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面向空间应用的10 THz焦平面成像系统冷光学设计

李家辉 马跃学 朱皓天 全加 刘子尧

李家辉, 马跃学, 朱皓天, 全加, 刘子尧. 面向空间应用的10 THz焦平面成像系统冷光学设计[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0088
引用本文: 李家辉, 马跃学, 朱皓天, 全加, 刘子尧. 面向空间应用的10 THz焦平面成像系统冷光学设计[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0088
LI Jiahui, MA Yuexue, ZHU Haotian, QUAN Jia, LIU Ziyao. Cold Optical Design of 10 THz Focal Plane Imaging System for Space Applications (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2026, 46(3): 1-10 doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0088
Citation: LI Jiahui, MA Yuexue, ZHU Haotian, QUAN Jia, LIU Ziyao. Cold Optical Design of 10 THz Focal Plane Imaging System for Space Applications (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2026, 46(3): 1-10 doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0088

面向空间应用的10 THz焦平面成像系统冷光学设计

doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0088 cstr: 32142.14.cjss.2025-0088
基金项目: 国家重点研发计划项目(2023YFB3905603)和国家自然科学基金项目(62171432)共同资助
详细信息
    作者简介:
    • 李家辉 男, 2000 年8 月出生于山东省临沂市, 研究生就读于中国科学院国家空间科学中心, 主要研究方向为太赫兹星载辐射计冷光学和准光学技术. E-mail: lijiahui221@mails.ucas.ac.cn
    通讯作者:
    • 朱皓天 男, 1989年10月出生于江苏省南京市, 现为中国科学院国家空间科学中心研究员, 博士生导师, 主要研究方向为太赫兹科学与技术, 从事太赫兹星载辐射计系统及其关键技术研究. E-mail: zhuhaotian@nssc.ac.cn
  • 中图分类号: TN015

Cold Optical Design of 10 THz Focal Plane Imaging System for Space Applications

  • 摘要: 空间被动探测的目标信号通常非常微弱, 并且探测系统需要实现高灵敏度和低噪声的要求. 此时, 冷光学的引入成为必然——通过将光学器件(例如透镜和反射镜)集成到低温环境中, 并结合低温探测器, 实现探测需求. 但由于星载设备的冷量有限, 对传统的光学设计提出了约束与实现难度. 基于冷光学理论, 提出了一种基于多重反射的冷光学模型, 并依据该模型对窗口尺寸进行了优化. 完成了10 THz焦平面阵列成像系统方案设计与漏热计算, 系统采用脉冲管耦合节流制冷的空间制冷技术. 完成了冷光学实验, 理论模型与实验结果相互印证.

     

  • 图  1  黑体辐射谱线

    Figure  1.  Blackbody radiation spectral line diagram

    图  2  冷光学焦平面系统 (a)与辐射传输等效模型(b)

    Figure  2.  Cold optical focal plane system model (a) and Radiation transfer equivalent model (b)

    图  3  2 mm和4 mm厚HDPE太赫兹波段的透过率 (a)与 HDPE实物 (b)

    Figure  3.  Transmittance of 2 mm and 4 mm thick HDPE in terahertz band (a) and physical picture of HDPE (b)

    图  4  光学系统光路

    Figure  4.  Optical system optical path

    图  5  系统点列图

    Figure  5.  Spot diagram

    图  6  10 THz冷光学部分 (a) 与系统实物 (b)

    Figure  6.  10 THz cold optical part (a) and physical diagram of the system (b)

    图  7  探测器和光路模型

    Figure  7.  Detector and optical path model

    图  8  多重反射模型

    Figure  8.  Multi-reflection model

    图  9  温度场计算结果

    Figure  9.  Temperature field calculation results

    图  10  M4计算结果 (a) 与4 K温区计算结果 (b)

    Figure  10.  Calculation results of M4 (a) and 4 K temperature zone (b)

    图  11  实验测试平台 (a) and 杜瓦内部结构 (b)

    Figure  11.  Experimental test platform (a), and internal structure of the Dewar (b)

    图  12  利用测试平台开展的4个实验

    Figure  12.  Four experiments conducted using the test platform

    图  13  测试系统结构 (a)与成像结果(b)

    Figure  13.  Structural diagram of the test system (a) and imaging results (b)

    表  1  实验结果和仿真结果对比

    Table  1.   Comparison of experimental measurement results and simulating results

    4 K cold plate
    (Point A)
    20 K cold plate
    (Point B)
    80 K cold plate
    (Point C)
    M4
    (Point D)
    Detector
    (Point E)
    Fully closed Simulation/K 4.4 88.2 88.7
    Experiment/K 4.5 89.0 92.0
    Detector coupling Simulation/K 4.4 19.5 88.2
    Experiment/K 4.6 20.6 89.0
    Optical path coupling Simulation/K 4.4 19.8 83.0 85.0
    Experiment/K 4.4 20.2 88.0 90.0
    Detector and optical
    path coupling
    Simulation/K 4.4 19.2 83.0 85.1 4.5
    Experiment/K 4.7 19.6 88.0 90.4 4.4
    下载: 导出CSV

    表  2  4 K温区的模型计算结果与实验结果比较

    Table  2.   Comparison of theoretical calculations and experimental measurements at 4 K

    ProjectDetector and optical path coupling
    Model calculation/mW124.8
    Experiment/mW128.0
    Cooling power/mW130.0
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-06-02
  • 修回日期:  2025-08-21
  • 网络出版日期:  2025-08-26

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