复杂温度场对航空长焦相机光学系统MTF的影响

High precision, long focal length and high resolution are important directions in the development of aerial remote sensor. With the increasing demand, the temperature has become a restrictive factor.It has important implication that how the temperature impacts on the remote sensor's imaging in the future development of aerial remote sensor. Relying on some long focal length aerial camara, on the basis of the method of thermal/structural/optical integrated analysis, this topic studied the effect of temperature on various aspects of the remote sensor , and then classified them as changes in displacements and in the refractive index. And they both were quantified and analyzed. By combining analysis and experiments, this topic studied the two aspects's effects on the optical system by using the method of introducing a scale factor. The entire system was analyzed comprehensively and systematically. This topic did the theoretical and conceptual study for the effect of temperature on the remote sensor. It provides a theoretical basis and support for the thermal control design and opto-mechanics design.

高精度、长焦距、高分辨率是航空遥感器发展的重要方向，随着需求的不断提高，温度已经成为制约其发展的重要因素。研究复杂温度如何对遥感器成像产生影响和作用，对未来的航空遥感器发展具有重要的意义。本课题根据某航空长焦相机，在光、机、热集成分析的基础上，将温度对该相机光学系统成像影响的各个方面进行深入细化研究。课题将这些影响规类为位移变化及折射率变化，并分别对其进行量化及分析；在此基础上，利用分析和实验相结合的方式，通过引入比例因子，研究并确定这两方面对光学系统成像质量的综合影响作用，从而达到全面、系统、综合分析的目标。本课题对遥感器的温度影响进行了理论及概念研究，为光学遥感器的热控设计及光机设计提供理论支持及依据。

当前，温度已经成为航空遥感器向高精度及高分辨率方向发展的制约因素之一。长焦距航空遥感器对温度分布更为敏感，受周围环境的影响更大，因此，要保证长焦航空遥感器在恶劣的环境下具有较高的热稳定性，就需要进行复杂温度场对光学系统的影响理论与分析研究。项目组利用光、机、热集成分析的方式对光学系统的综合影响进行了研究，包括温度、热应力、结构应力等引起的面形变化、折射率变化及它们影响作用；同时根据分析结果确定某型号长焦距相机的机械支撑结构及光学系统中对温度敏感的关键部件，以此作为热控设计的依据，并通过光学的手段对温度的影响作用进行直接的评价。项目组通过实际试验的数据得到了良好的热分析模型，分析并得出了实际工况中的温度分布，以此作为力学分析的输入；建立并优化了力学模型，分析得到了面形变化结果，以此作为集成分析的输入。按照集成分析，获得了非均匀温度变化条件下的光学传递函数变化值，并以此为依据为该相机的热控方式提供了指导体系；同时分别研究了温度对折射率和面形变化的影响，提出以三级像差的分析结果来衡量温度水平差异和温度梯度差异的影响大小，并给出了定量值。根据以上结果，项目组提出了复杂温度场对光学系统影响的研究方式、流程及体系，使其具有系统化，流程化、图形化、数字化、任意化及针对化的特点，并以此应用于两种长焦距航空相机的光学系统中，实际的飞行试验表明其在剧烈的温度冲击下工作性能良好。