星载大视场多光谱高分辨率CCD相机光学系统的设计

文章阐述了星载大视场多光谱高分辨率CCD相机光学系统的设计过程 ,并给出了设计结果。该系统采用像方远心光路与多光谱棱镜分光型式 ,4个谱段在整个视场的调制传递函数在Nyquist频率 77lp/mm处均接近衍射极限 ,满足了色漂移、多光谱光学配准、偏振、光学热补偿等工程要求。     

高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计

针对高空间分辨率、高光谱分辨率和大幅宽成像的遥感应用需求,提出了高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪技术方案,分析确定了成像光谱仪光学系统指标,设计了空间成像光学系统和光谱成像光学系统.空间成像光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案,实现了大视场、大相对孔径像方远心设计,系统相对畸变小于0.02％;光谱成像光学系统的狭缝长度超...     

大口径红外光学系统方案设计

高分辨率空间红外相机的光学系统具有大口径和大相对孔径的特点,针对某高分辨率红外相机的设计需求,根据三级像差理论计算了同轴三反系统初始结构,设计了传统的同轴三反和同轴偏视场三反系统。通过同轴两反主光学系统和离轴三反后光学系统合理的光焦度分配,设计了组合式五反系统共三种光学系统。设计的系统工作波长8~10μm,焦距7 000mm,相对孔径1…2.29,线视场角±0.58°×0.03°。在综合分析成像性能和光学加工、检测及系统装调等技术的基础上选定组合式五反光学系统为最终方案。五反光路结构尺寸为3 500mm×3 050mm×3 050mm,主镜达到3m级别,考虑到单镜整体加工检验难度,采用18块边长750 mm的正六边形子镜进行合成孔径拼接,子孔径拼接后系统全视场内的调制传递函数大于0.4,系统各项性能满足了技术指标。     

一种新型超大视场小畸变光学系统

光学遥感器正朝着高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、大视场等方向发展。在传统空间遥感系统的研制过程中,分辨率与大视场互为矛盾,但在某些场合下,不仅需要图像具有较高的分辨率,而且需要具有较大的视场。解决这一矛盾对空间光学的发展具有积极作用。文章介绍了一种新型多尺度单心光学系统,从其设计原理出发,给出了一个多尺度单心光学系统的设计实例。经验证该系统能够实现大视场,像面照度均匀、畸变小,全视场具有一致分辨率,无需扫描即可获取大视场图像。文章介绍的这种成像系统结构对未来超大视场高分辨率空间遥感器的设计提供了参考。     

基于Q型非球面的全景环带红外光学系统设计

全景环带光学系统凭借周视范围实时成像的特点已在超大视场光学领域中得到了广泛应用。传统的全景环带光学系统将折射、反射面集成在一片块状透镜中,光线在其内部进行多次折、反射导致头部单元体积较大,同时红外透镜材料密度大、折射率温度稳定性差等特点也与光学遥感器轻量化、可靠性高的应用需求相矛盾。文章基于像差理论,讨论了全景环带两反射镜红外光学系统头部单元初始结构设计方法,将Q型(Q-Type多项式)非球面引入全景头部单元增加优化变量,用偏离因子因子k_RMS数值表征非球面加工难度,设计了以两反射镜为头部单元的全景环带红外光学系统。该系统在奈奎斯特频率(20线对/mm)处调制传递函数优于0.5;全视场像元(25μm×25μm区域内)能量集中度优于65%,像质评价结果表明其成像品质良好。该设计在缩小系统体积、提高光学设计优化效率方面有很大的改进,满足超大视场实时成像的应用需求。     

轻小型高光谱成像仪前置望远系统设计

轻小型、高分辨率已经成为高光谱成像仪的发展趋势。文章基于Offner型光谱成像系统的结构特点,分析了高光谱成像仪前置望远系统的设计特殊性,利用同轴反射系统的几何光学理论求解方法,给出了一种长焦距、大视场的高光谱成像仪前置望远离轴三反远心系统的设计思路和设计结果,光学系统焦距2 500 mm,视场角达到12°。分析表明,该设计在奈奎斯特频率71.4线对/mm处调制传递函数接近衍射极限,结构紧凑,不仅适用于Offner型光谱仪前置望远光学系统,还可用于其它大视场远心光学系统。     

多尺度大视场十亿像素成像技术

十亿像素相机可以获取信息量较大的图像,在天文观测、航空航天遥感等领域具有广泛的应用前景。受探测器和光学设计水平的限制,传统的大视场十亿像素成像通过小视场相机扫描和图像拼接实现。为解决传统十亿像素相机实时性不高的问题,文章研究一种新型多尺度大视场十亿像素成像技术,从实现十亿像素成像的条件出发,阐述该技术的原理、优势及应用领域;分析系统独特的技术指标,包括物理锥角、重叠率等,梳理和归纳新型多尺度大视场十亿像素成像系统走向实用化过程中必须克服的关键技术。研究结果表明,该技术可在不提高系统复杂性的情况下大幅提高监视实时性。     

