红外搜索与跟踪系统中光学系统的设计

完成了红外搜索与跟踪(IRST)系统中光学系统的设计,工作波段为8～12μm。首先分析了IRST系统的特性,详细介绍了其光学系统的组成。系统结构采用卡塞格林反射式,通过折/衍混合元件校正剩余像差,完成了二次成像。通过简单机电方式补偿热差,使系统在-40℃～+60℃温度范围内性能均接近衍射极限。通过对主镜和次镜加遮光罩的措施抑制系统杂散光,使红外探测系统的信噪比得以提高,图像对比度得到增强。实验结果表明,此系统性能良好。     

基于红外标准星的红外辐射标校方法

为了提高空间目标的红外辐射测量准确度,提出了基于精确校准的红外标准星的红外辐射标校方法.测量不同大气质量处多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星,采用天文孔径测光法对望远镜拍星数据进行处理,依据大气消光模型进行最小二乘线性拟合,获得了测量系统的红外辐射响应率和大气消光.1.2m望远镜上中波红外成像终端验证性实验结果表明,该方法的恒星辐照度反演误差最大为16.28%.且该方法无需增加额外设备,操作简单,易于实现,可随时对测量设备进行实时标校.对地基大口径望远镜的红外辐射测量具有一定的应用价值.     

带增倍镜的红外变焦光学系统设计

设计了一种红外三档变焦光学系统。系统工作波段为中波3.7~4.8μm,焦距为40/60/240mm,6×变倍比,具有100%冷光阑效率,加入2倍镜后,焦距为80/120/480mm。对系统进行了光学设计、传递函数分析、机械设计等分析,带增倍镜的红外三档变焦光学系统具有像质好、变焦速度快、结构紧凑的特点,可在红外成像系统中得到广泛应用。     

大气红外辐射及消光特性实测研究

应大口径红外望远镜选址需求,研制了一台红外辐射测量设备,对丽江天文观测站及澄江M′波段(4.605~4.755μm)大气红外辐射与消光特性进行了实测。用Allan方差法和大气辐射传输方程分别对大气辐射的时间和空间变化数据进行了分析,讨论了辐射时空变化对红外天文观测的影响。结果表明,低频区的辐射涨落较大,Allan方差随积分时间呈指数增加,丽江和澄江的Allan方差拟合参数分别为0.794和1.238。从天顶到60°天顶角,丽江和澄江站的辐射亮度分别增大了68%和72%,透过率分别降至0.46和0.52;红外天文观测需斩波,在丽江站,探测器单像元、2×2Binning、4×4Binning最佳斩波频率分别为0.030,0.070,0.144 Hz。实测所得Allan方差、大气消光、最佳斩波频率可用于指导大口径红外望远镜的选址及设计。     

红外自适应系统中双波段望远镜与红外物镜设计

大孔径红外光学系统往往易受自重和环境温度影响造成像质恶化,引入自适应光学技术的红外自适应系统能够很好地解决该问题,为此设计了一个用于Hartmann-Shack波前检测的红外自适应光学系统。重点设计了10×可见光与中波红外双波段望远镜,物镜为卡赛格林反射物镜组,无需消色差,在可见光与中波红外2个波段实现了消色差目镜设计;还设计了红外成像中继光学系统,可实现100%冷光阑效率,并补偿望远镜在中波红外波段的残余像差,使最终设计的光学系统MTF接近衍射极限,达到了0.5以上,满足设计指标要求。     

基于多视场星点椭圆率的望远镜主动准直方法

光学元件的准直失调会引起天文望远镜在观测过程中的像质退化,该问题在大口径快焦比的天文光学系统中更为突出.针对此问题,本文提出一种用于望远镜日常观测过程中的主动准直方法,通过星像解算实时校正副镜位置及姿态达到维持望远镜像质的目的.该方法基于多视场星点椭圆率,利用粒子群优化算法迭代求解望远镜光学元件失调量,从而校正由光学元...     

