根据某型号空间遥感相机的技术指标要求, 对成像单元进行了详细的设计与分析。首先, 给出了一种小体积、轻质量、高稳定性成像单元的结构形式; 其次, 针对遥感相机电子学设备在轨工作的复杂工况, 提出了成像单元防护性设计方法, 对大功耗元器件设计了主动热控措施; 最后用有限元法对成像单元进行了详细分析, 分析结果表明, 成像单元一阶模态为184 Hz, 远大于遥感相机基频106 Hz, 具有较好的动态性能; 成像单元在自重、±25 ℃工况条件下, 力学及热稳定性较高。对成像单元进行了力学和热光学试验, 力学试验结果表明成像单元的一阶频率为185 Hz, 与理论分析结果一致性较好, 热光学试验结果表明: 成像单元对整机热光学性能影响很小, 各项指标均满足设计要求。

为了避免环境温度变化影响红外双波段目标模拟器的投影图像质量,对其变焦投影镜头进行了光机热分析。建立了变焦投影镜头的有限元分析模型,通过对非定常的热应力问题进行准静态处理,完成了有限元模型的热分析和静力学分析,并求解出整机随温度变化的位移云图。通过有限元数据转换算法将离散节点的坐标数据转化为矢高变形数据,利用Householder算法完成了基于Zernike多项式的镜面热变形拟合,并将拟合系数导入光学设计软件,得到了不同温度下变焦投影镜头的热分析结果。结果表明,当温度在10~30 ℃区间时,投影图像质量对整机的热变形不敏感。

以热光学分析为基础, 对复杂环境下改正镜作为光学窗口的玻璃厚度进行了优化设计。对改正镜的强度及其所处的热环境进行了分析, 将温度场映射到结构模型中, 利用有限元计算改正镜在热-力耦合情况下的改正镜的变形量和面形数据, 对正镜面形数据进行拟合和处理, 最后将处理后的改正镜面形数据导入光学设计方案中, 分析改正镜厚度对光谱仪性能影响。结果表明改正镜厚度应该不小于10 mm; 当改正镜厚度为15 mm时, 改正镜受热力学影响可以忽略。因此改正镜作为光学窗口既能满足强度和可靠性要求, 又能满足光谱仪性能指标, 为窗口的设计提供了依据。

为了提高空间相机在不同温度条件下的成像质量, 本文建立了空间相机光-机-热集成分析模型, 以此模型为基础, 对系统的温度-离焦特性进行研究, 得到了相机温度调焦曲线, 并开展了热光学试验。首先, 分析了温度变化对光学系统的影响, 特别是对最佳像面位置的影响, 得到了相机离焦量与光学元件参数的关系; 介绍了光机热集成分析的一般方法, 即将热分析的温度场, 经过映射, 作为结构分析的边界条件, 然后进行结构有限元的热弹性分析, 通过对变形结果中光学元件曲率和刚体位移做拟合, 得到敏感因素的温度-离焦敏感度矩阵; 在此基础上得到了相机温度调焦曲线; 最后, 开展了相机热光学试验。试验结果表明, 基于集成分析结果的温度调焦, 空间相机在20 ℃±8 ℃内的最大误差小于0.1 mm, 基本满足相机在轨自动调焦的要求, 并指出了进一步提高相机温度调焦精度的方法。

为提高高空高速环境下机载光谱相机光学系统的成像性能,分析了飞行高度对光学窗口面型变形的影响,合理设计光学窗口厚度。基于有限元流固耦合、流热耦合模型,仿真高空高速环境下气动压力、气动热载荷对光学窗口的作用,分析了飞行高度对不同厚度光学窗口面型变形的影响; 初步选择光学窗口厚度,利用Zernike多项式对该光窗面型变形进行拟合并输入光学软件,以MTF及波相差为评价指标,分析了光学窗口变形对光学系统成像性能的影响,最终确定合理的光学窗口厚度。结果表明: 飞行器在5~30 km高空以3 Ma速度、5°攻角飞行时,口径200 mm的光学窗口合理设计厚度为15 mm。为不同飞行高度范围光学窗口厚度的选择及优化提供了一定依据。

针对光电对抗稳定平台中的变焦镜头进行了光机结构设计及热光学特性分析。根据30~120 mm 变焦要求采用凸轮机构进行结构设计。为确保工作在高低温环境下的光学系统获得高分辨率的目标图像，利用有限元方法分析了高低温环境下整机热变形与轴向温度场下变形位移，采用Zernike 多项式对形变后的镜面进行拟合，带入Zemax 软件分析出调制传递函数(MTF)、峰谷值(PV)、均方根(RMS)等评价函数随温度变化曲线，验证了光机设计的合理性。经过高低温可靠性实验对分析结果与变焦光学系统的温度适应性进行了验证。

航空遥感器在高速飞行时，由于光学窗口玻璃与大气间的摩擦会产生大量热，致使光学窗口玻璃在热载荷作用下发生变形，光束通过时会发生偏折、产生光程差等问题，导致航空遥感器的光学系统成像受到影响。为了更好地抑制这种影响，介绍了双层光学窗口的结构，并结合实例验证，对比分析了同等厚度下单、双层光学窗口的光学性能。根据窗口结构给出了在满足外界作业环境下，圆形和矩形窗口厚度的确定方法及不同窗口安装方式对厚度的影响；分析了在压力和温度的影响下，窗口玻璃的变形情况，并结合载机飞行工况对双层窗口进行了热变形分析；结合实际光学系统，验证了双层窗口的光学性能，并和同等厚度的单层窗口进行对比。分析结果表明，在航空遥感器高速飞行条件下，与同等厚度的单层窗口相比，双层窗口玻璃的径向温差和轴向温差更小；针对所研究的光学系统，双层光学窗口玻璃热变形后引起的光学系统离焦量更小，并且对光学系统调制传递函数（MTF）的影响更小，空间频率在0~65 cycle/mm 范围内不低于0.3，且在65 cycle/mm 时MTF 的相对下降量不超过10%，即双层光学窗口的引入使光学系统在不用调焦的情况下就可以满足使用要求。对双层光学窗口的分析研究也可以为其他航空光学窗口设计提供参考。

为研究温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响, 分析了温度变化对光谱仪中准直镜头、 成像镜头以及干涉仪组件各光学系统组成部分性能参数的变化关系, 建立了温度对光谱仪谱线漂移影响的模型, 通过软件仿真和热光学实验对理论模型进行了验证。 结果表明, 良好的镜头光学设计方案可有效避免星载环境下温度对镜头组件光学性能的影响, 干涉仪组件温度变化会使系统基频变化直接导致光谱谱线的漂移, 同时温差过大会对光谱仪光谱分辨率产生影响, 使光谱谱线发生变形。 针对星载空间外差干涉型光谱仪中干涉仪组件的温控条件, 应依据基频、 结合光谱分辨率和带宽等性能指标提出严格的温控范围。