亚微米像元器件在空间应用中的光学系统设计

图像传感器是空间光学探测系统的核心部件,探测器像元尺寸越小意味着所能分辨的空间频率越高。小像元器件已经不断被应用于空间遥感领域,以捕捉更多信息,分辨更多细节。在相同分辨率要求下,小像元器件有助于降低系统体积和质量。研究分析了亚微米像元器件的特性以及与之匹配的光学系统设计难点。依据亚微米像元器件地面验证相机的指标要求,进行了初始结构的对比研究,设计出一套含折转镜的施密特光学系统,克服了传统施密特光学系统后焦面置于光路中引入较大遮拦的缺点,实现了基于亚微米像元器件的小F数大口径光学系统设计。该光学系统工作于可见光谱段,口径达300mm,F数为1.67,视场角为2.2°×2.2°,结构紧凑,体积小,像质接近衍射极限。公差分析后,全视场全谱段下调制传递函数在奈奎斯特频率357线对/mm处优于0.3。     

无热化大相对孔径星敏感器光学系统设计

提出了一种大相时孔径轻小型光学系统的设计方案,给出了设计方案及热分析结果.光学系统工作谱段500～800nm,视场角9°,相对孔径1／1.2,光学系统设计结果良好,弥散斑直径在两个像元尺寸之内,能够满足光学系统对能量集中度和弥散斑的要求.基于光学热补偿理论对光学系统进行了无热化分析和消热设计.通过分析不同温度下的传递函...     

新型立体测绘光学系统杂散辐射分析与抑制

针对国家发明专利《基于集成式共用主镜的双视场立体成像光学系统》(发明专利号:ZL2009 1 0243273.8)中所设计的光学系统,进行了杂散辐射的仿真分析及抑制。为了实现较大基高比的立体测绘,满足内方位元素的高稳定度,以实现对图像的高精度校正,采用了集成式共用主镜的双视场立体成像光学系统,它具有结构紧凑、轻量化及热稳定性好等特点。针对该光学系统独特的光学系统结构型式并实现其工程化,通过仿真并根据杂散光的传播路径进行了分类总结分析,通过采取有效的杂散光抑制措施,光学系统最终的杂散光系数为1.1075%,满足系统的使用要求。     

小视场红外光学系统设计

从红外光学系统的视场设计出发 ,分析了浸没透镜的厚度和曲率半径对光学特性的影响 ,介绍了小视场红外光学系统的设计方法 ,给出了弯月镜和浸没透镜的设计结果 ,试验表明小视场红外光学系统的设计是成功的     

空间相机离轴角引起的积分时间误差分析

光学遥感卫星中空间相机常用的离轴三反光学系统,离轴三反系统能扩大光学系统视场、提高系统调制传递函数（MTF）,但是离轴角会带来积分时间不同步的问题,文章对离轴角引起的积分时间不同步而产生的成像品质影响进行了分析。首先对离轴三反光学系统的离轴角建立数学模型后,应用STK软件仿真空间TDICCD相机在不同级数下离轴角带来的摄影点积分时间和星下点积分时间的差异,然后用Matlab编写程序处理得到的不同积分时间的采样点得出结论,离轴角越大,光学系统的传递函数越小,光学相机成像品质越差。在工程应用中,对一个确定离轴角的离轴三反光学系统,通过仿真,对积分时间调整给出了相应设计建议。     

北京三号B卫星相机像质评价方法

光学遥感相机的静态传递函数测试需要配套适当口径的平行光管,制造难度大、成本高,无法满足高性能、低成本的商业遥感载荷研制需求。文章提出一种基于异视场准直光路的像质评价方法,使用相机光学系统自身光路作为测试系统,通过异视场光路的准直,测得相机异视场叠加像质,对测试结果进行数据解算,最终得出相机各视场的真实波前信息。以北京三号B卫星相机研制过程为例,利用相机光学系统与自准直反射镜系统配合,采用上述异视场共光路测试方法,测量结果与传统方法测试结果进行对照,结果表明该方法测试结果准确、切实可行。     

偏视场光学系统视场优化设计方法

文章以同轴三反偏视场光学系统型式为例,利用ZEMAX宏建立优化函数,实现了将光学系统视场中心位置、视场大小作为变量进行优化设计,从而实现了综合考虑光学系统视场、像质及相关尺寸要求的整体优化.     

