热红外相机光机系统设计

以气象观测应用为目标,提出一种基于非制冷微测辐射计的热红外波段相机光学设计方案,该光学系统焦距60 mm,光谱范围8～14 μm,视场角7°.综合三片分离式结构和双高斯光学结构设计了红外物镜,优化后物镜成像质量达到衍射极限.进行了物镜的无热化结构设计,分析结果表明在-20℃～60℃范围内,物镜成像弥散斑直径接近爱里斑直...     

红外系统的光机热一体化设计

在无热光学系统设计中,考虑机械结构的热性能对系统热稳定性的贡献,在满足系统总光焦度要求、消热差和消色差条件下,求解各光学组元的光焦度.在保持光焦度不变的条件下,进行像差平衡,可设计出实际的消热差光学系统.这种在光学设计中融合机械结构热稳定性因素的一体化设计方法,对红外无热光学系统设计具有重要意义.文中详细介绍了f'=45.4mm,D/f'=1/2.5,2ω=lO°的红外成像物镜和f'=160mm,D/f'=1/8,2ω =2.8°的可见/近红外波段干涉成像光谱仪前置镜的一体化无热设计的结果.     

Hα与白光望远镜的光机热一体化分析

为了实现对空间光机系统在复杂环境下光学性能的快速评估,介绍了光机热一体化分析方法的原理和流程,以及在该原理基础上研发的光机热分析软件的主要算法和功能,阐述了作为其关键部分的光机热数据接口问题.以Hα和白光望远镜(HWT)为例,计算出该望远镜在不同系统温度下的光机热一体化分析结果.给出的光学传递函数和波像差变化结果表明:在不同系统温度下,HWT望远镜光学性能将发生相应变化.当系统温度约为20℃时,系统性能最佳,其波像差约为λ/10.当系统温度在15～25℃之间时,系统波像差约优于λ/6.基于光机热一体化分析方法的原理,给出了适用于空间光机系统的一套可行的技术途径.     

铝基离轴三反系统光机一体化设计

针对红外成像领域离轴三反系统在批产中存在生产效率低、产品一致性差、抗振动和无热化等工程化要求高的问题,本文舍弃传统的手动抛光等加工工艺,以高精度精密数控加工技术为基础,确定零件的形位公差、尺寸公差和面型等参数的加工工艺,采用光机一体化设计方法设计一款用于中长波红外成像的铝基离轴三反系统。系统指标为有效口径150 mm,扩束比4倍,视场角2.8°×2.4°,工作波段3.7～4.8μm和7.7～10.3μm。分别介绍了系统的光学设计、无热化设计、消应力设计和轻量化设计结果,并在常温和高低温下对成像效果进行了测试。实验表明,该系统能够满足中长波红外系统的成像需求。     

航空遥感器光学窗口光机热一体化设计

为减小光学窗口对航空光学遥感器成像质量的影响,对光学窗口的窗口玻璃厚度进行了优化设计。根据强度理论确定了窗口玻璃最小厚度。依据纵掠平壁理论计算出光学窗口外表面的平均对流换热系数;以热光学为基础,仿真了航摄时光学窗口的瞬态温度场分布;计算了光学窗口在热-力耦合作用下不同窗口玻璃厚度时的波像差(PV和RMS),最终确定了矩形光学窗口(290 mm×140 mm)的玻璃厚度为17 mm。试验结果表明:特征频率为60 lp/mm时光学系统传递函数为0.304,并获得了稳定、清晰的航摄图像。成功实现了光学窗口的光机热一体化设计,可为其他航空光学窗口设计提供参考。     

某低轨倾斜轨道相机热控系统设计与验证

某新型对地观测空间相机已随新技术试验星成功发射入轨。相机运行于低轨倾斜圆轨道为非太阳同步轨道,其面临的空间外热流变化非常复杂。为了保证相机在轨稳定工作,光学系统和承力结构需要具有较高的温度稳定性,低温红外探测器需要配备大功率制冷机。复杂的外热流环境和高稳定度的指标要求给热控系统的设计研制带来了极大的挑战。根据任务特点和需求,对热控研制任务展开了分析,提出了借助卫星平台姿态规避,间接辐射控温以及±X侧耦合散热面等热控措施。热平衡试验与在轨飞行实测数据表明,相机光学系统的温度水平保持在（18±2） ℃范围内,稳定度优于±0.3 ℃/轨,满足相机各项温度指标,证明相机热控设计方案合理可行,相机在轨工作条件良好。     

基于光机热集成分析法的红外成像系统热设计

由于红外成像光学的特殊性,温度是影响其成像质量的主要因素之一。针对一款红外成像系统,应用光机热集成分析法,就其在夏季室外工作环境下的成像质量展开综合分析,发现光机元件温度的梯度分布对系统引入无法校正的像差,降低系统成像质量。建立在仿真分析的基础上,本文有针对性地设计一种分布式散热系统,在降低系统整体温度的同时,使得光机元件的温度分布均匀化,提高其成像质量。     

