反射式热红外光学系统无热化性能分析

随着通信技术和光器件的不断发展，光
纤通信和星间光通信的发展越来越快，并在
信息的快速传递中起着重要的作用[1][2]。

热红外光学系统成像的研究逐渐成为热点，影响热红外光学系统成像质量的因素很多，该文主要针对光学系统的结构影响因素进行分析。

当环境温度改变时，由于镜面产生热变形，接收天线系统的接收光斑会发生偏转和扩展[3][4]。

对于空地激光通信链路来讲，镜面产生热变形，会影响空地激光通信链路的
性能[5]。

该文从热环境下光学天线系统的焦移变化的角度，分析了卡塞格伦天线的热红外光学系统的无热化性能。

这些研究将会在
光通信领域有着广泛的应用前景。

1 热环境下卡塞格伦天线系统的无热
化
1.1 热环境下的镜体热变形及镜体的焦移变化
镜体的热变形是指环境温度发生改变时，镜体在z 、z 、z 方向出现膨胀（温度升高时）或收缩（温度降低时）的现象。

根据热弹性力学理论，物体由于温度的改变而产生的形变l ∆，
主要由三部分组成：物体材料温度升高而产生的自由热膨胀3l ∆；边界固定
后不能自由膨胀而引起的和材料的泊松比有
关的形变3
l ∆；热应力而产生形变3
l ∆。

123l l l l ∆=∆+∆+∆ (1)
根据热结构分析的有限元方法，采用有限元分析软件A N S Y S 对光学天线系统的镜体（材料为锗）进行热变形有限元仿真分析。

如图1、2、3、4所示，图1表示镜体的有限元模型，图2表示50C °时镜体在
z 方向的位移，图3表示50C °时镜体在z
方向的位移，图4表示50C °时镜体在z 方向的位移。

可以看出，温度变化50C °时镜体轴向的形变最大，最大形变量为-50.169x10m ，所以镜体的形变对天线系统的远距离传输性能影响很大。

焦移是指温度改变引起光学系统焦点的移动。

光学系统的焦移由镜体热变形引起的焦移和镜体折射率变化引起的焦移两部分组成。

镜体热变形引起的镜体焦移为：
0r
x L L δ=−
(2)
其中，x L 表示热变形前镜体的焦距，x L 表示热变形后镜体的焦距。

1.2 卡塞格伦天线的热红外光学系统的无热化性能分析
无热化性能是指环境温度改变时，光学系统的焦移量很小的性能。

无热化技术是解决热环境下，光学系统焦移变化引起的系统成像质量问题的最优化方法，使用反射光学系统（卡塞格伦天线系统）可以达到理想的效果。

当环境温度发生变化时，卡塞格伦天线的镜体都会发生形变，然而由于结构设计的优势，热变形引起的主镜和次镜的总焦移变化几乎为零。

由于主镜和次镜采用反射式的镜体，所以不存在由镜体材料折射率变化引起的焦移，整个卡塞格伦天线的的热影响为零，可以实现卡塞格伦天线的热红外光学系统的无热化性能。

下面针对具体的实例进行对比分析。

如图5所示，两个很相似的系统：光轴以上是全透射式热红外光学系统，而光轴以下的系统以卡塞格伦天线为主要元件的反射式热红外光学系统，图中给出了各系统元件的热敏感度。

两系统的入瞳直径均为75 m m ，工作于±3 ℃中心波长的L W I R 波段。

在环境温度为50C °时，光轴上方的透射式系统中，前面的弯曲头罩具有很小的光焦度（光焦度略负），其作用是使像向外焦移7.6 μm 。

第一个大元件向内焦
反射式热红外光学系统无热化性能分析
陈浩然
（成都理工大学工程技术学院 四川乐山 614000）
摘 要：热红外光学系统成像的研究是当代光学科学研究领域的重中之重，精密的光学系统是红外光束成像质量的重要保证。

镜体热变形是影
响光学天线系统传输质量的重要因素，该文利用ANSYS有限元分析软件仿真了镜体在热环境下的变形情况，同时分析了在热环境下，镜体热变形以及镜体材料折射率变化引起的镜体焦移变化，并对比分析了透射式热红外光学系统与反射式卡塞格伦天线的热红外光学系统在热环境下的焦移变化，得出了卡塞格伦光学天线系统的无热化性能。

这些研究为热红外光学系统的精确设计奠定了理论基础。

关键词：热红外光学系统 卡塞格伦天线 焦移 无热化性能
中图分类号：TN216 文献标识码：A
文章编号：
1674-098X(2014)12(c)-0087-02
图1 镜体的有限元模型
图2 时镜体在方向的位移
图3 时镜体在方向的位移图4 时下镜体在方向的位移
图5 透射系统（上）
和反射系统（下）的热敏感度
（下转89页)
配网线路雷害防治存在一定的盲目性，达不到预期效果。

更多的是采用补救的方式，哪里有雷击事故并由基层单位提出改造需求再去实施。

现有的配网雷害防护的规范对于实际工作缺乏直接的技术支撑，如何防护、装在哪里、采用何种防雷手段防护都是困扰防雷工作的难题，本文通过对配网线路的地形地貌、落雷密度、历史跳闸情况、线路走廊土壤电阻率等关键因素进行分析，得出配网线路不同区段遭受雷击风险的评估结果，高危区段重点防护，实现配网线路差异化防护的目标，科学合理的解决了防雷装置装在哪里的问题。

