超光谱比值辐射仪光机系统设计与外场实验分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工定标的不足,研制了超光谱比值辐射仪系统.该仪器具备长期自动观测功能,光谱范围为400～2 500nm.光机系统主要由前置光学系统和光谱模块组成.根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,设计积分球测量总辐照度,并通过遮挡的方式实现漫射辐照度的测量,获得卫星定标中的漫总比数据;设计光学镜头测量地面辐亮度,从而实现大气-地表辐射特性的自动观测.同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能.为验证仪器的野外环境适应性和自动化测量数据的可靠性,与传统人工测量地表反射率与漫总比的方式进行了外场对比实验.实验结果表明,两种方式所测的总辐照度、漫射辐照度和直射辐照度的相对偏差均小于5%,漫总比的绝对偏差均小于0.025%;所测反射率整体趋势相同,且二者的偏差普遍在±1%以内,最大偏差小于±2.5%.超光谱比值辐射仪具有较高的自动化测量精度,能够替代人工测量大气辐射特性参数和地表反射率,实现较高的测量频次,在遥感卫星自动化定标领域具有广阔的应用前景.     

激光点阵扫描法绝对定标太阳辐射计直射通道研究

利用可调谐激光器作为光源,以溯源于低温绝对辐射计的标准传递探测器作为激光束功率测量探测器,采用激光点阵扫描方法在太阳辐射计有效孔径光阑面形成均匀照度场,精确测量太阳辐射计870 nm无偏直射通道中心波长处绝对辐照度响应度。利用灯-单色仪系统扫描获得该通道相对光谱辐照度响应度,最终在实验室条件下获得该通道绝对光谱辐照度响应度,联合大气层外太阳照度谱数据通道内积分得到该通道大气层外响应常数V₀值,与NASA的GSFC中心的2009年定标结果差异仅为3.75%,定标不确定度达到2.06%,验证了这一新技术的原理可行性。     

一款新型高精度全自动多波段太阳光度计

研制一种高精度全自动可实时测量、远程控制覆盖可见-近红外多波长太阳光度计PSR-2, 可实现太阳直射辐照度、天空辐亮度(主平面、等天顶角)、气溶胶光学厚度、大气柱水汽含量和臭氧含量的实时测量和显示，具有各通道独立同时测量、精确的温度控制、精确的太阳跟踪等检测功能。PSR-2在本单位自研PSR-1的基础上进行改进，经受住长时间沙漠风沙和雨水侵蚀的测试，具有能够长时间有效稳定观测、更加小型化、数据处理更便捷和更高的性价比等特点。在敦煌给仪器进行了Langley法标定和仪器温控性能测试，结果显示PSR-2 Langley定标拟合直线相关性高于99%，恒温仓温度稳定在在(25±0.3)℃，与国外行业标准CE318的合肥、敦煌两地实际测量结果对比，PSR-2气溶胶光学厚度和大气柱水汽含量偏差分别在0.02和0.1以内，并进行了误差分析。     

大口径折反射式光学系统的光机结合分析

大口径折反射式光学系统在空间遥感仪器中广泛应用,反射镜的支撑结构直接关系镜面面形变化从而影响光学遥感器的成像质量.建立了光学系统的光机结合分析方法,使得在设计阶段就能评测光学元件支撑结构是否满足要求,得到支撑结构对成像质量的影响的直观结果.这一方法也可用于光学系统的光机热结合分析.     

空间光学遥感器光机热集成分析技术综述

介绍了光机热集成分析技术的基本原理及其关键技术———数据传输技术的研究现状和最新进展。通过接口工具Zernike多项式进行数据传输的基本过程是:数据处理,即将有限元分析中得到的变形结果转换成基于弧矢坐标系或基于波前坐标系的数据形式;多项式拟合,即利用最小二乘法或Gram_Schmidt正交化方法进行拟合。提出了自动数据转换接口程序,它能够简化光机热集成分析的过程,可提高工作效率。     

红外镜头的光机热集成分析研究

 为了使红外镜头能够在宽的温度范围内工作,在红外光学系统的设计时就要充分考虑热对光学性能的影响,并要进行光机热集成分析。论述了光机热集成分析方法及流程,并设计了一个焦距f=200 mm的冷光栏匹配的宽工作温度的红外镜头。建立了红外镜头的有限元模型并进行了热力学分析,对分析的镜面变形结果数据进行了处理,得到各镜片间隔和面形变化,代入光学软件得到了热环境对光学成像质量的影响。分析结果表明,对于-40℃~+60℃红外镜头的各个视场,16线对的调制传递函数都大于0.5,具有良好像质。所设计的红外镜头结构简单可行,能够满足设计要求。     