挠性压圈在被动式热分析中的应用研究

为了实现红外光学系统的被动式无热化,设计了挠性压圈,建立了有限元分析模型,对透镜表面的接触应力和挠性压圈结构参数的灵敏度进行了研究。首先,根据光机结构的无热化要求介绍了挠性压圈,对两种常用的挠性压圈进行了热变形分析;然后,在分析挠性压圈的灵敏度系数的基础之上,对单透镜组件设计了相应的挠性结构,说明了挠性构件在被动式无热化中能够减小透镜表面的接触应力以及增加对镜座材料的选择;最后,将挠性压圈应用在三片式透镜的光学系统当中。通过分析计算,当调制传递函数(MTF)的空间频率为10 lp/mm时,挠性压圈作用下的三片式光学系统的MTF能够达到0.5以上;普通压圈在60℃和-20℃的像面离焦量分别为4.765 mm和-6.312 mm,而相同温度下挠性压圈的像面离焦量分别为1.261 mm和-1.563 mm。基本满足了红外光学系统的被动式无热化要求。     

某空间望远镜光机热集成分析

光机热集成分析技术是光学分析和结构分析相结合的一种有效手段。根据空间望远镜所处的环境,用有限元法在Ansys软件中进行热应力分析,通过接口工具Zernike多项式实现各个软件的数据交互。在VC++平台下编写了基于Gram-Schmidt正交化法的接口程序,将拟合后的多项式导入到Zemax中进行了分析。实现了光机集成分析的完整过程。实践证明,这一方法正确可靠,简化了光机热集成分析的过程,为光学系统和光机结构热匹配设计提供了重要设计依据。     

双视场航空相机光机优化设计

依据某航空相机光学设计指标设计了焦距为100 mm、400 mm的双视场相机,其长焦距全视场传递函数达0.3以上。为减小相机重量,提高其动态刚度,以相机主支撑结构的厚度和筋宽为设计变量,以固有频率不低于某值为约束条件,应用NX7.5软件对航空相机结构进行了优化设计。优化结果为相机质量减小了0.7 kg,一阶固有频率提高了13 Hz。对优化后的相机结构进行了模态分析和热分析,分析结果验证了优化设计的正确性。最后通过试验验证了设计结果的有效性。航空相机切实可行的光机设计有效地保证了整个系统的性能指标都能满足使用要求。     

多通道TDICCD卫星遥感相机图像噪声分析与处理

为了解决多路时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)拼接遥感相机成像的噪声问题,提高载荷焦面电箱的成像信噪比和成像质量,通过分析噪声现象,发现多路TDICCD成像噪声的主要原因有两个:一是多通道TDICCD未能实现同时刻开启成像,使得成像电路电源出现高频纹波噪声且多通道噪声相混叠,这样对各通道CCD模拟信号造成干扰;二是电路中的DC-DC电源开关噪声扰动影响了CCD有效视频信号的采集。从工程研制实际出发,采取CCD通道之间共用统一的系统时钟,相同系统复位等措施对多TDICCD成像电路系统进行改进,抑制通道间成像串扰的发生,通过对主要干扰源DC-DC电源进行滤波处理与TDICCD端多点接地等方式,抑制电源噪声对TDICCD成像的干扰。对改进后的多通道TDICCD成像电路系统进行成像和信噪比测试。实验结果表明,采取的措施有效地去除了TDICCD成像噪声,相机信噪比提高了2 dB,且外场成像质量高,可满足实际工程的需求。     

一种轻小型遥感相机视频处理FPGA软件设计

本文针对传统遥感视频处理系统接口多、功能冗余、组装不便等不足,结合某型号相机应用需求,完成了一种轻小型高集成度FPGA软件设计。该软件运行在VirtexII-3000 FPGA上,实现TDICCD驱动、数据采集、数据压缩、数据传输、遥控遥测、辅助数据编排及成像时刻标定等功能。本文重点介绍多功能集成软件设计、JPEG2000图像压缩以及压缩与Spacewire数传接口数据率的平衡。单板测试及热循环试验表明软件功能完备、性能可靠。     

空间遥感相机的自动检焦技术研究

本文介绍应用图像处理法对推扫成像的线阵CCD空间遥感相机进行检焦研究。以推扫方式成像的线阵CCD遥感相机连续拍摄的两幅图像之间没有重复的部分,这给图像清晰度评价函数的选取增加了难度。本文根据光学传递函数理论建立了基于模糊量估计的粗调焦评价函数,通过两幅离焦位置不同的图像就可以估算出离焦量,从而可直接驱动镜头至准焦位置附近。根据功率谱对于自然景物具有一定的不变性原理,建立了基于功率谱的细调焦评价函数,进一步找到了准焦位置。仿真实验表明,这种粗精相结合的检调焦方法既能保证聚焦精度,又能提高聚焦速度。     

