一种透射式低温光学系统的设计与验证

由于能够减小系统自身的热噪声和提高系统信噪比,低温光学是实现高灵敏度红外探测的必要手段。提出了一种将脉冲管制冷机用作冷源的透射式低温光学系统。这种新型低温光学系统可用于体积和重量受限而又需要进行高灵敏度红外探测的场合。从光学设计、光机结构设计和内部热噪声分析等方面说明了透射式低温光学系统的设计过程。搭建了用于对脉冲管制冷机冷却光学系统的可行性进行验证的试验系统,并从系统内部热噪声的角度对低温光学的有效性进行了验证。实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至设计温度150 K,继续降温则可达到最低温度105 K。测试过程中,透镜保持完好,验证了将脉冲管制冷机用作冷源的可行性。用黑体和320×256元碲镉汞探测器对光学系统自身的热噪声进行了测试。结果表明,当光学系统的温度从300 K降至215 K时,其自身热辐射减少了75%。这与理论分析结果一致,验证了低温光学降噪的有效性。     

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。     

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。     

40 K双波段长波探测器冷箱封装技术研究

冷光学技术是弱目标及多光谱红外探测的重要支撑技术。为了实现低温光学系统温度精确控制和防污染,一般多将低温光学与探测器集成在冷箱内。某高光谱相机需要1个320×64量子阱探测器和1个320×64 II类超晶格探测器共面拼接,集成双波段微型滤光片,形成长波双波段探测杜瓦组件,探测器工作所需的40 K低温环境由脉管制冷机提供。杜瓦采用无窗口设计,并通过柔性波纹管将杜瓦外壳与冷箱外壳集成,以实现气密性集成和光校调节。针对40 K温区双波段探测器封装的三维拼接、探测器及滤光片的低应力封装、制冷机与探测器的高效热传输等难点,对探测器的三维拼接、40 K温区高效热传输、探测器低应力集成的热层结构、低应力滤光片支撑、杜瓦与制冷机耦合等进行研究,创新性提出了三点Z向调节拼接方法、探测器Al₂O₃载体复合钼基板和钼冷平台的热层结构、双波段滤光片集成的钼支撑结构、带应力隔离的冷平台与制冷机过盈装配的耦合方法,最终实现了40 K温区下双波段探测器平面度优于±2.06μm(RMS)、探测器的低温应力小于22.06 MPa、双波段滤光片低温形变小于8.55μm、探测器与...     

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。     

红外系统应用的高频同轴脉冲管制冷机惯性管调相实验分析

直线压缩机SL400用于高频同轴脉冲管制冷机PT08的研制,优化的工作频率为40Hz,在气库与脉冲管间连接不同长度不同管径的惯性管作为调节脉冲管冷端处压力波与流速波合适相位的调节机构。不同排气量及额定输入功率的直线压缩机SL150驱动该制冷机,不同内径及长度的惯性管用于PT08脉冲管制冷机SL150压缩机的匹配调试,给出了不同的工作频率下制冷机的最低制冷温度及压缩机的效率数值,调节压缩机的工作频率,无双向进气,制冷机的最低制冷温度在59．1～65．1K的范围。随着惯性管的管径变粗,长度变短,压缩机驱动制冷机的最佳制冷性能(最低制冷温度)的工况条件往高的驱动频率方向变化。在实用化简易化商业化应用考虑的条件下,为SL150压缩机驱动PT08制冷机优化了较小直径较短长度的惯性管,该惯性管利于直接封装于气库的内部,使得气库可与同轴式脉冲管制冷机的冷指集成为一整体。     

低温光学系统两级温区的设计与分析

在低温光学系统内建立两级温区是红外弱目标双波段探测的基础和关键,采用氦气压缩式制冷技术,通过精密的结构、热、光学设计和分析,实现了低温光学系统内两个低温温区的隔离与建立,一级温区80～100 K,二级温区40～80 K,控温精度±0.5 K,温区内最大温差2.4 K,两温区独立控温、互不干扰,克服了国内低温光学研究受液氮制冷对温度和使用条件的限制,使国内低温光学的研究达到了具有更低工作温度和双温区同时工作的水平。     

非线性发射过载对激光引信光学接收系统的影响

激光引信包含精密光学系统,其中光学接收系统占重要地位,在常规弹药引信过程的应用中,高发射过载环境对系统弱回波聚焦质量造成严重影响,系统工作可靠性无法保证。提出接收聚焦透镜与窄带滤波片一体化方案,设计出一种新型缓冲结构接收系统光学,应用有限元分析软件ANSYS建立传统激光接收系统以及新型结构动力学模型,对接收聚焦透镜进行非线性动力学仿真以及ZEMAX光学仿真;最后进行空气炮冲击实验,结果表明:在经历70 000 g冲击加速度后,新型光学系统缓冲结构可有效缓解接收聚焦透镜塑性变形,提高脉冲激光束聚焦整形质量,激光回波能量显著增强。为常规武器激光引信接收光学系统抗高过载设计提供了一种新的方法和理论依据。     

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.     

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。     

低温红外系统光机结构设计

随着红外技术的发展,大口径望远镜越来越多地使用了红外设备终端。红外设备需要在低温下工作,这就给红外系统的光机结构设计带来了难度。为了解决光学部件需要安装定位精确,又要保证在低温环境下不会因为热应力导致破坏的问题,从理论上介绍了运动学定位的原理,针对光学系统中用到的反射镜、透镜、滤光轮等进行了详细的结构设计,实现了运动学安装定位。通过这些设计可以很好地解决光学件在冷却过程中的精确定位和无应力之间的矛盾,保证光学系统的安全,同时保证光学系统的成像质量。该研究结果对于红外光学系统的结构和热设计有一定的参考价值。     

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。     

空间红外大口径折射式低温镜头设计与验证

针对目标探测类空间红外相机大范围成像、高灵敏度探测、高精度定位等应用需求,文中提出采用像方远心光路和低温光学技术结合的解决方案,设计了物方视场角8°×8°、入瞳口径265 mm、工作温度200 K的像方远心折射式光学系统。镜头最大口径280 mm,采用多级分散的弹性支撑设计,解决大口径低温透镜装框、透镜组件支撑和镜头整体安装各环节的热应力卸载问题。在保证高刚度和低漏热的情况下,使低温下透镜的热应力对镜头能量集中度的影响降低到可接受范围内。镜头完成装调及室温下像质确认后,进行了力学振动试验,并将其制冷到200 K水平测试像质,测试结果表明,镜头能量集中度达到轴上75%,边缘视场72%。     

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。     

低温红外镜头设计仿真方法及试验验证

在低温环境下镜头结构会产生热变形,对镜头光学传递函数（MTF）及离焦量均会产生影响,从而影响光学成像质量。在此基于某红外遥感器,针对210 K低温工作环境,设计了一套具备热卸载功能的透射式低温镜头。对其建立有限元模型,并加载模拟在轨工作环境温度场,得到热变形数据,最终计算出镜头MTF及离焦量变化,并通过该仿真分析手段对低温镜头结构进行优化设计。低温镜头装调完成后,将低温镜头及其他配合测试设备置于真空罐内,在常温与低温环境条件下,对光学系统MTF及最佳焦面位置进行测试标定。测试结果表明,各项偏差在可接受范围之内,MTF仅变化0.2%,说明使用的低温镜头多场耦合仿真方法是可靠的,能够对红外遥感器低温镜头设计进行指导。     

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。