基于热光学技术的空间光学系统热设计

空间光学技术1. 简介空间光学技术是一种应用于航天领域的高精度光学探测技术。

它利用光学器件和仪器来观测和分析地球上的大气、海洋、陆地等目标，并获取相关的信息。

空间光学技术的发展使得我们能够更好地了解地球和宇宙，为科学研究和应用提供了重要的数据支持。

2. 历史发展空间光学技术起源于20世纪中叶，随着航天技术的快速发展，人类开始尝试将光学仪器应用于太空探测中。

最早的空间光学任务是通过搭载在卫星上的相机拍摄地球表面的照片，以获取全球范围内的高分辨率图像。

随着科技进步，空间光学技术逐渐从简单的图像获取发展为更加复杂和精确的观测手段。

现代空间光学任务常常搭载高分辨率相机、光谱仪、干涉仪等多种仪器，可以对大气成分、云层特性、地表温度等进行精确测量和分析。

3. 技术原理空间光学技术的实现基于光学原理和仪器设计。

主要包括以下几个方面：3.1 光学原理空间光学技术利用光的传播和反射、折射等现象进行观测。

通过合理设计的光学系统，可以将目标物体反射或发射的光线聚焦到探测器上，并转化为电信号进行处理和分析。

3.2 光学仪器设计空间光学仪器需要考虑航天环境对仪器性能的影响，如重力、热量、辐射等。

合理的仪器设计可以提高探测精度和稳定性，保证数据的准确性和可靠性。

3.3 数据处理与分析空间光学技术获取的数据通常是大容量、高维度的信息，需要借助计算机等工具进行数据处理和分析。

常见的方法包括图像处理、谱线分析、模型模拟等，以提取目标信息并进行科学研究。

4. 应用领域空间光学技术在多个领域得到广泛应用，主要包括：4.1 气象观测空间光学技术可以通过观测大气成分、云层特性等参数，提供天气预报、气候变化等方面的数据支持。