风云二号辐射计百叶窗式遮光罩杂散光抑制研究

风云二号卫星扫描辐射计为视场分光方式的R-C光学系统,视场外的杂光掠过次镜穿过主镜孔直接混入信号光路照射在焦面上,形成直射杂光。为了消除该直射杂光,使用TracePro软件对辐射计模型进行正追和倒追,都追到了直射杂光的存在,利用Zemax软件仿真找出了该直射杂光的形成机理,并计算出该直射杂光域。根据仿真和计算,设计了可以透信号光阻挡杂散光的叶片状次镜遮光罩。软件仿真表明:百叶窗式遮光罩可以彻底抑制该区域可见直射杂光,积分球实验也验证了该百叶窗式遮光罩可以降低辐射计95.2%的可见杂光。     

风云二号辐射计百叶窗式遮光罩杂散光抑制研究

风云二号卫星扫描辐射计为视场分光方式的R-C光学系统,视场外的杂光掠过次镜穿过主镜孔直接混入信号光路照射在焦面上,形成直射杂光。为了消除该直射杂光,使用TracePro软件对辐射计模型进行正追和倒追,都追到了直射杂光的存在,利用Zemax软件仿真找出了该直射杂光的形成机理,并计算出该直射杂光域。根据仿真和计算,设计了可以透信号光阻挡杂散光的叶片状次镜遮光罩。软件仿真表明：百叶窗式遮光罩可以彻底抑制该区域可见直射杂光,积分球实验也验证了该百叶窗式遮光罩可以降低辐射计952%的可见杂光。     

二次成形式Coude光学系统的设计、检测与装调

介绍了一台口径为1.23m光电望远镜的Coude光学系统,通过比较国内外地基大口径望远镜Coude光学系统的形式,结合实际情况,设计了以离轴非球面反射镜作为二次成像元件的Coude光学系统,并给出了相应的检测和装调的方法.经实际检测和装调对准后,对Coude光学系统的设计、检测和装调对准过程中的误差进行了分析和比较,证明了检测与装调方法的可靠性和先进性.该Coude光学系统的焦距为125m,视场为1.5′,波段为0.4~5μm,系统波像差优于λ/50(λ=0.632 8μm),实验室内检测波像差为λ/20.装调对准完成后对恒星观测,用Shack-Hartmann波前探测器测量其波前误差,得到整个望远镜Coude光学系统的波像差优于λ/4.     

地基红外辐射测量系统联合辐射定标法

基于红外标准星和内部黑体标定源的联合辐射定标法可提高空间目标的红外辐射测量精度。黑体标定源位于红外辐射测量系统内部,用于定标光学系统响应率。依据大气消光模型,采用天文孔径测光法,通过观测不同仰角处的多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星得到大气消光和系统透过率系数。700mm口径地基中波红外辐射测量系统验证性实验的结果表明,在恒星图像曝光充分的情况下,联合辐射定标法的恒星辐照度反演误差优于11%。联合辐射定标法操作简单、成本低,可随时对测量设备进行现场标校。     

制冷型长波红外光学系统设计

针对640×512长波红外制冷型探测器,设计了一种制冷型长波红外光学系统,用于对目标的红外跟踪探测。该光学系统采用二次成像结构以达到100%冷光阑效率,采用锗和硫化锌玻璃材料相结合,实现了像差校正和消色差设计,通过引入高次非球面,很好地校正了系统的高级像差,简化了系统结构。光学系统由6个镜片构成,焦距为400 mm,工作波段为7.7～9.3μm,视场角为1.37°×1.10°,F数为2。设计结果表明：在空间频率33 lp/mm处,轴外视场MTF>0.24,接近衍射极限,具有较高的成像品质。在-35～+55℃工作温度范围内,通过内置调焦镜调焦来保证高温、低温环境下的成像质量,可用于宽温度范围内的红外跟踪探测。     

折/衍混合红外光学系统的消热差设计

研究了衍射光学元件的温度特性以及混合红外光学系统的消热差设计方法.设计了工作在3.7～4.8μm,视场4.5°,具有100%冷光阑效率的折射/衍射混合红外光学系统.该系统在-30～70℃温度范围内成像质量接近衍射极限,可用于像元尺寸为30 μm的制冷型凝视焦平面阵列探测器上.     

大口径折反式中波红外衍射望远镜系统设计

为实现空间红外望远镜的高分辨率探测,基于Schupmann消色差理论,开展了大口径折反式中波红外衍射望远镜系统的设计及消热差模型研究.设计了口径1 m、F数为2、全视场0.12°、波段3.8μm～4.2μm的折反式中波红外衍射望远镜系统,其主镜及校正镜均为平面衍射透镜,中继系统采用卡塞格林折反式结构,再聚焦及三次成像系...     

