空间稳像系统摆镜设计与仿真

摆镜作为稳像系统核心部件,摆镜单元的性能参数和外载荷对摆镜面形的影响为摆镜设计和装配的主要约束条件。在设计约束基础上,对摆镜及其装卡结构材料进行了选择,对结构进行了轻量化设计。为考察外载作用对摆镜面形影响规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜组件进行了仿真,使用基于Zernike多项式的光机集成仿真方法消除刚体位移,得到了消除刚体位移后摆镜面形参数。仿真结果表明:外载作用下摆镜刚体位移明显;预紧力作用下刚体平移占据了刚体位移的主要方面;动力载荷作用下,当重力存在于光轴方向时,静力载荷对摆镜面形起主要作用,否则动力载荷对摆镜面形起主导作用。在仿真数据基础上,对摆镜零件进行了加工和装配,对装配后摆镜进行了面形测试,测试结果表明:摆镜面形能够满足设计要求,也说明了摆镜结构设计的合理性和仿真方法的有效性。     

基于接触方法与集成仿真技术的摆镜面形仿真

为考察所设计摆镜在外载作用下面形变化是否满足设计要求,研究了摆镜在螺钉预紧力和不同方向重力作用下的摆镜面形变化规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜进行了仿真,采用基于Zernike多项式的数据处理算法对面形数据进行了处理,得到消除刚体位移后表征实际面形变化的参数和表示刚体位移系数的分布曲线。结果表明:螺钉预紧力和不同方向重力作用下摆镜刚体位移明显,镜面平移占据了刚体位移的主要方面,基于集成仿真技术的面形处理算法可以有效消除刚体位移;预紧力存在、不同方向重力作用下摆镜面形影响略有不同,与预紧力相比重力作用对面形影响较小。预紧力作用下摆镜面形仿真数据对于摆镜设计、装调具有一定指导意义,也说明了基于接触方法面形仿真的工程适用性。     

基于自适应遗传算法的摆镜动态优化设计

为了满足正弦摆动过程中较高面型精度,实现相关跟踪系统摆镜的高度轻量化设计,在直径110 mm圆平面反射镜的设计过程中引入了基于自适应遗传算法的摆镜结构优化。对背部粘结支撑点的大小进行了计算,同时对摆镜的有限元模型进行了轴对称的简化,提高了优化过程中的效率。介绍了自适应遗传算法结构优化的原理及优越性,并提出了两种正弦振动过程中的面型求解方案。最后将自适应遗传算法的结果与传统算法进行了比较。结果证明,基于自适应遗传算法的摆镜动态参数优化方案正确可靠,具有较高的寻优能力,对类似工程结构参数优化具有一定的指导性与借鉴性。     

基于CPLD和单片机的摆镜控制器电路设计

基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)和单片机技术,设计了一种高精度快速灵活的摆镜控制器,详细介绍了硬件电路各部分的设计及器件选型,以及有关软件设计中的理论计算。该摆镜控制器的设计,实现了摆镜控制精度高、平滑、稳定等设计要求,并具有很好的灵活性和扩展性。     

多扫描周期摆镜伺服系统设计与实现

扫描摆镜伺服系统是扫描型热像仪的核心部件之一,扫描摆镜摆动周期需适应热像仪视频制式的要求。为了支持扫描型热像不同速率视频输出的需求,基于双向扫描摆动方式,设计并实现了多扫描周期摆镜伺服系统。给出了基于FPGA、MCU构架的硬件方案、目标轨迹特性及控制算法的设计方法。实验测试结果表明本扫描摆镜伺服系统具有跟踪精度高、频率切换时间短和运行稳定等特点,具有很强的工程实践性。     

空间相机用摆镜的轻量化优化设计及其对像质的影响分析

提出了一种空间相机用摆镜轻量化优化设计方法,并对尺寸为360 mm×560 mm的空间相机用摆镜进行了轻量化优化设计。以镜体厚度、切角大小、镜面厚度和轻量化筋的厚度为设计变量,以最小重量为设计目标,以面形峰值(Peak Value,PV)和均方根值(Root-Mean-Square,RMS)不大于55 nm和11 nm为边界条件进行了优化,并将整体反射镜重量从初始模型的4kg减到了1.72 kg(其面密度为8.0 kg/m~2)。然后以微重力变形条件下的最小面形为目标,对轻量化处理后的反射镜进行了侧边支撑点位置优化,其面形PV为54 nm。采用有限元分析方法对反射镜在微重力、旋转惯性和温度载荷条件下的变形及反射镜模态进行了计算和校核,其结果均满足空间使用要求。最后采用光机热集成仿真方法对空间环境条件综合作用下产生的变形对像质的影响进行了分析。结果表明,由于该空间相机用摆镜产生变形,摆扫式光学遥感器系统的传递函数下降,在70 lp/mm处由设计值0.735降至0.703,相对降幅约为4.4%,满足设计要求。     

