桁架式空間光學(xué)遙感器熱離焦分析

田富湘　何欣

空間光學(xué)遙感器作為一種探測及觀察手段在空間對地觀測中發(fā)揮著越來越重要的作用。搭載在衛(wèi)星平臺上的空間光學(xué)遙感器一般裸露在太空中，受太陽輻照、地球紅外輻射、地球反照、空間冷黑熱沉及內(nèi)部熱源的影響，空間光學(xué)遙感器在軌道運(yùn)行時所處的熱環(huán)境非常復(fù)雜，并且隨軌道及工作狀態(tài)的變化而不斷變化。惡劣的空間熱環(huán)境造成空間光學(xué)遙感器溫度分布不均和溫度波動。因此，空間光學(xué)遙感器需具有良好的溫度適應(yīng)性。

溫度變化會導(dǎo)致光學(xué)遙感器發(fā)生一定程度的熱變形，從而使光學(xué)元件的表面面形、曲率半徑及相對位置產(chǎn)生變化。溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一是光學(xué)元件表面面形的變化引起光學(xué)系統(tǒng)波像差增大；二是光學(xué)元件曲率半徑及相對位置的變化導(dǎo)致CCD感光面偏離光學(xué)系統(tǒng)的像平面，即離焦[1]。二者均會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）的下降，最終影響成像質(zhì)量。離軸三反空間光學(xué)遙感器反射鏡與主支撐結(jié)構(gòu)材料熱膨脹系數(shù)匹配難度較大，在空間熱環(huán)境的作用下易產(chǎn)生熱離焦。

溫度變化是空間光學(xué)遙感器在軌運(yùn)行時離焦的主要原因，因此，有必要對離焦量與溫度變化量之間的關(guān)系進(jìn)行分析。傳統(tǒng)的方法為光機(jī)熱集成分析方法，計算準(zhǔn)確但工作量大。本文以某空間光學(xué)遙感器為例，基于高斯光學(xué)理論，采用y-nu光線追跡法，推導(dǎo)熱離焦的近似計算公式。

1 離焦量的近似計算

本文研究的某空間光學(xué)遙感器外形尺寸為1500mm×1000mm×800mm，焦距較長，對主支撐結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性要求較高。主支撐結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)（如圖1），由碳纖維支桿和前后鈦合金框組成。該空間光學(xué)遙感器采用具有一次像面的離軸三反射鏡消像散光學(xué)系統(tǒng)（如圖2），其等效高斯光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示，r1、r2和r3分別為主鏡、次鏡和三鏡的半徑，s1、s2分別為主鏡與次鏡之間以及次鏡與三鏡之間的間隔，s3為三鏡與CCD感光面的距離，l'F為三鏡與像面的距離，即后截距。光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)時，CCD感光面安裝在光學(xué)系統(tǒng)像面上，s3與l'F相等。當(dāng)空間光學(xué)遙感器從地面發(fā)射進(jìn)入太空軌道后

2 結(jié)論

本文基于y-nu近軸光線追跡法，推導(dǎo)得光學(xué)系統(tǒng)后截距的數(shù)學(xué)表達(dá)式。分別分析了反射鏡半徑及光學(xué)元件間隔隨溫度變化情況。推導(dǎo)出了桁架式空間光學(xué)遙感器熱離焦計算公式。對熱離焦計算公式進(jìn)行分析表明，熱離焦量與溫度變化量成線性關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1]劉磊.空間三反相機(jī)調(diào)焦范圍的確定[J].光學(xué)精密工程，2013，21（3）：631-636.

[2]迪特恩.現(xiàn)代幾何光學(xué)[M].長沙：湖南大學(xué)出版社，2004.

[3]許求真.經(jīng)典卡塞格林系統(tǒng)熱差分析[J].激光與紅外，2011，41（4）：435-441.endprint

空間光學(xué)遙感器作為一種探測及觀察手段在空間對地觀測中發(fā)揮著越來越重要的作用。搭載在衛(wèi)星平臺上的空間光學(xué)遙感器一般裸露在太空中，受太陽輻照、地球紅外輻射、地球反照、空間冷黑熱沉及內(nèi)部熱源的影響，空間光學(xué)遙感器在軌道運(yùn)行時所處的熱環(huán)境非常復(fù)雜，并且隨軌道及工作狀態(tài)的變化而不斷變化。惡劣的空間熱環(huán)境造成空間光學(xué)遙感器溫度分布不均和溫度波動。因此，空間光學(xué)遙感器需具有良好的溫度適應(yīng)性。

溫度變化會導(dǎo)致光學(xué)遙感器發(fā)生一定程度的熱變形，從而使光學(xué)元件的表面面形、曲率半徑及相對位置產(chǎn)生變化。溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一是光學(xué)元件表面面形的變化引起光學(xué)系統(tǒng)波像差增大；二是光學(xué)元件曲率半徑及相對位置的變化導(dǎo)致CCD感光面偏離光學(xué)系統(tǒng)的像平面，即離焦[1]。二者均會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）的下降，最終影響成像質(zhì)量。離軸三反空間光學(xué)遙感器反射鏡與主支撐結(jié)構(gòu)材料熱膨脹系數(shù)匹配難度較大，在空間熱環(huán)境的作用下易產(chǎn)生熱離焦。

溫度變化是空間光學(xué)遙感器在軌運(yùn)行時離焦的主要原因，因此，有必要對離焦量與溫度變化量之間的關(guān)系進(jìn)行分析。傳統(tǒng)的方法為光機(jī)熱集成分析方法，計算準(zhǔn)確但工作量大。本文以某空間光學(xué)遙感器為例，基于高斯光學(xué)理論，采用y-nu光線追跡法，推導(dǎo)熱離焦的近似計算公式。