桁架接头对遥感相机桁架的影响

桁架结构在大中型遥感相机中已被广泛应用。理想的桁架接头为铰接接头,但在实际工程应用中人们却经常采用刚性连接接头。为比较采用两种接头的桁架的整体刚度及支杆材料利用率,首先对桁架中常用的两脚架结构进行了分析。然后,以锯齿形四角架桁架为例,从理论上计算出了两种不同接头的桁架的基频及受前框自重时支杆的最大应力。结果表明,两种接头的桁架的整体刚度几乎一样,但采用铰接接头的桁架比采用刚性连接接头的桁架材料利用率高,支杆可节省重量约21.87%。最后,用Nastran软件进行了有限元分析。结果证明,该理论计算结果是正确的,两种计算结果的差别小于1.12%。     

一种遥感相机的CCD交错拼接方法研究

随着技术的不断进步,遥感相机也向着宽谱段、大覆盖范围的方向发展.由于现有CCD的像元数有限,不能满足覆盖大视场的要求,需要对其进行拼接.通过分析现有拼接技术的优缺点,本文设计了一种不同于传统机械拼接与光学拼接的交错式机械拼接方法,并针对某可见、近红外宽谱段相机采用两片TDICCD进行了交错式机械拼接实验.实验结果表明,该方法的搭接误差小于2μm,平行误差小于3μm,共面误差小于6μm,满足相机的成像要求,并可在相机焦平面拼接的研究与实践中推广使用.     

面向区域覆盖的遥感卫星轨道布设优化算法

面向区域覆盖的遥感卫星轨道布设是典型的多目标优化问题,设计具有针对性的求解模型和高效的求解算法是解决该问题的关键。通过分析体现区域覆盖的主要评价指标,明确问题的基本输入输出和先决条件,建立了该问题的多目标优化数学模型。根据模型特点,基于快速非支配排序遗传算法NSGA-II设计了优化算法,采用快速非支配排序、精英保持、拥挤度距离等策略,减少了计算复杂性,提高了搜索速度。仿真结果表明,基于NSGA-II的卫星轨道布设优化算法可以有效解决面向区域覆盖的卫星轨道布设问题。     

IP摄像头远程监控系统的设计与实现

针对视频监控系统的应用越来越广泛,设计了一种基于流媒体技术的远程视频监控系统,该系统以H.264做视频压缩,以RTSP、RTMP和HTTP Live Streaming等做媒体传输协议,以磁盘阵列作为存储介质,完成具有视频采集、视频播放、视频存储和远程控制功能的监控系统,该系统具有高性能、易维护、低成本、实时性强等特点。实验结果表明,该系统具有良好的播放效果。     

数码相机设计中的集成电源器件

自从第一台数码相机(DSC)推出,新产品上市速度之快给人印象深刻。DSC电源子系统设计者面临的压力是提供多样化的性能和较高的功率效率,减低成本,节省空间,缩短设计周期。DSC消费者需要功能更强的产品,而这会增加对DSC集成电源和电池管理技术的需求。     

城市夜光遥感成像系统设计与杂散光分析

根据城市夜光遥感相机研制要求,采用COOK TMA离轴三反光学结构形式,设计了一个视场为5°×2°,焦距为500mm,F数为3.8,工作波段为0.4~0.8μm的全反射式夜光遥感相机光学系统,采用主镜、次镜、三镜共光轴设计,提高了光学装调的可行性。选择合适的初始结构参数,利用CODE V软件进行光线追迹和优化设计,结果表明:光斑的方均根直径为2.305μm,小于1/8像元,在25lp/mm奈奎斯特频率处的光学调制传递函数大于0.92,接近衍射极限。采用外遮光罩、挡光环、光阑及消光漆等消杂光设计来降低杂散光水平,利用Tracepro软件对光机系统进行杂散光的仿真分析,结果表明:轴外视场为1°~80°时,点源透过率在10-11~10-3量级;太阳抑制角为65.96°~80°时,点源透过率小于1×10^-9,满足应用要求。     

一体化EMCCD微光相机的设计

电子倍增电荷耦合器件(E1ectron Multiplying Charge Coupled Device,EMCCD)是一种新型高灵敏度图像传感器。近年来,EMCCD相机在微光探测领域的应用越来越广泛。为了在微光相机中应用新型EMCCD器件,设计了一种探测能力强、数据更新快、具有一体化光纤接口的微光成像系统。主要研究了EMCCD相机的设计方法,说明了EMCCD的工作原理,论述了基于TC253SPD—BO的EMCCD微光相机的设计方案。用成像实验和信噪比测试实验验证了所设计的一体化微光相机的性能。结果表明,该相机不仅可以实现20km以上的数据传输和30f/s的拍摄帧频,而且还可实现弱光条件下的探测功能,并具有较高的系统信噪比。