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。

遥感卫星分辨率日趋精细, 相机口径不断增大, 受限于运载器直径对刚性遮光罩系统尺寸约束, 柔性展开遮光系统在遥感器上逐渐应用, 空间柔性展开结构在轨工作状态对于主任务判定有重要作用。 报道了一种展开状态红外感知系统, 应用于我国高分七号相机遮光罩系统在轨展开状态监测。 首先介绍了高分七号双线阵相机及其遮光罩系统设计, 分析了展开状态红外感知功能的特殊要求和约束。 提出了一种利用“豆荚杆”作为传输通道的基于红外光线传输阻隔特性的新型展开状态感知方法, 系统包含了红外光线产生系统与接收系统, 采用红外光线产生系统发射的890 nm波段光线作为信息载体, 经空间柔性展开结构“豆荚杆”通道后由红外光线接收系统转换为电信号, 通过对电信号处理得到柔性结构展开状态信息。 系统具有无动作机构部件、 无较大能量消耗及数据带宽要求小等优点, 对原有展开过程基本不产生影响。 通过理论分析证明了该方法的可行性, 试验验证了该方法中红外光线产生系统光功率、 红外光线接收系统光电晶体管阵列上拉电阻以及工作温度等参数对展开判定准确性的影响。 通过试验得到, 现有展开状态红外感知系统的红外光线产生系统光功率参数大于25 mA、 红外光线接收系统上拉电阻特征参数大于15 kΩ是系统工作的理想包络。 在温度交变环境下, 当红外光线接收系统上拉电阻特征参数不大于50 kΩ时, 展开状态红外感知系统在125 ℃以下温度环境中能够有效的判定遮光罩系统的状态参数。 为同类型柔性遮光罩系统监测方案设计及在轨温度交变环境下应用策略提供了试验数据基础, 具有广泛前景。

根据城市夜光遥感相机研制要求,采用COOK TMA离轴三反光学结构形式,设计了一个视场为5°×2°,焦距为500 mm,F数为3.8,工作波段为0.4~0.8 μm的全反射式夜光遥感相机光学系统,采用主镜、次镜、三镜共光轴设计,提高了光学装调的可行性。选择合适的初始结构参数,利用CODE V软件进行光线追迹和优化设计,结果表明:光斑的方均根直径为2.305 μm,小于1/8像元,在25 lp/mm奈奎斯特频率处的光学调制传递函数大于0.92,接近衍射极限。采用外遮光罩、挡光环、光阑及消光漆等消杂光设计来降低杂散光水平,利用Tracepro软件对光机系统进行杂散光的仿真分析,结果表明:轴外视场为1°~80°时,点源透过率在10 -11~10 -3量级;太阳抑制角为65.96°~80°时,点源透过率小于1×10 -9,满足应用要求。

在保证“一对多”激光通信终端光学天线的成像质量前提下, 为解决光学天线两端面承担载荷的技术问题, 提出了一种用于卫星平台的可承载式激光通信光学天线。对主镜组件、可承载式遮光罩及次镜支撑桁架的结构形式以及连接方式进行正对性设计, 保证主镜面形精度以及次镜的位置精度。使用ANSYS有限元分析软件进行分析, 结果表明: 整机一阶模态151.54 Hz; 光学天线前端可承载8.5 kg, 后端面可承载13 kg; 径向1 g自身重力及两端承载工况下, 主镜面形精度RMS值(均方根误差)为λ/158、PV值(最大峰谷误差)λ/30, 次镜最大倾角1.88″; 在(20±5)℃环境温度、轴向1 g自身重力及两端承载工况下, 主镜面形精度RMS为λ/65、PV为λ/14, 次镜最大倾角1.21″, 该天线承载后具有较好的力、热稳定性以及成像质量, 可以满足天线在地面装调、检测以及发射过程中的指标要求。采用质量块模拟两端负载质量及重心位置, 使用ZYGO干涉仪进行测试, 结果表明系统波相差能够满足1 g重力及负载条件下, 系统波相差RMS值优于λ/15的指标要求。

为抑制杂散光对空间相机成像性能的影响,满足其严苛的质量和稳定性的要求,提出了一种主遮光罩的优化设计方法。基于图形法分析了遮光罩挡光环的位置分布,以结构柔顺度和质量最小为目标,以基频为约束,建立了遮光罩的多目标优化模型,并对遮光罩进行了尺寸优化设计。最终,遮光罩质量为0.24 kg,轻量化率达到38.6%。另外,进行了遮光罩的振动实验和整机的杂散光分析。结果显示:遮光罩的杂散光抑制性能良好,有限元分析结果与实验数据相对误差低于15%,表明设计的遮光罩的性能参数满足要求,验证了所采用优化方法的可行性。

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。

针对激光通信系统视场角小的特点和地球静止轨道外热流变化的情况,提出了在地球静止轨道激光通信系统的内壁添加栅板的遮光罩优化设计方案。采用能束均匀分布法,以光学天线主镜为例,进行了遮光罩的二次辐射分析,以能量遮挡率不高于3%为约束条件,得出了优化后的遮光罩结构。由优化后的遮光罩主镜、次镜温度水平和主镜、次镜温度差的仿真结果可知,与传统空心圆柱形遮光罩相比,所设计的遮光罩可以使激光通信可通率从81.51%提高到92.17%。