高精度二轴跟踪系统四通结构的设计与分析

根据高精度二轴跟踪系统的光学方案,设计了跟踪架中的四通结构。基于有限元法,应用MSC.Patran/Nastran软件对其进行了负载情况下的静力学分析;运用协方差法计算库德光路光轴偏角及各个反射镜镜面偏转。结果表明：只考虑四通自重和芯部静载荷情况下,俯仰角由-90°～+90°变化时,四通经轴线上的最大变形量呈正弦曲线变化,最大为3.19 μm,满足设计指标要求;由结构变形引起的库德光路光轴偏角最大为6.90″,满足系统精度要求。采用平行光管实测光轴偏角,与分析结果基本吻合,说明结构设计合理,分析所得数据正     

400 mm跟踪望远镜结构设计和分析

针对主镜口径为400 mm口径的跟踪望远镜的设计要求,提出了一种有效的结构形式。首先确定了望远镜的光学结构形式和系统参数,并将整个系统分成了几个主要组成部分。接着着重确定了主镜室的结构形式,通过优化最佳支撑位置确定了主镜的支撑结构;同时确定了次镜室以及三翼梁的结构。然后运用有限元建模、分析的方法,重点分析了反射镜的面形精度受重力变形和温度变化的影响,进行了整个望远镜系统的刚度分析和温度变化对主次镜间隔的影响。保证了主镜在极限情况下面形RMS 30/,整个系统具有较好的刚度和环境适应性。分析结果表明,反射镜支撑结构以及整个系统的设计均达到了设计要求,可以为类似结构提供一定的指导。     

大口径空间红外相机铍铝合金反射镜组件材料选择与设计

针对某空间摆扫相机系统，为了保证空间红外相机获得轻质、可靠的摆扫头部，且各反射镜均具有良好的面形精度及较高的一阶固有频率，对其摆扫部分的结构进行了针对性研究。选择了铍铝合金材料作为Φ750 mm口径主反射镜材料，以钛合金材料的柔性支撑结构支撑，安装在铍铝合金材料的主镜室内。包含次镜组件、次镜支撑和遮光筒，整个摆动部分总质量为17.5 kg。采用有限元方法对反射镜组件在力热耦合状态下进行了仿真分析，结果表明反射镜全口径最大面形误差RMS值为27.04 nm，满足全口径范围内面形误差不低于λ/20(λ=632.8 nm) 的要求。摆动部分一阶谐振频率为122 Hz，为控制系统预留了较大的带宽。实体模型的力学试验结果与有限元分析结果接近，表明满足总体对摆扫部分的设计要求。     

空间遥感器主反射镜在宽温度范围内的环境适应性设计

主反射镜的面形精度对空间相机的成像质量至关重要。为保证 空间相机在宽温度范围(20±10℃)内的成像质量,设计了一种柔性支撑结构。首先,选择碳化硅(SiC) 作为反射镜材料,并对主反射镜镜体进行了背部半封闭式轻量化处理。其次,针对这个孔径为550 mm的圆 形主镜组件在20±10℃温度范围内的使用环境,设计了一种柔性铰链结构。利用Matlab软件优化了支撑结构参 数,使得支撑柔性结构在受到温度载荷时沿着径向具有足够的柔性,并可吸收变形和降低反射镜应 力。通过有限元分析可以看出,该支撑结构的一阶频率达到267 Hz,远高于机身组件的固有频率,因此可保 证主镜组件不遭到破坏。而且在重力耦合10℃温度载荷时,反射镜的面形误差(RMS值)也满足光学 系统优于λ/40的要求。     

基于SiC材料的空间相机非球面反射镜结构设计

针对空间相机中优质轻型光学反射镜对材料提出的要求，详细讨论了设计基于SiC材料空间反射镜的一系列问题，包括径厚比的选择、支撑点数量、轻量化结构形式、材料特性匹配等，提出了一种背部半封闭、三角形孔的轻量化形式，并设计制造了 Φ600 mm轻量化SiC反射镜实验件。抛光后反射镜面形精度优于λ/20 rms。为验证重力变形的影响，将反射镜分别旋转了90°和180°，用Zygo干涉仪检验，3个方向检测结果误差均小于λ/100 rms。在此基础上设计完成了某空间相机中的SiC非球面主镜、次镜、第三镜，结果表明基于SiC材料的反射镜在重力变形、谐振频率、热变形等方面均能满足使用要求，而且与玻璃材料相比，在很大程度上降低了重量。     

