1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
3 中国科学院 空间光学系统在轨制造与集成重点实验室，吉林长春100
4 北京胜泰东方科技有限公司，北京10002
为实现真空100 K低温环境中的红外设备测试，设计了一种离轴三反式的准直系统。该系统采用无热化设计，整机结构选用SiC材料，在镜体与支撑结构连接处采用C形开口胀销作为柔性结构，补偿连接结构的低温变形。系统整体除反射镜外，其余部分全部包裹在低温辐射冷板内。低热导绝热支撑结构在热传导链中起热屏蔽作用，实现系统的绝热支撑和快速制冷。在100 K低温环境下对单镜进行仿真分析，主、次、三镜的面形误差均小于λ/50；整机分析得到主、次、三镜的面形误差均不大于λ/30。常温下系统各个视场波前差在λ/14~λ/8内，低温下系统视场波前差在λ/8~λ/7内，根据瑞利判据可认为波面无缺陷。当λ=632.8 nm时，常温下系统在50 lp/mm频率的调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）大于0.7；低温下的MTF大于0.6，满足系统在50 lp/mm MTF大于0.6的使用要求。仿真结果表明，准直系统可以在100 K真空环境中稳定输出平行光，满足低温红外设备的测试需求。在快速辐射制冷材料级实验中，历经18 h，温度稳定在130 K；历经30 h，SiC镜坯温度稳定在110 K。该实验验证了SiC反射镜快速辐射制冷的可行性。
光学系统设计 准直系统 离轴三反系统 红外 光机热分析 低温 optical system design collimation system off-axis three-mirror system infrared optical mechanical thermal analysis low temperature
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为了进一步提高合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)面对海量回波数据的实时成像处理能力，基于4f光学结构对SAR实时成像光学处理器进行了光机系统设计和分析。首先，设计了适用于滤波算法的入瞳直径21 mm、视场角7°、焦距172 mm的傅里叶变换透镜，并对4f光学系统采取紧凑化设计。然后，利用集成优化方法优化了4f光机结构中的柔性镜座，并对整体结构进行了模块化设计和分析。分析结果表明：4f光学系统成像质量趋于衍射极限，傅里叶变换透镜的MTF在55 lp/mm处优于0.57，4f光机系统在常温1
g重力工况下透镜面形RMS值小于
，整体结构基频大于100 Hz。4f光学处理器整体尺寸为405 mm×145 mm×92 mm，质量约为2.94 kg，其体积、质量分别仅是同等SAR数据处理水平的斜平面光学处理器的30%、48%。通过数据的模拟仿真，表明系统设计满足星载或机载的实时成像使用需求。
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
提高光机结构的温度适应性对空间相机降低热控难度、提升系统稳定性具有重要意义。根据统一材料结构可以消除系统热差的原理，选用铝合金材料对某可见光波段空间相机的光机结构进行了设计，并完成了实际工况下的工程分析，达到了在 20℃±15℃均匀温度变化与不同方向重力耦合状态下，像质均满足 MTF(modulation transfer function)在 71.4 lp/mm处大于 0.3的成像指标。采取常用的不同材料搭配方案进行对比分析，相同工况的全铝结构稳定性远优于不同材料方案，验证了统一材料的光机结构在温度适应性方面的优势。
空间相机 光机结构设计 温度适应性 全铝结构 光机集成分析 space camera, optical machine structure design, te
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
针对口径为 300 mm的一体化铝合金反射镜进行了拓扑优化设计，在反射镜光轴方向的自重载荷下，以整体柔度作为约束，反射镜最小体积作为目标进行迭代优化，得到了拓扑优化结果模型，根据其特征建立了实体模型并进行了参数优化，最终得到了总质量为 2.08 kg、面形均方根 RMS(Root Mean Square）为 5.9 nm、轻量化率为 70%的一体化反射镜结构。通过参数优化，结合与对比结构的对比验证了拓扑结构特征的有效性，并进行了支撑特性分析。中心六边形的支撑结构和半封闭的结构在自重工况下对面形精度的提升有极大贡献。中心六边形结构存在最佳支撑位置，即正六边形高度与直径比值为 0.26。
铝合金反射镜 拓扑优化 参数化优化 支撑特性 aluminum alloy mirror, topology optimization, para
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
红外光机系统在低温环境工作能够抑制背景噪声提高探测灵敏度, 也提高了反射镜组件结构设计难度。低温反射镜支撑结构设计主要问题是由反射镜与连接件热线胀系数不同导致的温度变化工况下的面形变化。对工作于 240 K的.450 mm反射镜组件进行结构设计, 反射镜材料为 SiC, 连接件材料为殷钢, 采用背部中心单点支撑形式与三角形轻量化形式, 并设计柔性连接件提高低温面形表现。对主要设计参数进行优化分析, 得到各参数对面形的影响曲线。优化后, 反射镜光轴方向重力面形为8.585 nm, 径向重力面形 3.710 nm, 240 K低温面形 5.086 nm, 一阶模态 277 Hz, 轻量化率 89.4%。