中波红外镜头光机热集成设计分析研究

基于光机热集成设计分析,设计了一种扩展中波红外定焦镜头光机系统(焦距f=60mm,工作波段2.5~5.3μm),在设计光学系统和光机结构时就充分的考虑了环境温度、系统热变形对光学性能的影响,建立了镜头组的有限元模型,并基于-40^+60℃的实际温度载荷展开了热力学分析,对热分析后各镜片的节点位移和面型变化通过Zernike多项式作为数据接口导入光学设计软件,给出了各典型温度值下镜头组的传递函数图。分析结果表明,在-40^+60℃区间红外镜头的各个视场成像质量良好,所设计的红外镜头结构可靠、简洁,能够满足设计和使用要求。     

可见-短波红外波段光谱模块光机装调及分析

介绍了自行研制的辐射仪器的光谱模块,其光谱范围覆盖可见-短波红外波段(400 nm~2 500 nm),讨论了光谱模块的装调方法并对装调结果进行了分析研究。辐射仪器由3个光谱模块组成,分别是可见波段光谱模块(400 nm~1 000 nm),近红外波段光谱模块(900 nm~1 700 nm)和短波红外波段光谱模块(1 600 nm~2 500 nm),光谱模块的探测单元均以平场凹面光栅分光,线阵探测器探测信号,光谱模块的光机组件主要包括光纤头、狭缝、反射镜组件、光栅组件和探测器组件等。鉴于光谱模块的光机装调效果与其光机设计息息相关,装调结果的好坏能反映光机设计的优劣,针对光谱模块的光机设计特点进行了光机装调。光机装调分析结果表明:3个光谱模块的波长分辨率分别优于4 nm,15 nm和20 nm,达到了仪器的设计指标,验证了光机设计、装调的合理性。     

自动多波段红外海洋表面温度辐射系统研究

针对我国海洋遥感定标检验技术的研究,设计了一种能够自动测量海水表面温度的多波段红外辐射系统,其分辨率优于0.1℃,精度优于±0.5℃。系统采用了4个波段,即3.5～4.0μm,8～13μm,10.3～11.3μm和11.5～12.3μm。内部光学系统通过两个不同温度的参考黑体进行实时校正,保证光学系统被盐雾沉积后也不影响整个系统的精度。另外,为了防止恶劣天气对系统的影响,还设计了一个由雨量传感器触发的自动保护罩。通过实验室标定和岸边实验对系统精度和稳定性进行了实验验证。     

KrF深紫外光刻投影物镜光机热集成分析与优化

提出了一种融合新型支撑方式与灵敏度分析的光机热集成分析与优化方法,用于设计超高精度深紫外光刻投影物镜系统。首先,采用轴向多点与周向三点胶接支撑相结合的新型支撑方式,实现了212.51 mm口径光学元件的超高精度定位要求。其次,通过对光学元件进行热力耦合分析,验证了光机系统的合理性。然后,在光机热集成分析条件下,分析了单个光学元件的灵敏度,以及全部光学元件表面变形对整体光学系统波像差均方根值和校准F-tan θ(F为焦距,θ为物方视场角)畸变的影响。最后,通过调整部分光学元件的灵敏度进行局部优化,并对整体光学系统的像质进行优化。结果表明：在热力耦合条件（参考温度为22.5℃、极限工作温度为±2.5℃、重力）下,光学元件的最大表面面型均方根（RMS）值为9.86 nm,能够满足超高精度定位要求。在光机热集成分析条件下（参考温度为22.5℃、极限工作温度为±2℃、重力）,优化后光学系统的波像差RMS值小于10.50 nm,校准F-tan θ畸变小于6.00 nm,相较于优化前,波像差RMS提升了46.98%,校准F-tan θ畸变提升了77.69%,达到了设计要求。     

用Zernike多项式实现光机分析的技术方法

由于光学软件不能直接利用有限元分析的结果，而Zernike多项式的各项与光学像差有对应关系，因此常用Zernike多项式作为光机接口。针对目前常用轴向位移作为拟合量描述拟合面形的不足，给出了几种常用的表面位移校正方法并说明了其优缺点。用具体实例比较各校正位移，并对其进行Zernike多项式拟合，从拟合系数的差异可以看出,曲率比较大的表面必须采用校正位移进行拟合。最后指出：在不知道初始表面方程的情况下，轴向和法向校正位移均采用从初始表面出发的方法，如果已知初始表面方程，则轴向校正位移采用从变形表面出发的方法，法向校正位移仍采用从初始表面点出发进行计算。     

