基于光机热集成的空间相机主动热光学关键技术研究

发布时间：2020-07-07 04:08

【摘要】：随着空间遥感观测对光学系统成像分辨率要求的不断提高,大口径、长焦距成为近年来空间相机发展的主要趋势。通常,高分辨率空间相机要求达到或接近衍射极限,对温度变化非常敏感。由于温度变化引起的光学元件表面曲率半径、表面面形、光学元件间相对位置以及材料折射率等光学参数的变化,将会直接导致光学系统成像质量的下降。因此,如何在空间真空热环境条件下保证相机的成像质量是关键所在。目前主要的解决办法一是在光学系统设计的同时就考虑空间环境对成像的影响,进行光机热集成仿真;二是采取主动光学技术,在轨实时调整由于重力、温度变形等引起的系统波前误差。传统主动光学技术属于闭环波前控制技术,需要进行实时波前探测,因此对波前传感器的要求很高,造成系统复杂和重量大。本文提出一种用于空间相机的基于温度信息的主动光学技术,称之为主动热光学技术,可取消波前传感器,降低系统复杂程度。针对该技术,本文围绕高精度温度测量、光机热集成分析优化、基于温度信息的面形表达方式等问题,开展了NTC热敏电阻mK级高精度标定、光机结构集成优化、光机热集成灵敏度分析以及基于温度信息的面形主动调整等关键技术的研究。研究了高精度NTC热敏电阻温度传感器的标定方法。针对MF501热敏电阻,考察了不同标定方程对其温度-阻值特性曲线的拟合效果,确定Hoge-2方程为最佳标定方程。建立了基于拉格朗日插值和最小二乘法两种不确定度传播的理论模型,并分析总结了不确定度的传播特性。在5~55℃温度区间内实现了mK级高精度标定,满足了空间相机高精度温度测量的需求。归纳总结了空间相机结构优化设计中常用的拓扑优化方法和参数化优化技术。针对筋板式结构大口径空间反射镜的轻量化设计,提出了拓扑优化和参数化优化相结合的综合光机集成优化设计方法。分别利用该光机集成优化方法和参数化优化技术完成了空间相机主、三镜结构的轻量化设计,为空间相机光机热集成分析工作打下了理论基础。在充分研究热、结构、光学各学科的仿真接口技术基础上,提出了一种新的光机热集成灵敏度分析方法,建立了空间相机光机热集成灵敏度分析仿真模型。利用响应面法研究了热参数和结构参数对系统光学性能的敏感性,着重分析了关键参数对系统成像质量影响的特点和方式,对结构/热设计提出了合理化修改并对其合理性进行分析论证。研究了基于光机热集成分析方法的空间相机主动热光学技术。针对背部三点支撑大口径主镜,分析了在重力场和不同温度场下镜面面形特点。分别研究了主镜和次镜的主动校正原理,并求取了相应的主镜响应矩阵和次镜灵敏度矩阵。在完成相机主、次镜主动调整仿真的基础上,分析了空间相机在轨运行时对重力释放和热变形的主动校正能力。最后搭建地面实验测试系统,分别进行了光机热集成仿真验证实验和主动光学验证实验对本文技术原理进行验证。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74
【图文】：

示意图,集成分析,示意图,热光学分析

图 1.1 集成分析示意图Figure 1.1 The schematic diagram of integration analysis1 国外研究现状上述空间相机集成分析中，光机热集成分析是目前国内外研究人间相机优化设计的有效手段之一。长久以来，国内外学者一直致器的光机热集成分析研究。上世纪 40 年代开始，J.M.Perry[10]研究分布和均匀温度变化对光学性能的影响。Grey和DavidS[11]研究了温度梯度对光学系统性能的影响，并由此提出了光学系统无热化0 世纪 70 年代，美国开始研究温度场变化对光学系统成像质量的影了热光学设计（Thermal-optical design）或者热光学分析（Thermalsis）的方法。James.I.Gimlett[12]在其关于光学窗口的热光学分析中

示意图,集成仿真,空间相机,热集成

并与热真空实验数据进行了比较，图1.2 为研究人员对某空间相机进行光机热集成分析的示意图。图 1.2 光机热集成仿真分析Figure 1.2 Structural-thermal-optical integration analysisHume L. Peabody[25]等人针对宽视场红外巡天望远镜（Wide Field InfraredSurvey Telescope，WFIRST）在设计过程中对指向和稳定性的严格要求，采用光机热集成分析方法为设计提供参考，大大缩减了设计周期。Renee Gracey[26]

示意图,主动光学系统,示意图,主动光学

图 1.3 主动光学系统示意图Figure 1.3 Diagram of the active optics是在上世纪 80 年代发展起来的，它改变了持面形精度的传统。主动光学主要分为薄薄镜面主动光学通常在主镜背部布置数以监测并抵消由于重力变形和温度波动对系z~1Hz。对于空间望远镜而言，温度场引起的像质影响最为严重，对于这种低频镜面度的方法，但要花费大量经费，如美国 I高达两亿美元，而应用主动光学技术可以，可以放宽对空间望远镜的热控要求，提费。

【相似文献】