超光谱成像仪指向镜热光学特性描述方法研究

　　1　引言

　　超光谱成像仪(HyperSpectral Imager,HIS)又被称作成像光谱仪,是一种“图谱合一”的光学遥感仪器,它能够同时获取地物的影像及其光谱[1]。超光谱成像仪指向反射镜位于光学系统的最前端,尺寸较大,直接面对观测对象,受到4K冷黑空间,地球红外辐射、地球阳光反射作用,靠近指向镜驱动电机等内部热源,使镜体受到非对称热载荷的作用。在轨道热载荷作用下,指向镜将产生热变形,影响指向精度,带来附加像差。指向反射镜热光学特性就是研究在一定温度场作用下,镜体产生刚体位移及镜面产生热畸变后对指向性及光学波前的影响。研究指向反射镜热光学特性,一方面,可作为指向镜设计的参考依据,在光学和结构设计时合理选用热光学特性好的材料及结构;另一方面,光机设计确定后,作为热控指标制定的依据。

　　指向镜热光学特性反映其热适应性,是结构设计人员和热设计人员关心的重要性能。关于空间光学遥感器热光学特性的研究是伴随着空间光学遥感器的发展而逐步发展起来的,但是热光学特性的描述方法还未见有报道。不同类型的热载荷对应不同类型的热光学特性描述方法。对于同一个指向镜,采用不同的热光学特性描述方法时,会得到不同的结论,在实际工程中容易引起误解。本文针对超光谱成像仪指向反射镜展开研究,利用有限元、光学面形处理等手段,实现“光-机-热”计算机集成仿真,分析其热光学特性。提出两种超光谱成像仪指向镜热光学特性的描述方法,结合实例进行了热光学仿真,并对仿真结果进行分析和讨论。

　　2　指向反射镜热光学特性研究方法

　　热光学特性研究涉及光、机、热众多领域,还受到加工、装调影响,存在很多随机和不确定因素,无法建立“温度—像质”之间的显式函数关系,只能通过计算机集成仿真手段模拟预示,并通过相应的热光学试验加以验证。如图1所示,点划线方框内表示研究指向反射境热光学特性的技术路线,其工作一般包括屏幕样机建立、模型热分析、热弹性分析、Zernike多项式拟合以及光学分析计算等工作[2]。

　　评价光学系统的热光学性能,需要利用光学设计软件计算光学系统热变形后,其光学传递函数的下降程度。但对于单一的指向反射镜,光学性能常用光学表面面型的PV值(峰谷值)和rms值(均方根值)考察[ 3 ]。对于指向镜的热光学特性分析可以分为热分析、热弹性分析和Zernike光学表面拟合几部分。

　　2. 1　热分析

　　这里的热分析是对指向镜温度场的计算,是根据典型边界条件乘以系数R(初始值为1),作为热分析的输入边界条件;利用有限元法或节点网络法对指向镜温度场的求解过程。该温度场通常指稳态温度场,即该温度场不随时间变化。