杂散光抑制与评估技术发展与展望（特邀）

随着空间光学技术的快速发展以及光电探测器件性能的不断提升,高分辨率、多光谱、低探测阈值的遥感系统在航空、航天等领域的应用越来越广泛,对光电载荷的杂光抑制能力与评价指标逐渐严苛,杂散光抑制技术和仿真分析已成为不可缺少的环节之一。尽管杂散光的抑制与评估技术开展较早,但仍然需要系统性方法体系引领该技术的发展,以改变当前分散化、碎片化的研究现状。因此,需要建立一体化的杂散光抑制与评估方法体系,在杂散光抑制方案制订、抑制模型表面特性测量与建模、杂散光抑制效果仿真、杂散光测试及评估等四个关键技术模块进行深入研究。本文给出了一套整体技术路线,为更好推进杂散光抑制与评估技术的发展和应用提供思路。     

CFETR杜瓦冷屏初步设计与热分析

选择304LN 不锈钢作为冷屏的制作材料,将杜瓦冷屏分为16 个扇区,每个扇区由20 个子部分组成,在每一个子部分上布置相应的冷却管。选择液氦作为冷却剂。为检验杜瓦冷屏结构是否符合设计要求,分析了杜瓦冷屏的传热方式以及冷却原理,利用FLUENT 软件对设计的冷屏结构进行了热分析,得到了杜瓦冷屏面板的温度分布情况以及冷却管道进出口压力差。结果表明,杜瓦冷屏面板温度和冷却管道进出口压力差在合理范围内,验证了冷却管道布局的合理性,为后续杜瓦冷屏的设计提供了重要参考。     

侧摆扩视场型星载干涉光谱成像仪杂散光抑制研究

侧摆扩视场型干涉光谱成像仪通过在光学系统前增加侧摆反射镜来实现视场扩展的功能,然而增加侧摆反射镜会使得不同视场不同通道的光线交错分布,无法使用传统消杂光设计,给杂散光抑制带来困难。针对此类型光学系统提出了一个消杂光设计方法。当侧摆反射镜位于0°、15°、-15°视场位置时,对可见近红外系统和短波红外系统进行了点源透过率(PST)仿真分析。分析结果表明,对于所有侧摆反射镜位置,在视场外0.5°位置处空间视场方向和光谱视场方向的PST可降低至10^-3。基于观测模式,对高光谱成像仪在轨工作时的信号源与杂光源进行分析。基于PST仿真结果,对杂光源在焦平面处产生的杂光能量进行研究,并分析了高光谱成像仪的信杂比,侧摆反射镜位于0°视场位置时可见近红外系统的信杂比为0.1%,短波红外系统的信杂比为0.6%。结果表明,所提的杂散光抑制措施有效,满足星载高光谱仪对杂散光的技术要求。     

CFETR真空室冷屏结构设计与热分析

根据真空室冷屏所处位置和设计条件要求,选择304LN不锈钢作为冷屏的制作材料,在环向上把真空室冷屏分为16个扇区,每个扇区由12个子部分组成,在冷屏面板扇区的子部分上合理布置相应的冷却管回路,并选择高压液氦作为冷却剂。为减少热流密度、降低冷屏辐射发射率,在冷屏表面涂有5μm厚的银层。根据辐射热原理,利用CFX软件对真空室冷屏结构进行热分析,得到其面板的温度分布及冷却管道回路的进出口压力差,分析表明,在允许范围内验证了该冷却管道布局的合理性。     

微透镜列阵提高红外探测器探测能力的方法研究

研究用微光学方法提高红外探测器探测能力的机理,通过实验将锗微透镜列阵耦合到180元HgCdTe焦平面红外探测器上,使耦合组件探测率提高到原来的2．8倍,提出的光学耦合效应概念为客观评价微光学聚能元件综合质量及耦合机构性能提供了一种新的方法。还对微透镜列阵的冷屏效应进行了讨论。     

