地球同步轨道空间相机杂散光分析与应用技术的研究

发布时间：2017-10-04 04:24

  本文关键词：地球同步轨道空间相机杂散光分析与应用技术的研究

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【摘要】：地球同步轨道的三轴稳定卫星的空间环境温度复杂,其环境温度受太阳影响,不仅随季节变化而改变,而且同一天不同时刻也有很大差异,在空间外热流和内部热源影响下,外部杂散光和仪器自身背景辐射杂散光将对相机高精度和定量化产生重要影响。杂散光对光学系统的危害性在于,降低像面的信噪比和调制传递函数,使目标成像模糊,对比度下降,影响整个系统的探测或识别能力,严重时被探测的目标信号完全被杂散辐射噪声所湮没,进而致使系统探测到伪目标甚至导致整个系统失效。目前杂散光对相机探测能力的影响分析并没有融合在光机热集成分析手段中。因此,本课题通过采用集成分析的理念,将杂散光仿真分析与热学仿真分析融合起来,利用随时间变化的外热流和非均匀温度场来分析相机的外部杂散光和自身仪器背景辐射杂散光,进而分析相机的探测能力。该方法可缩短杂散光仿真时间,提高自身辐射杂散光计算精度,甚至可以将杂散光仿真分析完全融入于热学分析,从而省去传统杂散光仿真分析时间,将传统描述光学系统的外部杂散光和自身仪器背景辐射杂散光,用随时间变化的相机焦平面接收到的杂散光照度取代,并能直接输出信杂比来评光学系统性能,使分析结果更直观,使得光机热集成分析更加全面、准确、高效。以某地球同步轨道空间相机为例,首先利用传统杂光分析软件,对该相机进行杂散光分析,计算外部杂散光的PST曲线和仪器背景辐射照度,并得到观测点目标和观星的信杂比。再利用热辐射杂散光集成分析方法进行对该相机进行仿真,在现有热学分析软件基础上,增加光谱特性模块,将到达焦平面的外热流,按谱段进行数据统计与存储,直接仿真得到随时间变化的关注波段焦面上杂散光照度。利用关注节点间的辐射传递因子以及热学的温度场分析结果,完成仪器背景辐射杂散光的仿真分析。分别得到一天内受外热流和仪器背景辐射引起的相机信杂比变化。相对传统杂散光分析方法,热辐射杂散光集成分析方法具有实时性和直观性,计算结果更趋近于实际在轨情况,仿真效率和仿真精度更高。进行外场直接测试太阳杂散光试验和仪器自身背景辐射杂散光试验。外场直接测试太阳杂散光试验中,采用百叶窗的设计,测试点源透过率PST在离轴角±15°以内和仿真曲线吻合,可测PST量级达E-5,但造价远低于实验室PST测试设备,该方法适用于大口径光学系统的杂散光测试。仪器背景辐射杂散光测试中,中波通道低温、标准、高温工况实验值的信杂比分别为0.24、0.16、0.11,热辐射杂散光集成仿真方法的信杂比分别为0.34、0.22、0.15,传统杂光软件仿真方法为0.51、0.36、0.28。集成仿真方法相对传统杂光软件仿真方法,能够模拟随时间变化的非均匀温度场,仿真结果更接近于试验实测值。针对中波通道信杂比相对较低的试验结果,提出将所有机械框面对探测器面的涂层由比辐射率较高的黑漆改为比辐射率较低的黑镍,用集成仿真的方法进行计算,信杂比提高20%。地球同步轨道空间相机杂散光的研究为推进空间光学遥感仪器的高分辨、定量化发展提供重要技术保障。
【关键词】：地球同步轨道 遮光罩 光机热集成分析 杂散光 外热流 温度场 外场试验
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V445.8
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-24
• 1.1 课题目的及意义11-12
• 1.2 现状分析12-16
• 1.3 国内外研究背景16-22
• 1.4 课题内容和论文创新点22-24
• 2 热辐射分析方法的研究24-45
• 2.1 总体方案24-25
• 2.2 热辐射计算和杂散光计算中的蒙特卡洛法25-35
• 2.2.1 热辐射计算的蒙特卡洛法26-30
• 2.2.2 杂散光计算的蒙特卡洛法30-35
• 2.3 空间相机热分析计算35-43
• 2.3.1 几种典型轨道35-37
• 2.3.2 轨道空间辐射外热流计算37-40
• 2.3.3 空间相机在宇宙空间的热平衡40-43
• 2.4 本章小结43-45
• 3 杂散光的抑制措施分析45-61
• 3.1 表面辐射传输方程45-46
• 3.2 常用的杂散光抑制措施46-60
• 3.2.1 遮光罩46-54
• 3.2.2 光阑54-58
• 3.2.3 涂层58-60
• 3.3 本章小结60-61
• 4 用传统方法进行杂散光分析61-92
• 4.1 概述61-62
• 4.2 杂散光分析的步骤62-64
• 4.3 关键面、被照明面和重要面分析64-66
• 4.4 点目标特性分析66-67
• 4.4.1 太阳在相机入口处辐照度计算66
• 4.4.2 点目标在相机红外探测器上辐照度计算66-67
• 4.4.3 7等星在相机可见探测器上辐照度计算67
• 4.5 相机点源透过率(PST)分析67-87
• 4.5.1 短波红外通道PST计算分析68-70
• 4.5.2 中波红外通道PST计算分析70-72
• 4.5.3 可见光通道PST计算分析72-74
• 4.5.4 可见光通道观星定标的分析74-87
• 4.6 仪器背景辐射分析87-91
• 4.7 本章小结91-92
• 5 用热辐射杂散光集成方法进行杂散光分析92-119
• 5.1 概述92
• 5.2 物理模型的简化92-93
• 5.3 节点与网格的划分93
• 5.4 热网络模型的建立93-94
• 5.5 空间相机热辐射杂散光集成分析的输入条件94-97
• 5.5.1 卫星轨道及姿态94
• 5.5.2 热设计边界条件94-95
• 5.5.3 基本参数选取95-96
• 5.5.4 计算工况选择96-97
• 5.6 基于热辐射杂散光集成分析的杂散光计算97-116
• 5.6.1 热辐射杂散光集成分析的外部杂散光计算97-101
• 5.6.2 热辐射杂散光集成分析的仪器背景辐射计算101-116
• 5.7 热辐射杂散光集成分析方法和传统杂散光分析方法比较116-118
• 5.7.1 外部杂散光的比较116-117
• 5.7.2 仪器背景辐射杂散光的比较117-118
• 5.8 本章小结118-119
• 6 杂散光测量方法及试验119-145
• 6.1 杂散光测量的主要手段119-123
• 6.1.1 点源透过率PST119-121
• 6.1.2 杂光系数121-122
• 6.1.3 杂光系数V和PST的关系122-123
• 6.2 太阳杂散光测试123-139
• 6.2.1 试验原理和方法123-125
• 6.2.2 试验设备125-129
• 6.2.3 试验过程129-132
• 6.2.4 试验数据分析132-139
• 6.3 仪器自身背景辐射杂散光测试139-143
• 6.3.1 试验原理和方法139-140
• 6.3.2 试验设备140
• 6.3.3 试验过程及产品运行情况140-141
• 6.3.4 试验数据分析141-143
• 6.4 本章小结143-145
• 7 总结与展望145-147
• 7.1 总结145-146
• 7.2 展望146-147
• 参考文献147-154
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果154

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本文编号：968614