由于目标在不同光谱波段表现的光学特征有较大差异,因而可以利用多波段来获得更加精确全面的信息,实现全天候、宽覆盖、高分辨率的目标侦察。多波段成像系统的宗旨是融合各波段图像的特征信息,以便对目标进行综合分析。这就要求各波段的探测器在同一时刻对同一目标成像,即各波段图像的像素之间需要在空间上严格的对准,或者说各波段视场应一致。在一定程度上,视场之间的偏差越大,图像配准过程中搜索范围就越大,也就是说配准的运算量就越大。为了增强系统的实时性,降低图像融合的计算量,在结构设计阶段考虑多种因素以提高视场的一致性是非常必要的。论文将视场一致性作为评价标准,综合考虑装校误差、结构变形、温度变化等因素的影响,运用有限元分析、拓扑优化、无热化和热补偿等技术手段,完成了多波段共口径成像系统的样机研制与结构改进。具体研究内容如下:(1)概述多波段成像系统的使用环境和技术指标;介绍光学系统总体结构及三路光学子系统的设计方案;分析各个光学子系统的成像质量;设计出成像系统的总体机械结构,包括三路凸轮调焦机构、反射镜支撑结构和棱镜固定结构;在此基础上,研制出多波段成像系统的原理样机;完成样机的常温稳定性实验、高低温储存实验和高温工作实验,实验表明:样机的三路光学子系统之间存在视场偏移,超出了技术指标要求,需要进行结构改进。(2)分析成像系统中主要光学元件的位置误差对视场一致性的影响,包括棱镜、反射镜、透镜组及CCD相机等;简要说明装校时调整反射镜以实现视场偏移的误差补偿原理;进行调焦结构、反射镜结构、棱镜结构和总体结构的静力分析,结果表明:支撑架的静力变形是影响视场一致性的主要因素,因此需要提高支撑架的结构刚度;完成调焦结构、反射镜结构、棱镜结构和总体结构的热变形分析,得出结论:反射镜结构的热变形引起的视场偏移最为显著,拟采用无热化、热补偿等技术手段加以改善。(3)提出一种以视场一致性为目标函数的拓扑优化方法,具体步骤包括:首先,确定目标函数、优化约束以及设计空间;其次,分别建立光轴和反射镜的偏转角方程,依据平方和加权法,构造出视场偏移的总目标函数;最后,实施拓扑优化,并根据优化结果,提取适合加工的支撑结构拓扑优化模型,迭代曲线表明整个拓扑优化过程是收敛的;对拓扑优化模型进行尺寸优化,以进一步提高支撑结构的性能,仿真表明:尺寸优化后的支撑结构的变形所引起的视场偏移量约为0.5和0.7个像素;与原始结构进行对比分析,可知优化结构的视场偏移减小了约50%~60%;分析云台的俯仰运动对视场一致性的影响,得出俯仰运动会恶化视场一致性的结论。(4)对原始结构进行热力耦合分析,获得+35°C均匀温升下可见和紫外反射镜的面型精度RMS值分别为599.5nm和366.7nm,超出了技术指标要求;为了提高反射镜面型精度,决定采用粘接的方式固定反射镜,并通过调节胶层厚度实现反射镜结构的无热化;改进反射镜结构的材料和连接方式,以进一步提高反射镜得面型精度,同时也利于实现视场偏移的热补偿,分析表明:RMS值约为107.2nm和64.34nm,基本满足要求;阐述反射镜结构的热补偿原理;进行不同温度下光机结构的热变形分析,获得光轴和反射镜的偏转角数据,拟合出偏转角与温度的关系曲线;估算出能够实现热补偿的反射镜结构中垫片的热膨胀系数,并通过仿真对比,最终确定垫片的材料组合;改造样机,完成热补偿实验,结果表明:经历多次高低温后,可见视场的偏移量约稳定在(-2,2)像素,高温工作过程中的偏移量约为(-4,3)像素,低温工作时的偏移量约为(-2,5)像素,均满足技术要求,达到了预期目的。