机载相机非球面光学系统光机热集成分析与研究
发布时间：2021-02-23 17:26
机载相机能够高效地获取地面信息,在许多领域得到了广泛的应用。非球面光学元件由于其设计变量多,可以满足复杂光学系统的设计要求。机载相机与非球面光学系统的相结合已经成为重要的研究方向之一,机载相机在空中工作过程中,温度是影响其成像质量的关键因素,因此运用光机热集成分析方法研究温度对机载相机非球面光学系统成像质量的影响具有重要意义。针对机载相机工作过程中形成内部温度梯度所引起的梯度折射率,介绍一种梯度折射率系数拟合方法,对机载相机进行瞬态热分析,导出分析结果中透镜的节点位移与温度数据,采用最小二乘法编写梯度折射率系数拟合程序并对其求解,建立梯度折射率光学系统模型,结果表明随着机载相机工作时间延长,梯度折射率系数减小,成像质量提高。采用齐次坐标变换矩阵推导刚体分离矩阵,导入稳态热分析结果节点数据,求解非球面光学系统各透镜刚体位移并分离。以Fringe Zernike多项式为基底函数,运用光机热集成分析方法求解不同温度工况下的各个透镜的面形畸变,并建立热弹性变形光学系统模型,结果表明温度升高和降低都会降低光学系统成像质量,其中相机对高温环境更为敏感。对工作过程不同时间点产生温度梯度所引起的热弹性...
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
詹姆斯韦伯望远镜图
第1章绪论5的光学系统，对于空间光学系统性能的提高起到了至关重要的作用。美国NASA宇航局对于航天方面的光学成像系统要求十分严苛，必须在实验室经过光机热一体化技术进行多次分析以及验证才可以投入使用。其中具有代表性的有詹姆斯·韦伯（JamesWebb）空间望远镜和哈勃（Hubble）天文望远镜[32][33]在发射到空间中进行工作之前都需要对其进行多次光机热一体化集成分析和验证。如图1-3和1-4所示为詹姆斯·韦伯望远镜结构和哈勃天文望远镜结构。图1-3詹姆斯韦伯望远镜图图1-4哈勃天文望远镜最近几十年，国外在光机热集成分析方面的研究取得显著进展，DiVarano[34]利用光机热集成分析方法的集成模型对热-结构耦合以及振动对天文光学仪器光学系统的光学表面所引起的变形进行研究，使用Zernike多项式和Legendre多项式对产生变形的表面进行面形拟合，可以有效地测量光学仪器的像差。AhnK[35]通过对碳化硅可变形镜进行有限元分析求解其影响函数，然后利用Zernike多项式对其进行拟合，并通
第3章热致梯度折射率对非球面光学系统成像质量影响25图3-1光学系统光路图·镜筒镜筒支座CCD基座光学系统（a）三维图（b）实物图图3-2机载相机光学系统结构图：（a）三维图（b）实物图机载相机的工作高度为1km，载机的上升速度为3~5m/s，到达工作高度大约需要900s左右，假设机载相机和地面的初始温度都是20℃，1km的高度的温度大约为12.5℃。对非球面光学系统进行瞬态热分析，为了与常温下的成像质量进行对比，分别对刚升到不同工作时段节点的六片透镜的温度分布情况进行求解，图3-4分别为开始工作时、工作10min、工作20min、工作30min、工作40min时的透镜温度分布。通过透镜温度分布图，可以看出由于材料导热率的不同，透镜边缘温度和透镜中心产生径向梯度温度，由于窗口周围热对流单元较多，光学透镜组的第一片透镜的第一面与第六片透镜的第二面产生轴向梯度温度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机航空摄影技术研究[J]. 张远波,穆峰. 科技风. 2019(24)
[2]中国无人机遥感技术突破与产业发展综述[J]. 晏磊,廖小罕,周成虎,樊邦奎,龚健雅,崔鹏,郑玉权,谭翔. 地球信息科学学报. 2019(04)
[3]光机热集成方法的红外系统应用[J]. 吴卫,白瑜,陈驰. 红外与激光工程. 2019(06)
[4]无人机遥感在农田信息监测中的应用进展[J]. 纪景纯,赵原,邹晓娟,宣可凡,王伟鹏,刘建立,李晓鹏. 土壤学报. 2019(04)
[5]热像仪光机热集成分析综述[J]. 马宏川,范宏波,林宇,王磊. 红外技术. 2019(02)
[6]无人机航空摄影测量技术在地形测量中的应用与实践[J]. 贺文涛. 技术与市场. 2019(01)
[7]Zernike圆域多项式镜面拟合仿真与精度研究[J]. 郭良贤,卫俊杰,唐培. 光学与光电技术. 2018(06)
[8]大口径非球面系统的共基准加工与检验[J]. 王孝坤,薛栋林,张学军. 光学精密工程. 2018(04)
[9]LED和梯度折射率透镜投影系统光路设计[J]. 朱向冰,钱立勇,陈瑾,崔海田,王元航. 光学精密工程. 2018(01)
[10]基于红外镜头的光机热集成分析研究[J]. 朱峰. 价值工程. 2017(16)
博士论文
[1]基于光机热集成的空间相机主动热光学关键技术研究[D]. 刘光.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) 2019
[2]光机热一体化研究及成像分析[D]. 宋席发.北京理工大学 2015
[3]航空相机光机热分析与热控技术研究[D]. 樊越.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
硕士论文
[1]轻小型三线阵航摄仪热控设计[D]. 隋愿愿.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) 2019