激光测距仪的点源透过率

 通过分析柱形腔结构的激光接收机的点源透过率,论证了视场外利用杂散光干扰激光测距仪的可行性和对干扰光功率的相对需求。按照干扰光入射角度由小到大的顺序,提出了漫反射 镜面反射干扰、二次漫反射干扰和一次漫反射干扰的杂散光干扰机制,推导出了相应的点源透过率公式,并利用Tracepro软件进行了仿真验证。理论分析和仿真结果表明：在典型条件下为了确保在30°内可靠干扰激光测距仪,对干扰光功率的需求相对于视场内干扰时要高出5×10⁶倍,确保80°内可靠干扰则需提高10⁸倍。从提高光电接收系统抗干扰能力的角度指出：降低滤光片镜面反射率并使其远离探测器,可以减小漫反射-镜面反射干扰;降低接收光学系统腔内壁漫反射率,可以减小二次漫反射和一次漫反射干扰。     

大视场空间可见光相机的杂散光分析与抑制

空间相机用于对空间暗弱目标的探测与监视,视场外杂散光的进入会降低像面对比度,严重时甚至会导致相机无法工作。大视场光学系统对杂散光尤为敏感。针对此问题,本文以一大视场空间相机为例,分析其杂散光的来源,通过研究杂光传输机理并总结抑制措施。为满足其轻小型的指标要求,在尺寸限制下分别设计挡光环垂直光轴和倾斜的遮光罩及光阑等消杂光结构。TracePro软件仿真结果显示:倾斜挡光环遮光罩的效果更好,该结构在杂光抑制角外的的点源透过率(PST)均达到10-7量级,系统至少可以满足6.5星等目标的探测,验证本文消杂光结构方案的有效性,为后续的系统优化提供了一定的参考。     

杂散光对位置敏感探测器影响的计算机仿真

位置敏感探测器是基于PN结横向光电效应的光电器件,在使用时通常会受到杂散光的影响。以往对PSD受杂散光影响的分析是基于实验或根据PSD的位置计算公式近似分析,不是很精确。基于Lucovsky方程,采用偏微分方程求解软件FiexPDE对二维PSD受杂散光的影响进行了数值仿真。结果表明,对于杂散光的干扰,位置网格图向PSD中心收缩,对于均匀杂散光而言,此收缩是对称的,而对于非均匀杂散光,此收缩是不对称的。该方法可以很方便地对PSD受杂散光的影响进行分析。     

红外光学系统内部构件热辐射分析

红外光学系统的内部构件由于呈现于光路之中,其表面热辐射将会通过光学系统到达探测像面而引起背景辐射噪声。本文利用LightTools分析软件对一套折反式红外光学系统内部机械构件的主要表面的热辐射进行了分析,得到了探测像面接收到的热辐射的量级。分析了三种不同的表面反射率的情况,能够用于指导如何进行表面处理和结构设计的改善。     

世界各超导托卡马克装置冷屏结构的设计

简要介绍了应用于磁约束热核聚变实验研究的超导托卡马克装置 ,重点叙述了当前世界上各超导托卡马克装置的重要部件冷屏的结构设计情况。     

被动红外探测器的原理与技术

目前，以热辐射原理、热电转换原理、电子技术和计算机技术为依托的红外探测器、红外成像仪、红外遥感仪、红外气体分析仪、红外制导系统、红外跟踪系统等在军事侦察、刑事侦察、安全防范等领域得到越来越广泛的应用．本文对安全防范技术中使用得最多的被动红外探测器作一扼要介绍．     

基于点源透过率的空间光学系统杂光测量

杂光测量是光学系统杂光分析的有效途径之一,它能够对消杂光设计结果进行准确的评估.针对空间光学系统的工作环境,考虑到其视场外有强烈辐射源(如太阳等),采用点源透过率方法来验证光学系统抑制杂光的能力.搭建了一套无中心遮挡的离轴抛物面反射式杂光测量装置,测量动态范围为10-1～10-11.利用该装置对口径为300mm、全视场...     

