空间望远镜次镜六自由度调整机构精密控制

为满足空间望远镜在轨主动光学控制需求,需要精密调整次镜相对于主镜的六自由度位姿,为此,针对6-PSS Stewart平台构型的次镜精密调整机构,设计完成了基于并联机器人关节空间方法的运动控制系统。以DSP和FPGA为核心处理器,编码器为反馈元件,集成电机三相桥为驱动元件,设计完成了次镜六自由度调整机构的运动控制电路。基于次镜调整机构的顶层逆运动学模型和底层连杆控制系统,设计完成了次镜六自由度调整机构的运动控制算法,该方法参数易于调整,利于工程实现,满足空间运动机构高可靠性调整需求。试验结果表明,该运动控制系统能够满足全行程内0.7 m （位移）和3（角度）运动调整精度需求,能够满足空间望远镜主动光学调整任务。     

航空光电遥感器高精密紧凑型调焦机构的设计

针对航空光电遥感器在不同工作环境下会产生离焦这一问题,采用移动镜组方式进行调焦,以保证其成像质量。该调焦机构采用消间隙丝杠螺母副作为传动机构,采用六个精密轴承及弹性预紧组件作为导向机构,同时采用一对电涡流传感器及一个菱形被检测件作为测位移传感器,在有限包络尺寸下最大程度保证其调焦精度。从传动误差和传感器组件误差两方面对调焦机构进行精度分析,并且搭建实验平台对其进行了传动定位精度实验和晃动精度实验。实验结果表明,该调焦机构的传动定位精度在±6 μm以内,晃动精度在±4″以内,满足光学系统提出的调焦精度设计要求。     

空间相机次镜调整机构的改进布谷鸟标定方法

为了提高空间相机次镜Stewart型调整机构的定位精度,需要完成机构的精密标定。针对6-PSS Stewart机构,首先依据最小二乘原则,利用驱动残差构建了参数标定模型。其次为提高标定优化问题的全局求解精度,采用自适应路径（Variable Step Adaptive,VSA）及限界处理对单纯形布谷鸟算法进行改进,并应用于标定优化问题求解。数值仿真表明其求解能力并优于单纯型布谷鸟算法。最后,为保证标定的全行程有效性,规划了包含位姿六元素的试验数据采样方法。实验结果表明,经过该方法标定后,位姿采样点处最大位移误差由19.97 m降为9.68 m,最大转角误差由123.84降为最大8.86,在非采样点处最大误差与采样点处在同一量级水平。基于上述模型、算法和采样位姿规划的标定方法可有效提高定位精度,且标定结果在全行程区域内有效。     

紧凑型多光谱空间光学遥感器焦平面的设计与拼接

为实现高分辨率、多光谱、宽覆盖的遥感测量,对空间光学遥感器由3片TDI CCD组成的焦面组件进行了设计,并提出了一种新的拼接方法。根据空间光学遥感器采用的多光谱TDI CCD外形尺寸较大、几乎占满整个结构设计空间的特点,对其焦平面进行了紧凑型的机械交错拼接设计;根据紧凑型多光谱焦平面的特点,结合图像处理技术进行了拼接,对由CCD拼接仪产生的图像进行了放大和处理,以尽量消除因人眼视觉误差对拼接精度产生的影响,提高拼接精度;最后进行了拼接验证。结果表明,该方法拼接出的焦面各片CCD之间的搭接误差〈3μm,两排CCD的平行度误差〈3μm,共面性误差〈5μm,满足空间光学遥感器的成像要求。     

钢丝绳传动在航空光学遥感器上的应用

针对某航空光学遥感器扫描组件和消旋组件需以高精度同步旋转的要求,提出一种通过双电机驱动,采用独立的位置环和速度环控制的钢丝绳精密传动方法。首先,详细介绍了钢丝绳精密传动的结构形式和控制方法,并简要分析了钢丝绳的传动刚度,最后,通过实验对钢丝绳精密传动的精度进行测试,同时分析了预紧力和负载力对精度的影响。实验结果表明:本钢丝绳精密传动系统实现了扫描组件和消旋组件旋转同步精度0.03°,旋转速度为5°/s时稳速精度达1.5%,满足设计要求。实验结果验证了本钢丝绳精密传动应用方法的可行性,为钢丝绳精密传动在航空光学遥感器上的应用提供了一种新的方法。     

空间遥感器非球面光学系统补偿器调整装置设计

根据空间遥感器非球面镜检测及光学系统装校对补偿器的调整要求,设计了一种V型支撑调整装置。阐述了该装置的组成、自由度调整功能以及部分设计原则。分析结果表明,该装置状态稳定,调整精度高,位移调整精度为1.39μm/deg,俯仰调整精度为0.0073～0.0232μrad/deg。用该装置对某离轴三反相机的光学元件和光学系统进行了检测和装调,取得了良好的效果。     

