【摘要】：紅外探測是最重要的遙感手段之一,在軍事、氣象、資源、環(huán)境減災(zāi)、天文等各個領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展,人們在紅外天文觀測、高分辨率紅外對地觀測、微弱目標探測等多個領(lǐng)域的應(yīng)用中,對紅外遙感儀器提出了更高靈敏度的探測需求。低溫光學(xué)系統(tǒng)可以充分地降低儀器自身背景,有效地提高紅外系統(tǒng)的探測靈敏度,對滿足上述應(yīng)用需求有極大的意義。本文主要結(jié)合我國當前的中短波紅外天文觀測需求和相關(guān)技術(shù)發(fā)展水平,開展針對未來空間應(yīng)用的紅外低溫光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、裝調(diào)和低溫測試技術(shù)研究。論文根據(jù)空間紅外系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)特征,對紅外系統(tǒng)自身背景輻射進行了分析研究,建立了相應(yīng)的計算模型。分析了紅外天文觀測和對地觀測對背景輻射控制需求的差異,并結(jié)合紅外系統(tǒng)信噪比計算模型分析了背景輻射對紅外系統(tǒng)探測靈敏度的影響,討論了抑制背景輻射的方法。論文針對空間多環(huán)芳香烴(PAH)巡天探測對紅外望遠鏡的技術(shù)要求,開展了大口徑低溫光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計研究。采用常溫初始設(shè)計—低溫優(yōu)化—常溫補償實現(xiàn)的技術(shù)路線,從光學(xué)結(jié)構(gòu)選型、材料選擇、低溫參數(shù)計算、離焦補償?shù)确矫?對100K溫區(qū)紅外望遠鏡進行了設(shè)計分析。論文開展了適應(yīng)低溫應(yīng)用的望遠鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。采用不同材料組合利用尺寸鏈計算匹配法進行無熱化設(shè)計;采用交叉柔性鉸鏈設(shè)計實現(xiàn)低溫望遠鏡的消熱差支撐結(jié)構(gòu),利用基于多目標遺傳算法優(yōu)化的響應(yīng)面法對柔性支撐結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。論文開展了低溫光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)和低溫測試技術(shù)研究。分別開展了元件、組件和系統(tǒng)級的低溫測試研究。首次開展國產(chǎn)碳化硅反射鏡的低溫應(yīng)用研究。開展了碳化硅制備工藝和熱控工藝對系統(tǒng)低溫性能的影響測試研究;仿真分析了溫度非均勻性對反射鏡面型和系統(tǒng)波像差的影響。論文在上述幾個方面的研究成果的基礎(chǔ)上,在國內(nèi)首次完成了100-150K溫區(qū)Φ300mm大口徑低溫碳化硅望遠鏡的研制。裝調(diào)和低溫測試結(jié)果表明,望遠鏡在130K溫度下的系統(tǒng)波像差優(yōu)于133nm,在2μm以上達到衍射極限。這些工作將為未來空間天文望遠鏡的研究打下比較好的基礎(chǔ)。
[Abstract]:Infrared detection is one of the most important remote sensing methods. It has been widely used in many fields such as military, meteorology, resources, environmental disaster reduction, astronomy and so on. With the development of technology, people in infrared astronomical observation, high-resolution infrared earth observation, weak target detection and other fields of application, for infrared remote sensing instruments to put forward higher sensitivity detection requirements. The low temperature optical system can fully reduce the background of the instrument and effectively improve the detection sensitivity of the infrared system, which is of great significance to meet the requirements mentioned above. In this paper, the design of infrared low-temperature optical system for future space applications, assembly and low-temperature testing technology are studied based on the current requirements of medium-and short-wave infrared astronomical observation in China and the development level of related technologies. According to the basic structure characteristics of the space infrared system, the background radiation of the infrared system is analyzed and studied, and the corresponding calculation model is established. The difference between infrared astronomical observation and earth observation for background radiation control is analyzed. The influence of background radiation on the detection sensitivity of infrared system is analyzed by combining the calculation model of signal-to-noise ratio of infrared system, and the methods to restrain background radiation are discussed. Aiming at the technical requirements of infrared telescope for space polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), the design and research of large aperture and low temperature optical system are carried out in this paper. The 100K infrared telescope is designed and analyzed from the aspects of optical structure selection, material selection, low temperature parameter calculation, defocus compensation and so on by using the technical route of initial design at room temperature, optimization at low temperature and compensation at room temperature. In this paper, the design of telescopes supporting structure suitable for cryogenic applications has been carried out. Non-thermal design is carried out by means of dimensional chain calculation matching method with different material combinations. The design of cross flexure hinge is used to realize the anti-heat difference support structure of low temperature telescope. The response surface method based on multi-objective genetic algorithm is used to optimize the design of flexible support structure. In this paper, the research of low-temperature optical system assembly and low-temperature testing technology has been carried out. The low temperature testing of components, components and systems were carried out respectively. The application of domestic silicon carbide mirror at low temperature is studied for the first time. The effects of silicon carbide preparation process and thermal control technology on the low temperature performance of the system are studied, and the effects of non-uniformity of temperature on the reflection mirror type and the system wave aberration are simulated and analyzed. On the basis of the above-mentioned research results, the development of 桅 300mm large aperture low temperature silicon carbide telescope at 150 K is completed for the first time in China. The results of assembly and low temperature measurements show that the wave aberration of the telescope at 130 K is better than 133 nm and the diffraction limit is over 2 渭 m. These work will lay a good foundation for the future research of space astronomical telescopes.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P111;TN219

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本文編號：2448970