随着测云技术的迅速发展,红外测云系统逐步取代可见光波段的测云系统,成为现今气象领域的研究热点。红外测云系统受环境因素的影响小,可以在能见度低或透光性弱的天气状况下获取云的红外辐射信息,从而反演实时的云分布情况,实现云的全天候观测。测云装置工作在复杂的环境,缩小光学系统和结构的体积,进行装置光机一体化设计十分必要。因此,本文开展了全天候红外测云装置光机系统的综合研究。为了实现对云的远距离大范围探测,本文设计了一套利用红外全景成像技术实现全天候观测云量的光机系统。首先根据光线反射前后角度之间的线性关系推导了消畸变反射镜面型计算公式,在此基础上设计了折反式红外全景光学系统。采用衍射面和非球面相结合的方式对光学系统进行消热差设计,估算了系统的探测距离,并利用灵敏度和蒙特卡罗分析法对系统进行了公差分析。其次设计了测云装置的光机结构,包括透镜组结构的设计;隔圈双层狭缝式挠性结构的设计;反射镜轻量化结构的设计;以及折射单元与反射镜之间对称三翼式支撑结构的一体化结构设计。最后利用有限元法对测云装置光机系统进行了模态分析和温度适应性分析,得出其固有频率和振型以及在均匀温度载荷下各光学元件的面型变形和应力情况。本文所设计的红外测云装置光机系统工作波段为8～12μm,探测距离为7km,一次拍摄可以获取方位视场360°垂轴视场120°的场景信息,各视场范围内成像质量良好。系统基频大于20Hz,不易与外界环境发生共振。在温度载荷作用下,镜面变形量在公差要求的0.02mm范围内,产生的应力小于各材料极限强度。整个光机系统结构简单、成像质量稳定,满足设计指标要求。