【摘要】：隨著空間遙感觀測對光學(xué)系統(tǒng)成像分辨率要求的不斷提高,大口徑、長焦距成為近年來空間相機(jī)發(fā)展的主要趨勢。通常,高分辨率空間相機(jī)要求達(dá)到或接近衍射極限,對溫度變化非常敏感。由于溫度變化引起的光學(xué)元件表面曲率半徑、表面面形、光學(xué)元件間相對位置以及材料折射率等光學(xué)參數(shù)的變化,將會直接導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的下降。因此,如何在空間真空熱環(huán)境條件下保證相機(jī)的成像質(zhì)量是關(guān)鍵所在。目前主要的解決辦法一是在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時就考慮空間環(huán)境對成像的影響,進(jìn)行光機(jī)熱集成仿真;二是采取主動光學(xué)技術(shù),在軌實(shí)時調(diào)整由于重力、溫度變形等引起的系統(tǒng)波前誤差。傳統(tǒng)主動光學(xué)技術(shù)屬于閉環(huán)波前控制技術(shù),需要進(jìn)行實(shí)時波前探測,因此對波前傳感器的要求很高,造成系統(tǒng)復(fù)雜和重量大。本文提出一種用于空間相機(jī)的基于溫度信息的主動光學(xué)技術(shù),稱之為主動熱光學(xué)技術(shù),可取消波前傳感器,降低系統(tǒng)復(fù)雜程度。針對該技術(shù),本文圍繞高精度溫度測量、光機(jī)熱集成分析優(yōu)化、基于溫度信息的面形表達(dá)方式等問題,開展了NTC熱敏電阻mK級高精度標(biāo)定、光機(jī)結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化、光機(jī)熱集成靈敏度分析以及基于溫度信息的面形主動調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)的研究。研究了高精度NTC熱敏電阻溫度傳感器的標(biāo)定方法。針對MF501熱敏電阻,考察了不同標(biāo)定方程對其溫度-阻值特性曲線的擬合效果,確定Hoge-2方程為最佳標(biāo)定方程。建立了基于拉格朗日插值和最小二乘法兩種不確定度傳播的理論模型,并分析總結(jié)了不確定度的傳播特性。在5~55℃溫度區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了mK級高精度標(biāo)定,滿足了空間相機(jī)高精度溫度測量的需求。歸納總結(jié)了空間相機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中常用的拓?fù)鋬?yōu)化方法和參數(shù)化優(yōu)化技術(shù)。針對筋板式結(jié)構(gòu)大口徑空間反射鏡的輕量化設(shè)計(jì),提出了拓?fù)鋬?yōu)化和參數(shù)化優(yōu)化相結(jié)合的綜合光機(jī)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。分別利用該光機(jī)集成優(yōu)化方法和參數(shù)化優(yōu)化技術(shù)完成了空間相機(jī)主、三鏡結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì),為空間相機(jī)光機(jī)熱集成分析工作打下了理論基礎(chǔ)。在充分研究熱、結(jié)構(gòu)、光學(xué)各學(xué)科的仿真接口技術(shù)基礎(chǔ)上,提出了一種新的光機(jī)熱集成靈敏度分析方法,建立了空間相機(jī)光機(jī)熱集成靈敏度分析仿真模型。利用響應(yīng)面法研究了熱參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)光學(xué)性能的敏感性,著重分析了關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)成像質(zhì)量影響的特點(diǎn)和方式,對結(jié)構(gòu)/熱設(shè)計(jì)提出了合理化修改并對其合理性進(jìn)行分析論證。研究了基于光機(jī)熱集成分析方法的空間相機(jī)主動熱光學(xué)技術(shù)。針對背部三點(diǎn)支撐大口徑主鏡,分析了在重力場和不同溫度場下鏡面面形特點(diǎn)。分別研究了主鏡和次鏡的主動校正原理,并求取了相應(yīng)的主鏡響應(yīng)矩陣和次鏡靈敏度矩陣。在完成相機(jī)主、次鏡主動調(diào)整仿真的基礎(chǔ)上,分析了空間相機(jī)在軌運(yùn)行時對重力釋放和熱變形的主動校正能力。最后搭建地面實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng),分別進(jìn)行了光機(jī)熱集成仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和主動光學(xué)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)對本文技術(shù)原理進(jìn)行驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH74
【圖文】：