激光通信平背伺服摆镜支撑结构优化设计EI北大核心CSCD

为了保证平背伺服摆镜的镜面精度和支撑刚度,设计了一种周边柔性支撑的方案,通过对摆镜与镜座粘接处机械结构进行切口处理形成铰链结构,降低结构刚度,减小结构变形产生应力的影响。由于摆镜形状、粘接点位置、柔性支撑结构参数较多,并且相互耦合,首先采用正交实验法对摆镜主要参数进行分析与优化,确定摆镜形状尺寸参数和粘接点位置,随后优化设计摆镜柔性支撑结构。仿真分析和实验表明,采用该周边柔性支撑后,摆镜组件一阶频率为446.66 Hz,在±5℃温升(温降)和标准地球重力共同作用下,最大面形误差RMS为λ/42.87,能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。随后使用ZYGO干涉仪在(23±5)℃温度范围内对加工装配后的摆镜面形进行检测,结果表明,摆镜面形PV值优于λ/5.1,RMS优于λ/43.28,满足RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明,柔性支撑参数设计可靠,满足使用要求。     

带摆镜的二维扫描制冷红外光学系统设计

带摆镜的像方扫描光学系统通常只在一维方向扫描成像,当摆镜在二维方向摆扫成像时,摆镜方位俯仰耦合运动带来的对光轴指向、光斑尺寸、成像性能等影响不能忽略。分析了不同的摆镜扫描光学系统的基本形式,并对像方摆镜扫描光学系统二维摆扫带来的影响进行了分析。对内轴为方位、外轴为俯仰的像方摆镜在不同的二维摆扫角度下的入射光轴指向和窗口处光斑尺寸进行了理论计算,提出了二维像方摆镜扫描光学系统设计与分析方法。利用Zemax建立了二维像方摆镜扫描光学系统模型,仿真分析了不同方位俯仰摆扫角度下的成像性能、光轴指向以及窗口挡光情况。在不同方位俯仰角度下,光学系统在17 lp/mm处MTF均大于0.4,窗口极限挡光小于21.4%。     

不同安装基座下冲击信号的冲击响应谱研究

在利用冲击传感器进行冲击测试过程中通常会用到安装基座,不同材料的安装基座会对冲击传感器的测试结果产生不同的影响,对某型号冲击传感器在不同材料的安装基座下进行冲击测试,并对冲击结果进行冲击响应谱分析,利用冲击响应谱分析结果来说明高分子材料安装基座和铝合金材料安装基座分别对冲击测试产生的影响,分析结果表明高分子材料安装基座具有良好的应力传递特性,冲击信号失真小,但是冲击信号衰减较大;而铝合金材料安装基座频率传递特性好,具有良好的频率响应特性,但是冲击信号有较大失真。     

摆镜式激光通信终端光束指向与粗跟踪特性

基于两正交旋转轴的单平面镜（摆镜式）激光通信终端的粗跟踪问题,提出了一种求解光束指向的法矢量求解算法,给出了该类型通信终端的粗跟踪算法。采用矢量反射定律和矩阵旋转变换规律,理论推导了摆镜的光束指向模型和跟踪模型,对比分析了不同安装方式对光束指向和畸变的影响,并对模型分别进行了建模仿真和实验研究。结果表明:光束传输模型和粗跟踪模型的精度优于3 μrad,所研制的摆镜式激光终端粗跟踪精度,最大误差优于15.5 μrad (3σ),均方根误差优于10.5 μrad,满足激光通信终端对高精度粗跟踪的技术要求。该研究工作对摆镜式扫描系统的光束指向分析和激光终端粗跟踪具有借鉴意义。     

基于等效弹簧式柔性连接的摆镜模态分析

针对空间稳像系统摆镜的柔性连接方式,提出了使用多个等效弹簧单元替代原有的柔性连接的有限元分析方式。对等效弹簧与原弹簧的弹性系数的对应关系进行了推导,使用等效弹簧的方式对摆镜系统完成了有限元建模,并进行了模态分析,计算出了一阶谐振频率。最后用非接触式激光共振检测系统对摆镜系统进行了检测,并将检测结果与模态分析结果进行了对比,结果表明,基于等效弹簧式柔性连接的摆镜有限元建模方法切实有效。为摆镜的后续设计提供建设性参考,对类似的工程分析具有十分重要的借鉴意义。     

