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面向空间目标广域探测的大视场宽光谱光学系统设计

牟帅威 吴洪波 张新 马霖 闫磊 谭双龙

牟帅威, 吴洪波, 张新, 马霖, 闫磊, 谭双龙. 面向空间目标广域探测的大视场宽光谱光学系统设计[J]. 188bet网站真的吗 . doi: 10.37188/CO.2024-0198
引用本文: 牟帅威, 吴洪波, 张新, 马霖, 闫磊, 谭双龙. 面向空间目标广域探测的大视场宽光谱光学系统设计[J]. 188bet网站真的吗 . doi: 10.37188/CO.2024-0198
MU Shuai-wei, WU Hong-bo, ZHANG Xin, MA Lin, YAN Lei, TAN Shuang-long. Design of optical system with wide field of view, broad spectral range for space target detection[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0198
Citation: MU Shuai-wei, WU Hong-bo, ZHANG Xin, MA Lin, YAN Lei, TAN Shuang-long. Design of optical system with wide field of view, broad spectral range for space target detection[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0198

面向空间目标广域探测的大视场宽光谱光学系统设计

cstr: 32171.14.CO.2024-0198
基金项目: 国家自然科学基金(No.62475122)资助项目;
详细信息
    作者简介:

    牟帅威(1999—),男,河南省安阳市人,硕士研究生,主要从事光学系统设计与应用的研究。E-mail:shuaiwei22@mails.ucas.ac.cn

    吴洪波(1988—),男,黑龙江绥化人, 博士,副研究员,2011年 2013 年于北京理工大学分别获得学士和硕士学位,2022年于中国科学院大学获得博士学位。主要从事光学系统设计与应用的研究。E-mail:wuhongbo@ci-omp.ac.cnac.cn

    张 新(1968—),男,吉林省吉林市人,博士,研究员,博士生导师,1991 年于清华大学获得学士学位,2005 年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光学系统设计、矢量像差理论和自由曲面技术等方面的研究。E-mail:opt-lab@ciomp.ac.cn

    谭双龙(1989—),男,吉林省长春人,博士,副研究员,2014年于哈尔滨工业大学获得硕士学位,2024年于中国科学院大学获得博士学位。主要从事金属基光机一体化设计与仿真拓扑优化集成设计方法研究。E-mail:15567408408@126.com

  • 中图分类号: D590.35D510.40

Design of optical system with wide field of view, broad spectral range for space target detection

Funds: Supported by National Science Foundation of China (No.62475122)
More Information
  • 摘要:

    为了实现空间目标的广域探测,本文设计并研制了一种宽光谱(400 nm−1000 nm)、大视场(61°)、小F数(1.38)、低畸变的光学系统。该光学系统具备六等星的探测能力,能够实现对空间目标的广域探测。首先,建立空间目标探测辐射特性模型与光学系统参数的映射关系,然后开展相应的光学系统设计理论分析,采用反摄远式结构作为初始的光学系统设计构型。通过优化设计,平衡并校正其大视场与宽光谱带来的严重色差,提高能量集中度的同时兼顾弥散斑圆整度,并通过空间光学仿真进行探测能力验证,其结果表明该光学系统能够满足六等星的空间目标广域探测需求。最后,对该光学系统进行实物探测能力实验验证。实验结果表明,该光学系统具备六等星的空间目标广域探测能力。该光学系统整体设计合理、结构紧凑,能够满足空间目标广域探测的应用需求。

     

  • 图 1  太阳光谱响应曲线

    Figure 1.  Solar spectral response curve

    图 2  GSENSE400BSI探测器光谱响应曲线

    Figure 2.  GSENSE400BSI Spectral response curve of detector

    图 3  不同积分时间下光学系统通光口径和信噪比关系图

    Figure 3.  Corresponding relationship between optical system aperture and signal-to-noise ratio

    图 4  反摄远式光学系统结构图

    Figure 4.  Reverse telephoto optical system

    图 5  弯曲像面解决方案[18][20]