同时，它还可以监测大气污染、臭氧层破坏等环境问题。

4.2 地质勘探空间光学技术可以对地表进行高分辨率的观测和测量，帮助科学家研究地质构造、地震活动、火山喷发等自然灾害，并提供相关的预警和应急措施。

4.3 农业与林业空间光学技术可以对农田和森林进行遥感监测，了解植被生长状态、土壤水分含量等信息，为农业生产和森林管理提供指导。

光热镜场光学系统的光学设计与改进一、简介光热镜场光学系统是一种利用镜面的光学原理来集中光线并转化为热能的技术。

它具有高效能的特点，广泛应用于太阳能电力、太阳能热水器等领域。

本文将重点探讨光热镜场光学系统的光学设计和改进方法。

二、光学设计1. 光学系统结构光热镜场光学系统通常由反射面和透明外壳组成。

反射面可以是平面镜或曲面镜，其作用是将入射光线反射到一个焦点上。

透明外壳则可以在光学系统内形成一个密闭的空间，提高光热转化效率。

2. 反射面的选择反射面的选择直接影响到光热镜场光学系统的性能。

一般情况下，选择具有高反射率和较低散射率的材料制作反射面，如镀有银膜或铝膜的镜面。

此外，根据所需的光学性能，可以选择不同的反射面形状，如抛物面反射面、球面反射面等。

3. 光束调节为了提高光热转化效率，在光热镜场光学系统中，常常需要进行光束的调节。

可以通过添加聚焦镜、聚光镜或光纤等光学元件来重新聚焦光束，使得光线落在反射面上的角度更加合适，提高光的利用率。

4. 系统参数优化光热镜场光学系统的设计还涉及到一些系统参数的优化。

例如，透明外壳的选择要考虑透过率和耐热性能，以保证光热转化效率和系统的长期稳定性。

反射面的大小和夹角也需要根据具体需求进行优化，以获得最佳的光学性能。

三、改进方法1. 界面反射损失降低在光热镜场光学系统中，界面反射会导致一部分光线的损失。

为了降低界面反射损失，可以采用增加抗反射涂层、调整光线角度或优化界面形状等方法。

这些改进措施可以减少反射损失，提高光的利用率。

2. 温度梯度控制光热镜场光学系统在工作过程中，会受到太阳辐射的热量影响而产生温度梯度。

这个温度梯度会对光学系统的性能产生负面影响，例如导致镜面形状变化、引起光线偏折等。

因此，控制温度梯度是改进光热镜场光学系统的重要方法之一。

可以采用散热装置、优化外壳设计或调整材料等方式来控制光学系统的温度梯度，提高系统的稳定性和性能。

3. 光热转化率提高光热镜场光学系统的效率主要取决于光热转化率。

空间光谱成像仪热设计参数的灵敏度郭亮;吴清文;颜昌翔【摘要】针对空间光学遥感器在轨运行期间其热物理属性的实际参数与热设计参数之间存在一定的偏差,从而影响整机热设计的问题,本文基于系统灵敏度理论,对空间光学遥感器的热设计进行了分析,并建立了在轨条件下的热平衡方程组.通过分析热平衡方程组的设计变量,总结出影响整机温度分布的热设计参数.以某空间光谱成像仪热设计为例,分析了上述影响整机温度分布的设计参数的灵敏度.灵敏度分析结果表明:整机平均温度对太阳吸收系数的灵敏度几乎为零；对红外半球发射率的灵敏度为2.2～14.55℃；对内部热源的灵敏度为1.8～2℃/W；对导热率的灵敏度为2.25×10-3～4.39×10-2 m℃2/W:对接触导热系数的灵敏度为0～1.1×10-3m2℃2/W.试验验证结果表明,基于灵敏度分析结果的热控设计方案有效且可行.%As the deviation between the real parameters and the thermal design parameters of a space spectral imaging apparatus in orbit effects on the design accuracy of complete appliances, this paper analyzes the thermal design based on the system sensitivity theory, and establishes the heat balance e-quations in orbit. Under the design variable analysis of the heat balance equations, thermal design parameters effecting the temperature distributions of complete appliances are given. As an example, the sensitivity of thermal design parameters mentioned above is analyzed for the space spectral imaging apparatus. The analytical results show that the sensitivity of solar absorption coefficient to the mean temperature is equal to zero, and the sensitivities of emissivity , inner heat source, thermal conductivity, and contact thermal conductivity to the mean temperatureare 2. 2 —14. 55 ℃ , 1. 8 —2 ℃/W, 2. 25 ×10-3- 4. 39×10×1-2 m℃/W and 0-1.1×10-3 m2℃2/W, respectively. Test results prove that the sensitivity analysis based proposed thermal design scheme is effective and feasible proved by thermal test results.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2012(020)006【总页数】10页(P1208-1217)【关键词】空间光谱成像仪;热设计;热分析;灵敏度分析【作者】郭亮;吴清文;颜昌翔【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院研究生院,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】V443.5;V416.51 引言灵敏度分析适合于解决设计变量多、数学模型复杂的优化设计问题，在工程应用中具有非常重要的意义。

光-机-热联合仿真分析作者：胡志栋罗婷婷来源：《企业科技与发展》2020年第07期【摘要】光学系统在军事、航空航天、民用等领域应用越来越广，光学系统要满足特定的需求，光学元件载体所在的光学系统工作环境非常复杂，特别是热环境，温度的变化会引起光学系统的热胀冷缩，从而影响成像质量。

因此，在设计阶段对光-机-热进行联合仿真分析，为光学系统设计提供指导性的参考是非常必要的。

文章应用Workbench、Sigfit和Zemax软件进行了实例联合仿真分析，探索了光-机-热联合仿真的过程，为实际工程设计提供了参考。

【关键词】光-机-热;联合仿真;Workbench;Sigfit;Zemax【中图分类号】V441 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）07-0055-030 引言由于光学系统的高精密性需求，光学系统（如夜视镜、望远镜、空间相机、航空相机、经纬仪等）的研制涵盖了光学、结构、热力学、电子等多学科的内容，各个学科之间紧密联系，相互影响。