圖 1.1 集成分析示意圖Figure 1.1 The schematic diagram of integration analysis1 國外研究現(xiàn)狀上述空間相機(jī)集成分析中，光機(jī)熱集成分析是目前國內(nèi)外研究人間相機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效手段之一。長久以來，國內(nèi)外學(xué)者一直致器的光機(jī)熱集成分析研究。上世紀(jì) 40 年代開始，J.M.Perry[10]研究分布和均勻溫度變化對光學(xué)性能的影響。Grey和DavidS[11]研究了溫度梯度對光學(xué)系統(tǒng)性能的影響，并由此提出了光學(xué)系統(tǒng)無熱化0 世紀(jì) 70 年代，美國開始研究溫度場變化對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影了熱光學(xué)設(shè)計(jì)（Thermal-optical design）或者熱光學(xué)分析（Thermalsis）的方法。James.I.Gimlett[12]在其關(guān)于光學(xué)窗口的熱光學(xué)分析中

并與熱真空實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，圖1.2 為研究人員對某空間相機(jī)進(jìn)行光機(jī)熱集成分析的示意圖。圖 1.2 光機(jī)熱集成仿真分析Figure 1.2 Structural-thermal-optical integration analysisHume L. Peabody[25]等人針對寬視場紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（Wide Field InfraredSurvey Telescope，WFIRST）在設(shè)計(jì)過程中對指向和穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求，采用光機(jī)熱集成分析方法為設(shè)計(jì)提供參考，大大縮減了設(shè)計(jì)周期。Renee Gracey[26]

圖 1.3 主動光學(xué)系統(tǒng)示意圖Figure 1.3 Diagram of the active optics是在上世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來的，它改變了持面形精度的傳統(tǒng)。主動光學(xué)主要分為薄薄鏡面主動光學(xué)通常在主鏡背部布置數(shù)以監(jiān)測并抵消由于重力變形和溫度波動對系z~1Hz。對于空間望遠(yuǎn)鏡而言，溫度場引起的像質(zhì)影響最為嚴(yán)重，對于這種低頻鏡面度的方法，但要花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)，如美國 I高達(dá)兩億美元，而應(yīng)用主動光學(xué)技術(shù)可以，可以放寬對空間望遠(yuǎn)鏡的熱控要求，提費(fèi)。

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 楊帥;沙巍;陳長征;張星祥;任建岳;;空間相機(jī)碳纖維框架的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J];光學(xué)精密工程;2017年03期

2 劉光;郭亮;胡日查;吳清文;;空間相機(jī)碳纖維桁架導(dǎo)熱增強(qiáng)設(shè)計(jì)[J];光學(xué)精密工程;2017年09期

3 李積慧,韓雙麗,王家騏,盧鍔,王俊;空間相機(jī)的熱分析與熱控制技術(shù)[J];光學(xué)精密工程;1999年06期

4 王貴林,李圣怡,戴一帆;空間相機(jī)SiC反射鏡的制作[J];機(jī)械工程材料;2002年08期

5 馮強(qiáng);何欣;呂清濤;張凱;趙宇宸;;高分辨率空間相機(jī)星載接口設(shè)計(jì)[J];機(jī)電工程;2019年06期

6 吳俊;姜宏佳;羅廷云;姜彥輝;孫世君;程少園;;空間相機(jī)高精度反射鏡設(shè)計(jì)與環(huán)境適應(yīng)性分析[J];環(huán)境技術(shù);2018年02期

7 林利明;吳清文;劉宏偉;陳立恒;;空間相機(jī)反射鏡支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J];長春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2008年01期

8 趙立新;空間相機(jī)光學(xué)窗口的熱光學(xué)評價[J];光學(xué)學(xué)報;1998年10期

9 傅丹鷹,程祖璞,藺宇輝,烏崇德,殷純永;空間相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱特性分析與計(jì)算[J];光學(xué)技術(shù);1999年05期

10 田富湘;何欣;張凱;王忠善;;空間相機(jī)反射鏡鏡面面形處理[J];光學(xué)儀器;2012年06期

相關(guān)會議論文 前10條

1 馬洪濤;金輝;;空間相機(jī)在軌運(yùn)行調(diào)焦公式實(shí)驗(yàn)研究[A];第十六屆全國光學(xué)測試學(xué)術(shù)交流會摘要集[C];2016年