轻小型空间遥感相机精密调焦机构设计与试验

空间遥感相机在发射过程中及其在轨运行时,由于大气压力、温度、力学环境等的变化,导致焦面离焦。为了满足成像质量要求,相机在空间投入使用之前必须对偏离的焦面进行校正。针对轻小型空间相机的使用特性及要求,设计了一套调焦范围3 mm的像面移动式调焦机构,质量仅为3.25 kg。利用蜗杆传动的自锁性,防止焦面组件在外力作用下发生窜动。选用微型精密级直线滚动导轨保证CMOS靶面的直线性精度。同时利用光电编码器（16位）实时反馈靶面的位置信息,以保证其定位精度。对调焦机构进行了理论分析、动力学分析及试验验证、精度测试及分析、焦面标定试验等。试验结果表明:调焦机构的一阶固有频率为182.7 Hz,可以有效地避免共振现象;CMOS靶面的直线性精度优于20,定位精度优于4.2 m,满足调焦精度要求;焦面标定试验验证了调焦机构设计的有效性,满足了空间遥感相机的成像质量要求。     

高分辨率空间相机调焦机构设计与分析

空间遥感相机在轨运行时由于空间环境的变化,会产生不同程度的离焦。针对某高分辨率空间相机光学系统的特点以及焦深,设计了一套蜗轮蜗杆传动驱动偏心凸轮的调焦机构,详细分析了调焦机构的精度,分析结果表明:调焦机构的定位精度为0.0042 mm,焦平面组件的倾斜量为5.31?,满足光学系统的要求。最后,建立了工程分析模型,并对其进行了模态分析。结果表明:调焦机构的一阶模态为176.56 Hz,高于相机的基频,满足设计要求。因此,所设计的调焦机构能够保证高分辨率空间光学遥感器在复杂工况下的成像质量。     

新型空间相机偏流角调整方法

针对目前国内光学成像侦察卫星成像模式单一、对曲线条带状目标侦察效率低下的现状,开展了以相机实时像移补偿技术为基础的一种新型空间相机偏流角调整方法的研究。介绍了新型空间相机偏流角调整方法的原理,并设计了一种可使空间相机实现实时像移补偿的偏流调整机构。区别于传统的TDI-CCD拼接后整体旋转调偏流方式,该机构实现了TDI-CCD分片旋转调偏流,以达到空间相机实时像移补偿的目的。最后,进行了偏流机构传动精度分析与测试,分析与测试结果均表明:所设计的偏流调整机构传动精度高,结构系统响应速度快,可满足相机敏捷成像侦查任务。     

基于内窥光路的深腔盲孔形位检测及应用

提出一种光机复合高精度非接触光电成像检测新方法实现有限深腔内盲孔的形位尺寸检测。系统由精密传动机构、光学内窥系统、精密光栅传感检测系统、图像采集及处理系统组成。系统通过高精度的传动机构配合,使内窥光学系统在有限的深腔内线性移动,并利用高分辨率CCD摄像技术获取盲孔图像,通过图像处理完成深腔盲孔形位尺寸的测量。通过实例测试表明系统精度高于10 μm。     

空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术

遥感相机光学系统畸变系数作为影响相机在轨成像质量的关键因素,其检测精度一直以来都是遥感相机研制过程中的核心环节。传统的测角法主要依靠高精度二维转台,实现了光学系统视场角与像高之间的精准对应,该方法对测试设备和测试环境要求苛刻。随着相机焦距、口径和体积的增大,对于转台设备的尺寸与测量精度也日渐提升,单纯依靠提升测试设备性能无法满足后续各类高性能遥感相机的研制需求,尤其对于垂直装调类超大口径空间高分辨率光学系统,该方法不可行。在传统精密测角法的基础上,提出一种基于干涉原理的空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术,相比于传统的精密测角法,该方法在同等测试精度的基础上,具备更广泛的适用性,其不再受限于测试设备的尺寸与精度限制,可同时满足各种类型遥感相机的畸变测试需求。文中详细介绍了该畸变测试方的基本原理、测试方法与误差链路,并对该畸变测试方法进行了应用验证,将结果与传统畸变测试方法进行对照,表明该方法的测试精度满足遥感相机的研制要求且适用范围更广,对航天长焦距大口径遥感相机研制及畸变测试有参考借鉴意义。     

柔性支撑式空间反射镜胶接应力分析与消除

空间光学遥感器不断朝着更高轻量化率的方向发展,传统的装框支撑难以满足系统要求。基于运动学原理的Bipod柔性支撑结构具有良好的力热环境适应能力,在空间光学遥感器的反射镜支撑中得到越来越多的应用。为了有效卸载装配应力,Bipod柔性支撑结构一般通过光学胶与反射镜进行连接,但是光学胶在固化过程中不可避免地存在收缩应力。此外,环境温度的波动以及热真空试验也有可能导致胶接应力的变化,严重时会对反射镜面形造成不利影响。文中针对某Bipod柔性支撑式次镜组件,分析了胶缩对面形的影响,并针对真空放气试验后的面形下降问题,采用消应力与热浸泡相结合的方式有效解决了面形下降的问题,为该类光学胶的空间环境应用提供技术支撑。     