因此，在进行光学系统设计时，需综合考虑光、机、热等对系统成像性能所造成的影响。

在传统的光机结构设计中，光学分析、结构分析和热分析是相互分离的。

设计光学系统时，首先由光学设计人员对光机系统提出结构上的要求，然后结构设计人员对外界的温度环境提出要求，有限的温控措施又最终会影响光学分析的结果，由此可见，设计一个合理的光机系统是非常耗时耗力的。

针对上述情况，国外于1981年提出了光机热集成分析的概念，希望将各类影响因素加以综合考虑，最终提高整个光机系统的成像质量。

随后的30年内，光机热集成分析得到大量应用，美国国家宇航局及我国几大光机所在设计大型光机系统时，都用到了光机热集成分析技术。

随着仿真技术的广泛应用，针对光学系统设计过程中光机热集成分析问题，“索辰”自主研发了光机热协同仿真系统STOP（Structure/Thermal/Optics Performance）。

第35卷，增到V b l．35S uppl c m ent红外与激光工程I n疔a陀d柚d Las er E n gi n∞r i n g20016年l O月O ct．2006空间光学遥感器光机系统热稳定性模糊优化设计吴清彬，查健，赵强(中国航天科工集团第三研究院，北京100074)摘要：针对空问光学遥感器光机系统结构优化设计的传统方法的缺陷，提出了遥感器光机系统结构热稳定性优化设计的理论，该理论以提高结构的热稳定性和轻量化程度作为优化目标，以结构的强度、动态刚度以及系统总成像质量损失作为约束条件，对光机系统结构布局、形状与具体尺寸参数以及光机系统的公差分配进行优化设计；研究了光机系统热稳定性的评价方法，提出以光学元件的热致面形误差比例系数和系统整体的热致位置误差比例系数作为评价参数，通过这两个参数，将光机系统对各类热载荷的承受能力与热稳定性概念直观的联系起来，有利于结构设计与热设计的交流；给出了光机系统热稳定性优化设计的经典数学模型，并提出了应用模糊优化的理论与方法来解决该经典数学模型中存在的多目标性和约束条件的不确定性，最后给出了光机系统热稳定，}生没计的模糊数学模型及尜解方法。

关键词：光学遥感器；热稳定性；模糊优化中图分类号：V423．42文献标识码：A文章编号：1007．2276(2006)增B．O001．07T her m al st abi l i t y f uzz y opt i m i zat i on des i gn of opt o-m ec hani c als ys t em of s pac e r em ot e opt i c al s e n s orW U Q i ng-bi n，Z H A J i a n，Z H A O Q i al l g(Th c3r dA cad咖e，C hi naA盯osp8ce Sci ence and l ndus仃yC orpom t i o n，B e西i ngl∞们3，chi尬)A bs t r act：A如zzy opt i戚zat ion des i gn m e t hod f or t hen nal st abi l匆of0pt o-m echani cal s ys t em of t he s pac e r em o t e opt i ca l sensor(SR O S)i s i n哆oduced i n t hi s papeLB y a na l yz i ng t he pr o cedu r e and cou pl i ng of st r uct ur al and m e m al des咖，a0pt i m i z at i on m odel is es t a bl i s he d as f ol l ow s：t he obj ect f unc t i on of t he opti I l lal desi gl l i s def i ned as t he s ur f．ace er r or r at i o coef!Ei ci ent of opt i ca l pa r t s and t he posi t i on er r or m t i o coe伍ci ent of t he w hol e s ys t em deduced by t hennal l oads r e spe ct i V e l y；t he des i gn V a ri abl e s i nc l uded t he s hape and di m en s i on par am et ers and t ol e ra nc e di s t订but i o n of t he opt m ec ha ni ca l s yst e m；c onst ra i nt c ondi t i on coV er ed t he s t m ct ure s仃engt h，t he dynam i c st i f m es s and t he10s s of m e i m ag i ng qual i哆of t he s ys t em．B ecaus e of t he m ul t i pl e obj e ct i V e s and tl l e unc er t a i nt y of t he cons打ai nt condi t i ons，t heC ons仃a i nt1eVel sol ut i on m e t hod of t11e f hzzy opt i m al pr obl em w er e em p l oy ed t o s01ve‘、abo V e opt i m al pr obl em．K ey w or d s：Space r om ot c opt i cal s ens or；The册a1st abi l时；Fuzzy0pnm i zat i on收稿日期；2006．08．24作者简介；吴清彬(1974．)，男，山东临沂人，高级工程师，主要从事航天器结构设计研究工作．2红外与激光工程：工程光学系统设计与制造技术第35卷0引言空间光学遥感器作为一种精密航天光学仪器，是多种学科领域尖端技术的结晶，其结构设计工作复杂，指标要求高，仅依靠传统结构设计理论和方法不但很难实现设计结果的最优化，而且设计周期长，成本巨大。

