基于Warping Harness的半主动光学技术发展研究

半主动光学支撑是介于主被动支撑之间的一种调节镜面低频误差并提升支撑系统建造性价比的技术,本文回顾了该技术在地基大口径望远镜中的应用,陈述了其发展历程并总结三种Warping Harness结构形式及工作原理。分析并总结空间、球载、机载领域典型型号望远镜主镜系统结构参数及主镜面误差源,简单描述了船载、车载光电设备的结构组成和工作状态,分析了车、船载光电设备主镜面形影响因素。对基于Warping Harness的半主动光学技术在空间、球载、机载大口径望远镜和车载、船载大口径光电设备等领域拓展性开展了分析。最后对未来国内应用于大口径望远镜的半主动光学支撑进行了展望。     

基于多体系统理论的光电望远镜误差建模分析

大型光电望远镜在空间目标探测和天文观测中发挥的作用越来越大,它的探测能力、指向精度是影响其发展的主要因素。首先分析了影响望远镜指向精度的各个误差,然后根据多体系统理论,构造望远镜拓扑结构,在此基础上建立其空间误差指向模型。根据得到的指向误差模型,分析研究了三轴误差对方位测角误差和俯仰测角误差的影响。区别于传统球谐方法,该误差指向模型更全面的综合了各项误差,对进一步的误差分配和误差补偿具有一定的指导意义。     

临近空间望远镜次镜优化设计

根据临近空间球载望远镜高力热稳定性、高性能的要求，对其次镜组件进行优化设计。临近空间球载望远镜虽然没有火箭发射力学环境严苛，但是其独特的飞行过程受到温度变化、加速度等影响，同时由气球搭载升空，质量要求较为严格。相比于传统反射镜设计方法，采用实体优化和基结构优化相结合的方法，集成优化对镜体进行设计，引入综合评价因子优化次镜综合性能，最终次镜组件性能良好，说明优化方法有效。通过有限元仿真分析得次镜组件在重力和±3 ℃均匀温变工况下刚体位移小于3 μm，面形精度优于λ/50，在0.02 mm装配误差下面形精度优于1 nm。次镜组件一阶频率为203.8 Hz，10 g加速度应力响应（35.4 MPa）远小于材料屈服应力。采用该方法优化可获得高力热稳定性、高性能的次镜组件。     

增量式光电轴角编码器零点漂移问题解决

介绍了增量式光电轴角编码器的工作原理及其在空间目标测量领域的应用。分析了轴角编码器零点漂移的原因,推导了基于轴系和球谐函数的望远镜系统误差修正模型。提出了采用外复核方法解算望远镜指向精度,即用前两天测星解算出来的系统球谐函数误差模型系数修正并复核当天的测星误差。设计了零点标定实验对轴角编码器零位进行标定,进行了连续11个晴天夜晚的观测实验,在零点标定前后观测在视场内均匀分布的30颗恒星,分别解算得到望远镜指向误差,确认了轴角编码器的零点漂移现象。采集GPS卫星数据进行了精度鉴定,望远镜方位和俯仰的轴系误差均值由13.99、11.50分别降至5.94、-3.49 ,验证了零点标定方法消除零位漂移并提高望远镜测量精度的可行性。     

临近空间高超音速飞行器载监视雷达技术发展研究

本文描述了临近空间高超音速飞行器的独特优点;阐述了临近空间高超音速飞行器载监视雷达的发展优势;概述了临近空间高超音速飞行器载监视雷达的发展情况;最后提出了临近空间高超音速飞行器载监视雷达的发展设想。     

基于星图匹配脱靶量标定的移动测站望远镜指向修正技术

目前，移动测站以其高机动性正逐步成为空间目标监测网络重要的系统组成，应用于空间目标的共视观测与精密跟踪。针对移动测站光电望远镜由于工况的不稳定性以及装调过程中存在的指向误差，文中提出了一种基于星图匹配脱靶量标定的指向误差修正方法。首先，根据编码器轴系定位筛选出定标星群并进行资料归算；其次，采用面向脱靶量标定的快速星图匹配算法识别出与测量恒星相匹配的定标星坐标，并作为理论位置；最后，将多颗测量恒星坐标带入脱靶量标定指向修正数学模型对望远镜的指向进行拟合与标定。实验结果证明：采集一组序列图像对光心指向进行修正，单帧图像的修正周期约为2.2 s，从第10帧后修正量基本趋于稳定。对全天区典型分布的一批子天区进行指向修正，指向误差均值由修正前的124.24″提高至4.97″，标准差从41.50″提高至4.76″。综上所述，基于星图匹配脱靶量标定的指向误差修正方法对于提高测站望远镜的指向精度效果显著，且该方法的修正过程与望远镜机架结构无关，因此也可适用于不同机架结构的望远镜指向修正。     