离轴三反望远镜主镜和三镜面形误差补偿机理

为保证大口径离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat,TMA)光学系统在轨成像质量,探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理,以矢量像差理论为基础,用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差,并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现,位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散;提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式,以系统出瞳波像差RMS值为评价标准,构建离轴TMA系统像差补偿模型,利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时,所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ;系统三镜存在0.05λ像散与彗差时,可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ,且当三镜面形误差在(-0.03λ,0.03λ)范围内时,可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值,使系统成像质量满足要求,为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。     

长条形反射镜支撑结构设计与分析

为了降低航空光电侦察设备的整体质量,减小反射镜在复杂航空环境下的面形变化,利用有限元方法对某长条形反射镜组件结构进行了优化。首先,计算轻量化反射镜所需的支撑点数量,并对支撑点的位置进行优化。接着,为了解决温度变化时组件材料线胀系数不匹配带来的热变形问题,在支撑结构中引入了柔性铰链,并对柔性铰链参数进行了优化。最后,对反射镜组件进行面形精度分析,得到反射镜RMS为20.3 nm,小于1/30(=632.8 nm);对组件进行模态分析及试验,得到一阶固有频率分别为138 Hz和162 Hz,满足设计指标要求,分析及试验结果表明了该反射镜的支撑结构合理可行。     

动态特性可调的微动平台优化设计

针对目前柔性铰链主要靠局部变形来工作,其存在应力集中,且微动平台的动态特性受材料特性、设计制造等误差影响,难以满足变工况条件下的高精密位移输出。基于应力刚化原理,采用对称布置的带倒角的弹片式柔性铰链,设计张紧力调节机构,实现微动平台的动态特性可调。采用COMSOL Multiphysics和MATLAB联合仿真对张紧力调节机构进行参数优化,让调节机构保持线性调节关系,使柔性铰链的应力分布最小化。结果表明,所设计的微动平台能够进行高度线性固有频率调节,与有限元分析结果相比,频率调节范围相差2.55%,在理论设计范围内。     

二维耦合光学摆镜伺服控制系统

二维耦合光学摆镜是扫描式星载红外光学系统的关键运动部件,其运动特性对伺服系统提出了高精度位置控制与运动解耦的特殊要求。在建模与仿真分析的基础上,提出了一种新的耦合偏移补偿与分割步进的解耦策略,采用位置环与速度环双闭环的PID控制算法,使用有限转角力矩电机和高精度旋转变压器作为执行与测量元件,以DSP为核心构建了二维耦合光学摆镜伺服控制系统。实验结果表明:该方法设计的控制系统二维运动解耦正确,控制精度高,响应时间短,动态特性好且超调小,可广泛应用于高精度摆动扫描控制系统的研究领域,具有很好的工程应用前景。     

用于航空遥感的二维像移补偿镜的设计

在航空遥感中,由于振动、飞行器的运动及相机摆动等原因,相机在曝光时,被摄物影像与CCD之间存在着相对运动,带来了成像模糊及拖尾效应,此即像移.其存在对图像质量及精度都有很大影响,因此,怎样减少像移就成为提高遥感设备性能的重要手段。本文介绍了压电式二维像移补偿镜的工作原理,详细描述了其结构的设计以及功能的实现.设计了PZT压电陶瓷驱动补偿镜的柔性铰链平台,实现了补偿镜对CCD成像像移的二维补偿,并对像移补偿镜模型进行了性能分析,通过实验验证了像移补偿镜的性能.     

衍射光学元件车削误差控制技术

衍射光学元件在光学系统中的应用越来越广泛,对衍射结构的加工质量提出了更高的要求。单点金刚石车削可直接加工出高精度衍射微结构表面,但衍射结构的位置误差和表面质量对其光学性能有较大影响。为了提高衍射光学元件的性能,需要精确控制其车削误差。基于此,分析了影响衍射元件加工质量的因素,建立了揭示位置误差、衍射面形状和刀具半径之间的关系的数学模型,揭示了衍射带位置精度影响规律。通过补偿加工提升基底表面质量来提高衍射曲面面形精度。结合仿真模型与粗糙度影响参数,指导车削刀具半径的选取。最后,基于仿真结果,选择半径为0.02 mm的半圆弧刀具加工,最终加工的衍射元件面形误差为292 nm,衍射环带位置误差最大为55 nm,高度误差最大为16 nm,粗糙度为5.6 nm。实验结果表明,该预测模型可以指导衍射光学元件高精度表面形貌的获取,有利于提高光学系统的成像质量,为高精度衍射光学元件的批量生产提供了技术支持,具有广泛的工程应用价值。     

空间光学遥感器长圆形反射镜组件优化设计与分析

为了减轻空间光学遥感器反射镜的镜体质量,并降低反射镜在恶劣空间环境下的面形误差,利用有限元技术对某长圆形反射镜组件进行了优化设计。首先在反射镜进行轻量化后,对其进行支撑点位置优化和结构拓扑优化;其次对柔性支撑进行优化设计,引入了一种新型柔性铰链,解决了因背板热变形导致反射镜径向变形的问题,改善了反射镜面形精度。优化后的反射镜面形RMS 最大值为14.6 nm,小于/30（=632.8 nm）,一阶固有频率大于100 Hz,满足了设计要求,证明了该优化设计方法合理可行。