CN103592978B - 一种基于热光学像质最优的光学遥感器精密控温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热光学像质最优的光学遥感器精密控温方法，通过适用于扩展目标的位相差法波前探测器完成对地观测模式下光学遥感器的波前探测，获得波前像差；根据所述探测到的波前像差和热光学灵敏度分析表确定关键温度点的控温目标值，所述热光学灵敏度分析表中存储了关键温度点对波前像差的灵敏度系数dQ/dTi；根据温度测量值和所述控温目标值计算温度偏差，根据所述温度偏差对温度进行控制，直至达到控温目标值。本发明首次提出以最终的光学成像质量作为温度控制目标的方法，可有效保证系统的像质并避免温度指标分解引入的多级余量。
Description
技术领域
本发明属于空间光学遥感技术领域，特别涉及大口径光学遥感器精密控温方法。
背景技术
随着对航天光学遥感器分辨率和成像质量要求的不断提高，遥感器有逐渐向长焦距、大口径发展的趋势。然而长焦距、大口径的光学系统成像质量对遥感器内部和空间环境的温度变化更加敏感，这使得温度场的变化成为影响光学系统成像质量的最重要因素之一。同时，遥感器在轨飞行时将遭遇太阳辐射、地球反照、地球红外等外热流以及冷黑太空的交替热影响，造成温度波动进而使得光学系统离焦、镜面面形畸变降低成像质量。因此，大口径光学遥感相机一般均需精密控温以及在轨成像质量的调整设计。
以往的控温方案主要是以控温点的温度作为控制的最终目标，并认为只要控温对象温度处于控温范围内，光学成像质量即可满足要求。但是对于大口径、达到光学衍射极限的光学系统，微小的温度梯度都会对成像质量产生影响。从光学设计角度，很难在如此高的精度上对热控直接提出准确合理的温度要求。这样在使用以温度为最终指标的控温方法时会遇到困难。并且，控温要求在进行指标分解过程中，不可避免的引入较大设计余量，将造成资源需求浪费以及过设计。
发明内容
本发明的目的是针对现有大口径光学遥感器成像精密控温方法的不足，提供了一种基于热光学像质最优的光学遥感器精密控温方法，实现以光学成像质量为最终指标的精密控温技术，为光学系统提供更科学合理的温度支持，同时具备高可靠性“热调像”的能力。
本发明的技术方案是：
一种基于热光学像质最优的光学遥感器精密控温方法，包括以下步骤：
（1）通过适用于扩展目标的位相差法波前探测器完成对地观测模式下光学遥感器的波前探测，获得波前像差；
（2）根据所述探测到的波前像差和热光学灵敏度分析表确定关键温度点的控温目标值，所述热光学灵敏度分析表中存储了关键温度点对波前像差的灵敏度系数dQ/dTi；
（3）根据温度测量值和所述控温目标值计算温度偏差，根据所述温度偏差对温度进行控制，直至达到控温目标值。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
（1）本发明首次提出以光学成像质量作为温度控制目标的方法，通过光学系统温度场的优化调整，达到像质校正的目的，可更有效的保证空间光学相机的成像质量。
（2）本发明可以避免以往控温指标分解引入的多级设计余量，减小控温总功耗等资源需求。
（3）可使空间光学遥感器具备像质热校正（热调像）的能力，并且该方法相比于传统的机械调焦保证像质的方法更可靠、成本更低。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为位相差法波前探侧器结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明控温原理是利用光学遥感器光机热耦合影响显著的特点，将各关键部件温度T对系统光学成像质量Q的影响描述为函数：Q=f(T1,T2...Ti...Tn)。利用试验或仿真分析方法得到该函数的热-光学灵敏度系数dQ/dTi，其单位为：λ/℃，λ为波长。作为温度调整的梯度。控温时，首先对波前探测器探测的波前像差等成像质量进行判读，然后根据灵敏度系数表解算各控温点的控温目标，进而通过调整各回路控温功耗或加热占空比的方法控制光学系统的温度场，最终实现精确控制成像质量的目标。在控温时引入了光学像质探测、评价等指标。
如图1所示，本发明的基于热光学像质最优的精密控温方法包括如下步骤：
（1）通过适用于扩展目标的位相差法波前探测器完成对地观测模式下光学遥感器的波前探测，获得波前像差。位相差法波前探测器的光学系统结构如图2所示。扩展目标1（如地物目标）发出的光经过主镜2、次镜3等光学元件后，被分束器4分成两个支路，即反射支路与透射支路；两个支路的光束分别到达焦面上的CCD5和有一定离焦量7的离焦面上的CCD6，分别获得焦面图像和离焦图像。在系统调试完成后，需要对位相差法波前探测器两个支路的离焦量进行精确标定，以提高波前探测精度。扩展目标经位相差法波前探测器后，形成一幅焦面图像和一幅离焦图像，根据两个图像上的信息及已知的离焦量，通过位相差算法可以精确计算出各种波前像差。
（2）将探测到的波前像差与设定的残差（例如波前像差RMS值设定为λ/10）进行比较，若满足残差要求则进入步骤（6），否则进行步骤（3）；
（3）根据所述探测到的波前像差和热光学灵敏度分析表进行光-热耦合解算确定关键温度点的控温目标值，即温度调整方向。解算时可以利用打靶算法加速解算过程与精度。所述热光学灵敏度分析表中存储了关键温度点对波前像差的灵敏度系数dQ/dTi。例如主镜、次镜、镜筒、次镜支撑杆等关键部件，其温度偏差dTi（与装调温度或设计温度比较）导致的波前像差dQ。热光学灵敏度分析表格获得方法是通过控制加热功率控制关键部件已知温度的偏差，用前探测器探测温度变化对前后波前像差的变化，进而将波前像差变化与各个加热片温度变化建立起明确的关系。
（4）根据温度测量值和所述控温目标值计算温度偏差，根据所述温度偏差对温度进行控制。
根据控温周期t以及控温区域的热响应曲线，换算出具体的控温调整措施：即布置在各关键区域的主动控温回路的控温阈值、加热功率或加热占空比等进行自动调整，以控制整个光学系统的温度场变化至目标值。其中热响应曲线可先前由热仿真分析或热响应试验得到。
（5）对各控温回路的控温点温度进行判读，是否满足控温目标要求。若满足则返回步骤（1）重新进行波前探测，并完成成像质量的闭环控制，否则返回步骤（4）继续执行控温，直至光学系统的温度场控制到目标值。
（6）结束。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (2)
1.一种基于热光学像质最优的光学遥感器精密控温方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过适用于扩展目标的位相差法波前探测器完成对地观测模式下光学遥感器的波前探测，获得波前像差；
(2)根据所述探测到的波前像差和热光学灵敏度分析表确定关键温度点的控温目标值，所述热光学灵敏度分析表中存储了关键温度点对波前像差的灵敏度系数dQ/dTi；其中dQ为波前像差，dTi为温度偏差；
(3)根据温度测量值和所述控温目标值计算温度偏差，根据所述温度偏差对温度进行控制，直至达到控温目标值。
2.根据权利要求1所述的一种基于热光学像质最优的光学遥感器精密控温方法，其特征在于，通过适用于扩展目标的位相差法波前探测器形成一幅焦面图像和一幅离焦图像，根据两个图像上的信息及已知的离焦量计算波前像差。
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