坐标变换在空间望远镜视景仿真中的应用

视景仿真可用于空间望远镜设计、分析和检测。基于坐标变换原理和等角投影法计算了望远镜随着空间载体运动指向不同观测区域时的视场边界，利用星表数据和Matlab地图数据实现了空间望远镜对空和对地观测的二维动态视景仿真，获得了与理论经验相符的仿真结果。结果表明，当空间望远镜指向高纬度区域时等距圆柱投影星图和地图上的圆形视场出现失真，纬度越高，失真越大；对地观测时，地面圆视场边界的地心张角随空间载体高度的增加而增大。应用该仿真方法为某空间望远镜外场实验添加星空背景，效果良好。对在地面上检测空间望远镜工作性能，模拟空间望远镜的工作环境具有一定意义。     

白天卫星激光测距望远镜指向误差修正方法研究

白天卫星激光测距时,由于望远镜机架受太阳辐照和温度变化等因素影响,指向误差时变性较大,影响了对白天卫星的精确跟踪指向。针对卫星过境天区,提出了一种通过白天恒星监视,实现望远镜局部指向误差快速修正的方法,消除环境温度变化效应,实现高精度望远镜指向。以中国科学院上海天文台60 cm口径卫星激光测距系统为平台,应用短波截止滤光技术,实现了对亮于3等恒星的白天监视;并在卫星过境天区选择到6到7颗恒星进行观测,建立望远镜局部指向误差修正模型,以满足白天激光观测需求。该方法对白天卫星测距特别是高轨卫星等具有一定应用价值,也可推广到其他需白天目标观测的望远镜系统。     

临近空间飞行器军事应用价值分析

随着现代高新技术的快速发展,信息对抗空间不再仅限于陆地、海洋、低空和太空,临近空间的军事化和临近空间对抗逐渐成为各国的研究热点。临近空间飞行器搭载探测、预警,通讯设备及武器平台可以很好地完成定点侦察监视、情报收集、通信保障,攻击空中及地面目标等任务。本文针对临近空间飞行器的军事应用价值展开研究,介绍了现有的飞行器种类及其在军事应用方面独特的优势。分析了临近空间飞行器的应用前景,为我国临近空间飞行器的发展提供了思路,对于我国军事技术变革有着重要意义。     

水平式望远镜静态指向误差的建模与修正

对水平式望远镜静态指向误差进行建模与修正。根据水平式望远镜具体构架,设立地平坐标系和照准坐标系,推导出水平坐标系、地平坐标系和照准坐标系之间的转换公式,考虑望远镜的三轴误差和编码器误差等因素,建立水平式望远镜静态指向误差补偿模型(以下简称本文模型)。通过实测得到的恒星坐标数据对球谐函数模型、基本物理参数模型及本文模型行修正验证,实验结果表明,某型水平望远镜采用本文模型修正后,设备总指向精度由修正前的150.96″,提高到4.12″,满足系统总体提出的精度要求,能够广泛地应用于科研和工程领域。     

中波红外激光器的光束指向红外图像检测法

由于中波红外(3～5μm)探测器在军事上的广泛应用,基于中波红外激光器的定向红外发射装置已经成为发展的重点,而其中的激光束指向稳定性就成为非常重要的参数。对于一种光学参量振荡(OPO)产生的中波红外激光器进行了指向稳定性的测试,测试采用了中波红外成像系统及边缘提取与阈值的图像算法,获得了此种激光器的指向稳定性数据。实验结果表明,此激光器在常温下的最大指向偏移量为1.1mrad,平均值为0.3mrad。激光二极管(LD)抽运源晶体及非线性OPO晶体的温控还有进一步提高的可能性。研究结果将为中波红外激光器的研制、光束整形与光束指向测量与稳定技术提供参考。     

Strong coma lobes from small gravitational deformations

Beam mapping at 1.3-cm wavelength has shown very strong sidelobes at the 140-ft telescope, up to four lobes in a row when pointing far west. Different types of observations and the theory of coma lobes lead in good agreement to the conclusion that the telescope suffers a large lateral defocusing, varying by 7.2 cm east-west (EW) and 2.8 cm north-south (NS) for pointing changes of90deg. Since the lateral deformation of the feed legs is only 0.5 cm, it must be mainly the optical axis which moves. This is achieved by a gliding rotation of the best-fit paraboloid, gliding along a slightly deformed surface, while rotating about the center of the average surface curvature. It is shown that the resulting lateral focal offset can be much larger than the surface deformation which causes it. The gliding rotation is also confirmed by a structural analysis. The observational and analytical methods described can also be applied to other telescopes. Polar mounts such as the 140-ft may show the effect in two directions: east-west and north-south, while alt-azimuth mounts can show it in only one direction: up-down. The effect of lateral defocusing is to be expected at other telescopes as well whenever the rim is more flexible than the center; and the resulting degradation of efficiency and beam shape will be significant whenever gravity is important in the error budget. In these cases the telescopes should be supplied with a variable lateral shift of the mount at the prime focus, computer-controlled as a function of the pointing, following the axial movements. This additional degree of freedom may improve the short-wavelength performance considerable for telescopes whose surface panels are more accurate than the gravitationally deformed backup structure.     

