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SAR实时成像光学处理器光机系统设计

赵洪强 张星祥 王夺 毕国玲 付天骄

赵洪强,张星祥,王夺,等. SAR实时成像光学处理器光机系统设计[J]. 光电工程,2022,49(9): 210421 doi: 10.12086/oee.2022.210421
引用本文: 赵洪强,张星祥,王夺,等. SAR实时成像光学处理器光机系统设计[J]. 光电工程,2022,49(9): 210421 doi: 10.12086/oee.2022.210421
Zhao H Q, Zhang X X, Wang D, et al. Optical-mechanical system design of SAR real-time imaging optical processor[J]. Opto-Electron Eng, 2022, 49(9): 210421 doi: 10.12086/oee.2022.210421
Citation: Zhao H Q, Zhang X X, Wang D, et al. Optical-mechanical system design of SAR real-time imaging optical processor[J]. Opto-Electron Eng, 2022, 49(9): 210421 doi: 10.12086/oee.2022.210421

SAR实时成像光学处理器光机系统设计

doi: 10.12086/oee.2022.210421
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(61801455)
详细信息
    作者简介:

    赵洪强(1996-),男,硕士研究生,主要从事光学仪器光机结构设计方面的研究,E-mail: zhqallen@163.com

    张星祥(1977-),男,博士,研究员,主要从事空间宽幅成像技术、精密装调与拼接技术、在轨测试与处理技术方面的研究。E-mail: jan_zxx@163.com

    通讯作者:

    张星祥,jan_zxx@163.com

  • 中图分类号: TN911;TH745

Optical-mechanical system design of SAR real-time imaging optical processor

Funds: National Natural Science Foundation of China (61801455)
More Information
  • 摘要:

    为了进一步提高合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)面对海量回波数据的实时成像处理能力,基于4f光学结构对SAR实时成像光学处理器进行了光机系统设计和分析。首先,设计了适用于滤波算法的入瞳直径21 mm、视场角7°、焦距172 mm的傅里叶变换透镜,并对4f光学系统采取紧凑化设计。然后,利用集成优化方法优化了4f光机结构中的柔性镜座,并对整体结构进行了模块化设计和分析。分析结果表明:4f光学系统成像质量趋于衍射极限,傅里叶变换透镜的MTF在55 lp/mm处优于0.57,4f光机系统在常温1g重力工况下透镜面形RMS值小于 $ \lambda /50 $ ,整体结构基频大于100 Hz。4f光学处理器整体尺寸为405 mm×145 mm×92 mm,质量约为2.94 kg,其体积、质量分别仅是同等SAR数据处理水平的斜平面光学处理器的30%、48%。通过数据的模拟仿真,表明系统设计满足星载或机载的实时成像使用需求。

     

  • 图  1  4f系统原理示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of 4f system

    图  2  SAR光处理器工作原理示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of SAR optical processor

    图  3  傅里叶变换透镜结构图和像质评价图。(a) 结构图;(b) 点列图;(c) MTF图;(d) 波前图

    Figure  3.  Structure diagram and image quality evaluation diagram of Fourier transform lens. (a) Structure chart; (b) Spot diagram; (c) MTF figure; (d) Wavefront figure

    图  4  光学系统结构图和像质评价图。(a) 结构图;(b) MTF图

    Figure  4.  Optical system structure diagram and image quality evaluation diagram. (a) Structure chart; (b) MTF chart

    图  5  傅里叶变换镜组结构图。(a) 前2f镜组;(b) 后2f镜组

    Figure  5.  Structure of Fourier transform. (a) 2f lens group in the front; (b) 2f lens group in the back

    图  6  柔性镜座结构示意图

    Figure  6.  Structural diagram of flexible lens base

    图  7  前2f镜组变形云图。(a) X向;(b) Y向;(c) Z

    Figure  7.  Cloud diagram of front 2f lens group deformation. (a) X direction; (b) Y direction; (c) Z direction

    图  8  4f光学处理器的系统结构图

    Figure  8.  System structure of 4f optical processor

    图  9  整体结构前两阶模态云图。(a)一阶模态云图;(b)二阶模态云图

    Figure  9.  First two modal cloud images of the whole structure. (a) First modal cloud image; (b) Second modal cloud image

    图  10  4f系统装置图和模拟结果图。(a) 装置图;(b) 模拟结果图

    Figure  10.  4f system device diagram and simulation result diagram. (a) Device diagram; (b) Simulation result diagram

    表  1  SLM规格参数

    Table  1.   SLM specifications

    规格参数 具体数值
    调制类型 纯相位型/纯振幅型
    像素数 1920 $ \times $1152
    像素大小 9.2 μm
    有效像面大小 17.6 mm $\times$10.7 mm
    工作波长范围 400 nm~1650 nm
    填充因子 95.7%
    帧频 76.8/93.7/169/211.1 Hz
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    表  2  傅里叶变换透镜光学参数

    Table  2.   Optical parameters of Fourier transform lens

    # 光学元件 半径/mm 厚度/mm 材料 半口径/mm
    1 透镜1 −171.909 15.748 SILICA 16.932
    2 −74.994 14.257 17.984
    3 透镜2 −28.628 5.682 N-KZFS11 17.919
    4 −31.483 35.986 19.444
    5 透镜3 31.483 5.682 N-KZFS11 19.623
    6 28.628 14.257 18.098
    7 透镜4 74.994 15.748 SILICA 18.245
    8 171.909 126.3 17.258
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    表  3  常用光机结构材料属性表

    Table  3.   Properties of common opto-mechanical structural materials

    材料名称 密度 $ \rho / $(g/cm3) 弹性模量E/(GPa) 比刚度(E/ $ \rho $)/(GN·(m/g)) 线胀系数 $ \alpha $/(10−6/K) 导热系数 $ \lambda $/(W/(m·K))
    TC4 4.4 114 25.9 9.10 7.40
    7A09 2.8 71 25.4 23.6 142.00
    铟钢 8.9 141 15.8 2.60 13.70
    CFRP 1.8 纵向95 52.8 0~1 70.00
    高体分SiC/Al 3.0 180 60.0 8.0 225.00
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-04
  • 修回日期:  2022-04-14
  • 网络出版日期:  2022-09-22

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