激光地球动力学卫星激光测距实验

实验用跟综机架是一台地平式经纬仪,主镜口径625毫米。由于Lageos卫星距离远,星等暗,我们确定改主镜作为导星镜用。其光学系统如图1所示。 在转台两悬臂水平轴方向,和在次镜反射光的光路中安装一个45°反射镜,它可以透过5320埃的激光回波,带宽为200埃。实验证明,导星镜可以顺利地跟踪14等星的Lageos卫星,它的视场是42分。在上海地区,天气好的话,仰俯角可以跟到39°。     

单模光纤章动跟踪耦合系统设计

在光纤激光通信系统中,为了克服准误差、随机角抖动误差、大气湍流像差对单模光纤耦合效率的影响,本文设计了单模光纤章动跟踪耦合系统。首先基于模场匹配原理,分析了径向偏差和光斑大小对耦合效率的影响。其次在理论分析的基础上,对激光章动跟踪系统进行了设计,主要包括激光器、准直镜、快速反射镜、耦合透镜以及光电探测器,并以光电探测器的能量反馈完成了激光章动跟踪算法设计。最后搭建了实验平台,对系统进行了实验测试。通过实验测试得到,在激光章动跟踪时单模光纤的耦合效率为53.5%,并测试了径向偏差以及光斑大小对耦合效率的影响,得到了相应的曲线。耦合效率满足系统要求,并且实验测试曲线与理论分析的仿真曲线基本一致。     

大型离轴三反相机主镜组件结构设计与验证

大口径长条形反射镜是大型离轴三反相机的核心部件之一,针对“吉林一号”宽幅01C星中通光口径为1 250 mm×460 mm的主反射镜,系统论述了1.2 m量级大长宽比反射镜组件的结构设计方法,并对所研制的主镜开展了详细的验证。从材料属性和现有工艺出发,镜体材料选择反应烧结碳化硅,采用半封闭式轻量化形式,通过二目标全局优化确定了镜体结构参数的最佳组合,最终镜体设计质量为41.8 kg,面板厚5 mm、最薄加强筋仅厚3 mm。采用经典背部三点支撑方案,优化柔性支撑中的双轴柔性铰链结构参数以兼顾组件基频和热稳定性,并与镜体质心位置进行匹配。提出了主镜组件的装配流程和相应的消应力措施。测试结果表明：主镜在装调重力工况下全口径面形精度均方根值为0.016λ(λ=632.8 nm),翻转180°后主镜全口径面形精度均方根值为0.019λ;实测主镜组件一阶基频为127.8 Hz,经大量级随机振动和高低温循环后,主镜面形精度均方根值基本不变。主镜组件具有良好的动、静力学特性,且面形精度高、稳定性良好,能够满足高性能空间光学系统的使用要求。     

微机械连续薄膜变形反射镜

建立了微机械连续薄膜变形反射镜的静电力驱动理论模型,推导出微机械连续薄膜变形反射镜的变形位移和驱动电压的关系表达式,利用该公式、静电力表达式和弹性支撑的回复力分析了变形镜的稳定工作驱动、不稳定工作驱动和最大变形位移,讨论了变形镜的结构参数对变形位移的影响.所得结果对于设计微机械连续薄膜变形反射镜具有重要意义.     

