机械制冷机冷却的透射式光学系统支撑结构

低温光学能够降低红外光学系统自身热噪声,有效提高探测灵敏度。支撑结构是实现光学系统在低温下正常工作的关键部件。设计的透射式低温光学系统工作温度为150 K,采用脉冲管制冷机这种新型机械式低温制冷机做冷源。因制冷机冷指直径较小,直接冷却光学透镜会在透镜内部产生较大温差,影响成像质量,为此设计了一种新型支撑结构,一方面设计了新型的轴向支撑和径向支撑用来减少透镜在低温下的形变,另一方面建立了透镜与脉冲管制冷机之间的传热模型,来指导支撑结构热设计,减小透镜内部温差。最后,对透镜支撑的低温性能进行了测试,实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至150 K,支撑结构很好地保护了透镜并且在降温过程中透镜内部温差小于1 K。当温度从300 K降低到150 K时,光学表面的最大变形小于1（1=632.8 nm）。支撑结构从机械和热学性能上满足了低温光学系统的需要,为机械式制冷机冷却光学系统的光机结构设计提供了一种新选择。     

透射式低温光学红外相机全光路冷链热设计

某透射式低温光学红外相机工作于倾斜地球同步轨道,所处空间热环境复杂多变,整个光学路径部组件属于低温光学系统,对温度梯度及温度稳定性要求较高,这对热控系统设计带来挑战。结合相机在轨成像温度需求及空间外热流特点,详细分析了相机热控设计的重点和难点,通过低温热管热量传输和辐射制冷的方式实现了低温光学系统的降温,通过高效热防护、热隔离及间接辐射控温技术实现了低温光学系统的高精度控温。热平衡试验温度数据表明:成像模式下,各光学部组件温度均满足指标要求,光学透镜温度均匀性和稳定性较高,光学透镜间最大温差小于1 K,最大温度波动小于±0.3 K,实现复杂内外热环境下光学透镜高精度控温;加热去污模式下,利用低温热管“热开关”的特点在常温下热阻增加,通过较小热控功耗实现光学透镜加热去污的需求。     

微型斯特林制冷机技术研究

微型斯特林制冷机可广泛应用于气象、军事、航空航天、低温电子学、低温医学等领域.其中最主要的应用是冷却红外探测器系统的红外探测器器件,包括为各类探测器提供77 K或更低的低温工作环境,保证探测器功能正常,提高红外探测器的灵敏度和分辨率,减小来自光学滤光片、冷屏及光学系统本身的热噪声.微型斯特林制冷机已成为高性能红外热成像系统中必不可少的重要组成部分.简述了斯特林制冷机的国内外发展情况、市场前景.同时,通过对斯特林制冷机的专利现状调研、分析,给出了斯特林制冷机专利战略的一些定位的思考及建议.     

红外探测器集成光学系统低温评价方法研究

红外探测器集成光学技术是将部分成像光学系统集成在杜瓦结构内部,以保证F数较小、探测目标信号能量大的同时,消除光学系统体积庞大和复杂带来的不便因素。本文研究的红外探测器集成光学低温评价技术是在不反复拆除杜瓦的前提下,直接评估集成光学系统低温MTF,缩短测试周期。进行集成光学透镜组精密装配,在此基础上开发独立的集成光学系统低温MTF评价装置,并搭建MTF测试光路,获得集成光学透镜组温度分布梯度,为集成光学透镜组的装配精度和光学性能提供可靠数据。     

红外系统自身热辐射导致的分布式探测距离变化分析

探测距离是红外系统应用的重要评价指标,随着制冷型红外探测器的发展,红外系统自身热辐射已成为探测距离提升的重要限制性因素,冷光学设计是抑制自身热辐射的必然选择,因此对冷光学制冷温度指标进行评估和优化成为红外系统设计分析的新问题。文中从红外系统自身热辐射和经典探测距离理论出发,推导了包含系统噪声项的红外系统探测距离计算公式,提出了分布式探测距离的分析方法。以透射式光学系统为例,进行了影响因素灵敏度分析。通过对探测器焦平面进行分区域数据处理,得到了对应探测距离的主要影响表面。在此基础上,分析了在对主要影响表面进行低温处理前后(293.15 K制冷到173.15 K)探测距离的变化。结果表明,探测距离最大提升量达到43.32%,提升效果显著。该方法可为红外系统冷光学设计和评估提供参考。     

低温红外光学透镜支撑结构研究

在低温红外光学系统中,光学元件及其支撑结构的加工和装配温度与其实际工作环境温度之间存在较大差异。根据低温红外光学系统对光机结构设计的要求,设计和加工了一套适用于低温光学透镜的柔性支撑结构。透镜的径向定位与支撑采用一组周向均布的悬臂柔性支撑结构来实现;轴向则采用压圈定位和波形垫圈来为透镜提供轴向预紧,以避免由于温差以及材料的物理性能差异与变化而造成透镜面型无法满足指标要求。试验结果表明,这种透镜支撑结构在133 K低温下具有良好的成像效果。     

