【摘 要】
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远距离暗弱目标的探测在天文科学观测、导引导航和安全防御等领域备受关注,光学探测技术是获取远距离暗弱目标信息最有效的探测手段之一,已广泛应用于目标状态监测和目标特性测量。在目标和背景特性一定的情况下,无论在何种平台工作,光学探测系统作为暗弱目标能量收集和光电转换的核心设备,均面临着“探得到”、“瞄得准”和“测得精”的暗弱目标光学探测难题。因此,为提升对暗弱目标的探测能力,针对暗弱目标光学探测难题,开
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
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远距离暗弱目标的探测在天文科学观测、导引导航和安全防御等领域备受关注,光学探测技术是获取远距离暗弱目标信息最有效的探测手段之一,已广泛应用于目标状态监测和目标特性测量。在目标和背景特性一定的情况下,无论在何种平台工作,光学探测系统作为暗弱目标能量收集和光电转换的核心设备,均面临着“探得到”、“瞄得准”和“测得精”的暗弱目标光学探测难题。因此,为提升对暗弱目标的探测能力,针对暗弱目标光学探测难题,开展光学探测系统关键技术的研究,具有一定的必要性和迫切性。本课题将以远距离暗弱目标探测需求为牵引,以提升系统的探测能力为研究目标,聚焦光学探测难题,开展远距离暗弱目标探测理论模型、杂散辐射抑制理论与方法、光学像差对点扩散函数（Point Spread Function,PSF）能量分布形状的影响机理、PSF椭率与质心定位误差之间的变化规律等基本理论的研究,探索系统的理论探测极限,利用基于PSF椭率的光学探测系统优化设计方法,对探测光学系统的PSF进行优化控制,提高系统对目标像点的质心定位精度,并在巡天望远镜光学系统中对失调下的PSF椭率变化量进行了评价。将上述研究成果应用到光学主被动复合探测光学系统的设计与制造中,解决了光学主被动复合探测系统在优化设计、杂光与自身辐射平衡和抑制、主被动共光轴的问题,通过实验,对本课题在探测机理、设计理论和技术方法等方面的研究成果进行验证,实现远距离暗弱目标探测光学系统关键技术的突破,对推动光学探测技术的发展和应用具有重要的研究意义。具体来讲,本论文主要包括以下工作内容:1.分析了目标与背景特性,对空中目标、空间目标和恒星目标等远距离暗弱目标的辐射特性,以及天光背景和大气光谱透过率进行了仿真分析。建立了暗弱目标光学探测理论通用模型,提出了暗弱目标的极限探测条件,为暗弱目标探测光学系统的设计奠定理论基础。针对不同探测目标和不同探测体制,推导了光学探测系统外部杂光或自身辐射噪声的表达式,为平衡和抑制探测系统的光学背景噪声提供理论依据。2.基于光学系统成像理论模型,利用Zernike多项式表征光学系统的不同像差,构建了光学系统各类初级像差对光学系统PSF的影响机理模型,研究了不同像差、像素化效应对PSF椭率的影响规律,总结了PSF椭率与质心定位精度之间的变化关系,可根据PSF椭率、PSF椭率变化率与质心定位精度之间的对应关系,进行光学探测系统的优化设计,为探测光学系统优化设计提供理论依据。3.阐述了基于PSF椭率的光学探测系统优化设计流程,构建了光学系统PSF椭率计算、分析和评价方法模型,以暗物质暗能量探测巡天望远镜光学系统为例,分析并对比了全视场RMS波像差和PSF椭率的分布趋势。提出了失调下光学系统PSF椭率变化量的评价方法,分别以RMS波像差和PSF椭率作为像质变化的评价参数,分析了光学系统失调下的RMS波像差和PSF椭率变化量,通过分析结果的对比,修正了对系统稳定性误差的控制要求,在综合像差下,PSF椭率的最大变化率为4.47/像素,示例光学系统的质心定位精度将优于1/30像素。4.讨论了单光子激光测距与中波红外探测复合系统构成和工作原理,完成了单光子激光与中波红外复合探测系统的优化设计;建立了光学系统的内外杂散辐射仿真分析模型,完成了系统内外杂散辐射的仿真、分析和迭代优化,实现了外部杂光和内部自身辐射噪声的平衡和控制;开展了复合探测系统样机的研制和实验室内测试工作,在外场进行了远距离目标的主被动探测实验,被动探测距离达到225km,完成测试误差的分析,验证了复合探测系统的探测能力。同时也对400km轨道高度的空间站进行了红外被动探测,探测距离预计达到1050km以上。
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