测绘相机的温度适应性

分析了温度对三线阵测绘相机传递函数和交会角的影响,通过热光学计算确定了测绘相机的热控指标.首先,在设定测绘相机热载荷状态的基础上,用有限元方法分析了温度场及热弹性变形;利用Zernike多项式进行波面拟合,代入光学软件考察温度对光学系统传递函数的影响,得到测绘相机光学传递函数在假定温度场作用下的下降系数.然后,进行了测绘基座的热尺寸稳定性分析.并在此基础上考察了温度对测绘相机交会角的影响.实验显示,上述分析避免了热控设计的过设计或设计不足,为制定合理的热控设计指标提供了数据依据.     

离轴三反射系统的热光学分析和温控指标的制定

考虑空间环境中温度是光学系统成像质量的主要影响源,针对离轴三反射光学系统提出了一套由有限元分析到光学分析的热光学分析方法.在有效分析均匀温度场对系统影响的基础上,采用有限元分析得到温差影响下的镜面面形畸变,并用Zernike多项式拟合畸变面形;将Zernike系数代入光学设计软件CODE V,理论分析了温差影响下的光学...     

利用Zernike多项式分析超薄镜热变形

利用圆域上正交基-Zernike多项式拟合镜面温度场,将温度场转化为较有意义的模式,采用有限元方法进行了热变形的计算,其中针对空间大口径超薄镜面建立镜面模型,且暂不考虑重力,另外因超薄镜厚度很小,也不考虑轴向温度梯度的影响。通过计算利用Zernike多项式得到温度场产生的热变形,得到了不同温度模式产生的不同像差形式:即对于不同的温度场模式—温度整体变化(平移),一端凉且一端热(倾斜),中心与边缘温度不同(离焦热模式),以及像散热模式,彗差热模式,球差热模式导致的热变形分别主要表现为像差离焦,倾斜,离焦,倾斜,倾斜,球差。不同热模式在相同温差下产生的变形有数量级的差别,能够产生较大变形量的温度模式有离焦,彗差和球差,这意味着超薄镜对这些温度场比较敏感。计算和总结表明,利用Zernike多项式分解温度场,可以对热变形规律进行有效的分析,解决了镜面温度分布随时间变化使得热分析较为不准确的困难。     

X射线掠入射聚焦型脉冲星探测器热控设计

为了保证X射线掠入射聚焦型脉冲星探测器在复杂的空间热环境中正常运行,对该探测器进行了热控设计。分析了仪器对热设计的特殊影响及相应热控措施,总结分析了仪器的在轨温度情况,并结合热设计模型获得非测温点的温度结果。在轨温度数据分析表明,除低温工况下的光学系统温度超出指标要求外,仪器关键部位的温度均在热控指标范围内,验证了仪器热控设计的正确性。低温工况下光学镜头热变形对探测器性能影响的分析表明,预测的结果与观测数据一致。     

空间光学遥感器热分析

空间光学遥感器热控工作旨在保证遥感器所需温度水平和温度梯度,以满足遥感器高质量成像要求.根据遥感器的结构特点和热光学指标要求,建立了遥感器及其热控系统的热平衡方程,对各热交换项进行了剖析,并采用Nevada和MSC/Patran等软件对某空间光学遥感器进行了模拟仿真,得到其对地工况和对日工况的热平衡结果.     

Zernike多项式拟合方法及应用

由于Zernike多项式的各项与光学像差有相应的对应关系,用Zernike多项式对镜面面形数据进行处理的方法已经广泛应用于工程项目、光学系统设计软件和干涉检查等.用Zernike多项式作为光学和结构分析程序间的接口工具是非常方便和成熟的.本文阐述了Zernike多项式及其拟合方法和应用流程,并应用它作为数据接口工具实现了光机热各分析模块间的数据转换,并在某空间相机系统集成分析中得到应用.     

