低轨对地观测双波段一体化光学系统杂散辐射抑制研究

论文摘要

相比用于低轨对地观测的可见光单一波段光学载荷,可见光加中波红外双波段载荷可以获取更多的信息,用途更为广泛:可见光、中波红外双波段光学系统不仅可以同时获取高分辨率的可见光图像和红外图像,还可兼顾在白天和夜间观测,从而实现全天时对地成像。同时,中波红外光学系统由于波段的优势,还可以识别军事伪装目标,并对可疑舰船的尾迹进行侦察,因此在军事应用方面更具优势。除此之外,中波红外光学系统还可获取不同季节的地球背景数据,在环境监测领域具有重要的应用价值。而且,对地观测多波段系统一体化设计逐渐成为空间载荷小型化发展的趋势。综上,研制低轨对地观测可见光、中波红外双波段一体化光学系统,能为我国带来巨大的军事效益和经济效益,有很强的现实意义。另外,就对地观测系统而言,对光学系统的杂散辐射抑制要求较高,这样才能适应复杂的工况。如果杂光抑制不当,就会降低目标的对比度与图像的层次感,严重影响成像效果。对于搭载在低轨卫星平台上的双波段一体化光学系统,地气光反照和地球自身辐射产生的杂散辐射影响都不可忽略,因此其杂光环境十分复杂,导致抑制难度明显大于高轨系统。同时,可见光系统与中波红外系统在杂散辐射抑制方面存在很大差别,甚至在某些情况下两者存在矛盾,相互制约。基于以上分析,针对低轨对地观测双波段一体化光学系统进行杂散辐射抑制方面的研究,具有重要的意义和较大的应用价值。本文以低轨对地观测双波段一体化光学系统的杂散辐射抑制研究为主线,围绕外部、内部杂散辐射数学模型的建立、500km轨道高度杂散环境特性的分析、双波段一体化光学系统的优化设计及像质评价、双波段一体化光学系统杂散辐射抑制设计等方面展开研究。论文的主要研究成果及创新点包括:第一,在双向散射分布函数数学模型的基础上,建立了光学系统内、外杂散辐射分析的数学模型,并分析了漫反射模型、Aeroglaze Z-306散射模型与实测BSDF参数拟合得到的ABg模型在外部杂散光抑制仿真时的差别。第二,提出采用对地球表面进行网格划分进行精确建模的方法,分析500km轨道地球作为面杂光光源,地表反照光对可见光系统产生的影响以及地球自身热辐射对中波红外系统产生的影响,通过数值积分的方法计算出整个有效地表反照区域的可见光波段能量,以及地球自身辐射在中波红外波段的能量,对杂光的抑制要求PST这一指标进行了计算。第三,提出对中波红外光学系统进行优化设计时,采用像差校正与自身辐射抑制相结合的设计方法,通过优化迭代给出不同透镜材料组合下的设计结果,通过比较MTF与光学元件的自身辐射总和,将成像质量与内部辐射抑制相结合去选取最终的设计方案,在保证光学系统像质的前提下,大幅度降低中波红外系统光学元件自身的辐射能量。第四,提出采用温阑改变制冷型探测器F数的方法,从而解决中波红外系统F数与探测器F数不匹配的问题,并在Tracepro杂光分析软件中分别建立了普通平面反射温阑与新型球面反射温阑的模型,仿真分析了两种温阑的自身辐射大小,结果表明到达探测器的球面温阑的自身辐射能量明显小于平面温阑的自身辐射能量,该方法为此类系统的温阑优化设计提供了理论分析方法和仿真验证参考。第五,在Tracepro中建立了双波段一体化光学系统的杂散辐射分析模型,给出了对外部杂散光、内部自身热辐射的抑制方法,提出了采用等效黑体温度这一参数对中波红外系统的内、外杂散辐射抑制结果进行综合评价的方法,并对中波红外系统的等效黑体温度进行了计算。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 引言
•   1.1 研究目的与意义
•   1.2 对地观测双波段光学系统国内外发展现状
•   1.3 对地观测系统杂散辐射抑制研究国内外发展现状
•     1.3.1 国外研究现状
•     1.3.2 国内研究现状
•   1.4 论文要解决的技术问题
•   1.5 论文主要研究内容及章节安排
• 第2章 杂散辐射分析数学模型
•   2.1 引言
•   2.2 杂散光传输理论
•   2.3 双向散射分布函数
•     2.3.1 BSDF定义
•     2.3.2 BSDF模型
•   2.4 光机表面BSDF建模
•     2.4.1 光学表面BSDF建模
•     2.4.2 结构表面BSDF建模
•     2.4.3 点源透射比PST
•     2.4.4 散射模型对杂散光分析结果的影响
•   2.5 蒙特卡罗杂散辐射计算法
•   2.6 杂散辐射分析数学模型
•     2.6.1 外部杂散光数学模型
•     2.6.2 内部杂散辐射数学模型
•   2.7 小结
• 第3章 低轨对地观测系统杂散环境特性分析
•   3.1 引言
•   3.2 低轨卫星杂散辐射来源分析
•   3.3 卫星所处空间外热流分析
•   3.4 太阳
•     3.4.1 太阳光照情况仿真
•     3.4.2 可见光抑制指标计算
•     3.4.3 中波波段抑制指标计算
•   3.5 月亮
•   3.6 地气光
•     3.6.1 地表反照光
•     3.6.2 地球自身辐射
•   3.7 小结
• 第4章 对地观测一体化光学系统设计研究
•   4.1 引言
•   4.2 光学系统设计
•     4.2.1 系统指标
•     4.2.2 可见光系统设计
•     4.2.3 中波系统设计
•     4.2.4 可见光中波红外系统整合
•     4.2.5 系统热光学成像分析
•   4.3 成像质量预估
•     4.3.1 地面采样距离
•     4.3.2 归一化边缘响应
•     4.3.3 信噪比
•     4.3.4 过冲项H、噪声增益G
•     4.3.5 NIIRS计算
•   4.4 凝视成像效果分析
•   4.5 小结
• 第5章 对地观测一体化系统杂散辐射抑制研究
•   5.1 引言
•   5.2 外部杂光抑制研究
•     5.2.1 遮光罩和挡光环
•     5.2.2 光阑设置
•   5.3 Tracepro建模仿真
•     5.3.1 Tracepro建模
•     5.3.2 外部杂散光抑制效果分析
•     5.3.3 中波红外系统内部辐射仿真
•     5.3.4 鬼像分析
•     5.3.5 中波红外系统冷反射分析
•     5.3.6 中波红外系统杂散辐射抑制性能综合评价
•   5.4 小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 论文的主要研究工作
•   6.2 创新点
•   6.3 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文及研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 闫佩佩

导师: 杨建峰

关键词: 高分辨率,对地观测,双波段一体化系统,温阑,消杂光设计

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: O43

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000052

总页数: 170

文件大小: 6860K

下载量: 63