光学系统主镜组件的轻量化设计及结构-热分析

根据某型卡塞格林系统主反射镜组件的设计要求,在遵循主镜支撑结构材料的线膨胀系数与主镜材料相匹配原则的基础上,采用有限元分析和参数优化设计相结合的方法,设计和分析了3套主镜组件方案.结果表明,在结构参数相同情况下,SiC主镜的静态、动态性能优于熔石英和K9主镜.对SiC主镜进行轻量化参数优化后,得到了直径为256 mm、质量仅为1.22 kg的镜体.通过对3种方案主镜组件的结构-热分析表明,主镜及其支撑结构均采用SiC材料的第3种主镜组件方案,消除了材料间的热膨胀错配,主镜面的变形误差完全满足设计要求,综合性能优于其它两种方案.     

外场热环境作用下地基望远镜温度分布预测

为研究外场复杂热环境对望远镜温度分布的影响,采用有限单元法,建立某全天候工作的激光通信地面站地基望远镜数值仿真模型。首先对望远镜主体进行稳态热分析,研究其在外场热环境作用下温度分布;再对主次镜进行瞬态热分析,研究其在通信时段与非通信时段温度变化。分析表明：冬夏两季望远镜最大温差为25.839℃,小于设计指标,证明望远镜能够在动态变化的外场环境中稳定通信;主次镜温度变化相较于舱内环境温度具有明显滞后性且幅值更低,在后续热分析中能够针对不同时刻正确设置主次镜温度边界条件,避免使用较高的舱内环境温度等效主次镜温度;通信前半小时打开舱门主次镜与环境温差不足以降低到2℃以下,建议设计合理热控措施,缩小舱内环境温度与外场环境温度差距,以保障望远镜通信质量。     

C/SiC在大口径空间望远镜次镜承力筒的应用

设计并研制了基于C/SiC复合材料的大口径空间望远镜次镜承力筒。首先对C/SiC复合材料的特性以及在空间遥感器领域的应用进行了介绍。其次以某大口径空间望远镜次镜承力筒为例,对不同材料下次镜承力筒的质量、力热性能进行了对比。仿真分析表明:设计的C/SiC复合材料次镜承力筒低至32 kg,相比钛合金筒减轻45.5%;基频为204 Hz,满足设计要求;更易于控制热变形对反射镜面形的影响。最终完成了C/SiC复合材料次镜承力筒的研制和主要物理性能的检测,并进行了力学振动试验考核,对振动前后结构的三坐标测量数据进行了比对。结果表明:次镜承力筒组件的基频良好,振动试验前后频漂低于1%,结构的微位移变化量级在微米级。为应用C/SiC开展空间遥感器大尺寸整体成型支撑结构的设计提供有效的参考价值。     

激光准直特性在主动式激光侦察告警系统设计中的应用探讨

探讨了主动式激光侦察告警系统入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离对出射高斯光束准直倍率的影响.在满足入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离远大于望远镜副镜的焦距的条件下,望远镜主镜的焦距与望远镜副镜的焦距的比值越大,出射高斯光束的准直效果越好.在不满足入射高斯光束的腰斑与望远镜副镜的距离远大于副镜的焦距的条件下,仿真分析了望...     

地基望远镜风载数值分析

风载是影响地基望远镜性能的主要因素之一,为了研究风载荷的作用以及对望远镜性能的影响程度,首先建立了望远镜、圆顶和流场的几何模型。然后利用CFD(Computational Fluid Dynamics)分析了在外界风速为10 m/s 的情况下,3 种不同高角(30、60、120)流场中截面空气速度、压力、湍流动能以及主镜面的静压力的瞬态分布,最后通过有限元方法获得了主镜去除刚体位移后的面形。仿真结果表明,望远镜以不同高角观测时主镜面静压力功率谱密度与Gemini 望远镜的实测结果接近,真实模拟了风载荷的作用。由风载引起的镜面变形RMS 值分别为3.74E-1 nm,2.5E-2 nm,1.71E-1 nm,满足面形精度要求。     

一种用于激光雷达的微振镜设计北大核心CSCD

为了满足激光雷达系统高线数和远距离探测的技术要求,提出了一种用于车载激光雷达系统的电磁式激光微振镜扫描机构,反射镜直径为12 mm,微振镜采用TC4钛合金材料,提出了“工形”的机械结构方案,利用Nastran软件力学仿真分析,并搭建试验平台测试了微振镜的偏转角度和谐振频率等性能。实验结果表明:激光微振镜的一阶谐振频率为298 Hz,最大偏转角度为8.12°,满足技术要求,相比于传统MEMS振镜,在保证高扫描频率的同时,提高了通光口径,对激光雷达的进一步产业化发展有重要意义。     

