临近空间光学载荷设计关键指标与技术综述.docx

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1、临近空间光学载荷设计关键指标与技术综述目录摘要1?弓1言1?国外典型航空光学载荷发展现状3?临近空间环境对光学载荷影响分析5?温度环境特点与影响5?大气环境特点与影响6?临空光学载荷关键技术7?像移补偿技术7?相机小型化设计制造技术7?环境适应性设计技术8?光窗技术8?红外相机设计初步方案探讨9?结束语9摘要光学载荷具备成像分辨力高，目标图像直观易评判等优点，搭载于超声速飞行器上，结合平台特点，能够快速获取目标区大范围影像，适合执行对地成像侦察任务。由于载机高速运动，光学载荷面临载机蒙皮温度高以及光窗内外温差大等挑战。为保证光学载荷在高温高速环境下具备对地高性能成像能力，系统地总结了临近空间超

2、声速飞行环境特点并分析其对光学载荷的影响。结合外界环境影响，总结和归纳了临近空间光学载荷设计中所涉及的像移补偿、系统小型化、光窗设计等关键技术。对于可能搭载的红外相机，量化分析了外界环境红外辐射特点并研判此类特点对红外探测器工作波段与模式的影响，给出红外相机系统设计的两条具体建议。一是红外相机工作波段810.5pm；二是为降低背景辐射影响，建议红外相机采用焦平面凝视扫描成像方式。引言临近空间一般指距离地面20100km的空域，处于传统飞机最大飞行高度与低轨卫星最低绕地高度之间的过渡空间。部署在该空间内活动的高速平台具有的显著优势包括：一是在战场上具备极高的战场灵活性。由于该高度层大气稀薄，载机

3、平台最大飞行马赫数通常可达3,美军洛马公司正在研制的SR72高超声速无人机最大飞行马赫数甚至可达61O此外，临空空域较低空空域中，与其他飞行器的用空冲突较少，受到的空域管控相对较少，因此有更高的机动部署能力与更强的响应能力；二是具备较高的战场生存能力与效费比。临近空间高速飞行器的飞行高度处于传统防空系统的最大拦截高度之上，又在反导系统拦截高度之下，是相对安全的飞行高度2,导致敌方对该空域内执行情侦监（ISR）任务、通信中继任务等非战术边缘飞机平台的作战决心不强。敌方即使下决心要对此空域内的飞机平台进行攻击，付出成本往往高于飞机平台成本，因此该空域内飞机的高战场生存能力往往能够带来较高的战场效费

4、比C30因此，临近空间高速飞行器是传统航空作战力量和传统航天作战力量的重要补充力量，能够促进实现空、天、地全物理域的作战覆盖，是联合全域作战不可忽略的作战力量。临近空间ISR任务是指将侦察监视装备搭载在临近空间高速飞行器，对地面实施持续ISR的作战活动4。执行此类任务的载荷主要有成像侦察载荷（包括光学成像侦察载荷和雷达成像侦察载荷）、电子侦察载荷（ESM）、光谱侦察载荷等。本文主要讨论光学侦察载荷。临近空间光学侦察可以用于战前、战时临空对敌战区地（海）面固定和活动目标进行战场监视与侦察、掌握敌目标动向与位置、提供战场态势信息、战场目标毁伤效果评估5o其侦察图像可通过地空数据链实时（准实时）传输

5、给地面，为指挥部门分析判定目标、把握战机，提供实时、超视距的情报信息。临近空间光学侦察载荷相较传统航空ISR系统具备以下优势：一是侦察范围大。由于载机飞行高度高，在同等视场角情况下，临近空间光学设备将较航空光学设备具备更广的地面覆盖范围，大幅增强情报获取能力6；二是平时战时均具备ISR能力。临近空间处于国际上通用的领空高度之上，因此能够进入待侦察区域正上方进行侦察且不被判定为入侵他国空域，避免造成不良政治影响。光学载荷在临近空间执行侦察任务时，面临载机平台飞行速度快、震动大、外界温度高等客观环境条件限制。在进行光学系统设计的时候，为保证光学载荷在复杂环境条件下的成像质量，需要综合考虑外部环境对

6、光学系统的影响。本文对临近空间光学载荷可见光和红外波段设计要素进行介绍。通过考虑外界环境的影响，量化分析面临的主要技术问题。国外典型航空光学载荷发展现状世界发达国家（如美国、英国等）航空光学侦察相机发展遵循由低分辨力向高分辨力，胶片式相机向CCD传输型相机（可见光/红外）发展趋势。从20世纪四五十年代开始研制以胶片为信息载体的航空侦察相机，初期相机焦距较短、载片量小、幅宽窄、地面分辨力低，且多为垂直放置成像。随着技术的发展和军方对航空侦察相机需求的牵引，至20世纪70年代，研制长焦距、大载片量、宽画幅、地面分辨力高的航空侦察相机，如美国仙童公司80年代生产的焦距为1830mm的KA-112A全

7、景式航空侦察相机、美国芝加哥航空公司80年代生产的焦距为1670mm的KS-146画幅式航空侦察相机，至20世纪80年代国际先进国家胶片式相机己发展到相当高的水平。胶片式相机分辨力高，但实时性差。随着科技发展和成像探测器技术日益成熟，从20世纪80年代开始，发达国家研发出CCD实时传输型侦察相机，至今已发展至很高水平，且由可见光向红外及可见光/红外两光合一，以及多光谱成像的方向发展，如英国WVinten公司生产的8040相机、雷锡恩公司生产的DB-I1O相机7；美国ROI公司生产的CA-261、CA-270CA-295、全球鹰装载的相机等，如图1、图2所ZjO图18040相机外形图图2DB-I

