场、宽波段和高分辨率的探测需求,本文主要研究和设计可实现超宽视场的离轴两反射镜和三反射镜前置光学系统。首先,阐述仪器遥感探测原理,依据仪器的光谱分辨率及信噪比要求,利用大气辐射传输模型MODTRAN数值分析光学系统F数和信噪比之间的相互关系,确定前置光学系统的F数、视场和焦距等指标参数。接着,根据上述指标和轻量化要求,研究与设计结构简单的由两块凹面反射镜组成的离轴两反前置系统。基于高斯光学和杨氏公式,分析其像散特性,给出确定系统初始结构参数的方法;通过分析自由曲面对光瞳像差的影响,给出合理选择自由曲面多项式校正物方畸变方法;优化设计得到交轨视场108°、F数10、有效焦距34mm、工作波段0.27.4μm的离轴两反射镜前置望远物镜,主、次镜均为自由曲面,具有结构简单紧凑、像方远心、成像性能接近衍射极限和物方畸变小等优点。然后,研究与设计了可实现超宽视场、中等相对孔径的离轴三反射镜系统,其由一片凹面反射镜和凸面-凹面同轴两反射镜组成。基于凸面-凹面两反射镜远心望远系统的像散分析结果,给出逐步确定系统初始结构参量的方法;优化设计得到交轨视场108°、F数4、有效焦距17mm、工作波段0.27.4μm的离轴三反射镜前置望远物镜,主镜为球面,次镜、三镜均为二次非球面,同样具有像方远心、成像性能接近衍射极限和物方畸变小等优点。最后,对设计得到的离轴两反射镜和三反射镜前置望远系统进行公差优化分配,得到符合实际应用要求的公差分配结果。研究设计的两种前置光学系统在超宽视场、宽波段范围内均具有良好的成像结果,可将其应用于星载全球覆盖高时间分辨率高光谱成像仪中,以监测地球对流层大气成分时空变化,探测全球碳源碳汇。

关键词：光学设计成像光谱仪超宽视场前置系统离轴两反离轴三反

大视场自由曲面光学系统设计及杂散光抑制技术研究

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大视场自由曲面光学系统设计及杂散光抑制技术研究

作者：吴俐权中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

随着空间遥感技术的快速发展,大孔径、长焦距、大视场、轻量化的高性能光学系统成为新一代空间光学相机的发展趋势,对其性能和成像质量的要求不断提升,传统的球面、非球面往往无法同时满足这类高性能光学系统的设计要求。自由曲面的出... 详细信息

随着空间遥感技术的快速发展,大孔径、长焦距、大视场、轻量化的高性能光学系统成为新一代空间光学相机的发展趋势,对其性能和成像质量的要求不断提升,传统的球面、非球面往往无法同时满足这类高性能光学系统的设计要求。自由曲面的出现改变了这一现状,具有非旋转对称结构的自由曲面光学元件能提供更多的设计自由度,使系统的结构布局更加灵活和紧凑,可提升轴外像差校正能力,使系统结构简化,应用于一些特定场合。此外,离轴反射式光学系统由于没有中心遮拦、能有效折叠光路使结构紧凑、无色差、工作波段范围宽等优点已成为空间光学系统研究的热点。但传统的采用球面或非球面的离轴反射式光学系统还存在有效视场较小、结构不够简化等问题。将自由曲面应用到离轴反射式光学系统中,利用自由曲面的优势,弥补传统离轴反射式光学系统的不足,可增大了系统的视场,能很好的校正系统高阶像差。本文针对大视场、长焦距空间光学系统,对自由曲面离轴三反系统开展了以下研究:（1）对国内外含有自由曲面的光学系统进行调研;掌握了矢量像差理论在非旋转对称光学系统中的三阶波像差表达式中不同像差与视场的关系;总结了自由曲面的不同描述形式并给出了各自的优缺点;调研了自由曲面在成像与非成像领域的应用。（2）分析计算了光学系统的相关结构参数,对比四种类型光学系统的优缺点,结合离轴三反光学系统的结构特点,完成光学系统的结构选型。（3）计算同轴光学系统的初始结构,通过对同轴光学系统进行离轴处理,并利用Zernike多项式自由曲面面形的优势改善系统性能,将弧矢方向的视场优化至20°,最后优化设计出视场为20°×20°、焦距为1500mm、入瞳为150mm的离轴三反光学系统,使系统整个视场的MTF值在@50lp/mm均大于0.5,并通过结构优化使得系统更加紧凑,并对系统进行了公差分析。（4）针对所处的空间环境,考虑杂散光对光学系统的影响,设计出一种基于牛角管效应的新型遮光罩,通过优化设计遮光罩内部抑制结构提高杂散光抑制水平,并结合所设计的光学系统,将此遮光罩与传统的遮光罩进行杂散光抑制效果对比,结果表明,在离轴角35°到60°下,牛角管式遮光罩比竖直挡光环式遮光罩的PST值降低了一个数量级,具有更好的杂散光抑制效果。

关键词：大视场自由曲面 Zernike多项式离轴三反牛角管式遮光罩

低温红外目标模拟光学系统设计及反射镜制冷技术研究

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低温红外目标模拟光学系统设计及反射镜制冷技术研究

作者：翟金龙哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

低温红外目标模拟系统主要通过模拟静态和动态目标以及真空冷背景来测试红外制导系统灵敏度等关键指标。低温红外目标模拟光学系统作为其核心,是系统研制的关键,由于系统工作在低温下,需要考虑光学系统中反射镜的制冷,反射镜表面的温度... 详细信息

低温红外目标模拟系统主要通过模拟静态和动态目标以及真空冷背景来测试红外制导系统灵敏度等关键指标。低温红外目标模拟光学系统作为其核心,是系统研制的关键,由于系统工作在低温下,需要考虑光学系统中反射镜的制冷,反射镜表面的温度均匀性直接影响到光学系统性能的优劣。本文主要对低温红外目标模拟光学系统以及反射镜的制冷技术进行了设计与研究。首先,针对低温红外目标模拟系统的应用背景进行了光学系统的设计。在设计过程中,对低温红外目标模拟系统的总体布局进行了设计;通过对比反射式与透射式光学系统的优缺点,确定了低温红外目标模拟光学系统的结构形式,采用离轴三反射式光学系统;在光学系统的设计过程中,求取了共轴三反系统的初始结构参数以及光阑的离轴量,再利用光学设计软件对求取的参数进行优化设计,完成了低温红外目标模拟光学系统的设计。其次,对反射镜制冷技术进行了研究。结合影响反射镜材料选择的几种因素,完成了对反射镜材料的选择,确定为Al6061-T6材料;利用光学系统设计出的主镜结构参数进行了反射镜结构设计,在设计过程中,确定了反射镜的结构形式为平凹形结构,反射镜的径厚比以及反射镜的轻量化结构参数,再利用机械设计软件完成了反射镜结构的建模;对反射镜的制冷技术进行了研究,采用冷束制冷,既提高了制冷效率,也使反射镜镜面制冷更加均匀;结合反射镜实际工作状态,对反射镜的制冷技术进行了改进,提出了反射镜制冷保持技术的方法;采用光机热集成分析的方法,对反射镜制冷后的温度均匀性引起的镜面形变进行了分析验证,能够满足光学系统性能要求。

关键词：低温光学离轴三反有限元分析冷束制冷保持