    Figure 5.  Curved image surface solution

    图 6  旋转双里斯利棱镜光学系统

    Figure 6.  Rotating Double Risley Prism Optical System

    图 7  同心物镜光学系统

    Figure 7.  Concentric objective optical system

    图 9  光学系统初始结构

    Figure 9.  Initial structure of optical system

    图 8  光学系统设计流程图

    Figure 8.  Optical system design flow diagram

    图 10  光学系统设计结果图

    Figure 10.  Optical system design result diagram

    图 11  光学系统标准点列图

    Figure 11.  Optical system result standard spot diagram

    图 12  光学系统垂轴色差图

    Figure 12.  Optical system magnification chromatic aberration diagram

    图 13  10 °C光学系统能量集中度

    Figure 13.  Enclosed energy of optical system at 10 °C

    图 14  20 °C光学系统能量集中度

    Figure 14.  Enclosed energy of optical system at 20 °C

    图 15  30 °C光学系统能量集中度

    Figure 15.  Enclosed energy of optical system at 30 °C

    图 16  光学系统相对照度图

    Figure 16.  Relative illuminance diagram of optical system

    图 17  光学系统畸变图

    Figure 17.  Distortion diagram of optical system

    图 18  空间目标探测能力等效仿真验证

    Figure 18.  Verification of space target detection capability

    图 19  光学系统实物图

    Figure 19.  Physical image of optical system

    图 20  外场实验场景图

    Figure 20.  Scene image of outdoor experiment

    图 21  已识别空间目标探测结果

    Figure 21.  Identified space target detection result

    图 22  HIP7499探测效果图

    Figure 22.  HIP7499 detection result

    表  1  光学系统设计参数

    Table  1.   Optical system design parameters

    视场/° 61
    工作波段/nm 400-1000
    焦距/mm 27
    F数 1.38
    3×3像元能量集中度 >80%
    探测器靶面尺寸/mm 22.5×22.5
    探测器像元尺寸/μm 11
    倍率色差/μm <8
    温度范围/°C 10-30
    相对畸变 <4%
    边缘视场照度 >40%
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    表  2  光学系统类型对比分析

    Table  2.   Comparative analysis of optical system types

    光学系
    统类型
    优点 缺点
    反摄
    远式
    1.易于实现轻量小型化。
    2.光学系统响应在时间
    和空间上具有实时性。
    1.大视场、宽光谱的情况
    下,色差矫正难度大。
    2.光学系统设计难度大。
    同心
    物镜式
    1.所有表面严格共心,不存在
    轴外像差,成像质量优异。
    2.适合大视场、宽光谱的
    光学系统设计。
    1.像面为曲面,
    解决方法繁琐复杂。
    里斯利
    棱镜
    扫描式
    1.该系统可以协同控制算法,
    对视场内的某一空间
    目标进行动态追踪。
    2.可以实现对视场内的
    空间目标进行主动规避。
    1.体积较大,存在因棱镜
    引起的色差与畸变[16]问题。
    2.系统响应在时间上
    有所牺牲。
    3.杂散光问题较为严重。
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    表  3  光学系统设计结果

    Table  3.   Optical system design result

    全视场/° 61
    工作波段/nm 400-1000
    3×3像元能量集中度 >80%
    倍率色差/μm <8
    边缘视场照度 >40%
    相对畸变 <4%
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    表  4  温度改变系统焦距相对变化值

    Table  4.   Relative change in focal length of the temperature changing system

    温度/ °C 10 15 20 25 30
    焦距/mm 26.966 26.983 27 27.017 27.035
    变化/μm −34 −17 0 17 35
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    表  5  温度改变质心相对变化值(单位:μm)

    Table  5.   Relative change in centroid due to temperature change

    归一化
    视场/W
    温度/ °C
    10 15 20 25 30
    0 0 0 0 0 0
    0.3 −0.341 −0.171 0 0.173 0.347
    0.5 −0.581 −0.292 0 0.294 0.591
    0.7 −0.851 −0.427 0 0.430 0.865
    1 −10.553 −5.300 0 5.347 10.742
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    表  6  公差分配表

    Table  6.   Tolerance allocation table

    光圈
    厚度
    /mm
    镜面偏心
    镜面倾斜
    折射率
    元件偏心
    元件倾斜
    2 0.03 0.01 0.013 0.001 0.01 0.013
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    表  7  公差分析结果

    Table  7.   Tolerance analysis results

    公差分析结果统计 标准点列图(RMS)/μm 3×3像元能量集中度
    90% 优于12.13 大于81%
    80% 优于10.93 大于87%
    50% 优于8.801 大于91%
    20% 优于7.18 大于94%
    10% 优于6.50 大于97%
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    表  8  某一特定空间目标不同距离处探测器响应度

    Table  8.   Detector response at different distances from a specific spatial target

    序号 空间目标与
    探测器距离/km
    传感器处辐照度
    (w·m−2
    等效等星
    (Mv)
    1 596 3.392816e-11 6.40
    2 486 4.996750e-11 5.95
    3 376 8.164583e-11 5.42
    4 265 1.603319e-11 4.68
    5 89 1.395472e-9 2.33
    6 44 5.523866e-9 0.84
    7 22 2.192820e-8 −0.66
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    表  9  探测能力实验验证结果

    Table  9.   Experimental verification results of detection capability

    恒星星号 HIP3747 HIP7804 HIP5066 HIP7499
    对应等星/Mv 3 3.9 4.9 6
    对应光谱类型 A F G K
    探测器积分时间/ms 20 20 30 40
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  • 网络出版日期:  2025-03-08

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