临近空间光学遥感器热设计

为了保证光学遥感器在平流层空间热环境中安全可靠地工作,对工作在平流层内的光学遥感器进行了热分析。分析了运行在25 km以上空间的飞艇要经历的平流层的环境特点,包括平流层内的大气密度、温度分布等。建立了平流层光学遥感器的传热数学模型,分析了遥感器的迎风面、侧面和背风面在顺风飞行和逆风飞行情况下的对流情况,计算得到在逆风飞行和顺风飞行时迎风面、侧面、背风面的对流换热系数分别为5.009,8.259,3.33 W/(m2.K)和2.609,2.959,1.005 W/(m2.K)。最后,根据稳态换热平衡方程,利用热分析软件分析了光学遥感器在两种极端工况下的温度场分布。结果显示,采用热控措施后光学遥感器的轴向温差从15°减小到了2.7℃,飞艇与空气的对流换热系数随着它们之间的相对速度的增大而增大。结果表明,本文采用的热控手段可以减小遥感器的温差,这为进一步开展平流层光学遥感器的热分析奠定了基础。     

大口径SiC轻量化主镜热变形的定标

为了准确地预算出大口径SiC轻量化主镜镜面的温度变形,研究了不同热模式下SiC轻量化主镜镜面面形的定标和计算方法.将SiC轻量化主镜上的温度传感器在轴向厚度方向上进行分层处理,对每层上的温度分布采用准Zernike多项式进行拟合.以4 m SiC轻量化主镜为例,采用有限元法分别对准Zernike前9项温度模式(18种温度场)下的镜面变形进行定标计算,得出各种单位载荷作用下轻量化主镜镜面的最大变形以及面形误差PV值和RMS值.计算结果表明:准Zernike第一项模式、单位载荷作用下镜面变形最大,其面形误差RMS为278.3 nm.采用最小二乘法对各种温差场下的镜面误差进行准Zernike多项式拟合,获得了准Zernike像差项的系数.采用最小二乘法拟合计算出镜面变形误差产生的准Zernike像差项的系数,结果表明,18种温度场下产生的像差形式主要有:平移、倾斜、离焦、彗差和像散.     

大口径长条形反射镜组件自重变形的仿真与试验

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化,实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理,分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理,提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法;针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象,求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示:Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%,而球面方程拟合法的计算精度为12.6%;对仿真分析结果的误差评价表明,采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右,与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明,由于Zernike多项式拟合法自身的局限性,不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合,而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。     

空间CCD相机光学窗口在轨热稳定性分析

计算了空间CCD相机光学窗口在满足面形要求下所允许的温度水平及温度梯度的变化范围,进行了窗口在空间热环境载荷作用下的瞬态温度场及稳态温度场的响应仿真,通过对计算结果的分析对窗口采取了相应的热控措施,取得了较好的热控效果。     

大F数高分辨率空间望远镜光学系统

针对离轴三反射镜光学系统,分析了改变入射光的平均波长时,大F数望远镜系统在奈奎斯特频率处实验室静态传递函数的变化规律,进而论证了大F数望远镜的可行性。分析结果表明:对于大F数空间望远镜,其入射光平均波长愈短,它的传递函数值愈高,愈能满足对地面分辨率的要求,该结论可作为研制轻型空间望远镜的参考。     

大口径空间相机像质的微振动频率响应计算

由于大口径空间相机对空间环境变化和卫星内部振源引起的微振动十分敏感,本文研究了影响成像质量的微振动频率响应的计算方法,以改善相机的在轨动态成像质量。该方法通过实际光学模型取代线性光学模型,建立微振动光机集成模型,从而计算影响成像质量的微振动频率响应。首先,建立大口径空间相机有限元模型,进行结构频率响应计算,得到采样频率点的光学表面节点位移和相位。然后,通过蒙特卡洛分析方法,建立微振动光机集成模型,以均方根光学系统动态传递函数和视轴漂移衡量大口径空间相机动态成像性能。最后,研制了大口径空间相机力学样机,对其进行了振动试验,验证了有限元模型的正确性。试验结果表明仿真结果与试验结果接近,误差均在5%以内,满足大口径空间相机动态成像质量分析的要求。     