4 10kV配网架空线路差异化雷害风险评估技术
通过对配网输电线路雷击风险评估工作的开展，对配网线路薄弱环节实施防雷改造时遵循差异化防雷思想，实现低成本就能使配网线路雷击跳闸和断线率有效降低的目的，使当前生产中遇到的实际问题得到解决。

该技术主要是通过研究配网线路的GIS地形地貌、雷电活动密度，并通过对配网线路历史跳闸数据的统计和分析，对该线路的雷电活动情况进行科学的分析和计算，设计出最合理的防雷措施。

根据雷害风险评估结果进行有选择的安装带串联间隙雷击闪络保护器进行防护，实现以最少的经济投入进行全线防护，降低雷击跳闸率90%以上的防雷效果。

4.1 技术路线（图1）
4.2 基于线路地形地貌信息的雷害风险评估
根据长期运行经验总结，形成易雷区的典型地形地貌风险评估标准：
⑴ 雷暴走廊，如顺风的河谷和峡谷，以及风口等。

⑵ 四处都是山丘的湿润的盆地，如杆塔周围有水库、池塘、沼泽地、森林等，又有起伏的山丘在附近。

⑶ 土壤电阻率突然改变的地方，如地
质断层带，山坡和稻田、岩石与土壤的交叉
地带，岩石山脚下有小河谷等，低土壤电阻
率处易被雷击。

⑷ 地下水位较高处和有导电性矿的地
方。

⑸ 电阻率差别不大的土壤，如山丘的
土层和植被良好，突出的山顶、山的向阳坡
易遭雷击等。

⑹ 耐张转角杆塔、大跨越杆塔。

4.3 基于雷电活动密度分布的雷害风险评
估
根据电力系统雷电定位系统数据绘制出
线路走廊近三年的平均落雷密度，通过线路
走廊落雷密度将线路走廊区域内杆塔按照雷
害风险等级由高到低划分为红、橙、黄、绿、浅
绿五个等级，挑选出需要重点防护的杆塔。

4.4 基于历史跳闸数据的雷害风险评估
通过查询、统计历史跳闸数据，在GPS
坐标上对线路杆塔进行标注，对雷害杆塔
进行分布。

4.5 配网线路防雷设计原则
根据长期运行经验进行总结，形成易雷
区风险综合评估应遵循的几点规则：
⑴ 分析基于三维地理信息系统的线路
走廊地理条件，优先考虑易遭雷击段；
⑵ 基于雷电定位系统的雷电流幅值分
布和落雷密度分布，优先考虑雷电活动密集
区域；
⑶ 线路及杆塔防雷性能评估相结合，
优先考虑防雷水平低的杆塔；
⑷ 同时满足⑴和⑵条件的区域为重点
防护段；
⑸ 满足⑴或者⑵条件之一，且发生过
雷击跳闸的杆塔为重点杆塔。

5 10kV配网架空线路差异化雷害风险
评估技术的应用及结论
5.1 应用效果
2014年2月，由国网新疆电力公司乌鲁
木齐县供电公司成立10kV配网架空线路专
项雷害治理小组，选择雷害相对严重的甘
渠线、菊板线、菊灯线、永乡线进行差异化
雷害风险评估试点。

经过充分的现场勘查，
线路运行情况调研，分析了线路所在区域的
地形地貌特征，掌握了线路走廊区域近几
年的雷电活动规律及参数统计。

并根据配
网线路防雷设计方案要求于2014年4月对以
上四条线路安装10kV线路雷击闪络保护
器，进行防护。

通过6个月的雷雨季节挂网
运作，雷害防护效果显著。

5.2 结论
在专项治理小组对甘渠线、菊板线、菊
灯线、永乡线四条线路采取了有效地科学分
析，并进行了差异化雷害风险评估后，制定
的技术方案是科学、有效的，该技术今后应
大力推广。

参考文献
[1] 陈水明，何金良.防止配电线路绝缘导线
断线的方法［C］//中国电机工程学会高
电压专业委员 会2004年学术会议．
[2] 陈伟明.10kV架空绝缘导线雷击断线
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50.
[3] 阮羚，谷山强，赵淳，等.鄂西三峡地区
220kV线路差异化防雷技术与策略[J].
高电压技术，2012(1):157-166.
移1.7m m，下一个负元件使像向外焦移0.27m m0.27mm，最后两个元件只产生小的焦移。

由50℃热浸没造成的总系统焦移和大光焦度元件的离焦大致相同，向内焦移1.71m m，和单独的第一个元件相同。

对于光轴下方的光学系统，前面的弯曲头罩向外焦移7.6μm，卡塞格伦天线的两镜体的总焦移基本为0，最后两个元件只产生小的焦移。

从上面的研究可以得出：卡塞格伦天线的两个反射镜根本不会产生热焦移，整个卡塞格伦天线的热红外光学系统的焦移为0.03584m m，小于四分之一波长的瑞利判据，真正实现了热红外光学系统的无热化性能。

因此，在实际工作中，为了提高光学系统的工作效率，应该选择由卡塞格伦光学天线系统组成的热红外系统。

2 结论
该文分析了采用反射式共焦抛物面结
构的卡塞格伦天线系统具有非常好的传输
性能，同时利用A N S Y S有限元分析软件仿
真热环境下光学天线系统镜体的热变形，
分析光学系统镜体热变形以及镜体折射率
变化引起的镜体焦移变化。

并对比分析在
热环境下，透射式热红外光学天线系统和
反射式卡塞格伦天线的热红外光学天线系
统的焦移变化，得出卡塞格伦天线热红外
光学系统的无热化性能，为热红外成像选
取高效率的光学系统奠定了理论基础。

参考文献
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