Zemax光学设计：热成像系统的设计实例红外光谱有三个大气“窗口”，在这三个波段大气吸收比较小。

其中一个是1到3um，另一个是3到5um，第三个是8到12um。

热成像也叫红外成像。

红外和可见光设计之间的最大区别是，在可见光中几乎都是物的反射光成像，而在红外则是物自身辐射成像。

红外物镜与可见光物镜的主要区别在于材料。

由于玻璃中含有羟基（OH-），在近红外有很强的吸收峰，普通光学玻璃最多只能工作到 2.8um左右的近红外，中远红外光学系统则完全依赖红外材料。

1.光子探测温度为 T（单位为K）的黑体，其辐射的光子数量为：其中，M 表示每秒钟、每平方厘米表面、每厘米波长的光子辐射量，c 表示真空中的光速，单位为厘米每秒，λ表示以厘米为单位的波长。

因为在多数热成像系统中，探测的是物所发射的光子数与其背景所发射的光子数之间的差值，因此信号探测与下式成正比其中ΔT表示物和背景的温差。

下表给出了物体在常温下293K(20 度)的辐射出射度，也给出了每度（单位为K）的信号。

由这个表格可以看出，物体在这个温度下，在大气窗口8-12um 的辐射出射度比 3-5um波段的大30倍左右，信号则大了15倍。

对于热成像，探测器探测的是辐射通量而不是光子数，所以这两个比例具有相同的意义。

在多数情况下，这两个波段的光学设计是明显不同的，因为它们所使用的透射材料是不同的。

而有些系统为了同时包括这两个波段，能够使用的适合材料就更加受限。

在8-12um 波段，常用材料如下表：锗是最广泛使用的材料，它的折射率高且色散小。

硒化锌和硫化锌可以作为校色差的负元件。

在3-5um波段，常用材料如下表：在这个波段，锗的色散就没有那么小了，所以在 8-12um 波段的非常有用的锗非球面单透镜，在 3-5um 就没有那么有效了，因为还要校正色差。

