静止轨道大视场红外光学系统研究
发布时间：2024-05-28 05:23
静止轨道对地观测系统以其高时间分辨率、大区域覆盖能力及对热点目标长时间定点持续观测特性得到各航天大国的广泛关注,研制静止轨道高性能红外凝视成像系统是一个复杂而艰巨的任务,随着大视场光机结构和大面阵焦平面技术的发展,这方面的研究正处于起步阶段并受到持续关注。本文对静止轨道探测系统及目标、背景特性进行了详细调研分析,结合凝视型红外成像系统设计要求,进行了大视场大口径小F数红外光学系统设计、外遮光罩消杂光设计、透射式红外光机系统杂光抑制措施分析等关键技术的研究。为了实现静止轨道红外光学系统对地球全圆盘凝视观测及复杂背景下导弹点目标探测的要求,提出了基于光阑二次成像的透射式光学系统初始结构计算方法,通过边缘光线抑制和材料匹配的设计方法,实现了光学视场18°×18°,入瞳口径300mm,F数1.26的100%冷阑匹配的大视场大口径小F数光学系统设计和优化。该系统在215k低温环境下系统光学传函(MTF)大于0.6,且在206K221K温度容限下MTF不低于0.5,满足下一代空间红外凝视成像系统应用需求。针对静止轨道红外光学系统在轨工作期间太阳杂光及自身热辐射引起信杂比下降、...
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1. 引言
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 静止轨道载荷光学系统研究现状及性能分析
1.2.2 静止轨道冷光学系统的研究现状及性能分析
1.2.3 空间载荷杂光规避技术研究现状
1.2.4 新型遮光罩的发展
1.2.5 杂散光分析的研究动态
1.2.6 大视场大口径光学设计发展动态
1.3 课题研究内容及论文创新点
2. 静轨光学系统设计任务分析
2.1 系统光学设计输入参数分析
2.1.1 静止轨道凝视成像分析
2.1.2 点目标特性分析
2.1.3 背景辐射特性分析
2.1.4 探测能力分析
2.1.5 光学结构形式分析
2.2 系统杂散光分析
2.2.1 外部杂光分析
2.2.2 内部热辐射分析
2.3 系统温度特性分析
2.4 本章小结
3. 光学系统设计
3.1 系统设计指标
3.2 光学系统设计
3.2.1 一次成像光学系统设计
3.2.1.1 结构设计
3.2.1.2 像质评价
3.2.1.3 公差分析
3.2.2 二次成像光学系统设计
3.2.2.1 结构设计
3.2.2.2 成像质量评估
3.2.2.3 冷阑匹配分析
3.2.2.4 公差分析
3.2.2.5 温度特性分析
3.2.2.6 低温光学的进一步讨论
3.3 透射式红外光学方案的选择
3.3.1 系统成像质量的比较
3.3.2 其他比较因素
3.4 本章小结
4. 红外光学系统杂光分析
4.1 杂光分析理论基础
4.1.1 点源透过率函数（PST）
4.1.2 双向反射分布系数（BRDF）
4.1.3 基本能量传输方程
4.2 外杂光分析及遮光罩设计
4.2.1 遮光罩设计指标分析
4.2.2 一阶遮光罩研究
4.2.2.1 太阳遮蔽角分析
4.2.2.2 内部结构分析
4.2.2.3 刀口式挡光环设计
4.2.3 二阶结构优化设计
4.2.4 遮光罩设计小结
4.3 光机系统杂光分析
4.3.1 光机结构模型
4.3.2 杂光分析
4.3.2.1 短波红外波段PST计算分析
4.3.2.2 中波红外波段PST计算
4.3.2.3 不同波段导弹目标观测杂光分析结论
4.3.2.4 仪器背景热辐射分析
4.4 本章小结
5. 实验装置的光学系统设计与分析
5.1 设计要求
5.2 镜头设计及分析
5.2.1 镜头A结构设计及分析
5.2.2 镜头B结构设计及分析
5.3 单镜头模式冷阑效率分析
5.3.1 理论分析
5.3.2 软件仿真分析
5.4 双镜头模式冷阑匹配分析
5.4.1 镜头A信杂比分析
5.4.2 镜头B信杂比分析
5.5 冷阑匹配效率验证试验
5.5.1 镜头成像验证试验
5.5.2 双黑体成像实验
5.5.2.1 实验方案设计
5.5.2.2 实验结果处理
5.6 本章小结
6. 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：3983547
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1. 引言
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 静止轨道载荷光学系统研究现状及性能分析
1.2.2 静止轨道冷光学系统的研究现状及性能分析
1.2.3 空间载荷杂光规避技术研究现状
1.2.4 新型遮光罩的发展
1.2.5 杂散光分析的研究动态
1.2.6 大视场大口径光学设计发展动态
1.3 课题研究内容及论文创新点
2. 静轨光学系统设计任务分析
2.1 系统光学设计输入参数分析
2.1.1 静止轨道凝视成像分析
2.1.2 点目标特性分析
2.1.3 背景辐射特性分析
2.1.4 探测能力分析
2.1.5 光学结构形式分析
2.2 系统杂散光分析
2.2.1 外部杂光分析
2.2.2 内部热辐射分析
2.3 系统温度特性分析
2.4 本章小结
3. 光学系统设计
3.1 系统设计指标
3.2 光学系统设计
3.2.1 一次成像光学系统设计
3.2.1.1 结构设计
3.2.1.2 像质评价
3.2.1.3 公差分析
3.2.2 二次成像光学系统设计
3.2.2.1 结构设计
3.2.2.2 成像质量评估
3.2.2.3 冷阑匹配分析
3.2.2.4 公差分析
3.2.2.5 温度特性分析
3.2.2.6 低温光学的进一步讨论
3.3 透射式红外光学方案的选择
3.3.1 系统成像质量的比较
3.3.2 其他比较因素
3.4 本章小结
4. 红外光学系统杂光分析
4.1 杂光分析理论基础
4.1.1 点源透过率函数（PST）
4.1.2 双向反射分布系数（BRDF）
4.1.3 基本能量传输方程
4.2 外杂光分析及遮光罩设计
4.2.1 遮光罩设计指标分析
4.2.2 一阶遮光罩研究
4.2.2.1 太阳遮蔽角分析
4.2.2.2 内部结构分析
4.2.2.3 刀口式挡光环设计
4.2.3 二阶结构优化设计
4.2.4 遮光罩设计小结
4.3 光机系统杂光分析
4.3.1 光机结构模型
4.3.2 杂光分析
4.3.2.1 短波红外波段PST计算分析
4.3.2.2 中波红外波段PST计算
4.3.2.3 不同波段导弹目标观测杂光分析结论
4.3.2.4 仪器背景热辐射分析
4.4 本章小结
5. 实验装置的光学系统设计与分析
5.1 设计要求
5.2 镜头设计及分析
5.2.1 镜头A结构设计及分析
5.2.2 镜头B结构设计及分析
5.3 单镜头模式冷阑效率分析
5.3.1 理论分析
5.3.2 软件仿真分析
5.4 双镜头模式冷阑匹配分析
5.4.1 镜头A信杂比分析
5.4.2 镜头B信杂比分析
5.5 冷阑匹配效率验证试验
5.5.1 镜头成像验证试验
5.5.2 双黑体成像实验
5.5.2.1 实验方案设计
5.5.2.2 实验结果处理
5.6 本章小结
6. 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：3983547
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