长焦距航空遥感器过载载荷下的光机集成分析

环境载荷引起的航空遥感器光机系统变形对遥感器的光学系统性能会产生严重的影响。为了评估这种影响,需要一种将结构分析和光学分析相结合的有效手段。利用光机集成分析方法,首先建立了长焦距航空遥感器的有限元模型并进行了静力学分析,针对整个航空遥感器系统分别给定航向、展向和法向的加速度载荷,仿真分析了航空遥感器在机载飞行中的变形情况,重点分析由环境载荷、支撑结构所导致的各光学元件的表面节点位移变化,并以Zernike多项式为接口拟合各光学元件的镜面变形,将计算出的拟合系数代入光学分析软件对遥感器系统进行光机集成分析,评估指定环境载荷对该遥感器结构的光学系统性能的影响。分析结果表明,该航空遥感器在过载情况下,遥感器整体系统工作状态的光学调制传递函数在空间频率为0~62.5 cycle/mm范围内不低于0.16,经光学核算满足成像要求。     

离轴式空间光学遥感器的热设计与仿真

针对某离轴式空间光学遥感器光学系统和支撑结构的几何尺寸大、通光孔面积大、易产生较大的轴向和径向温度梯度特点,采用热隔离、热疏导及多分区温度补偿等手段对其进行了热控设计.通过建立遥感器结构的热分析有限元模型,利用I-DEAS/TMG软件进行了轨道外热流、高低温稳态工况及瞬态工况仿真分析.分析结果表明,热设计方案合理可行,...     

基于相位补偿的低温光学系统常温装调方法研究

基于对红外光学系统的热分析,提出一种低温光学系统的常温装调方法.在常温装调时为系统引入额外的相位板来补偿低温系统在常温时产生的离焦和表面变形.通过热分析获得离焦量和表面变形数据,设计出合适的相位板进行补偿,从而可以实现低温光学系统在常温环境下的正常装调和测试.     

多层套筒结构的红外消热差镜头设计与分析

重点分析了采用多层套筒与波形弹簧垫圈相结合进行热补偿的红外机械消热差镜头,根据光学软件给出的离焦量设计热补偿结构,并运用ANSYS软件对热补偿结构进行了热变形分析。经过试验测试表明,采用多层套筒实现热补偿的镜头在-40~+60℃的范围内成像质量良好。     

消热差红外镜头热光学特性分析

机械被动式消热差红外镜头的诞生解决了传统红外镜头在高低温下,由于温差原因产生不同的离焦量导致镜头成像质量下降的问题。本文以某款机械被动式消热差红外镜头为研究对象,对其进行了热光学特性分析。首先,在ANSYS中建立有限元模型,通过齐次坐标变化运用最小二乘法得出刚体位移。然后,通过Fringe Zernike多项式拟合得到面形变化。最后,在MATLAB平台下编写了基于施密特正交化法的接口程序,将37项Fringe Zernike系数导入到Zemax中进行分析。分析结果表明：在高低温时,由于补偿组的作用,镜头的轴向离焦量得到良好的补偿。高低温时镜片面形会发生变化,在低温时,镜头的成像质量略差于高温。镜头总体成像质量符合使用要求。     

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。     

复合材料在热真空下的尺寸稳定性测试方法

航天光学遥感器在轨运行时的环境与地面装调时有很大差异,对于采用复合材料的遥感器而言,在轨运行时由于材料受湿气解析的影响其几何尺寸将发生变化,进而影响遥感器的成像质量.因此,模拟在轨环境下复合材料几何尺寸稳定性测试,分析其在轨条件下的几何尺寸变形是十分必要的.提出了一种在热真空环境下,采用激光双频干涉原理对复合材料几何尺寸变形量的高精度测试方法,对该方法进行了方案验证与精度分析.针对采用碳纤维蒙皮/铝蜂窝夹层结构复合材料的某相机前镜筒进行了实际的热真空环境下几何尺寸变形量测试.结果表明,试验数据与理论数值在数量级上相同,提出的测试方案可行,为复合材料模拟在轨环境下几何尺寸变形量提供了一种测试手段.     