但是，可以利用双片式来校正色差，若我们以低色散的硅作为“冕牌”，则锗显然就是最好的“火石”材料。

2.单锗透镜由于在 8 到 12um 波段，锗具有高折射率和低色散的特殊性能，因此只要用锗材料就能制造高性能热成像物镜。

基于热光学技术的空间光学系统热设计陈立恒;吴清文;刘巨;郭亮;于善猛【摘要】为了验证空间光学系统热设计的合理性,利用光-机-热集成的热光学分析技术论证了空间光学系统的热设计方案.首先,阐述了热光学技术的一般方法以及热光学技术与热设计的关系,同时根据空间光学遥感器所处的空间环境和结构特点,应用被动和主动热控技术对空间光学系统进行了热设计.然后,利用有限元方法对热控后的温度场和热弹性变形进行了分析,得出该温度载荷条件下光学元件表面的变形量及刚体位移量,利用Zernike多项式进行了波面拟合.最后,用Code V光学设计软件计算了热载荷作用下光学系统的传递函数.结果表明,各种工况下全视场范围内光学系统分辨率为50 lp时,传递函数均超过0.5,成像良好,能够满足光学设计指标,热设计方案合理可行.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2010(003)003【总页数】6页(P223-228)【关键词】空间光学;光学系统;热设计;热光学分析【作者】陈立恒;吴清文;刘巨;郭亮;于善猛【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】V243.5;V416.4空间遥感器是长寿命对地观测卫星的主要有效载荷，通常是具有较高分辨率的大型光学仪器。

卫星的轨道寿命与任务性质要求遥感器在严酷的空间环境下具有可靠的光学性能，因此，必须有较高的热稳定性，即良好的抵抗空间热载荷的能力。

空间光学遥感器在整个寿命期间处于真空冷黑环境中，受到不断变化的空间外热流和内部热源的影响，其温度水平和分布状态也处于不断变化之中，因此光机结构中呈现出不同部位具有不同的温度，甚至同一部位在不同时刻温度也不相同。

空间相机温度-离焦特性分析与试验孔林;杨林【摘要】为了提高空间相机在不同温度条件下的成像质量,本文建立了空间相机光-机-热集成分析模型,以此模型为基础,对系统的温度-离焦特性进行研究,得到了相机温度调焦曲线,并开展了热光学试验.首先,分析了温度变化对光学系统的影响,特别是对最佳像面位置的影响,得到了相机离焦量与光学元件参数的关系;介绍了光机热集成分析的一般方法,即将热分析的温度场,经过映射,作为结构分析的边界条件,然后进行结构有限元的热弹性分析,通过对变形结果中光学元件曲率和刚体位移做拟合,得到敏感因素的温度-离焦敏感度矩阵;在此基础上得到了相机温度调焦曲线;最后,开展了相机热光学试验.试验结果表明,基于集成分析结果的温度调焦,空间相机在20℃±8℃内的最大误差小于0.1mm,基本满足相机在轨自动调焦的要求,并指出了进一步提高相机温度调焦精度的方法.%In order to improve the image quality of space camera in different temperature fields,a integrated analysis model of structure-thermal-optical performance (STOP) model was established.According to the model,the thermal-defocusing property of the system was studied and test,and focusing curve of camera temperature was obtained.Then,thermo-optical experiment wasdeveloped.Firstly,influence of temperature changes on opticalsystem,especially influence on optimal image plane position,was analyzed to obtain relationship of defocusing amount and optical element parameters;then,general method of STOP integrated analysis was introduced.In this method,temperature field of thermal analysis was as boundary condition of structural analysis by mapping,and a thermo-elasticperformance of finite element model was analyzed.Then,temperature-defocusing sensitivity matrix of sensitive factors was obtained by fitting the curvature of optical elements and rigid body displacement in deformation result.On the basis of above,Temperature-focusing curve of camera was obtained.Finally thermo-optical test of camera was carried out.Experimental result indicates that maximum error of temperature focusing based on integrated analysis result is less than 0.1 mm in 20 ℃ ± 8 ℃.The results basically satisfy camera requirements of on-orbit automatic focusing and method of further increasing camera precision of temperature focusing is pointed out.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2017(025)007【总页数】7页(P1825-1831)【关键词】空间相机;集成分析;温度调焦;有限元;热光学试验【作者】孔林;杨林【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;长光卫星技术有限公司,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100039;长光卫星技术有限公司,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TP394.1;TH691.9由于空间相机从地面装校到发射入轨，温度环境将发生很大变化，从而引起相机焦面位置变化，导致成像质量降低。