[2]红外热成像仪的热特性分析及热控设计[D]. 史燕飞.昆明理工大学 2018
[3]复杂热环境下弹载成像光学系统集成分析方法研究[D]. 陈超.哈尔滨工业大学 2017
[4]红外镜头的光机热集成分析方法的研究[D]. 姬文晨.昆明理工大学 2016
[5]光机热集成分析方法与技术研究[D]. 温敬阳.西安电子科技大学 2008
[6]光机集成有限元分析光学面形后处理研究与实现[D]. 李贤辉.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
本文编号：3047956
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
詹姆斯韦伯望远镜图
第1章绪论5的光学系统，对于空间光学系统性能的提高起到了至关重要的作用。美国NASA宇航局对于航天方面的光学成像系统要求十分严苛，必须在实验室经过光机热一体化技术进行多次分析以及验证才可以投入使用。其中具有代表性的有詹姆斯·韦伯（JamesWebb）空间望远镜和哈勃（Hubble）天文望远镜[32][33]在发射到空间中进行工作之前都需要对其进行多次光机热一体化集成分析和验证。如图1-3和1-4所示为詹姆斯·韦伯望远镜结构和哈勃天文望远镜结构。图1-3詹姆斯韦伯望远镜图图1-4哈勃天文望远镜最近几十年，国外在光机热集成分析方面的研究取得显著进展，DiVarano[34]利用光机热集成分析方法的集成模型对热-结构耦合以及振动对天文光学仪器光学系统的光学表面所引起的变形进行研究，使用Zernike多项式和Legendre多项式对产生变形的表面进行面形拟合，可以有效地测量光学仪器的像差。AhnK[35]通过对碳化硅可变形镜进行有限元分析求解其影响函数，然后利用Zernike多项式对其进行拟合，并通
第3章热致梯度折射率对非球面光学系统成像质量影响25图3-1光学系统光路图·镜筒镜筒支座CCD基座光学系统（a）三维图（b）实物图图3-2机载相机光学系统结构图：（a）三维图（b）实物图机载相机的工作高度为1km，载机的上升速度为3~5m/s，到达工作高度大约需要900s左右，假设机载相机和地面的初始温度都是20℃，1km的高度的温度大约为12.5℃。对非球面光学系统进行瞬态热分析，为了与常温下的成像质量进行对比，分别对刚升到不同工作时段节点的六片透镜的温度分布情况进行求解，图3-4分别为开始工作时、工作10min、工作20min、工作30min、工作40min时的透镜温度分布。通过透镜温度分布图，可以看出由于材料导热率的不同，透镜边缘温度和透镜中心产生径向梯度温度，由于窗口周围热对流单元较多，光学透镜组的第一片透镜的第一面与第六片透镜的第二面产生轴向梯度温度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机航空摄影技术研究[J]. 张远波,穆峰. 科技风. 2019(24)
[2]中国无人机遥感技术突破与产业发展综述[J]. 晏磊,廖小罕,周成虎,樊邦奎,龚健雅,崔鹏,郑玉权,谭翔. 地球信息科学学报. 2019(04)
[3]光机热集成方法的红外系统应用[J]. 吴卫,白瑜,陈驰. 红外与激光工程. 2019(06)
[4]无人机遥感在农田信息监测中的应用进展[J]. 纪景纯,赵原,邹晓娟,宣可凡,王伟鹏,刘建立,李晓鹏. 土壤学报. 2019(04)
[5]热像仪光机热集成分析综述[J]. 马宏川,范宏波,林宇,王磊. 红外技术. 2019(02)
[6]无人机航空摄影测量技术在地形测量中的应用与实践[J]. 贺文涛. 技术与市场. 2019(01)
[7]Zernike圆域多项式镜面拟合仿真与精度研究[J]. 郭良贤,卫俊杰,唐培. 光学与光电技术. 2018(06)
[8]大口径非球面系统的共基准加工与检验[J]. 王孝坤,薛栋林,张学军. 光学精密工程. 2018(04)
[9]LED和梯度折射率透镜投影系统光路设计[J]. 朱向冰,钱立勇,陈瑾,崔海田,王元航. 光学精密工程. 2018(01)
[10]基于红外镜头的光机热集成分析研究[J]. 朱峰. 价值工程. 2017(16)
博士论文
[1]基于光机热集成的空间相机主动热光学关键技术研究[D]. 刘光.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) 2019
[2]光机热一体化研究及成像分析[D]. 宋席发.北京理工大学 2015
[3]航空相机光机热分析与热控技术研究[D]. 樊越.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
硕士论文
[1]轻小型三线阵航摄仪热控设计[D]. 隋愿愿.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) 2019
[2]红外热成像仪的热特性分析及热控设计[D]. 史燕飞.昆明理工大学 2018
[3]复杂热环境下弹载成像光学系统集成分析方法研究[D]. 陈超.哈尔滨工业大学 2017
[4]红外镜头的光机热集成分析方法的研究[D]. 姬文晨.昆明理工大学 2016
[5]光机热集成分析方法与技术研究[D]. 温敬阳.西安电子科技大学 2008
[6]光机集成有限元分析光学面形后处理研究与实现[D]. 李贤辉.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
本文编号：3047956
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