基于光机热集成的空间相机主动热光学关键技术研究

doi:D057A03290463D6A03511D585CD37E4A

	基于光机热集成的空间相机主动热光学关键技术研究
	刘光
学位类型	博士
导师	吴清文 ; 郭亮
	2019-06-01
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)
学位授予地点	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)
关键词	空间相机光机热集成仿真主动热光学灵敏度分析 NTC热敏电阻标定
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。
页数	173
DOI	D057A03290463D6A03511D585CD37E4A
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63861
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	刘光. 基于光机热集成的空间相机主动热光学关键技术研究[D]. 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). 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.

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基于光机热集成的空间相机主动热光学关键技（13305KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文