文章目录

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源与研究的意义

1.2 低温红外光谱仪研究现状

    1.2.1 国外低温红外光谱仪研究现状

    1.2.2 国内低温红外光谱仪研究现状

1.3 光机热集成分析的研究现状

    1.3.1 国外光机热集成分析研究现状

    1.3.2 国内光机热集成分析研究现状

    1.3.3 光机热集成分析研究现状总结

1.4 主要研究内容与结构安排

    1.4.1 论文主要研究内容

    1.4.2 论文结构安排

第2章 光机热集成分析方法设计

2.1 引言

2.2 光机热集成分析过程

    2.2.1 热分析模型

    2.2.2 结构分析模型

    2.2.3 光学分析模型

2.3 光机集成分析刚体位移面形误差处理方法

    2.3.1 光学顶点坐标系

    2.3.2 镜面刚体位移定义

    2.3.3 镜面刚体位移计算方法

2.4 镜面变形误差建模方法

    2.4.1 镜面变形表示方法

    2.4.2 泽尼克多项式拟合方法

2.5 光机接口验证方法

2.6 本章小结

第3章 棱镜温度梯度、应力光机热集成分析

3.1 引言

3.2 棱镜材料热光学系数影响分析

    3.2.1 热光学系数公式

    3.2.2 棱镜内部温度插值计算方法

    3.2.3 棱镜内部光路计算方法

    3.2.4 棱镜内部热光学系数光程差计算

3.3 棱镜材料应力光学系数影响分析

    3.3.1 应力光学系数

    3.3.2 应力光学系数对折射率变化计算

    3.3.3 应力光学系数光程差计算

3.4 本章小结

第4章 低温红外光谱仪整机设计与光机热集成分析

4.1 引言

4.2 低温红外光谱仪光学设计

4.3 低温红外光谱仪结构设计

    4.3.1 中波红外光谱仪反射镜结构设计

    4.3.2 中波红外光谱仪棱镜组件结构设计

    4.3.3 探测器与狭缝组件

4.4 光机热集成分析对光学性能的影响

    4.4.1 热分析结果

    4.4.2 结构有限元分析结果

    4.4.3 光学分析结果

4.5 材料线膨胀系数变化对光谱仪性能影响灵敏度分析

    4.5.1 材料线膨胀系数对光学元件面形的影响分析

    4.5.2 材料线膨胀系数对系统焦距影响分析

4.6 低温红外光谱仪热控设计及验证

    4.6.1 低温红外光谱仪热控设计

    4.6.2 低温红外光谱仪稳态光学性能

4.7 本章小结

第5章 低温红外光谱仪集成与试验

5.1 引言

5.2 中波红外光谱仪装调

    5.2.1 碳纤维桁架装配

    5.2.2 主三镜结构装配

    5.2.3 曲面棱镜组件加工装配

    5.2.4 光学元件定心装配

    5.2.5 探测器组件装配

5.3 红外光谱仪常温测试

    5.3.1 红外光谱仪常温传函测试

    5.3.2 红外光谱仪常温光谱分辨率测试

    5.3.3 红外光谱仪倾斜狭缝常温测试

5.4 红外光谱仪低温测试

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 论文研究成果

6.2 论文创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章摘要:静止轨道高光谱成像系统具有监测范围广、时间分辨率高、连续性强、重访周期短的优势。在静止轨道上实现高分辨率高光谱探测,将实现全天时大范围连续观测,解决遥感应用识别和分类的难题,满足资源、林业、环境、海洋、农业和减灾等领域高分辨率高光谱遥感的应用需求。为了保证空间红外光谱仪具有较高的信噪比,需要降低仪器内部红外辐射,仪器通常需要工作在很低的温度。红外光谱仪需要在常温下进行装调,因而红外光谱仪装调温度与使用温度具有非常大的温差。当温度变化后,光学元件的相对位置、光学表面曲率变化、面形以及透射元件折射率等发生变化,如何保证仪器在低温环境下的光学性能是最关键的问题。本文针对曲面棱镜色散红外光谱仪低温环境应用中碰到的棱镜材料折射率随温度梯度与应力发生改变、曲面棱镜组件材料线膨胀系数不匹配、光机结构大温差收缩变形等问题,研究与之相关的光机热集成仿真分析技术对于低温空间红外光谱仪的研制具有重要意义。首先针对环境大温差作用下镜面刚体位移大的问题,建立了光机集成分析高精度光机接口模型,采用两次面积加权最小二乘算法计算镜面刚体位移,使镜面刚体位移与光学面形有效的分离。以抛物面镜光学系统作为研究对象,基于主动施加刚体位移的方法,获得已知刚体位移的有限元分析结果。采用光机接口模型与Sig Fit计算结果进行对比分析。两者计算结果一致,验证了高精度的刚体位移计算方法,实现了结构有限元分析结果与光学设计高精度耦合。针对以CaF