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天基空间目标观测大视场离轴反射系统研究

夏春秋  
【摘要】:从空间资源的占领和资源使用的角度来看,空间目标的观测无论在空间利用或者空间控制方面,都具有广泛的应用前景和应用需求。目前天基空间目标探测从最初的导弹预警发展到现在的静地轨道目标观测和空间碎片观测,其目的逐渐从进空转为太空观测,而从各国发展状况和未来空间领域使用状况可知,基于微小卫星的灵活拍摄、整体观测能力强的大视场空间目标天基观测逐渐成为必然趋势。国内在满足大视场、高分辨需求的小型天基空间目标探测相机研制方面处于起步阶段。随着国内卫星技术的不断发展和未来卫星数目不断增长的发展需求,大视场观测相机的研究也迫在眉睫。本论文致力于大视场、高分辨需求的小型天基空间目标探测相机的相关理论研究,在相机的光学系统设计方法和针对此光学系统的检测方法均进行了相关的创新性研究和实际研究,为进一步研制天基空间目标探测相机打下基础。首先本文对国内外空间目标观测相机的发展状况进行了调研,详细介绍了美国、加拿大、以及其他国家的空间目标观测卫星及其相机,并整体论述了各国空间目标观测卫星的未来发展趋势以及目前国内的发展状况。在轨运行的空间目标探测相机的探测目标为空间目标,空间目标的成像特点和其所处环境对探测相机的技术参数有较大影响。根据探测目标和探测器特性对空间目标探测相机视场、焦距、工作光谱等参数的设定进行约束,提出了一系列的计算方法。同时,空间目标的探测环境要求相机具有消除杂散光的能力,因此针对杂散光的来源和不同目标探测星等、探测器的信噪比、光学系统有效通光口径、曝光不同目标探测星等对系统消杂光能力进行调研,最终提出空间目标观测的主要形式为带有中间像面的实入瞳的离轴三反光学系统。依据已知的技术指标要求,首先利用传统的赛德尔像差理论设计光学系统,设计了实入瞳、带中间像面的大视场离轴反射系统。后引入了一款基于微分方程的设计方法,该方法与几何光线追迹相结合,在费马原理与正弦条件的基础上建立微分方程,可以用来设计自由曲面、离轴系统,并利用该方法设计了大视场离轴反射系统的天基目标空间相机,在16o×4o的大视场下该系统取得了优良的成像质量,验证了设计方法的可行性。在研究大视场离轴反射系统的设计方法之后,提出了一款针对实入瞳、出瞳的离轴反射式系统的检测方法。该方法是基于正弦条件的光栅检测方法,能够根据正弦条件的违背量一次检测轴上和轴外的视场线性相关像差,可以用来指导装调。根据此检测方法设计了单透镜的验证试验和离轴反射系统的模拟实验,均证明了其可行性。


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