基于传统光学成像系统的质心定位原理的角度测量技术一般存在测量精度的上限,约为像素的1/100。因此,要提高角度测量精度一般需要采用更长的镜头焦距和更大靶面的相机,增加了体积、重量和功耗,不利于设备的小型化,也不利于在对体积、重量和功耗有限制的平台(例如卫星和飞机等)上应用。基于计算干涉测量的远距离目标高精度角度测量技术,利用光学干涉的方法将目标光的角度变化转换为干涉条纹相位变化。因相位变化的测量精度可通过成熟的插值方法实现1/1000周期的精度,故干涉测量的角度精度相比传统光学方法大大提高。本文主要介绍基于计算干涉测量的远距离目标高精度角度测量技术的基本原理、主要特点、研究进展和存在的难点,希望通过该文引起广大同行的研究兴趣,一起推动该技术的快速发展和工程应用。

针对目前地基空间探测红外成像系统对高灵敏度、高探测能力及信噪比的要求, 对地基冷光学红外成像技术进行了研究, 包括红外杜瓦冷却系统内部辐射抑制、系统终端快速制冷、低温红外探测器的研制、低温冷光学系统设计装调等关键技术。在各项系统技术突破的基础上, 研制出一套相对孔径1:10、分辨率320×256、兼容中波3~5 μm和长波8~10 μm波段的冷光学红外成像终端。系统终端实现制冷温度最低至42 K, 真空度10-5 Pa量级。将终端与1.23 m口径地基望远镜对接, 对月亮和红外标准星观测具有良好的成像效果。该系统的研究为地基大口径冷光学红外探测技术提供参考。

对空间目标白天探测的关键技术, 包括大气透过率分析、天空背景辐射分布、探测能力计算等进行了研究。在此基础上选取K波段光谱在1.23 m口径地基光电望远镜上进行白天观测实验, 对关键技术进行验证。实验数据表明, 经过优化设计此系统在30°俯仰角时白天极限探测10.38等星, 较未优化前白天探测能力提高24.9%, 为中高轨卫星的全天时观测提供重要依据。

为了实现对红外滤光片辐射特性的量化分析,研究了一种红外滤光片截止波段等效发射率反演方法,并建立了反演方法的基本数学模型。在有、无红外滤光片的情况下,分别对红外成像系统进行辐射定标,并基于定标结果计算红外滤光片截止波段的自身辐射;基于极坐标系下的有限面源至微面源辐射模型,反演红外滤光片截止波段的等效发射率。根据基本数学模型开展了反演实验,在积分时间为0.8 ms与4.0 ms两种实验条件下对中波红外滤光片进行反演,取两次实验结果的算术平均值(0.420)为等效发射率反演结果,则其等效反射率约为0.580;两次实验结果的相对差异较小,约为1.9%。开展了中波红外滤光片的反射成像实验,证明了其在截止波段具备较强的反射辐射特性,定性地验证了反演实验的结果。

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。700 mm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。

采用直接最小二乘法和自由谐振法对大口径高刚度SiC主镜进行主动校正易引入较多解算误差, 故本文提出以主镜的本征模式进行主镜面型校正来优化解算校正力幅值, 以改进系统校正效果。该方法首先对主镜的响应矩阵进行一系列数学转换, 得到一组相互正交的主镜本征模式, 然后以各模式面形拟合校正目标, 解算校正力。对1.23 m SiC主镜和主动支撑系统进行了有限元建模, 通过仿真验证了提出方法的正确性。在此基础上, 在搭建的1.23 m SiC主镜主动光学实验系统上进行了主动光学校正实验, 并针对实验系统进一步优化了提出的方法。实验结果显示: 利用该方法可将实验系统主镜面形误差由0.23λRMS校正至0.048λRMS, 表明以主镜本征模式进行主动校正, 可有效抑制解算校正力幅值, 提高系统校正能力。该方法适用于大口径、高刚度SiC主镜的主动校正。

考虑标准红外星定标方法无法测定地基大口径红外光电系统像元级的辐射响应度, 进而导致对系统存在的非均匀性现象适应能力差的问题, 提出了基于标准红外星与小口径黑体的联合辐射定标方法。该方法以标准红外星为外定标参考源, 测定全光路系统的辐射响应度; 以小口径黑体为内定标参考源, 测定半光路系统像元级的辐射响应度; 最后, 结合内、外定标结果推算前端光学系统透过率, 进而实现系统的全光路像元级辐射响应度定标。开展了自然星红外辐射特性测量实验, 并与标准红外星定标方法进行了对比。结果显示: 提出方法获得的目标最大反演误差为15.89%, 而标准红外星定标方法在最理想情况下获得的最大反演误差为15.92%, 表明提出方法的定标精度高于标准红外星定标方法。另外, 提出方法能够测定全光路系统像元级的辐射响应度, 克服了系统响应非均匀性的影响, 进而提高了红外探测器的焦平面利用率, 弥补了标准红外星定标方法的应用缺陷。

针对三组式伸缩型结构高倍率变焦距镜头设计进行了研究。对含中间固定组的三组式结构高斯光学进行了讨论, 给出了高倍率设计的高斯解范围和选取原则, 并编制了可视化辅助设计软件, 为高斯参数的最优化选取提供条件。采用这种结构设计了一套焦距12~600 mm、变倍比50倍、视场角0.85°~41.2°的伸缩型变焦距镜头, 短焦时前片至像面175 mm、长焦时为309 mm, 长焦端远摄比达0.51; 各焦距位置在100 lp/mm处轴上视场调制传递函数(MTF)大于0.3, 边缘视场MTF大于0.2, 同时系统具有小型、便携的特点。