天基紅外成像系統(tǒng)是一種以空間飛行器為搭載平臺(tái),應(yīng)用于空間環(huán)境的光學(xué)精密儀器,它以獲取海洋、地面以及空間運(yùn)動(dòng)物體的影像為主要功能。該譜段在夜視、透煙、透霧等方面有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值,因此天基紅外成像系統(tǒng)的研制有極大的需求。本文面向天基紅外探測的需求,以某天基平臺(tái)的項(xiàng)目為依托,對(duì)一種應(yīng)用于低軌太陽同步軌道、有效幅寬百公里量級(jí)、地面分辨率十米量級(jí)、工作波長為3μm-5μm的紅外成像系統(tǒng)開展了研究工作,本文的主要工作內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面:1)針對(duì)技術(shù)指標(biāo)的需求,著重分析了如何在保證高分辨率的同時(shí),實(shí)現(xiàn)大幅寬,對(duì)比了多種方案,選擇了垂軌擺掃的工作模式來滿足幅寬要求,并基于這種工作模式,對(duì)紅外成像系統(tǒng)的覆蓋能力進(jìn)行了分析;2)光機(jī)鏡頭作為紅外成像系統(tǒng)二維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載,它的質(zhì)量特性,包括質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等,都對(duì)伺服系統(tǒng)的控制水平有極大的影響,且衛(wèi)星平臺(tái)為紅外成像系統(tǒng)的安裝空間有嚴(yán)格的限制,基于此,本文提出光機(jī)鏡頭緊湊化、輕小型的設(shè)計(jì)思路對(duì)光機(jī)鏡頭進(jìn)行設(shè)計(jì),通過合理選擇光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、合理的規(guī)劃光學(xué)系統(tǒng)折轉(zhuǎn)方向與折轉(zhuǎn)位置,實(shí)現(xiàn)了光機(jī)鏡頭內(nèi)部各個(gè)部組件的合理布局,達(dá)成了光機(jī)鏡頭緊湊化、輕小型的目標(biāo),遠(yuǎn)攝比達(dá)到了0.21;3)天基紅外成像系統(tǒng)所工作的空間環(huán)境極其復(fù)雜,受周期性變化的外熱流及冷黑空間的交替作用,將產(chǎn)生極大的溫差,這對(duì)紅外系統(tǒng)來說是致命的,本文對(duì)紅外成像系統(tǒng)的熱環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了設(shè)計(jì),一方面采用無熱化的設(shè)計(jì)方法提高光學(xué)系統(tǒng)的適應(yīng)能力,另一方面采用熱控設(shè)計(jì)的方式控制光學(xué)系統(tǒng)的熱環(huán)境;4)紅外成像系統(tǒng)通過衛(wèi)星的調(diào)姿實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的指向后,采用擺掃成像的工作模式,通過其自身在俯仰向和方位向的擺掃實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的成像,這種模式下,整星的飛行與紅外相機(jī)在偏航方向的擺掃都將產(chǎn)生的像移,因此一方面要求系統(tǒng)具備二維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行成像擺掃,另一方面要求系統(tǒng)具備二維補(bǔ)償機(jī)構(gòu)對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及擺掃所產(chǎn)生的像移進(jìn)行補(bǔ)償,基于此,本文設(shè)計(jì)了一種具備粗、精跟蹤能力的的復(fù)合軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),提高了紅外探測器工作效率,擴(kuò)大了覆蓋寬度,同時(shí)減小了對(duì)整星平臺(tái)的穩(wěn)定性影響;并詳細(xì)介紹了天基動(dòng)基座復(fù)合軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程與選型方法。5)二維轉(zhuǎn)臺(tái)作為粗跟蹤的實(shí)現(xiàn)單元,其控制殘差的大小直接影響到精跟蹤的成敗,本文提出將二維轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與伺服控制帶寬要求相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法;6)考慮到衛(wèi)星運(yùn)輸與發(fā)射過程中系統(tǒng)都必須經(jīng)歷嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求做到高剛度、高強(qiáng)度以及低質(zhì)量,而用于承載相機(jī)本體的安裝支架是整個(gè)系統(tǒng)中的主要承力部件,對(duì)相機(jī)的力學(xué)性能有著非常重要的影響,本文設(shè)計(jì)了一種全碳纖維材料(鑲嵌件除外)、高剛度、高穩(wěn)定性、高度輕量化、桁架形式的安裝支架,充分利用了碳纖維絲軸向剛度高的優(yōu)勢,所設(shè)計(jì)的安裝支架尺寸約為350mm×430mm×360mm,一階基頻約為222.7Hz,承載質(zhì)量約為16kg,而自身質(zhì)量僅為3.8kg,能夠滿足需求;7)本文所設(shè)計(jì)的紅外相機(jī)為天基動(dòng)基座復(fù)合軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),若無法實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,則相機(jī)的成像質(zhì)量將無法保證,因此本文最后采用坐標(biāo)變換的方法,建立了天基動(dòng)基座兩維復(fù)合軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的像移補(bǔ)償模型,并采用蒙特卡洛算法對(duì)像移補(bǔ)償殘差進(jìn)行了分析,最后通過半實(shí)物仿真試驗(yàn)、外景成像試驗(yàn)以及最終的入軌成像驗(yàn)證了系統(tǒng)功能與像移補(bǔ)償模型的有效性。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN219;TP391.41
【部分圖文】：

[13-15]。1990年，美國成功發(fā)射的Hubble Space Telescope，如圖1.1所示。Hubble的主光學(xué)系統(tǒng)為2.4m口徑的RC系統(tǒng)，焦距57.6m，有效集光面積4.5m2，工作在可見光和近紅外波段，發(fā)射質(zhì)量達(dá)到11110kg，總長度接近13.2m，運(yùn)行在560km的近地軌道，可進(jìn)行在軌維護(hù)，1996年維修后

第 1 章 緒論本成功發(fā)射了紅外天文衛(wèi)星AKARI，衛(wèi)星的主光學(xué)2m的RC系統(tǒng)，可以對(duì)天體目標(biāo)進(jìn)行高空間分辨率和3臺(tái)紅外探測儀器，工作溫度約為2K[21-24]。ace Telescope是2008年美國宇航局發(fā)射的一個(gè)空間天zer的主光學(xué)系統(tǒng)為口徑0.85m、焦距10.2m的RC系統(tǒng)外相機(jī)、紅外光譜儀、紅外成像光度計(jì)；其中，紅外立波段，以1.2″的分辨率對(duì)目標(biāo)拍攝成像[25-29]。

圖 1.2 Spitzer 空間望遠(yuǎn)鏡Figure 1.2 Spitzer Space Telescope09年，歐洲宇航局發(fā)射的Herschel Space Obervatory，是目前太空中口徑顆紅外天文衛(wèi)星，如圖1.3所示。Herschel的主光學(xué)系統(tǒng)為3.5m口徑、28系統(tǒng)，有效集光面積9.6m2，國家天文臺(tái)參與了部分研制任務(wù)，圖1.3為el太空望遠(yuǎn)鏡示意圖[30-35]。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2860172