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    【媒體】新型空間光學系統的先行者

    發布時間:2016/10/24 點擊量:0
      “上世紀90年代末歐美制造商已將離軸三反光學系統制造技術列為核心關鍵技術,并研制出在軌性能優良的各類光學遙感衛星。”張學軍在接受《中國科學報》記者采訪時說,“要形成自己的核心競爭力,不受制于人,我們必須獨立自主開發面向離軸三反光學系統的集成制造技術。”
      經過十余年艱苦攻關,中國科學院長春光學精密機械與物理研究所(以下簡稱長春光機所)重大創新研究團隊在光學系統先進制造技術總體負責人、團隊首席科學家張學軍研究員的領導下,取得了以“離軸三反光學系統先進制造技術”為代表的一系列研究成果,不僅國內領先、國際先進,還填補了多項國內空白。
      長焦距與大視場兼得
      21世紀全球范圍內的高技術競爭主要體現為信息技術的競爭,其中空間遙感技術水平正是衡量一個國家高科技發展水平及潛力的重要標志,它直接關系到甚至決定著與國家安全、經濟建設息息相關的各個領域。
      自上世紀90年代以來,隨著空間光學遙感需求的快速增長,各國均對空間光學遙感器提出了更高的指標要求。張學軍研究員告訴《中國科學報》記者:“高分辨率和大幅寬一直是空間對地遙感追求的目標。”
      以往空間光學遙感器一般采用同軸光學系統,在系統設計時,要么追求較高的地面分辨率,要么追求較大的地面覆蓋寬度,二者不可兼得。張學軍說:“如何解決高分辨率與大視場的矛盾,一直是困擾高分辨率空間光學遙感器的瓶頸。”
      “與同軸系統相比,離軸三反光學系統可同時實現長焦距與大視場, 沒有中心遮攔,調制傳遞函數高,被認為是新一代空間光學系統的發展方向。”翁志成研究員從事復雜光學系統設計研究數十年,他表示,“早些年,歐美制造商一直將離軸三反光學系統制造列為核心關鍵技術,我們不能受制于人,必須獨立自主開發面向離軸三反光學系統的集成制造技術。”
      然而,由于離軸三反光學系統結構復雜性和非對稱性,帶來很大的制造難度,迫切需要開發多項先進的加工、檢測、裝調技術予以支持。
      這些年來,張學軍帶領團隊在離軸三反光學系統加工裝備、工藝技術、光學檢測及系統裝調等領域取得技術突破,解決了長期困擾空間光學遙感器高分辨率與大視場的矛盾,大幅度提升了系統的性能,使我國成為了繼美、法之后第三個獨立掌握離軸三反光學系統制造技術的國家。
      取得四項重大突破
      2009年,中國科學院組織的離軸三反光學系統先進制造技術院級鑒定會認為:“該項目成果完整、系統,理論成果豐富,技術創新顯著,具有完全自主知識產權,并經過工程實踐檢驗。”
      離軸三反光學系統先進制造技術為我國空間光學遙感器的跨越式發展打下了堅實的基礎。目前,項目成果已經直接應用于多個國家重大型號任務,并將應用于各類新型空間光學遙感項目中。
      據張學軍介紹,團隊取得了大口徑離軸非球面自動加工設備、大口徑高精度離軸非球面加工工藝技術、離軸高精度非球面檢測技術、離軸三反高精度系統裝調技術為代表的四項重大突破。
      第一項突破是在國內率先研制成功具有完全自主知識產權的離軸非球面數控加工中心。該設備采用集成化設計方案,將研磨、拋光和在線輪廓測量單元合為一體,可實現離軸非球面自動加工,綜合技術指標處于國際先進水平。
      第二項突破是實現了大口徑高精度離軸非球面光學表面的確定性加工和面形誤差的高效率收斂。團隊提出高效的反卷積模型及加工軌跡自適應優化算法,系統地建立了大口徑碳化硅離軸非球面數控加工方法、模型和軟件,獲得國際同行的充分認可。
      第三項突破是在相繼突破離軸非球面光學補償干涉檢驗技術、加工誤差與調整誤差分離的軟硬件平臺基礎上,團隊首次提出并建立了計算全息檢測離軸非球面的理論模型及其設計與制作方法,綜合指標處于國際領先水平。此外,團隊還建立了非球面子孔徑拼接的理論模型和測試裝置,應用三種獨立測量手段對離軸非球面進行互檢,有效地保證了測量精度,提高了可靠性。
      第四項突破是團隊在國際上首次提出了兩代離軸三反光學系統共基準裝調技術,實現離軸三反光學系統反射鏡的共基準定位,裝調效率和精度大幅度提高。其中,基于計算全息技術的第二代共基準裝調技術,大幅度拓展了計算全息(CGH)的應用領域,屬國際領先水平。
      張學軍指出:“下一步,我們將瞄準國家重大戰略需求牽引,突破大口徑復雜光學曲面高精度組合加工和檢測技術、復雜光學系統共基準裝調技術。”
      三代科研人員的使命
      離軸三反光學系統先進制造技術研發團隊成立于2002年,發展至今已建成一支年齡、知識結構合理,經驗豐富,擅于攻關的近百人的專業隊伍,全面覆蓋了光學系統先進制造技術的各個關鍵技術環節,目前從隊伍年齡結構看可分為三個梯隊。
      年過古稀的翁志成至今仍記得在早年的專題研討會上,有很多專家提出:“對于離軸三反光學系統咱們可能設計不出來、即使能夠設計出來也加工不出來、即使能夠加工出來也完成不了系統的裝調與集成……”總之,難度很大,存在一系列關鍵技術亟待突破。
      當年,翁志成帶領團隊從復雜光學系統設計入手,經過多年攻關獲得了離軸光學系統設計的完備解,這標志著離軸三反光學系統設計技術在我國獲得突破。
      研究員薛棟林今年36歲,2001年進入長春光機所攻讀博士學位,導師是張學軍,他如今已經成長為光學系統先進制造技術的研究骨干。
      薛棟林回憶道:“團隊成立之初,資源和條件有限。大口徑離軸非球面自動加工設備亟待研發、大口徑高精度離軸非球面加工工藝技術以及離軸高精度非球面檢測技術亟待驗證與突破……”
      2002年,長春光機所光學技術研究中心組建,張學軍研究員被推薦為實驗室主任、學術帶頭人,帶領科研團隊先后突破了大口徑離軸非球面加工、檢測、離軸三反光學系統制造等一系列關鍵技術。歷時五年,光學技術研究中心也成功晉升為中科院重點實驗室。
      近年來,長春光機所在光學系統制造領域取得了長足的進展,已具備了1。5m量級光學系統制造能力,大型復雜光學系統研發能力達到國際先進水平,為研制高性能新型空間遙感光學系統工程奠定了堅實的基礎,推動了我國新型光學遙感技術的跨越式發展。
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