基于子结构技术的光机装置反射镜组件的稳定性分析

反射镜组件是光机装置的重要组成部分,反射镜片的转角稳定性对光路的传输有着直接影响。为了分析获得在地脉动载荷作用下反射镜片的转角响应,分别基于整体结构建模技术和子结构技术建立了某光机装置简化结构的有限元模型,并分析获得了装置中两个反射镜片的转角响应。两种方法得到的反射镜片的转角响应差别分别为3.99%,11.84%,说明基于子结构技术开展光机装置反射镜架组件的稳定性分析是可行的。     

基于子结构技术的光机装置反射镜组件的稳定性分析

反射镜组件是光机装置的重要组成部分,反射镜片的转角稳定性对光路的传输有着直接影响。为了分析获得在地脉动载荷作用下反射镜片的转角响应,分别基于整体结构建模技术和子结构技术建立了某光机装置简化结构的有限元模型,并分析获得了装置中两个反射镜片的转角响应。两种方法得到的反射镜片的转角响应差别分别为3.99%,11.84%,说明基于子结构技术开展光机装置反射镜架组件的稳定性分析是可行的。     

小型化多视场电视摄像系统光机设计研究

针对目前军用光电搜索跟踪瞄准装置电视摄像系统的搜索范围和作用距离不断提高的需求特点,通过对成熟电视摄像系统的分析比较,明确了采用小型化固定焦距多视场的结构形式。基于该研究方向,提出一种采用嵌入组合式的前物镜组的光机结构设计思路,可实现固定焦距多视场电视摄像系统小型化的设计方案。通过光学设计、光机一体化设计,最终设计完成了一种光学变倍超过20倍、光轴稳定、四视场共用2个成像器件的四视场电视摄像系统,可满足现有军用光电搜索跟踪瞄准装置电视摄像系统的需求。     

太阳能高倍聚光能量利用系统热力学分析及传输过程设计优化

应用热力学第一定律和第二定律对高倍聚光能量转换系统进行分析,发现系统对外输出功率最大时的集热温度为2464 K,提高能量综合利用效率存在较大的潜力,高倍聚光是有效解决手段.并对太阳能集热器形面设计和传输过程分析,满足最佳集热温度条件的抛物镜的相对口径为0.5,传输光纤的最大传输能力的接受半角约为40°.     

一种用于光机热集成分析的新方法——干涉图插值法

Zernike多项式是光机热集成分析中实现光、机、热各分析软件之间数据传递的重要工具。许多光学元件表面形状并不满足Zernike多项式的正交性条件，使有限元分析不能精确拟合光学元件表面变形及变形产生的各项像差。讨论影响Zernike正交性的几个因素，详细介绍将有限元分析得到的光学表面变形数据导入光学分析软件的一种新方法——干涉图插值法。该方法避开Zernike多项式拟合，在去除镜面刚体位移后将镜面畸变精确地表示成干涉图数据，直接生成数据接口。     

太阳模拟器用光学积分器设计

针对传统太阳模拟器普遍存在辐照均匀度较低的缺陷,改进设计了一种可以有效提高太阳模拟器辐照均匀度的光学积分器.介绍了该光学积分器的组成和工作原理;阐述了光学系统的优化设计技术;对其光机结构进行合理化设计,并使用ansys软件对光机结构进行热分析.最后,利用lightTools软件对太阳模拟器系统进行模拟仿真.结果表明:使用所设计的光学积分器后,太阳模拟器辐照不均匀度明显降低,在Φ60 mm范围内小于±1%,在Φ(60~200)mm范围内小于±2%.该结果与实际检测结果一致,能够满足高准确度的使用要求.     

太阳模拟器用光学积分器设计

针对传统太阳模拟器普遍存在辐照均匀度较低的缺陷,改进设计了一种可以有效提高太阳模拟器辐照均匀度的光学积分器.介绍了该光学积分器的组成和工作原理;阐述了光学系统的优化设计技术;对其光机结构进行合理化设计,并使用ansys软件对光机结构进行热分析.最后,利用lightTools软件对太阳模拟器系统进行模拟仿真.结果表明:使用所设计的光学积分器后,太阳模拟器辐照不均匀度明显降低,在Φ60 mm范围内小于±1％,在Φ(60～200)mm范围内小于±2％.该结果与实际检测结果一致,能够满足高准确度的使用要求.     

星载偏振扫描仪发射前定标及地面验证实验

高精度偏振扫描仪(POSP)采用分孔径和分振幅的同时偏振测量技术,可获取目标的高精度多光谱偏振辐射信息,其测量精度是影响载荷在轨应用的关键指标之一.仪器研制完成后,实验室条件下完成偏振和辐射定标以及测量精度的评估.为检验实验室定标结果,开展自然目标探测下的地面验证实验,使用POSP在晴朗天气沿太阳主平面对天空进行扫描,...