8、1O相机外形图国外几种典型可见光及可见光/红外航空相机主要技术指标如表1、表2所示。实时传输型航空侦察相机已成为西方发达国家获取地面军事信息的重要来源之一。表18040相机主要性能指标主要性能参数技术指标行高度/m15247620焦距Zmm450视场角/U)12.4光谱范围仙n0.5-0.8像无数12288像元尺寸m8x8我机美洲虎、狂风等表2国外典型双波段相机性能参数相机DBT10CA-295波段可见光红外可见光红外焦距Anm279413971270-25401270相对孔径/IO5/484横向视场角/()2.272.272.272.27俯仰视场角/()2.272.272.272.27光谱范

9、围m0.41350.50.835成像介质CCDCCDCCDCCD像元数5120645I24845O4O5()4O2O482O48像元尺寸mIO102525101()2525帧速率/帧秒T2.52.52.52.5飞行高度Zkm3.05-243815.25?.临近空间环境对光学载荷影响分析?.1.温度环境特点与影响临近空间飞行器工作环境一般为大气平流层区域（1855km）。在该高度范围内，不同高度处的平均温度起伏不超过20K6。该高度范围内的臭氧层吸收太阳紫外辐射，导致该高度范围的大气被加热，随着高度的增加，大气温度逐渐增加，该高度范围内温度随着高度增加而增加8o通常平流层底部20km处温度约为2

10、23K。在平流层顶部，大气温度最大值可达270K左右。光学载荷温度不仅受到外部环境温度影响，还受载机运动状态影响。载机外表面的温度变化随着载机在不同的运动阶段变化而变化。以最高飞行高度30km,最大飞行马赫数3的典型载机为例，载机外表面的温度变化典型规律可以概括为表3所示。表3载机外表面不同阶段外表面温度载机飞行阶段动力上升段无动力爬升段I无动力爬升段U动力巡航段无动力返回段载机外表面温度度218-6236235335335I3513513-地面温度表3说明临近空传光学载荷所面临的环境与传统航空光学载荷所处环境不同，主要特点为温度变化速度快，温度峰值高。载荷安装在载机平台内，载机提供给相机的工

11、作环境温度范围非常宽，相机窗口玻璃内外温度梯度大（窗口玻璃外表温度大于600K）,对长焦距光学载荷而言，工作在这样复杂环境条件下保证高成像质量，设计难度很大，因此环境适应性设计技术是临空光学载荷的关键技术之一。温度变化将使所有固体零部件的热焰改变，在光学载荷轴向、径向两个方向形成温度梯度，使光学系统的玻璃曲率半径、光学间隔、介质折射率等发生变化，引起焦距发生变化，导致像面产生离焦。以载荷主结构材料采用钛合金或铝合金为例，系统温度范围为+50C-30C时，温度变化对焦面的影响如表4所示。计算表明，结构材料采用钛合金反而比采用铝合金的调焦量要大，但二者均需要调焦。考虑到钛合金的线胀系数与玻璃较为接

12、近，温度变化时不会因此产生应力变形，所以建议设计时采用钛合金作为结构材料。表4不同温度、不同镜筒材料情况下系统调焦量温度/铝钛焦距变化超7nm周焦盘Z7mm焦距变化珏7mm两焦最7mtn500.8681-0.22250.96JO-0.6204400.5776-0.14750.6402-0.4131“)0.2891-0.07400.3203-0.206920O000IO-0.29770.0821-0.32880.2150O-0.59400.1633-0.65640.4287-10-0.89340.2470-0.98590.6446-20-1.19050.3288-1.31460.8598-30-

13、1.48780.4113-1.64321.0746?.2.大气环境特点与影响临近空间区域的大气密度随着高度的增加而逐渐减小。在20km高空，密度约为0.088kgT,气压约为5.07kPa,上升到40km高空时，密度减小到0.004kgm)气压约为300Pa。不同海拔高度的大气压是不同的，而空气的折射率n也随着大气压的不同而不同，因此随着光学载荷所处的海拔高度发生变化，载荷内部的空气折射率发生变化，从而引起光学系统像面产生离焦。大气压力对光学系统焦面的影响如表5所示。表5大气压力对光学系统焦面的影响海拔小kin气压“ZkPa折射率焦斯.变化量AfVmm调焦城minO101.301.027601

14、89.88I.(XX)251-0.0637-0.0563279.501.000227-0.1249-0.1105370.12I.OOO2O5-0.1810-0.1601461.66I.OI85-0.2320-0.2052554.051.0166-0.2804-0.2480647.221.(XX)149-03237-0.2864741.111.000133-0.3645-0.3224835.65I.(M)OI19-0.40-0.3540930.801.OIO5-0.4359-0.3856IO26.501.000093-0.4665-O.4i261219.401.000()70-0.5251-0.46451414.171.000051-0.5735-0.50731610.351.()00038-0.6066-0.5366187.5651.000()28-0.6321-0.5592205.5291.000()20-0.6525-