2 張雷;王棟;金光;;輕型空間相機(jī)熱補(bǔ)償與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)研究[A];中國空間科學(xué)學(xué)會第七次學(xué)術(shù)年會會議手冊及文集[C];2009年

3 王永輝;范斌;蔡偉軍;卜勇力;;空間相機(jī)大口徑反射鏡支撐技術(shù)概述[A];第二十三屆全國空間探測學(xué)術(shù)交流會論文摘要集[C];2010年

4 寧飛;賀庚賢;王棟;;空間相機(jī)仿真測試方法[A];第十三屆全國光學(xué)測試學(xué)術(shù)討論會論文（摘要集）[C];2010年

5 安源;解鵬;曲宏松;;一種空間相機(jī)同步驅(qū)動機(jī)構(gòu)的凸輪設(shè)計(jì)[A];中國空間科學(xué)學(xué)會2013年空間光學(xué)與機(jī)電技術(shù)研討會會議論文集[C];2013年

6 樊超;李英才;易紅偉;;空間相機(jī)中的偏流角分析[A];2006年全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會會議文集（B 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)專題）[C];2006年

7 王偉剛;雷文平;曹東晶;項(xiàng)衛(wèi)國;;等熱阻異型導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)在空間相機(jī)應(yīng)用[A];第二十三屆全國空間探測學(xué)術(shù)交流會論文摘要集[C];2010年

8 王曉東;呂寶林;李丙玉;曲洪豐;;空間相機(jī)高速科學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)傳接口信號特性研究[A];第九屆全國信息獲取與處理學(xué)術(shù)會議論文集Ⅰ[C];2011年

9 王書新;李景林;劉磊;齊光;;基于蒙特卡羅算法的大尺寸焦平面空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)精度分析[A];中國空間科學(xué)學(xué)會第七次學(xué)術(shù)年會會議手冊及文集[C];2009年

10 張曉輝;;TDICCD動態(tài)成像異速匹配測試方法探討[A];第十三屆全國光學(xué)測試學(xué)術(shù)討論會論文（摘要集）[C];2010年

相關(guān)重要報紙文章 前1條

1 張雪松;空間相機(jī):與眾不同的成像方式[N];中國航天報;2019年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 劉光;基于光機(jī)熱集成的空間相機(jī)主動熱光學(xué)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];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);2019年

2 安明鑫;大型空間相機(jī)桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[D];中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所;2017年

3 趙慶磊;空間相機(jī)主控系統(tǒng)的控制策略研究[D];中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2016年

4 程強(qiáng);基于PD方法的空間相機(jī)位相信息反演技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2013年

5 江帆;星載一體化快響型空間相機(jī)及星敏感器組件的熱控研究[D];中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2016年

6 郭權(quán)鋒;同軸三反空間相機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[D];中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2012年

7 李偉雄;高分辨率空間相機(jī)敏捷成像的像移補(bǔ)償方法研究[D];中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2012年

8 唐曉慶;空間相機(jī)檢測系統(tǒng)的信號與電源完整性研究與實(shí)現(xiàn)[D];武漢大學(xué);2015年

9 李暢;超寬覆蓋空間相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D];中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2014年

10 陸強(qiáng);地球同步軌道空間相機(jī)雜散光分析與應(yīng)用技術(shù)的研究[D];中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王凱;輕型空間相機(jī)碳纖維桁架支撐技術(shù)研究[D];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);2019年

2 汪奎;空間相機(jī)像移補(bǔ)償系統(tǒng)中快速反射鏡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[D];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);2019年

3 馮強(qiáng);高分辨率空間相機(jī)星載接口設(shè)計(jì)[D];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);2019年

4 陳祥;一種用于空間相機(jī)的低頻隔振裝置研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

5 魯秋芳;全生命周期管理在某空間相機(jī)研制中的應(yīng)用研究[D];吉林大學(xué);2018年

6 程瑩;空間相機(jī)在軌MTF檢測技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所);2018年

7 李慎華;空間相機(jī)反射鏡及其支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D];長春工業(yè)大學(xué);2018年

8 柯善良;超輕空間相機(jī)主支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];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);2018年

9 宋健;基于小波及聚類分析的空間相機(jī)電磁兼容故障診斷[D];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);2018年

10 孔德成;輕小型離軸三反空間相機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析[D];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);2018年

本文編號：2744625