The pointing calibration of the Haystack antenna

We have applied techniques of optical astronomy to calibrate the pointing of a high-resolution pencil-beam antenna by using radiometric measurements of cosmic radio sources. The Haystack antenna, a 120-ft paraboloidal reflector on an azimuth-elevation mount, was calibrated at a frequency of 15.25 GHz. The beamwidth at this frequency is 36 millidegrees; the rms residual pointing error after calibration was 2.90 millidegrees in azimuth and 3.45 millidegrees in elevation. A total of 172 measurements of pointing error were made on eight sources, and these data were fitted by the method of least squares to determine seven instrumental parameters that take into account axis-alignment errors and gravitational effects on the antenna structure. These techniques are not restricted to antennas used as radio telescopes, and they may be useful in the pointing calibration of other antennas.     

临近空间激光通信信道特性及系统分析

临近空间飞行技术的发展使临近空间激光通信的实现成为了可能。由于临近空间飞行器的飞行特点独特,故信道特性的不同成为临近空间激光通信与一般空间激光通信之间的重要差异之处,因此信道分析是临近空间激光通信的理论研究中的关键内容之一。在分析临近空间激光信道的特殊性的基础上,应用信道衰减和湍流模型,探讨斜程信道随天顶角的变化规律。同时应用光束数值仿真方法模拟临近空间激光信道及通信系统性能,讨论了天顶角变化时衰减和湍流对通信质量的影响,提出对临近空间激光通信系统的可能的重要影响因素。     

库德光路光束指向稳定性分析

库德光路光束指向稳定性是保证激光测距机光轴指向精度的关键因素,通过坐标变换建立了一种可以从空间角度表征光束指向稳定性的动态方法,解决了大型激光测距机库德光路系统误差对光学系统影响的问题,将库德光路系统误差与光束指向有机地结合起来,以某地平式激光测距机为研究对象,建立了库德光路光束指向的动态误差模型。将CCD 固定在库德镜5 的安装接口处,并与图像采集卡组成图像采集系统,直接对库德光路激光光斑进行采集,获得了精度较高的光束指向动态误差数据。利用实测数据对光束指向的动态误差模型进行了最小二乘拟合,由此标定出了该设备库德光路光束指向的动态特性,为设备系统误差的修正工作奠定了基础。     

Millimeter wave radio telescopes: Gain and pointing characteristics

The basic gain and pointing characteristics of millimeter-wave radio telescopes are described in this paper. Formal definitions of relevant telescope parameters are given. Performance limits set by conventional technology are discussed and compared with measurements of existing telescopes. Methods are also suggested for minimizing pointing errors.     

系留气球载监视雷达述评

本文着重论述国外系留气球载监视雷达系统的技术,发展现状及其应用。描述这种系统的各个组成部分,列表汇总了几种典型的陆基和舰基系留气球载监视雷达系统。并根据这种系统的特点,对我国发展系留气球载雷达提出一些建议。     

基于矩阵光学的光镊设计

光镊已经成为研究单分子生物物理特性的一个基本工具, 因而光镊设计是一个极为重要的课题。光镊捕获光路一般由激光器、扩束系统、光束调控系统、共焦系统、光束耦合系统和大数值孔径的物镜组成, 通过保持物镜后瞳充满度来实现光镊稳定性。本文根据几何光学, 利用矩阵光学进行光镊捕获光路计算, 得到了各个透镜间距、透镜和光束调控系统距离、物镜后瞳处光斑大小与光束调控系统处光斑大小的关系、光束调控系统处光斑大小和入射激光光斑大小的关系。本文计算结果表明光镊横向位置和物镜高度无关, 并指出了物镜后瞳位于成像透镜后焦面、光束调控系统位于共焦系统后透镜像方焦面处, 才能在光镊阱位纵向操控时保持物镜后瞳充满度不变。本文工作为光镊设计和调整提供了非常简洁而有效的理论指导。     

临近空间目标运动建模与跟踪方法研究

x-43、x-5l等临近空间高超声速飞行器的相继出现,给雷达目标跟踪提出了新的挑战,临近空间高超声速飞行器具有高速度、高机动的特点,常规跟踪算法跟踪性能低,不能满足作战使用要求。本文通过分析临近空间高超声速飞行器的运动特性,建立临近空间飞行器的运动模型,阐述临近空间目标跟踪的技术难点,提出了交互多模型的临近空间飞行器跟踪的方法,并对该算法进行了仿真验证,与传统的跟踪算法比较,该算法的跟踪精度有明显提高。     

热透镜谐振腔参数对指向精度的影响

从谐振腔理论出发，论证了谐振腔参数与谐振腔灵敏度对热透镜谐振腔指向精度的影响，计算了经过优化后的热透镜谐振腔参数，并通过实验测量了不同谐振腔参数下输出激光的指向精度。实验结果表明，优化后的热透镜谐振腔具有较高的指向精度。