大相对孔径变焦红外光学系统无热化设计

随环境温度变化红外镜头会产生热离焦现象,一般定焦红外光学系统可通过多种红外材料组合或引入衍射面来实现光学被动式无热化设计,而变焦红外光学系统大多是通过移动透镜组来实现机械主动式无热化设计。文中根据光学变焦原理和光学被动式无热化原理,提出一种变焦光学被动式无热化设计方法,并采用该方法设计了一种大相对孔径双视场无热化长波红外光学系统。该系统焦距为25/50 mm（变倍比为2:1）,工作波段为8~12 μm,F数为0.9,可匹配640×512,像元为17 μm×17 μm的非制冷红外焦平面阵列探测器。光学设计中采用3种红外光学材料（硫系玻璃HWS6、硒化锌和锗）组合,并引入3个偶次非球面,实现变焦无热化设计。设计结果表明:该系统在宽温度范围内具有良好的成像效果和温度自适应性,在空间频率30 lp/mm处,-50℃~80℃温度范围内各视场MTF均大于0.3。该红外光学系统结构简单、工艺良好,在红外车载领域有着广泛应用前景。     

离轴四反光学系统的多物理场耦合仿真

光机热仿真分析是预测光学系统光学性能及结构优化的有效手段，本文提出了一种基于有限元仿真分析软件COMSOL Multiphysics，耦合固体传热学、固体力学以及几何光学的多物理场耦合建模方法，实现了离轴四反光学系统的光机热一体化仿真，避免了传统的光机热仿真分析在不同软件间信息传递和转换的过程，提高了仿真的集成性。本文针对离轴四反光学系统构建其多物理场耦合仿真分析模型，分析了光学系统在不同温度条件下的结构变形和光学镜面变形，并通过光线追迹和点列图判断光学性能变化，为后续开展光学系统的优化提供了一种有效手段。     

基于低空遥感系统的星载光学遥感器成像仿真

在星载光学遥感器设计过程中,利用计算机仿真技术模拟遥感器成像过程能够评估遥感系统设计可行性,并预测遥感器成像能力。针对高分辨率星载光学遥感器成像特点,提出一种基于低空遥感系统的成像仿真方法。以低空宽视场和多光谱图像数据为基础,利用图像分类、分类拟合等方法生成低空多光谱宽视场仿真图像,采用经验线性法进行反射率反演,结合星载光学遥感器空间分辨率、MTF、光谱响应等特性以及大气辐射传输理论得到遥感器入瞳处辐亮度仿真图像。将QuickBird卫星作为仿真对象,开展成像仿真实验,并评价仿真精度。实验结果表明仿真图像与卫星图像保持较高相似程度。     

点目标成像红外遥感器探测信噪比测试研究

针对遥感器真空低温测试需求，设计并搭建了一套能够在低温真空环境中稳定工作的红外目标背景模拟器，模拟器主要由冷光阑、真空低温面源黑体、三维电移台三部分组成，冷光阑模拟探测背景，冷光阑上分布微孔用于模拟探测点目标。通过有效控制目标模拟器与背景模拟器间的隔热、控温以及背景模拟器与待测遥感器之间的隔热，实现稳定测试。另外，将仿真优化与实践经验相结合，通过仿真计算去除模拟器冷光阑板厚度、目标相位、平行光管等的影响，有效降低系统测量不确定度。文中的仿真分析方法和验证情况对于红外遥感器点目标探测信噪比检测试验具有参考意义。     