基于摆镜技术提高测距成功概率的方法研究

深空激光测距受距离遥远、大气损耗等因素影响,地面站接收到的回波光子数非常稀少,因此,研究增加回波光子数的方法对提高系统测距成功概率具有重要的意义。文中在云南天文台1.2 m望远镜激光测距系统发射光路中增加摆镜,通过快速高精度控制激光光束传播方向的方法搜索回波光子数较多的指向位置。首先设计了摆镜扫描系统,然后对系统进行仿真分析,模拟系统出射光束偏转角度和能量分布随摆镜偏转角度的变化情况以及利用摆镜进行搜索的效果,最后对测距卫星进行实际观测试验。测量得到系统使用的二维摆镜的最小分辨率为0.2″,经激光发射系统扩束后,可以实现最小0.005″的搜索步长,控制频率在100 Hz以上。实际观测结果表明,使用摆镜提高回波率的方法是有效的,并且目标轨道高度越高效果越明显,因此可应用于深空目标激光测距系统。     

大口径精密光学元件低应力支撑结构研究

为了实现倾斜安装放置状态的大口径精密光学元件低应力支撑结构分析设计,采用有限元分析方法,对45°倾斜角安装放置的精密光学透镜在自重作用下的镜面面形进行了研究。首先,建立了光学透镜不同胶结结构的有限元模型,从镜面对角线横截面自重变形及镜面面形的波面误差两方面,分析了两种胶结分布方式及不同胶点大小对镜面面形的影响。然后,在胶结结构基础上,建立了不同镜框支撑结构有限元模型,从镜面面形的波面误差方面,分析了支撑力分布方式对镜面面形的影响。最后,设计了胶结及镜框支撑的低应力支撑结构。分析结果表明,采用胶点直径为30 mm,矩形分布形式胶结,侧面均匀方式支撑镜框时,镜面面形的波面误差PV值为16.608 nm,RMS值为7.9385 nm,满足瑞利判据的要求,验证了支撑结构的合理性。     

低轨道遥感相机光机热一体化分析及优化设计

低轨道卫星热环境复杂恶劣,对遥感相机光机结构的热性能提出了严格要求。本文提出了一种基于在轨温度场的光、机、热一体化仿真分析方法,以某低轨道卫星相机为例,分别采用Thermal Desktop、MSC Patran/Nastran、Code V构建热分析模型、结构有限元分析模型、光学分析模型,分析得出了相机单次成像时间内最极端工况下各反射镜的平移、倾斜及镜间距变化量等结构变形特性,计算了光学系统MTF的变化,并剖析了系统传函的主要影响因素。然后从主承力结构的结构参数出发进行了优化设计,优化结果表明主承力结构线胀系数在(5~5.5)×10－6时系统热特性最优,系统传函满足指标要求。     

主镜半主动支撑的力矩校正方法研究

主镜支撑技术一直是大口径望远镜技术的关键技术,以2 m SiC轻量化主镜为研究对象,探究了通过力矩校正的半主动支撑方法,用于校正一些由于加工误差、装配误差等因素引起的一些不可预知的因素所导致的低阶波前像差。首先建立有限元仿真模型,进行仿真分析,分别在6处Tripod柔铰处施加两个方向正交的,大小为1 Nmm的单位校正力Mx和My,共分析12种工况下的主镜变形情况;然后利用微小变形的线性叠加原理,分析计算该力矩校正方法对低阶波前像差的校正能力,由分析计算可知,该力矩校正方法对于加工、装配及装调过程中最常出现的倾斜和像散具有很好的校正能力,可以将初始镜面RMS值归一化为1/10（=632.8 nm）的像差,分别校正到0.687 nm和2.97 nm,校正能力分别为98.9%和95.3%,所需的最大校正力矩分别为6.3 Nmm和19.9 Nmm;然后根据主镜的whiffletree支撑结构,设计了力矩校正结构方案;最后通过试验验证柔性薄片力矩校正结构形式的可行性,进而验证半主动支撑力矩校正方案的可行性,为半主动支撑的工程应用积累了一定的宝贵经验,具有一定的指导意义。     

航天器爆炸冲击环境模拟装置仿真研究

采用有限元方法对摆锤式冲击试验台进行了仿真研究,分析了响应板设计参数、支撑条件和冲击脉冲宽度对响应谱曲线的影响,模拟了几种典型冲击响应谱试验规范,表明摆锤式冲击试验台可以较好地模拟爆炸冲击环境.     

某跟踪雷达发射机的减振设计及分析

介绍特殊环境下发射机的三维减振设计,并运用有限元分析软件ANSYS,以实测功率谱为激励,分析其响应,从理论上分析此减振系统的合理性,提供了一种实际工程中减振设计及分析的方法。