有限元分析 低温反射镜 背部中心支撑 支撑特性 finite element analysis cryogenic mirror support in center supporting characteristics
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033
为了实现对合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)数据实时成像处理的目的，在利用空间光调制器(SLM)的基础上，设计了SAR数据实时成像斜平面光学处理器，并调整光路，在保证像质的情况下减少系统所占体积。首先，利用SLM代替传统斜平面处理器中的胶片，提高SAR数据光电转换的速率。然后，根据已知的SAR相关数据设置光学处理器的结构参数。根据SAR的横纵缩尺比设计满足要求放大率的柱透镜，根据柱透镜的总体长度设计球面镜，以保证柱透镜有足够的工作空间，球面镜部分设计为4组元全对称结构形式。设计完成后，再调整光路以减少系统所占体积，紧凑轻便以便于星载或机载使用。设计结果表明，系统MTF在截止频率内均大于0.4，满足成像要求。光路优化调整后，由总长1 400 mm左右变为700 mm左右，满足设计要求和实际使用要求。
合成孔径雷达 光学处理器 实时成像 紧凑型结构 synthetic aperture radar optical processor real-time imaging compact structure
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
太阳Hα空间望远镜是国际上首次实现全日面Hα单色像(包括Hα线心和线翼3个波段)的空间观测望远镜,对太阳物理研究有着重要的意义。信噪比是定量评价空间望远镜成像质量和工作稳定性的重要指标, 因此信噪比的计算和估计对太阳Hα空间望远镜的研制和使用至关重要。本文从太阳Hα空间望远镜工作原理和能量传递的角度出发, 建立了信噪比计算模型, 推导了信噪比计算公式。在此基础上计算了信噪比以及曝光时间区间, 给出了最佳工作状态下单像元和像元合并情况下曝光时间分别为5 ms和10 ms。实验结果表明, 计算值和测量值误差在1%以内, 由此可以验证该信噪比计算模型的准确性和实用性。
空间望远镜 太阳Hα成像 信噪比 space telescope solar Hα imaging signal to noise ratio
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
提出一种基于能量约束的自适应加权图像盲复原算法。首先,将图像划分成多幅子图像,引入图像梯度作为权重构建加权光学传递函数估计模型,以减少图像纹理对光学传递函数辨识的影响;其次,根据图像信号能量建立约束方程,采用二分法选择最优复原结果,实现自适应图像盲复原。仿真实验和多光谱遥感图像实验结果都表明,该算法具有较高的峰值信噪比和结构相似度,能有效恢复高斯类模糊图像,增强图像细节分辨能力,提高图像的主观视觉效果。该算法可应用于数据量大、实时性强的领域。
图像处理 光学传递函数 图像复原 图像信号能量
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
设计了一个应用于轻小型空间相机的碳纤维框架。根据光学系统中各光学元件的空间分布特点, 通过比较选择结构性能和工艺性能优异的M40J碳纤维复合材料完成了相机框架的结构设计, 并使用TC4预埋镶嵌的方法解决了碳纤维框架接口精度低的问题。对碳纤维框架进行区域划分, 采用集成仿真与优化设计方法、遗传算法全局寻优与单纯型下山法局部寻优的组合优化策略对碳纤维框架各区域结构参数进行优化设计。经过优化, 碳纤维框架包含TC4预埋件的总质量为15.6 kg, 仅占相机整机质量的18.4%, 相机的一阶频率达104.8 Hz。最后通过力学环境试验得到相机整机一阶频率为102 Hz, 与仿真结果相符, 进一步验证了设计的合理性和正确性。文中提出的碳纤维框架方案对轻小型空间相机设计有一定的借鉴意义。文中所采用的优化方法可广泛应用于空间相机光机结构设计中, 能大幅度提高设计效率, 缩短研制周期。
空间相机框架 碳纤维复合材料 集成优化 组合优化策略 framework of space camera carbon fiber composite integrated optimization combined optimization strategy
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
由于大口径空间相机对空间环境变化和卫星内部振源引起的微振动十分敏感, 本文研究了影响成像质量的微振动频率响应的计算方法, 以改善相机的在轨动态成像质量。该方法通过实际光学模型取代线性光学模型, 建立微振动光机集成模型, 从而计算影响成像质量的微振动频率响应。首先, 建立大口径空间相机有限元模型, 进行结构频率响应计算, 得到采样频率点的光学表面节点位移和相位。然后, 通过蒙特卡洛分析方法, 建立微振动光机集成模型, 以均方根光学系统动态传递函数和视轴漂移衡量大口径空间相机动态成像性能。最后, 研制了大口径空间相机力学样机, 对其进行了振动试验, 验证了有限元模型的正确性。试验结果表明仿真结果与试验结果接近, 误差均在5%以内, 满足大口径空间相机动态成像质量分析的要求。
大口径空间相机 机载望远镜 像质 微振动 视轴颤振 集成分析 large-aperture camera space-borne telescope image quality micro-vibration line-of-sight jitter integrated analysis