真空低温高灵敏度中红外辐射计EI北大核心CSCD

为精确地评估真空低温状态下大面积黑体辐射源的均匀性,设计了高灵敏度中波红外辐射计。给出了辐射校准的物理模型,详细分析了目标温度200 K和213 K的信噪比,得到真空低温下200 K和213 K目标信噪比分别为460倍和1 492倍。设计了高信噪比测量200 K目标的总体方案,研制了高灵敏度真空低温环境下使用的中红外辐射计。采用透射式光学系统及温度系数匹配稳定的高刚性光机支撑结构,满足真空低温的环境条件。采用外置黑体标定中红外辐射计的温度/辐射响应度,创新性采用调制器兼顾内置定标辐射源,采用四级TE制冷中红外探测单元,配合高性能探测单元及80倍动态范围的同步积分锁相放大器,获取大占空比的高质量方波信号用于辐射计算。实验结果表明:在温度77 K、真空度1×10-5Pa真空低温环境下,测试213 K目标黑体辐射源,1 h内的信号不稳定度为0.24%;噪声等效温差(NETD)值为0.034 K;测量精度优于2%。中红外辐射计满足真空低温环境下高精度测试微弱目标的要求。     

真空低温高灵敏度中红外辐射计

为精确地评估真空低温状态下大面积黑体辐射源的均匀性，设计了高灵敏度中波红外辐射计。给出了辐射校准的物理模型，详细分析了目标温度200 K和213 K的信噪比，得到真空低温下200 K和213 K目标信噪比分别为460倍和1 492倍。设计了高信噪比测量200 K目标的总体方案，研制了高灵敏度真空低温环境下使用的中红外辐射计。采用透射式光学系统及温度系数匹配稳定的高刚性光机支撑结构，满足真空低温的环境条件。采用外置黑体标定中红外辐射计的温度/辐射响应度，创新性采用调制器兼顾内置定标辐射源，采用四级TE制冷中红外探测单元，配合高性能探测单元及80倍动态范围的同步积分锁相放大器，获取大占空比的高质量方波信号用于辐射计算。实验结果表明：在温度77 K、真空度1×10^-5 Pa真空低温环境下，测试213 K目标黑体辐射源，1 h内的信号不稳定度为0.24%；噪声等效温差(NETD)值为0.034 K；测量精度优于2%。中红外辐射计满足真空低温环境下高精度测试微弱目标的要求。     

红外低温光学关键技术研究综述

随着红外探测技术的日趋成熟,以降低背景辐射为目的的低温光学技术已成为提高红外探测技术发展的主要途径。本文从工程应用的角度阐述了红外低温光学技术的各个要素,如低温光学系统构型选择、光学和机械结构设计、光学系统材料选择以及光学系统制冷方案设计等在低温光学处理中的设计要点。介绍了红外遥感相机和红外空间望远镜这两个红外低温光学的应用实例。最后对机载红外系统低温光学的应用提出了建议。     

透射式红外光学系统的光机热集成分析

利用有限元软件ANSYS建立了透射式红外光学系统的有限元模型,并对其进行热应力分析。以Zernike多项式为接口工具对变形后光学透镜的面形进行拟合,将得到的Zernike系数、透镜间隔的改变量和材料的折射率变化量代入光学设计软件ZEMAX中,分析变形后系统的光学性能。分析结果表明,温度改变使光学透镜的面形发生严重变化,并且使光学系统的像面产生漂移,导致系统的光学性能下降;光机热集成分析方法在红外光学系统中的应用,可以预测热环境对系统的光学性能的影响,为光机系统设计提供参考。     

低温光学用杜瓦柔性外壳结构热力特性研究

为了满足低温光学系统低背景、低功耗和红外探测器制冷组件高环境适应性的要求,提出了探测器制冷组件杜瓦主体（窗口、窗口帽和引线盘） 200 K低温保持,与制冷机膨胀机或脉管散热面柔性绝热连接的设计思想。针对低温光学用杜瓦柔性外壳工程应用中的特点,文中以某低温光学用长波12.5 μm 2 000元红外探测器杜瓦组件以例,提出了波纹管作为绝热连接的柔性外壳,重点阐述杜瓦柔性波纹管隔热、力学和相关漏热的设计,并开展不同热负载条件下波纹管热特性验证,可实现最小温度梯度为37.22 K,绝热热阻为1142 K/W,误差在37%。为综合评价低温光学用柔性外壳结构杜瓦组件的性能,对某低温光学用长波12.5 μm 2 000元探测器柔性外壳杜瓦组件开展热真空和鉴定级的力学试验考核验证,试验结果表明实现了200 K低温窗口,探测器60 K工作,杜瓦漏热为544 mW,低温工况工作时相对于常温工况制冷机的功耗下降了53%,并通过了4 g的随机力学考核,验证了低温光学用杜瓦柔性波纹管外壳模型合理可行,对于后续低温光学用杜瓦柔性外壳结构工程应用提供了重要参考。     