激光对反舰导弹红外探测器干扰分析

针对激光对红外制导的反舰导弹干扰问题,建立了激光对反舰导弹红外探测器的干扰链路模型,推导了激光海上传输的大气透过率,计算了1．06μm激光在海上大气传输时仰角、能见度与大气透过率的关系,估算了对不同距离的反舰导弹红外探测器实现有效干扰所需发射的激光能量。     

量子点红外探测器的特性与研究进展

半导体材料红外探测器的研究一直吸引人们非常广泛的兴趣．以量子点作为有源区的红外探测器从理论上比传统量子阱红外探测器具有更大的优势．文章讨论了量子点红外探测器几个重要的优点，包括垂直入射光响应、高光电导增益、更低的暗电流、更高的响应率和探测率，等等．此外，报道了量子点红外探测器研究中一些最新的实验结果．在此基础上，分析了现存问题，并提出了进一步提高器件性能的几种可能途径．     

星敏感器杂散光抑制设计与验证

以杂散光在探测器像面平均照度低至6等星为例,首先从理论及工程应用角度对星敏感器遮光罩进行论证、设计、仿真、测试,并提出在遮光罩设计阶段应该充分结合光学镜头、星点提取算法、技术要求特点,确定遮光罩有效通光口径、视场、外形包络尺寸、消光性能;其次,利用几何作图的方法确定遮光罩挡光环位置、刃口倒角角度、刃口倒角朝向,并建立起散射关键面;然后,根据仿真过程中一次散射与多次散射对像面照度的影响确定刃口厚度;最后,通过仿真和实验室测试方式证明所设计的遮光罩结构合理,可满足太阳光抑制低至6等星,星敏感器受杂散光影响测量精度偏差在2″以内。     

基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计

制冷型红外探测器f数由冷阑尺寸和位置决定,在冷阑附近加温阑可以改变探测器f数,但是会引入大量杂散辐射.为解决这一问题,提出一种基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计方法.建立了温阑红外辐射模型,分析普通平面温阑引入的杂散辐射及其对探测器性能的影响.在此基础上提出球面反射温阑的设计方法,通过改变表面形状和发射特性,降低温阑引入的杂散辐射,以保证探测器变f数后的性能.为验证本文方法,设计球面反射温阑和普通平面温阑改变某制冷型探测器f数,在高低温试验箱内进行辐射定标实验测量两种温阑引入的杂散辐射,比较二者对探测器的影响.分析和实验结果表明,球面反射温阑引入的杂散辐射远小于普通平面温阑,引入的噪声等效温差也较小,能够更好地保证红外系统的成像性能.     

平面光栅杂散光测试仪模型设计及消杂光技术研究

杂散光是平面光栅的重要性能指标,光栅杂散光的测量一直是光栅研制领域的难题。为实现仪器自身杂光低于10-8量级,以满足对平面光栅杂散光10-7量级的精确测量要求,基于标量衍射理论和经典Fresnel-Kirchhoff衍射理论,对光谱仪器中的光栅杂散光进行了理论分析,设计了平行光照射条件下光栅杂散光测试仪的光机模型。利用杂散光分析软件ASAP建立紫外单色光入射下光栅杂散光测试仪的散射模型并对其进行仿真计算,分析仪器杂光的主要来源及散射路径,据此提出了用于降低仪器散射光和光栅多次衍射光的挡光环、叶片、光阑、光学陷阱等四种杂光抑制结构。最后,采用ASAP软件对增加抑制结构前后的仪器杂光相对强度进行了对照分析。仿真及分析结果表明,仪器杂光在测试波长±100 nm范围内的最大值由采用杂光抑制结构前的10-6量级以上降低至10-8量级以下,已满足光栅杂散光测试仪的设计需求,即可实现刻线密度为300～3 600 gr·mm-1的光栅杂散光10-7量级精确测量。该研究方法及结果将为平面光栅杂散光测试仪研制提供理论依据。     

三光窗杜瓦红外探测器抗干扰设计

文中就斯特林制冷机应用在三光窗杜瓦红外探测器组件中对红外探测器的信号产生的干扰问题进行了多方面探讨、测试及分析研究。从制冷机驱动电源入手 ,研制出了一种低干扰制冷机驱动电源 ,并对整个系统的安装调试进行了抗干扰设计 ,有效地控制了系统对探测器芯片信号产生的干扰 ,使其达到用户要求     

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。     

混合磁体超导线圈低温传输线冷屏的设计与分析

对于低温传输线,冷屏是其重要的结构。文中在低温传输线冷屏结构初步设计的基础上,对冷屏屏体材料进行比选,计算分析了低温传输线在80K温区的漏热量,并采用Solidworks软件,对不同厚度的低温传输线冷屏的温度分布进行模拟分析,完成冷屏的工程设计。