空间沾染物对光学系统成像的影响研究

摘要

近些年，随着空间技术的发展，我国的航天事业取得了一系列突破性进展，但仍有许多空间技术难题，还未解决。其中，长期暴露在空间深冷环境中的航天器会遭受空间沾染物质的污染，会对空间光学系统的成像造成严重的影响。上个世纪七八十年代，美国总共有二十多颗卫星因为受到空间污染而出现运行故障。从此，以美国为主的各国航天设计人员开始对空间污染问题进行了大量研究，以便对空间可能产生的污染进行有效的预防和控制，保障空间飞行器的正常运行。
　　本文就是基于以上背景，通过实验测试研究的方法研究遮挡性沾染对光学成像系统的影响，通过仿真计算的方法探究散射性沾染对光学成像系统的影响，最终完成空间沾染对光学系统成像的影响研究分析。主要内容包括：
　　讨论了空间沾染物质的来源及分类，根据沾染量的多少及沾染所产生的影响效应，将光学沾染分为遮挡性沾染和散射性沾染。通常认为污染物沉积到光学表面后，系统的光学透过率和反射率降低，而实际上在污染物质的量很少的情况下，污染并不影响系统的光学透过率和反射率，而是产生了光学散射效应。本论文将从两个方面研究空间沾染对光学系统成像的影响机理：当沾染的量较大，使得光学系统光学透过率和反射率降低时，这种遮挡性沾染所引起的光学性能变化；以及在沾染量非常少，尚未引起光学透过率和反射率明显变化时，微粒在光学表面的微量沾染即散射性沾染所引起的光学性能的变化。
　　对于遮挡性沾染问题，建立了基于光学系统成像面光谱辐照度变化的光学系统沾染损伤模型，筛选了碳粉、真空光学油漆和硅油三种空间常见污染物质，对遮挡性沾染引起的光学损伤对光学系统成像的影响效应进行了实验研究。分别研究了遮挡性光学沾染对可见光和红外光成像的影响，研究了成像质量与沾染程度的关系，从而得到较大量污染对光学系统成像的影响效果。通过研究结果可以得到，当碳粉沾染质量厚度大于3×10-6g/mm2时，整个系统光学元件的透过率开始低于50％，而当碳粉沾染质量厚度达到16×10-6g/mm2时，系统的光学透过率将下降到几乎为零。而与黑色油漆沾染对比来看，在系统光学透过率下降为70％和50％时，碳粉沾染对光学透过率的影响更明显，而当透过率下降到30％时，油漆更容易对光学系统传输率造成影响。油膜分子沾染对光学成像的影响虽然没有粒子沾染影响效果明显，但会产生薄膜干涉现象影响光学成像。
　　对于散射性光学沾染问题，建立光学成像系统表面微量沾染分析点阵模型，研究微量沾染所引起光线衍射对光学成像系统的影响效应。用夫琅禾费衍射理论对散射性沾染问题进行理论研究和分析，分别针对可见光波段和红外波段的散射性光学沾染进行了仿真计算。得出了沾染颗粒越小，颗粒间距越小，光波长越大，散射性沾染对光学系统成像的影响就越大。

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第1章 绪论

1.1 本课题研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题研究内容介绍

第2章 空间沾染对光学成像影响的原理

2.1 空间沾染物的来源及分类

2.2 空间光学沾染效应分类

2.3 遮挡性沾染对光学成像的影响机理

2.4 散射性沾染对光学成像的影响机理

2.5 本章小结

第3章 遮挡性沾染对光学成像的影响研究

3.1 遮挡性沾染对光学成像影响研究的实验方法

3.2 空间与地面光学沾染实验的区别及沾染物的选取

3.3 粒子沾染对可见光成像的影响研究

3.4 粒子沾染对红外光学成像的影响研究

3.5 油膜分子沾染对光学成像的影响研究

3.6 本章小结

第4章 散射性沾染对光学成像的影响研究

4.1 散射性表面沾染的模型建立与计算

4.2 散射性沾染对可见光成像影响的仿真计算

4.3 散射性沾染对红外光学成像影响的仿真计算

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