天基紅外成像系統(tǒng)是一種以空間飛行器為搭載平臺,應(yīng)用于空間環(huán)境的光學(xué)精密儀器,它以獲取海洋、地面以及空間運動物體的影像為主要功能。該譜段在夜視、透煙、透霧等方面有獨特的應(yīng)用價值,因此天基紅外成像系統(tǒng)的研制有極大的需求。本文面向天基紅外探測的需求,以某天基平臺的項目為依托,對一種應(yīng)用于低軌太陽同步軌道、有效幅寬百公里量級、地面分辨率十米量級、工作波長為3μm-5μm的紅外成像系統(tǒng)開展了研究工作,本文的主要工作內(nèi)容包括如下幾個方面:1)針對技術(shù)指標的需求,著重分析了如何在保證高分辨率的同時,實現(xiàn)大幅寬,對比了多種方案,選擇了垂軌擺掃的工作模式來滿足幅寬要求,并基于這種工作模式,對紅外成像系統(tǒng)的覆蓋能力進行了分析;2)光機鏡頭作為紅外成像系統(tǒng)二維轉(zhuǎn)動機構(gòu)的負載,它的質(zhì)量特性,包括質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等,都對伺服系統(tǒng)的控制水平有極大的影響,且衛(wèi)星平臺為紅外成像系統(tǒng)的安裝空間有嚴格的限制,基于此,本文提出光機鏡頭緊湊化、輕小型的設(shè)計思路對光機鏡頭進行設(shè)計,通過合理選擇光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、合理的規(guī)劃光學(xué)系統(tǒng)折轉(zhuǎn)方向與折轉(zhuǎn)位置,實現(xiàn)了光機鏡頭內(nèi)部各個部組件的合理布局,達成了光機鏡頭緊湊化、輕小型的目標,遠攝比達到了0.21;3)天基紅外成像系統(tǒng)所工作的空間環(huán)境極其復(fù)雜,受周期性變化的外熱流及冷黑空間的交替作用,將產(chǎn)生極大的溫差,這對紅外系統(tǒng)來說是致命的,本文對紅外成像系統(tǒng)的熱環(huán)境適應(yīng)性進行了設(shè)計,一方面采用無熱化的設(shè)計方法提高光學(xué)系統(tǒng)的適應(yīng)能力,另一方面采用熱控設(shè)計的方式控制光學(xué)系統(tǒng)的熱環(huán)境;4)紅外成像系統(tǒng)通過衛(wèi)星的調(diào)姿實現(xiàn)對目標的指向后,采用擺掃成像的工作模式,通過其自身在俯仰向和方位向的擺掃實現(xiàn)對目標區(qū)域的成像,這種模式下,整星的飛行與紅外相機在偏航方向的擺掃都將產(chǎn)生的像移,因此一方面要求系統(tǒng)具備二維轉(zhuǎn)動機構(gòu)進行成像擺掃,另一方面要求系統(tǒng)具備二維補償機構(gòu)對衛(wèi)星運動及擺掃所產(chǎn)生的像移進行補償,基于此,本文設(shè)計了一種具備粗、精跟蹤能力的的復(fù)合軸轉(zhuǎn)動機構(gòu),提高了紅外探測器工作效率,擴大了覆蓋寬度,同時減小了對整星平臺的穩(wěn)定性影響;并詳細介紹了天基動基座復(fù)合軸轉(zhuǎn)動機構(gòu)的設(shè)計過程與選型方法。5)二維轉(zhuǎn)臺作為粗跟蹤的實現(xiàn)單元,其控制殘差的大小直接影響到精跟蹤的成敗,本文提出將二維轉(zhuǎn)臺的設(shè)計與伺服控制帶寬要求相結(jié)合的設(shè)計方法;6)考慮到衛(wèi)星運輸與發(fā)射過程中系統(tǒng)都必須經(jīng)歷嚴酷的力學(xué)環(huán)境,結(jié)構(gòu)設(shè)計要求做到高剛度、高強度以及低質(zhì)量,而用于承載相機本體的安裝支架是整個系統(tǒng)中的主要承力部件,對相機的力學(xué)性能有著非常重要的影響,本文設(shè)計了一種全碳纖維材料(鑲嵌件除外)、高剛度、高穩(wěn)定性、高度輕量化、桁架形式的安裝支架,充分利用了碳纖維絲軸向剛度高的優(yōu)勢,所設(shè)計的安裝支架尺寸約為350mm×430mm×360mm,一階基頻約為222.7Hz,承載質(zhì)量約為16kg,而自身質(zhì)量僅為3.8kg,能夠滿足需求;7)本文所設(shè)計的紅外相機為天基動基座復(fù)合軸轉(zhuǎn)動機構(gòu),若無法實現(xiàn)其運動補償,則相機的成像質(zhì)量將無法保證,因此本文最后采用坐標變換的方法,建立了天基動基座兩維復(fù)合軸轉(zhuǎn)動機構(gòu)的像移補償模型,并采用蒙特卡洛算法對像移補償殘差進行了分析,最后通過半實物仿真試驗、外景成像試驗以及最終的入軌成像驗證了系統(tǒng)功能與像移補償模型的有效性。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN219;TP391.41
【部分圖文】：

[13-15]。1990年，美國成功發(fā)射的Hubble Space Telescope，如圖1.1所示。Hubble的主光學(xué)系統(tǒng)為2.4m口徑的RC系統(tǒng)，焦距57.6m，有效集光面積4.5m2，工作在可見光和近紅外波段，發(fā)射質(zhì)量達到11110kg，總長度接近13.2m，運行在560km的近地軌道，可進行在軌維護，1996年維修后

第 1 章 緒論本成功發(fā)射了紅外天文衛(wèi)星AKARI，衛(wèi)星的主光學(xué)2m的RC系統(tǒng)，可以對天體目標進行高空間分辨率和3臺紅外探測儀器，工作溫度約為2K[21-24]。ace Telescope是2008年美國宇航局發(fā)射的一個空間天zer的主光學(xué)系統(tǒng)為口徑0.85m、焦距10.2m的RC系統(tǒng)外相機、紅外光譜儀、紅外成像光度計；其中，紅外立波段，以1.2″的分辨率對目標拍攝成像[25-29]。

圖 1.2 Spitzer 空間望遠鏡Figure 1.2 Spitzer Space Telescope09年，歐洲宇航局發(fā)射的Herschel Space Obervatory，是目前太空中口徑顆紅外天文衛(wèi)星，如圖1.3所示。Herschel的主光學(xué)系統(tǒng)為3.5m口徑、28系統(tǒng)，有效集光面積9.6m2，國家天文臺參與了部分研制任務(wù)，圖1.3為el太空望遠鏡示意圖[30-35]。
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本文編號：2860172