望远镜系统的结构设计及有限元分析

　　1 引 言

　　干涉式大气垂直探测仪是气象卫星上搭载的主要红外遥感仪器之一。它利用大气和地球表面的红外辐射性质，在空间遥感大气温度、湿度和大气成分的垂直分布，能够实现大范围、快速、连续和长期的气象测量[1-4]。R-C 望远镜系统是干涉式大气垂直探测仪上的重要光学系统，本文首先介绍了R-C 望远镜系统的主要优点、光学设计参数和公差要求。对望远镜系统的机械结构作了深入的研究。利用有限元分析软件对系统结构进行加速度载荷分析、热分析、模态分析，从理论上验证望远镜系统结构设计是合理的。最后，对加工装配好的望远镜系统进行检测，所得实测结果与光学软件仿真结果基本相符，进一步验证了的望远镜结构的设计合理性[5-6]。

　　2 望远镜系统类型的确定

　　对于干涉式大气垂直探测仪来说，为保证较高的空间分辨率、光谱分辨率和系统的信噪比，光学系统必须有足够大的接收孔径，特别是对于红外波段的大口径光学系统，大多数采用R-C 望远镜系统，以便更好的获得成像质量。

　　2.1 望远镜系统光学参数的确定

　　在望远镜系统的光学设计中，综合考虑系统信噪比、探测时间、体积、挡光比和工作距离等问题后，经过理论计算得到望远镜系统的光学参数：

　　通光孔径：320 mm;

　　系统视场：±0.3°;

　　主镜：双曲面;

　　曲率半径：R1=756 mm;

　　非球面系数：e12=1.025;

　　次镜：双曲面;

　　曲率半径：R2=210 mm;

　　非球面系数：e22=2.563;

　　主镜直径：340 mm (光学有效直径 320 mm);

　　次镜直径：80 mm (光学有效直径 78 mm);

　　主镜厚度：67.14 mm;

　　次镜厚度：13 mm;

　　主次镜间距：295.05 mm;

　　视场光阑：φ=(18.9 ±0.02)mm;

　　挡光比：K=0.062 5;

　　次镜放大率：β=-4.762;

　　系统焦距：f=1 800 mm;

　　焦面位置：Lf=395.05 mm (距次镜顶点);

　　Lb=100 mm (距主镜顶点)

　　图1是R-C 望远镜系统光学设计示意图。

　　2.2 望远镜系统光学公差要求

　　影响望远镜系统成像质量的主要因素有如下两个方面：

　　a) 主、次镜的双曲面面形发生改变;

　　b) 主、次镜间的距离或相对位置发生变化，并超出允许的范围。

　　通过主次镜间距、同轴度等参数对成像质量影响的模拟计算，在成像质量能够达到设计指标要求的基础上，提出公差要求：主、次镜间距(295.05±0.03) mm，主、次镜同轴度要求小于0.01 mm。