近红外镜头系统的设计与装调

为了使1.23 m 望远镜具有大视场捕获功能,进行了口径为200 mm 的近红外镜头的设计与装调工作。首先,通过光学原理确定同轴反射式光学系统。其次,通过有限元分析方法对比桁架式与圆筒式主支撑结构、三翼梁与四翼梁式次镜支撑结构在不同工况下的变形,确定桁架式三翼梁支撑结构。最后通过设计适当的次镜装调结构和选用适当的CCD 电控平移台,对系统进行装调。装调后对系统进行检测实验,检测得到系统波前误差RMS=0.106 18,PV=0.553 62（=632 nm）。检测结果表明该近红外镜头足够满足光学设计要求及成像要求。     

强光辐照下白宝石高反镜尺寸对热变形的影响

为了进一步减小白宝石（Al2O3）高反镜在强光辐照下的热变形,提高光束质量,研究了白宝石高反镜厚度、直径尺寸对热变形的影响。采用以极坐标表示的热传导方程和热变形公式来描述白宝石高反镜的温度场分布和位移场分布;在有限元分析软件中建立数值计算模型,并计算了不同厚度、直径尺寸下的温度场和位移场,得到了热变形随厚度尺寸和直径尺寸变化的规律。结果表明,影响白宝石高反镜反射面峰谷值变化的主要因素是温度,而尺寸变化对温度和刚度均有影响;选择合适的高反镜直径和厚度尺寸,可以有效降低镜面温升,同时得到合适的轴向结构刚度,从而减小反射镜镜面热变形。该研究结果对强光辐照下白宝石高反镜尺寸设计和选择具有一定的参考价值。     

二维扫描型激光雷达的扫描特性分析

在光反射矢量理论和反射镜转动定理的基础上,结合反射镜转轴与镜面的偏心距所产生的影响对二维扫描成像特性进 行了分析,给出了单点二维扫描的公式,并以此为基础得到了仿真图像。同时对线状发射光的反射情形进行了理论计算,给出了二维扫 描镜的联合作用矩阵,得到了经过二维扫描镜两次反射后线状发射光在目标面上的投影长度以及偏转角,为后续的数据处理提供了一些 参考依据。最后对二维扫描镜的形状进行了设计分析,以保证在满足接收视场的情况下最大程度地利用扫描镜镜面,降低扫描镜的转动惯 量,从而降低负载电机的功耗。     

空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜

针对空间碎片探测与测距复合系统地面验证演示实验中,工作环境10~30 ℃、光学基台的尺寸限制（不超过450 mm×400 mm）以及光学望远镜尾部安装导致重心远离安装面的问题,提出了空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜的设计。使用ANSYS有限元分析软件对光学望远镜建立了有限元模型,针对环境温度10~30 ℃、尾部安装状态下、光轴方向和垂直光轴方向1 g （g=9.8 m/s2）重力加速度工况下进行了分析。分析结果表明:光学望远镜整机一阶模态为133 Hz动态刚度较好,重力为光轴方向时主次镜间距最大变化量0.01 mm,重力为垂直光轴方向时主次镜间距最大为0.007 mm,光学望远镜系统波像差RMS值为λ/15,次镜最大倾角1.93″,具有较好的力、热稳定性,可以满足光学天线装校、检测以及外场实验验证过程中的指标要求。在光学望远镜装校完成后,使用ZYGO干涉仪对其像质进行检测,在重力垂直于光轴方向、环境温度10、20、30 ℃条件下进行检测,结果显示:系统波像差RMS值分别为0.097λ、0.075λ及0.1λ,整机光学望远镜系统波像差RMS值在最低温与最高温度时均优于λ/10均满足系统使用要求。