轴向温差对空间遥感器光学系统成像质量的影响

利用有限元分析计算了轴向温差对主、次镜面形的影响,对光学系统成像质量进行了评价。用PATRAN软件建立有限元模型,用NASTRAN/NT有限元分析软件完成温度场的分析计算。用Zernike多项式曲面拟合系数表示轴向温差对主、次镜面形的影响,通过ZEMAX软件分析对光学系统成像质量的影响,实现了热分析与光学分析的接口。结果表明:轴向温差不仅使光学系统产生像面位移—离焦,而且将产生各种像差,降低光学系统的成像质量,所以在调焦的同时,必须采取温控措施。最后给出了轴向温差具体的温控指标,主镜的轴向温差为0.8 ℃,次镜为1.0 ℃,主、次镜之间为3.0 ℃。     

Hα和白光望远镜的热光学试验

Hα和白光望远镜(HWT)是中国空间太阳望远镜(SST)有效载荷之一,为研究HWT的光学性能受温度环境的影响,在进行地面观测工况下温度场测量和数值模拟的基础上,确定了热光学试验的温度控制工况,建立了一套热真空状态下的光学性能检测系统.该热光学试验系统由被测光学系统、真空系统、温度测量和控制系统以及波前检测系统组成.研究了系统中光楔镜结构、副镜结构、主镜结构、准直镜结构和成像镜结构这5个关键部位在不同温度控制工况下的光学性能.试验结果表明,在副镜结构温度不高(低于40 ℃)的情况下,HWT望远镜在地面观测工况下的光学性能约为λ/8,可以满足λ/6的设计要求.以HWT为研究对象,实施了Hα和白光望远镜的热光学试验过程,实现了对不同温度控制工况下的HWT系统进行光学性能检测,探索的热光学试验思路和方法也适用于其它太阳观测光学望远镜.     

长波红外广角地平仪镜头的光学设计

介绍适用于非致冷凝视式焦平面阵列的长波红外(LWIR)广角地平仪镜头的光学设计.其工作波长范围10～16μm,全视场角为135°.采用"负-正-正"型式的反远距像方远心光路镜头结构,仅有三块非球面锗透镜构成.能够很好地解决广角镜头轴外像差校正和像面照度均匀性问题.此镜头结构简单、体积很小、后工作距离大,成像质量接近于衍射极限,在20lp/mm空间频率处的调制传递函数值超过0.6,像高与视场角关系偏离线性的相对误差不超过15%.文中还分析了此镜头的加工和装调公差.     

以成本最小为目标函数制订光学公差

本文从提高光学系统经济效益的宗旨出发,提出了以成本最小为目标函数,以对比传递函数允许改变量和加工能力为约束条件,制订光学公差的思想、方法和计算公式。     

长焦距大视场光学系统光机结构优化设计

针对长焦距大视场轻型离轴三反空间相机,详细讨论了光机结构的优化设计问题。设计完成了适合于轻型高分辨空间相机的桁架结构,具有固有频率高、重量轻等优点。针对支撑结构的设计方案,采用有限元法结合光学设计分析软件进行了分析和计算。结果表明重力变形、谐振频率、热变形等方面均能满足使用要求。     

一种光学点温测温仪系统设计

针对红外测温仪测温准确性不高,易受环境、距离、辐射率等影响的问题,设计了一种新型的光学点温测温仪,该测温仪以光学和热学理论为基础,结合应用点像望远镜原理,利用自聚焦透镜替代二次透镜,通过光纤在像面接收光波并传输转换至电信号处理单元,真正实现了点温测量,最后,提出了系统软硬件设计的原理和方法.经过精确的标定和调试,其结果...     

SiC和SiC/Al在TMA空间遥感器中的应用

简述了空间遥感器的空间应用环境和TMA轻型遥感器的特点,介绍了遥感器设计中材料选择的重要性及影响,在TMA轻型遥感器研制中选用了具有高导热性和高比刚度的SiC和SiC/Al复合材料新材料,计算及试验证明这些材料的应用提高了遥感器的机械性能和热性能,提高了TMA轻型空间遥感器的空间适应能力。