空间相机次镜在轨校正仿真分析

针对空间环境变化引起的面形误差和位置误差导致空间相机成像品质下降的情况,提出一种次镜调整补偿系统像差的多软件联合仿真方法。采用次镜调整来补偿系统像差的方法,利用条纹泽尼克多项式来拟合系统波前像差,建立像差系数和次镜调整量之间的多视场灵敏度矩阵模型,进而通过最小二乘法迭代计算求解出各调整量,实现次镜在轨校正的闭环控制。以偏视场同轴三反消像散光学系统为例进行仿真分析,次镜多次迭代调整可以使系统多个视场的波像差接近原始设计值。仿真结果验证了次镜在轨调整的像差补偿作用,为空间相机在轨主动像差校正技术提供了工程应用参考价值。     

SMILE卫星低能离子分析仪的设计与仿真

针对SMILE卫星的大通量动态范围、大视场范围（FOV）、高分辨率等离子体探测需求，以带顶盖半球形静电分析器为基础设计了低能离子分析仪（LIA）。仪器利用顶盖电压控制方式实现可变几何因子，通过高聚焦特性离子光学系统和视场偏转系统设计实现高分辨和大视场探测。利用SIMION有限元仿真软件对仪器的性能参数和几何因子变化规律进行研究，并优化了离子光学系统设计。通过仿真可以获得仪器的主要技术指标参数：能量范围0.05 keV~20 keV，能量分辨率0.0791，方位角视场360°，俯仰角视场范围可达±45°。     

多视场遥感图像虚拟焦面拼接理论误差分析

随着遥感对地观测技术的发展,对大视场、宽幅数据的需求日益增加,经常需要通过多幅遥感图像拼接来满足图像幅宽的要求。由多台相机同轨同时成像并拼接获取大幅宽遥感图像可以解决图像幅宽的问题。目前主要采用基于匹配的图像域拼接方法或根据成像几何关系生成虚拟拼接图像的方法获取宽幅图像。而生成虚拟拼接图像的方法物理意义明确且拼接后图像具有经典成像几何关系,成为图像拼接发展的趋势。文章根据同轨多视场图像虚拟焦面拼接原理,由摄影测量严格共线方程几何定位模型推导了多台相机不同视场图像的理论拼接误差计算公式,得出拼接误差的主要误差源;并仿真实验分析了拼接理论误差对图像拼接的影响,为多台相机拼接获取宽幅图像的设计和应用提供一定参考。     

一种遥感卫星宽幅无盲区拼接成像路径自主规划方法研究

为解决低幅宽卫星载荷因幅宽小而导致成像覆盖物面窄、效率低、使用复杂的缺陷,提出了一种多条带拼接成像路径自主规划方法。先完成单次侧摆成像规划:通过卫星、目标相对位置关系判断成像时机,规划包括姿态机动开始时刻、成像开始时刻、成像结束时刻、滚动目标姿态角,以及可成像总时长的成像时域确定。再进行多条带拼接成像规划:由成像开始时刻及姿态偏置要求确定条带拼接方向,计算图像拼接点位置参数;根据满足载荷成像最大允许俯仰姿态机动角和姿态机动速度,确定相邻次成像开始时刻卫星位置与姿态机动开始时间;由成像时刻的轨道位置、前后摆俯仰姿态角、图像拼接点位置及侧摆成像偏流角计算相邻次成像滚动目标姿态;根据确定的滚动、俯仰目标姿态角和成像位置迭代计算偏流角,确定偏航目标姿态。给出了相应的单次侧摆成像路径和最大面积多条带拼接成像路径的自主规划计算流程。仿真结果表明:该方法能根据卫星姿态机动能力、轨道参数及载荷视场角自主完成成像条件分析及路径规划,实现载荷对目标区域无盲区最大幅宽成像,提高成像效率及卫星在轨任务自主规划执行能力。     

异形遮拦光学系统衍射限MTF数值计算方法研究

根据光学系统理想光学传递函数(OTF)与光瞳函数P(x,y)的关系,文章提出了一种求取光学系统调制传递函数(MTF)的数值计算方法,以解决不能解析求解异形遮拦光学系统调制传递函数的问题。利用该方法可在光学设计初级阶段就能对光学性能进行预估,其中结合具体光学系统给出了若干计算实例并与该光学系统的实际指标进行了对比,基本一致,表明该方法可以在光学详细设计前实现较准确的光学系统成像性能预估。     

准直式地球模拟器锗准直透镜光学系统的设计

从视场设计出发 ,分析了锗基片的厚度和光学材料吸收特性对光学设计的影响 ,介绍了红外光学系统优化设计的方法 ,给出了设计结果 ,并与国内同类地球模拟器的光学特性进行比较 ,说明准直式地球模拟器光学系统设计是成功的。