某低轨倾斜轨道相机热控系统设计与验证

某新型对地观测空间相机已随新技术试验星成功发射入轨。相机运行于低轨倾斜圆轨道为非太阳同步轨道,其面临的空间外热流变化非常复杂。为了保证相机在轨稳定工作,光学系统和承力结构需要具有较高的温度稳定性,低温红外探测器需要配备大功率制冷机。复杂的外热流环境和高稳定度的指标要求给热控系统的设计研制带来了极大的挑战。根据任务特点和需求,对热控研制任务展开了分析,提出了借助卫星平台姿态规避,间接辐射控温以及±X侧耦合散热面等热控措施。热平衡试验与在轨飞行实测数据表明,相机光学系统的温度水平保持在（18±2） ℃范围内,稳定度优于±0.3 ℃/轨,满足相机各项温度指标,证明相机热控设计方案合理可行,相机在轨工作条件良好。     

大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构设计

空间红外相机为提高成像质量,采用脉冲管制冷机对大面阵红外探测器进行制冷和杜瓦封装,形成杜瓦组件,使探测器工作在深低温环境下。冷指与热端之间仅靠脉冲管的薄壁结构连接,径向支撑刚度偏低,无法承受卫星发射阶段的振动,需对冷指增加支撑结构;但为提高制冷效率,又需要尽量增大连接探测器的冷指与制冷机热端之间的结构热阻,以减少结构间漏热。传统的方案是在冷指与热端之间增加金属支撑柱,但该结构会带来附加的漏热,且因为连接刚度较大,会由于装配及加工误差在脉冲管焊缝处产生较大的结构应力,影响组件性能。提出一种基于玻璃纤维束的冷指支撑结构,利用玻璃纤维束的高抗拉刚度及低抗弯刚度提高冷指径向支撑刚度的同时减小其在轴向上的结构应力;同时,玻璃纤维束的超低导热系数和小截面面积可以极大的提高结构热阻,显著减小附加漏热。与传统方案相比,玻璃纤维束支撑加强结构在提高冷指支撑刚度同时,将冷指与热端之间的结构热阻增大为原来的3 730倍,解决了冷指支撑加强结构既要求抗振性能好、又要求漏热小的难题,可适用于各种类型的大面阵红外探测器的杜瓦冷指支撑结构。     

30 K脉管预冷CFD仿真研究

针对一台U型一级斯特林二级脉管混合制冷机,分析了一级冷量对二级脉管预冷对制冷机整机性能的影响。制冷机一级制冷温度为80 K,二级制冷温度为30 K,通过将一级冷指和脉管热桥连接,利用一级提供的冷量对脉管进行了预冷。通过计算流体力学(Computer Fluid Dynamics, CFD)仿真研究了脉管预冷对脉管内部温度场和速度场的影响。研究发现,对脉管进行预冷会改变脉管工作时的内部温度分布,对二级制冷能力有巨大影响。在不采用一级冷量对脉管中段进行预冷时,制冷机以二级0.7W@30 K和一级7W@80 K同时进行冷量输出,压缩机输入PV功为133 W;通过热桥将一级冷端换热器与二级脉管中段连接后,保持输入PV功为133 W,输出冷量变为二级1.2W@30K和一级6W@80K同时进行冷量输出。研究发现,U型一级斯特林二级脉管混合制冷机采用中段脉管预冷可大大提高二级的制冷能力。     

热耦合同轴型双级高频脉管制冷机实验研究

空间探测技术对小型低温制冷机提 出了在不同温区同时供冷的要求,而双级高频脉管制冷机则 是一种极具潜力的解决方案。介绍了一种热耦合双级高频 脉管制冷机,其两级冷指均采用同轴型结构以提升制冷机 结构的紧凑性。在室温惯性管调相的方式下,获得了22.03 K的 最低无负载温度;当总的输入电功为413 W时,两级可同时获 得8 W@80 K和1 W@30 K的制冷量。针对不同预冷温度下的性能特 性开展了实验研究,得到了低温级冷指效率的变化规律。     

热红外高光谱成像仪的灵敏度模型与系统研制

热红外谱段是对地观测高光谱遥感中非常有用的波段,受限于技术发展,热红外谱段的高光谱成像系统在国内的空间光电系统中并不多见,近年来在国家相关部门的支持下发展迅速,取得了较大进展。结合十二五期间研制的机载热红外高光谱成像仪系统,建立了信号流模型,对系统背景辐射进行了建模仿真,并对红外焦平面组件等效暗电流进行了分析测量,在此基础上得出了影响系统的探测灵敏度的关键因素,给出了系统设计低温光学100K制冷的设计依据。机载热红外高光谱成像仪研制完成后,还进行了探测灵敏度实际测量并与仿真结果进行了对比分析,对未来进一步发展热红外高光谱成像技术积累了重要数据。