光学系统低温环境下辐射特性研究

For space optical system research and optimizational design, it is necessary to research system radiation characteristic, and it is a necessary progress for space optical romote sensor appraising, optimization, pridiction, and application. However, under space low temperature condition, effected by double effectors of low temperature and system structure mechanical condition, space optical system's rediation condition is different to that under normal temperature. In nowadays, in our country, there lacks of theorical dasis for researching optical system radiation under low temperature in the field spacial optical research. Applying with radiometry and body nonline deformation theory, based on bidirectional reflectance distribution function(BRDF), the project researches the action model of system bodies nonline deformation and surfaces microstructure non-similarity to system radiation characteristic, and sets up testing experiment to test and check the working model of deformation character acting to radiation character, and lastly puts the model into use in classic spacial optical system and aimming at the class system's structure, sets up radiation model checking experiment under low temperature to check the structure action to system radiation. The research fills the gap of space optical radiation research under the low temperature, and it has the based breaked exploratory development worth and is significant to spacial optical remote sensing technology, and can furnish the new based theory and mathod to design and apply cryogenic space optical system.

空间光学系统辐射特性研究是空间光学系统研究与优化设计的必要环节，是空间光学遥感器性能评估、预测、应用不可逾越的过程。然而在空间低温环境下，光学系统承受低温环境、力学条件的双重作用，其辐射特性较常温状态截然不同。而目前我国空间光学领域研究低温环境下系统光学辐射特性仍然缺乏理论基础。本项目以辐射度学和形体非线性形变理论为方法，基于双向反射分布函数（BRDF）进行系统光学辐射特性的基础理论研究，着力研究光学系统在低温环境下的系统形体非线性形变和表面微观非相似性对系统辐射特性的作用机理模型。并建立低温环境试验，验证形变特性对辐射特性的作用模型，并将模型应用于典型空间光学系统和针对系统构件进行低温环境下辐射模型验证试验。该项目研究填补我国空间光学系统在低温环境下辐射特性研究的空白，对空间光学遥感技术研究具有突破性的基础探索研究价值和深远的研究意义，也为深冷空间光学系统设计与应用提供新理论和方法。

空间光学遥感器面对的是平均温度为4K 的宇宙深冷空间背景，此时遥感器探测系统主要的背景辐照来源不是宇宙深冷空间背景，而是系统本身；而且对于以深冷空间为背景的遥远目标，要提高对遥远目标的辐射学探测灵敏度，在不能提高目标的辐照度的情况下，优化设计系统辐射特性是唯一有效的方法。因此空间光学系统辐射特性是空间光学系统特性研究与优化设计的必要环节，对于空间光学遥感器的设计、应用、成像特性评估与优化、系统探测灵敏度预测与优化设计等都是不可逾越的过程。本项目考虑在低温环境下光学系统形体特性的非线性变化和微观结构非相似性变化，基于BRDF建立光学系统辐射特性理论模型；基于成像频谱特性建立系统辐射与系统信号对比度调制函数的关系模型，从成像角度表征系统辐射特性的相对温变规律。并针对空间光学系统，建立验证试验，检验四种常用结构材料和光学材料的光学系统其辐射与系统低温形体之间的模型关系，并根据试验结果来完善模型，形成完备的形体辐射特性理论模型，经验证模型不确定度在5%以内。针对典型空间离轴三反光学系统，应用所建立的模型和测试方法，获得了空间离轴三反望远系统的低温环境下系统辐射对系统探测灵敏度、像质传递函数的影响特性，系统在250K时系统特性出现较大波动，系统环境最低探索温度达到230K。本项目进行空间光学系统在低温环境下系统辐射特性的基础研究，解决了系统低温辐射特性研究所面临的困难，填补我国空间光学系统在低温环境下辐射特性研究的空白，对空间光学遥感技术研究具有突破性的基础探索研究价值和深远的研究意义，项目研究方法和成果可以为低温特性研究提供基础理论方法，推动我国空间光学遥感技术发展和提高，也为深冷空间光学系统设计与应用提供新理论和技术方法，扩展我国深冷空间光学系统设计和应用范围。