低温镜头能量集中度测试及其误差分析

低温镜头多用于深空低温环境下对暗弱点目标的探测,能量集中度是评价该类镜头性能的重要指标。以采用热卸载设计的某红外低温镜头为实验目标,设计了低温镜头能量集中度测试方案,并对测试误差进行了分析。该方案采用星点靶标成像,利用低温精密调焦技术实现对像点的精确采集,通过高斯曲面拟合计算质心和两次反卷积数据处理,实现了200 K低温下红外镜头的能量集中度测试。分析了测试系统的误差源并标定了各项误差值,通过误差和不确定度分析得到了精确的测试结果。实验结果表明,所述的低温镜头能量集中度测试精度优于7.5%,具有工程应用价值。     

低温红外目标源控温技术

低温红外目标源是测试和标定低温红外传感器的响应线性度和非均匀性的关键测试设备.对所研制的低温红外目标源设备的工作原理进行了论述,同时基于有限元分析方法,以ANSYS 软件为载体对黑体面源控温方式及温度场分布进行模拟分析,并进行了测温实验.结果表明:所研制的低温红外目标源结构设计合理,仿真温度场与实测温度场分布规律一致,控温精度不大于0.5 K,黑体面源温度分布均匀,表面温差不大于0.2 K,稳定性好(0.1 K/min),可以满足低温红外系统的测试和检定要求.     

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。     

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。     

高精度透射式空间光学系统装调误差分析与动态控制

高分辨率对地观测对航天遥感器的成像质量提出了严格的要求,装框应力和偏心误差是影响大口径高精度透射式光学系统装调质量的重要因素。首先,在理论上分析了透镜装框应力的影响,实验测量了不同装调应力下的透镜面形,分析了装框应力对系统光学传递函数(MTF)的影响。然后,对光学元件的装调偏心误差进行了研究,测量了一个偏心系统的波前干涉图,分析了偏心导致的光学系统像差,仿真计算了不同透镜偏心误差对像差和MTF的影响。介绍了一种在偏心误差小量超差的情况下,利用中心偏测量仪、干涉仪的测量数据对光学系统进行实时仿真,动态控制装调质量的方法,并在实验上对预估结果进行了验证。结果表明:高精度透射式光学系统装调过程中光学偏心和应力导致的面形变化是影响光学系统质量的主要因素,偏心误差的影响大于应力的影响,不同透镜偏心误差对系统质量有着较大的差异且相互补偿。仿真预估方法能够在装调公差日益苛刻的情况下动态评定各误差间的相互影响与补偿,实时评价光学系统的质量,提高装调效率。     

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。     

高空光学遥感器热设计参数的灵敏度分析

为减小高空光学遥感器的热设计误差,提高其热控效率,利用灵敏度分析方法对高空光学遥感器的热设计参数进行了分析。根据能量守恒定律建立了光学遥感器高空航摄时的热平衡方程,并对影响透镜组件温度分布的热设计参数进行了灵敏度分析。分析结果表明,对流换热、内部热源及构件之间的热阻对高空光学遥感器透镜组件的温差影响较大。试验结果表明,基于灵敏度分析结果的热设计方案合理有效。     

某空间气体监测仪热设计及试验验证

某空间气体监测仪结构布局紧凑,在较小尺寸空间内交错布置有8个镜头组件、11台电子设备内热源和2个电机。内热源数量众多,工作时间长,与镜头控温要求差别大,且1个电机为二维转动热源,这些特点给热设计带来挑战。为有效解决热控难题,采用了多种设计思路组合。基于热管理思路对监测仪各部组件热行为进行系统管理,以节省热控资源;基于间接热控思路对所处热环境复杂的光学镜头组件进行控温,提高其控温精度和温度稳定度;对转动电机则进行辐射冷却,避免在传热路径中引入挠性转动环节,以提高热控系统可靠性;并基于结构热控一体化设计,在结构上充分保证热设计各项需求。热平衡试验结果表明:高低温工况下,监测仪各部组件温度均满足指标要求,且整个寿命周期内,光学镜头温度稳定度较高,同一工况下光学镜头最大温度波动在1℃以内,实现了多热源复杂工作机制下光学镜头的高精度精密热控。