星载反射式成像系统计算光学设计方法综述

星载反射式遥感成像系统的结构集成度高、光学面型复杂,面临光学初始结构难以求解和像质优化难以收敛的设计难题。综述着重探讨星载反射式成像系统中的计算光学设计方法。星载反射式成像系统计算光学设计,包括复杂曲面反射镜、曲面反射型光栅等硬件设计,以及计算成像图像解码等算法设计。面对星载遥感成像的不同应用,文章从深度学习光学结构设计、合成孔径计算成像、景深延拓计算成像、主动光学计算像差补偿和曲面光栅计算光谱成像等几个方面进行系统性地分类讨论。本综述结论为：基于计算光学的设计方法,无论在光学结构与面型求解方面,还是图像信号非线性逆问题求解方面,都具有强大的设计能力。在发展趋势上,计算光学在航天光学系统的设计潜力刚刚被挖掘。在“人工智能时代”的软、硬件算力支持下,计算光学方法将大大提升星载反射式成像系统设计的便捷性。     

太阳极紫外成像仪光学系统研制

文章针对太阳观测的物理需求,完成了角分辨率优于1″的太阳极紫外成像仪光学系统的研制。该系统采用经典卡塞格林光路结构。使用ZEMAX软件对所设计的光学系统进行分析,结果表明其在视场角±17′内的光斑均位于1个像素(13.5μm×13.5μm)范围内。在光学系统研制完成后,采用一种间接方法来检测光学系统角分辨率:首先利用ZYGO干涉仪检测光学系统的波像差,再根据检测的出瞳面上的波像差结果,计算出光学系统在19.5 nm工作波段的点扩散函数;结果表明,光学系统在视场角±17′的范围内,像素环围能量比均优于80%,在19.5 nm波段的角分辨率优于1″。     

太阳X-EUV成像望远镜的移动补偿系统

卫星帆板转动和自身颤动会导致太阳X射线-极紫外射线(X-EUV)成像望远镜的成像质量下降.用移动补偿系统控制相机的CCD驱动器,使势阱转移到相邻相的位置上,转移的方向正好与图像在传感器上移动方向一致,使得图像的每个光子在移动后仍然落入传感器的同一个势阱内,补偿由于帆板移动造成的图像偏移.CCD相移沿列的方向进行,而CCD的列平行于东西向.高精度太阳敏感器使用两轴直角坐标来定位太阳的位置.移动补偿系统只使用其中一个轴向数据,由于南北指向误差远远小于东西指向,因此不对南北指向补偿.该移动补偿系统利用高精度太阳敏感器构成半闭环控制系统,通过偏移CCD势阱来实现一个方向上的移动补偿.该方案可以在不增加成本的前提下,消除长时间曝光过程中的太阳的平移和帆板颤动对图像质量造成的影响,扩大动态观测范围.      

太阳极紫外光谱仪无缝成像技术研究

传统极紫外成像光谱仪无法实时观测大范围的太阳活动.无缝成像技术使得光谱仪能够获得大视场范围内的太阳空间信息和光谱信息.通过无缝成像光谱仪成果分析,提出了一种改进的光学设计思路,并通过模拟数据重建证明其能够大幅提高多普勒速度反演的准确性,从而极大提高了观测数据的可信度.      

适用于微纳卫星的微型电离层光学探测器

文章介绍了质量小、体积小的微型电离层光学探测器技术,给出了探测器的探测原理和设计方案,通过探测原子氧远紫外夜气辉(136.5 nm)辐射强度,反演电离层总电子含量(TEC)。采用轻量化铝反射镜、抗干扰电荷前放设计,实现反射镜、工业级远紫外探测器、电子学的一体化和小型化,研制出适用于微纳卫星的1 kg量级微型空间电离层光学探测器。该型探测器能够利用微纳星群多种轨道搭载,可获得丰富数据的优势,获取全球电离层高时空分辨率总电子含量分布,为未来实现卫星编队探测提供载荷研制基础。     

空间太阳极紫外无狭缝光谱成像技术综述

太阳光谱成像观测是太阳物理和空间天气研究的重要数据来源。极紫外观测是目前在空间观测太阳的主要手段。现阶段太阳极紫外成像主要通过极紫外成像望远镜和狭缝成像光谱仪实现。成像望远镜能直接获得全日面的活动图像,但不能得到对应的光谱信息。狭缝成像光谱仪可以得到高光谱分辨率的光谱信息,但视场很小,不能得到整个活动区域的信息,限制了对于太阳爆发现象的观测。无狭缝光谱成像技术可以突破这种限制,得到带高分辨率光谱信息的全日面图像,从而获得太阳爆发现象的形态演化、速度、角度信息,对于太阳物理研究和空间天气预报有独特优势。文章综述了自20世纪70年代以来发展的3种太阳极紫外无狭缝成像技术形式,说明了其各自的优缺点;介绍了近年来发展的多级衍射光谱成像方式的原理,旨在为发展我国新型空间太阳观测仪器提供借鉴。     

天基X射线掠入射式成像望远镜发展现状

阐述了太阳X射线成像观测在空间天气预报中的地位和作用，叙述了掠入射式X射线聚焦成像的基本原理，简要介绍了在轨成功运行的天体X射线成像望远镜和太阳X射线成像望远镜的基本设计和技术指标，并介绍了国内正开发研制的专门服务于空间天气预报的太阳X射线成像望远镜基本设计和主要特点．     

多谱段全日面极紫外成像仪

在极紫外波段对太阳进行成像观测是研究太阳活动、日冕中等离子体物理特性的重要手段.传统极紫外成像仪或光谱仪无法同时实现高光谱分辨率和大视场的太阳成像.本文设计了一种新型太阳极紫外多谱段成像系统,采用无狭缝光栅分光方式实现了高光谱分辨率和空间分辨率的全日面成像,成像视场可达47',光谱分辨率每像素2×10-3 nm,空间分辨率每像素1.4',全日面时间分辨率优于60s.通过分析谱线的全日面成像图和系统响应,表明成像仪能大范围的观测太阳活动形态演化,为太阳物理研究和空间天气预报提供更完整的观测数据.      

反射式紫外天基单镜计算成像系统设计

紫外天基成像是目前对太阳观测的主要手段之一。针对紫外天基遥感对成像系统高分辨、轻量化的需求,开展了紫外天基单镜计算成像系统研究,应用“光学镜面设计”与“计算成像”相结合的思路,通过对球面、六次偶次非球面、十次偶次非球面、Q-type面、Zernike多项式面的天基反射镜成像光学系统设计,以及基于傅里叶叠层超分辨的计算成像分析,验证了该设计方法可在波长135 nm紫外光波段实现5.4°圆视场、分辨能力优于0.11 mm的设计指标。反射式六次偶次非球面具备一定的综合优势。