[发明专利]一种低畸变空间碎片广域探测光学系统

说明书

本发明公开了一种低畸变空间碎片广域探测光学系统，包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、孔径光阑、第三正透镜、第四正透镜、第三负透镜、第五正透镜、第四负透镜；通过优化了各个透镜的参数，使得整个光学系统性能指标优良，避免该光学系统使用口径超过200mm防辐射平板窗口，减轻系统重量，减小系统长度，同时系统80％弥散圆直径控制在10.57μm‑11.92μm范围内，系统全视场内弥散斑直径变化小于2μm，系统全视场内弥散斑均衡，畸变小于万分之三。

技术领域

本发明属于空间光学系统技术领域，具体涉及一种低畸变空间碎片广域探测的光学系统。

背景技术

从第一颗进入宇宙的人造卫星开始，人们将越来越多的航天器送入太空，人类进入了太空时代。然而，随着航天器进入太空的数量逐渐增多，各种各样的空间碎片开始聚集。例如，太空中无序散布的卫星零件、已爆炸的燃料箱、火箭上级残骸、整流罩的残骸、报废的卫星等空间碎片。这些空间碎片速度超过了20马赫，严重的威胁着通信、导航、遥感、气象和空间探测等活动。若空间碎片与航天器发生碰撞，将直接改变航天器表面性能，导致航天器系统故障，无法完成相应目标任务。因此，现需要对空间碎片进行探测，避免航天器与空间碎片发生碰撞。

传统的空间碎片探测多采用雷达探测器、无线电信号探测器组成的探测网对空间碎片进行探测和跟踪，这种方式被称为地基空间碎片探测，优点是技术成熟、投资成本低，能够对空间碎片进行有效搜索和跟踪，但是易受气象、地理位置和时间的限制。天基空间碎片探测的优点是不受地理位置和气象条件的限制，探测效果好。探测设备可以在太空中对空间碎片进行跟踪捕获任务，这类设备避开大气造成的干扰，能够精确地获得目标的尺寸、形状及轨道参量等重要的目标信息，大大弥补了地基系统在中层空间碎片探测能力的不足。空间碎片广域探测技术可以对空间碎片进行搜索、发现，为空间碎片规避和空间安全提供信息基础，保证航天器在轨运行安全。

空间碎片广域探测光学系统，不同与一般的天基探测光学系统，其光学设计要求主要有以下几个方面：

(1)F数越小，探测能力越强，弱小空间碎片目标可以被探测；

(2)视场大，短时间内即可完成目标区域内的碎片探测；

(3)视场内弥散斑直径与探测器2*2或3*3像元接近；

(4)各个视场弥散斑大小分布均匀恒定；

(5)光谱范围较宽，光谱宽度大于等于400nm；

(6)畸变小，可提高空间碎片定位精度。

空间碎片广域探测光学系统中焦距、视场、孔径、光谱范围增大直接影响空间碎片广域探测光学系统的球差、慧差、畸变、场曲和垂轴色差。特别是在空间碎片广域探测光学系统焦距一定的情况下减小F数，极大的增加了空间碎片广域探测光学系统的设计难度。目前公布的空间碎片广域探测光学系统仍然存在以下问题；若F数小，则视场角较小，系统时效性较低，同时光谱范围较窄，不能满足低畸变、大视场、小F数空间碎片广域探测的光学系统需求的问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种低畸变空间碎片广域探测光学系统，其全视场内光学弥散斑尺寸均衡，20°*20°视场范围内80％能量弥散斑直径小于12μm，系统全视场畸变小于万分之三，光学性能指标优良。系统F数最小可达1.2，光谱范围450nm-900nm，能够在20°*20°视场范围满足空间碎片广域探测的使用要求。

本发明解决背景技术中描述的问题采取的技术方案如下：

本发明提供的一种低畸变空间碎片广域探测光学系统，包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、孔径光阑、第三正透镜、第四正透镜、第三负透镜、第五正透镜、第四负透镜，其中第二负透镜、第三负透镜各有一表面为高次非球面；