1 離焦量的近似計算

本文研究的某空間光學(xué)遙感器外形尺寸為1500mm×1000mm×800mm，焦距較長，對主支撐結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性要求較高。主支撐結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)（如圖1），由碳纖維支桿和前后鈦合金框組成。該空間光學(xué)遙感器采用具有一次像面的離軸三反射鏡消像散光學(xué)系統(tǒng)（如圖2），其等效高斯光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示，r1、r2和r3分別為主鏡、次鏡和三鏡的半徑，s1、s2分別為主鏡與次鏡之間以及次鏡與三鏡之間的間隔，s3為三鏡與CCD感光面的距離，l'F為三鏡與像面的距離，即后截距。光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)時，CCD感光面安裝在光學(xué)系統(tǒng)像面上，s3與l'F相等。當(dāng)空間光學(xué)遙感器從地面發(fā)射進(jìn)入太空軌道后

2 結(jié)論

本文基于y-nu近軸光線追跡法，推導(dǎo)得光學(xué)系統(tǒng)后截距的數(shù)學(xué)表達(dá)式。分別分析了反射鏡半徑及光學(xué)元件間隔隨溫度變化情況。推導(dǎo)出了桁架式空間光學(xué)遙感器熱離焦計算公式。對熱離焦計算公式進(jìn)行分析表明，熱離焦量與溫度變化量成線性關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1]劉磊.空間三反相機(jī)調(diào)焦范圍的確定[J].光學(xué)精密工程，2013，21（3）：631-636.

[2]迪特恩.現(xiàn)代幾何光學(xué)[M].長沙：湖南大學(xué)出版社，2004.

[3]許求真.經(jīng)典卡塞格林系統(tǒng)熱差分析[J].激光與紅外，2011，41（4）：435-441.endprint

空間光學(xué)遙感器作為一種探測及觀察手段在空間對地觀測中發(fā)揮著越來越重要的作用。搭載在衛(wèi)星平臺上的空間光學(xué)遙感器一般裸露在太空中，受太陽輻照、地球紅外輻射、地球反照、空間冷黑熱沉及內(nèi)部熱源的影響，空間光學(xué)遙感器在軌道運(yùn)行時所處的熱環(huán)境非常復(fù)雜，并且隨軌道及工作狀態(tài)的變化而不斷變化。惡劣的空間熱環(huán)境造成空間光學(xué)遙感器溫度分布不均和溫度波動。因此，空間光學(xué)遙感器需具有良好的溫度適應(yīng)性。

溫度變化會導(dǎo)致光學(xué)遙感器發(fā)生一定程度的熱變形，從而使光學(xué)元件的表面面形、曲率半徑及相對位置產(chǎn)生變化。溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一是光學(xué)元件表面面形的變化引起光學(xué)系統(tǒng)波像差增大；二是光學(xué)元件曲率半徑及相對位置的變化導(dǎo)致CCD感光面偏離光學(xué)系統(tǒng)的像平面，即離焦[1]。二者均會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）的下降，最終影響成像質(zhì)量。離軸三反空間光學(xué)遙感器反射鏡與主支撐結(jié)構(gòu)材料熱膨脹系數(shù)匹配難度較大，在空間熱環(huán)境的作用下易產(chǎn)生熱離焦。

溫度變化是空間光學(xué)遙感器在軌運(yùn)行時離焦的主要原因，因此，有必要對離焦量與溫度變化量之間的關(guān)系進(jìn)行分析。傳統(tǒng)的方法為光機(jī)熱集成分析方法，計算準(zhǔn)確但工作量大。本文以某空間光學(xué)遙感器為例，基于高斯光學(xué)理論，采用y-nu光線追跡法，推導(dǎo)熱離焦的近似計算公式。

1 離焦量的近似計算

本文研究的某空間光學(xué)遙感器外形尺寸為1500mm×1000mm×800mm，焦距較長，對主支撐結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性要求較高。主支撐結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)（如圖1），由碳纖維支桿和前后鈦合金框組成。該空間光學(xué)遙感器采用具有一次像面的離軸三反射鏡消像散光學(xué)系統(tǒng)（如圖2），其等效高斯光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示，r1、r2和r3分別為主鏡、次鏡和三鏡的半徑，s1、s2分別為主鏡與次鏡之間以及次鏡與三鏡之間的間隔，s3為三鏡與CCD感光面的距離，l'F為三鏡與像面的距離，即后截距。光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)時，CCD感光面安裝在光學(xué)系統(tǒng)像面上，s3與l'F相等。當(dāng)空間光學(xué)遙感器從地面發(fā)射進(jìn)入太空軌道后

2 結(jié)論

本文基于y-nu近軸光線追跡法，推導(dǎo)得光學(xué)系統(tǒng)后截距的數(shù)學(xué)表達(dá)式。分別分析了反射鏡半徑及光學(xué)元件間隔隨溫度變化情況。推導(dǎo)出了桁架式空間光學(xué)遙感器熱離焦計算公式。對熱離焦計算公式進(jìn)行分析表明，熱離焦量與溫度變化量成線性關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1]劉磊.空間三反相機(jī)調(diào)焦范圍的確定[J].光學(xué)精密工程，2013，21（3）：631-636.

[2]迪特恩.現(xiàn)代幾何光學(xué)[M].長沙：湖南大學(xué)出版社，2004.

[3]許求真.經(jīng)典卡塞格林系統(tǒng)熱差分析[J].激光與紅外，2011，41（4）：435-441.endprint