拼接望远镜成像系统的理论模型分析及仿真研究EI北大核心CSCD

拼接主镜是建设大型天文望远镜最有效的技术途径,尤其是对10m及更大口径的望远镜.本文从光学衍射理论出发,以10m左右口径望远镜为例,推导出了拼接望远镜光学系统点扩展函数的解析表达式,建立了数学仿真模型,并对影响望远镜系统远场像质的因素进行了计算分析.理论分析和仿真结果表明:拼接望远镜的点扩散函数是分块镜的位置干涉函数和分块镜的点扩散函数的乘积;分块镜间的间距会引起分块镜的衍射光斑展宽,使远场峰值能量下降;分块镜的平移误差会严重影响望远镜点扩散函数中的位置干涉函数,从而降低望远镜系统的斯特列尔比;分块镜的倾斜误差会在每个分块镜的点扩散函数引入频移,因而影响拼接望远镜光学系统的点扩散函数,降低望远镜系统的斯特列尔比.     

基于衍射元件的两档轴向移动式红外变焦光学系统设计

设计了一种基于衍射元件的两档轴向移动式红外变焦光学系统.系统工作波段为3.7～4.8μm,焦距为80/240mm,F#为4,探测器采用640×512的中波制冷红外探测器,探测器的像元尺寸为15μm×15 μm,该系统具有100％冷光阑效率.在光学设计中采用了衍射元件,大大提高了光学系统的像质,有效减小了系统的体积和重量.对光学系统进行了合理的公差分配和冷反射分析.仿真结果表明,该系统结构紧凑、变倍时间较短、成像质量优异.     

拼接望远镜成像系统的理论模型分析及仿真研究

拼接主镜是建设大型天文望远镜最有效的技术途径,尤其是对10m及更大口径的望远镜.本文从光学衍射理论出发,以10m左右口径望远镜为例,推导出了拼接望远镜光学系统点扩展函数的解析表达式,建立了数学仿真模型,并对影响望远镜系统远场像质的因素进行了计算分析.理论分析和仿真结果表明:拼接望远镜的点扩散函数是分块镜的位置干涉函数和分块镜的点扩散函数的乘积;分块镜间的间距会引起分块镜的衍射光斑展宽,使远场峰值能量下降;分块镜的平移误差会严重影响望远镜点扩散函数中的位置干涉函数,从而降低望远镜系统的斯特列尔比;分块镜的倾斜误差会在每个分块镜的点扩散函数引入频移,因而影响拼接望远镜光学系统的点扩散函数,降低望远镜系统的斯特列尔比.     

共口径双通道红外扫描成像光学系统

对双波段红外扫描成像光学系统进行了研究,结合三次成像技术和100%冷光栏效率技术,设计了一个共口径双通道红外扫描成像光学系统。该系统包括前端共用的双反射系统、分束镜、准直镜组、扫描镜和成像镜组。光波经过双反射系统在主镜之后被分束镜分成中波红外通道（3 m～5 m）和长波红外通道（10 m～12 m）,经准直镜组及成像镜组会聚探测器上,实现中波红外系统与长波红外系统共口径同步成像。设计结果表明,长波红外系统传递函数在18 lp/mm处达到0.4以上,中波红外系统传递函数在18 lp/mm处达到0.78以上,满足实际应用的要求。     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。     

1.3～5μm宽波段红外成像光学系统设计

宽波段红外成像技术可以获取丰富的波段信息,在目标识别和频谱分析中具有独特的优势。设计了一种1.3~5μm宽波段短中波红外光学系统,该光学系统采用二次成像设计,包括7块透镜和2片反射镜,其中使用了2片硅非球面和1片硒化锌基底衍射面用以校正像差和色差。利用光学设计软件给出了系统的光学参数和二维外形结构图,并且对其像质和冷反射进行了系统分析。该系统可以实现在工作波段1.3~5μm宽波段中成像,其F数为2,满足100%冷光阑效率。该系统结构紧凑,像质较好,能够实现宽波段成像要求。     

空间高分辨率宽视场红外光学系统设计

针对高分辨率、宽覆盖面积、全天时海洋目标的红外侦察与搜索需求,设计了一种大口径、长焦距的同轴折反射式中波红外光学系统。其工作轨道高度为1200km,波段为3.7~4.8μm,星下点地面像元分辨率优于10m。通过分析计算确定系统焦距为3000mm,相对孔径为1…4。采用镜头前组摆扫方式实现了视场角14.203°,地面覆盖宽度为300km。利用调焦机构在10℃~30℃温度范围内主动消热差,在奈奎斯特频率21lp/mm处全视场调制传递函数(MTF)大于0.39,接近衍射极限。实现了100%冷光阑匹配以抑制系统自身的杂散辐射。设计结果表明,该系统各项性能指标和结构的可实现性均满足要求。