新型大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统设计

为满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求,克服Offner光谱成像系统中凸面光栅加工的困难和改进型Czerny-Turner光谱成像系统相对孔径小的缺点,提出一种新型的基于平面光栅的大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统,根据反射球面罗兰圆理论分析了该系统的像散校正方法,利用Matlab软件编制了初始结构快速计算程序。作为实例,设计了一个相对孔径为1/2.5,工作波段为400~1000nm的Schwarzschild光谱成像系统。首先利用自己编制的Matlab程序计算初始结构参数,再利用Zemax-EE光学设计软件对该光谱成像系统进行光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。结果表明,在整个工作波段内,点列图弥散斑的尺寸小于13μm,实现了大相对孔径宽波段像差的同时校正,在宽波段内获得了良好的成像质量,满足设计指标要求,也证明了这种新型Schwarzschild光谱成像系统是可行的,其在航空和航天高光谱遥感领域具有广阔的应用前景。     

基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪

为了满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求,提出并设计了一种基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪。基于几何像差理论,推导出了像散校正条件,利用Matlab软件编制了初始结构参数快速计算程序。作为实例,设计了一个相对孔径为1/2.5,波段为350~1 000 nm的平面光栅光谱仪光学系统。利用自己编制的Matlab程序计算了初始结构参数,然后利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱仪的光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。结果表明,在整个工作波段（350~1 000 nm）内,点列图半径均方根值小于8.2 μm,实现了大相对孔径宽波段像散同时校正,在宽波段内同时获得了良好的成像质量,满足了设计指标要求。所提出的基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪在高光谱遥感领域很有应用前景。     

热载荷作用下透镜面形精度分析方法

为了分析透射式光学系统中透镜在热载荷作用下的镜面面形精度,建立了光机结构模型,使用有限元软件对热载荷作用下透镜的镜面变形量进行了分析,通过matlab软件对变形后的节点位移进行拟合,进而求出在指定热载荷下透镜的面形精度。该分析方法还可以对其他载荷引起的镜面变形进行分析,为透镜面形精度分析提供参考。     

空间长寿命球轴承的弹流润滑与密封分析

针对空间光学遥感仪器扫描机构的高精度、长寿命设计要求,研究空间工况下轴承的润滑与密封方法。建立考虑热效应及润滑剂非牛顿性的角接触球轴承的弹性流体动压润滑（EHL）模型,求出其数值解,分析在空间应用工况下各个参数对轴承润滑性能的影响,并提出润滑改进方法;通过对间隙密封效果的分析,提出一种优化的密封形式。结果表明,应用于空间的角接触球轴承,其热效应、润滑剂的非牛顿性及低速、高载荷会减小润滑油膜厚度;组合式的间隙密封结构密封性能明显优于直通式间隙密封。     

基于激光散射理论的微小颗粒测量的数值分析

根据算法的准确性、稳定性和快速性原则, 讨论了Mie散射和Rayleigh散射的数值算法。将Mie散射理论及Rayleigh散射理论的Matlab数值结果与Wiscombe结果对比分析, 证明了此Matlab程序的正确性。在此基础上, 确定了当颗粒粒径参量x0.3时采用Rayleigh散射理论来确定前向某一角度范围内散射光能分布, 从中求得颗粒的粒径大小和分布, 具有比Mie散射理论算法快速性的特点。该方法为某些测试对象(颗粒与分散介质相对折射率、颗粒种类等)确定、微小颗粒的在线测量提供了理论支持。     

多档位自动切换电流测量电路设计

积分球设备中使用硅光电池进行电流测量,为实现对硅光电池输出的宽范围电流信号的测量,将电流划分为4个档位,分别设计了不同电流范围时的电流测量电路。使用单片机对各测量电路进行定时监测,根据测量结果自动对档位进行切换,使测量档位的测量范围与实际电流匹配,从而保证设计的测量电路具有宽的测量范围的同时能够保证测量精度。     

高精度无导轨位移平台误差分析

研究了基于补偿式柔性平行四杆机构的高精度位移平台的运动精度,对变形板尺寸误差、比例杆球心距误差和内外变形板装配夹角误差等误差源进行了分析计算.采用半梁模型分析了变形板,得到变形板行程与耦合位移量的关系,给出了平台直线度误差和耦合位移量误差关于平台位移和变形板尺寸的表达式.使用自准直仪和高精度微分测量头对平台直线度和耦合位移量进行了测量,结果表明:该补偿式结构的高精度无导轨位移平台在大行程(5 mm)工作时,仍具有较高的运动精度,直线度小于1.5″,耦合位移量小于13.7 μm,与理论分析吻合.     

应用于光学遥感仪器的扫描机构设计

针对空间光学遥感仪器扫描机构的高精度、长寿命运转需求,首先分析设计了基于油脂润滑方式的运动部件润滑与密封方法,保证了机构的运转寿命与精度;然后使用有限元方法,对扫描机构各重要组件的结构进行了分析优化,得到了轻量化的反射镜结构与优化的支撑结构.分析结果表明,在实验温度(-30～70℃)范围内反射镜的面形精度RMS值优于13.2nm;润滑与密封设计可靠,5年内润滑剂泄漏量小于3.5 mg;扫描机构总质量4.94 kg,一阶固有频率116.2 Hz.扫描机构可以满足空间光学遥感仪器的设计要求.     

双光栅光谱仪光栅转轴的多目标优化

双光栅光谱仪光栅转轴是用于固定和驱动两块共轴凹面光栅的重要零件,其工作过程中出现的变形与振动现象均可能对双光栅光谱仪最终的波长测量结果带来影响。依据双光栅光谱仪的工作原理和实际工况,确定其光栅转轴结构优化的主要目标为质心调整,轻量化,避免共振和减小凹面光栅的随机响应变形。为实现光栅转轴的多目标优化,首先在UG中建立凹面光栅、光栅转轴及其固定结构的三维模型,然后导入ANSYS Workbench进行模态分析与随机响应分析,并针对其计算结果展开多目标优化。优化后,光栅转轴回转部分的质心调整到回转轴上,总质量由0.606 30 kg减轻到0.539 43 kg,二阶固有频率从184.83 Hz增大到187.77 Hz,凹面光栅Z轴方向最大随机响应变形从33.394 m减小到27.147 m。目前市面上常见的有限元分析软件均无法直接实现结构的质心调整,作者将该目标的实现提前到三维建模过程当中,并保证在后续优化过程中,回转部分的质心只在其回转轴上移动,从而使质心调整和轻量化等其他优化目标同时实现,该处理方法具有广泛的借鉴意义。     

机载海洋改进型Dyson高光谱成像仪的研制

针对海洋环境、海洋水色等领域的发展需要,设计了一种适于机载的宽视场、大相对孔径的改进型Dyson光谱成像系统。根据海洋环境污染的光学特性,利用不同目标反照率值估算目标信号的信噪比,将高光谱成像仪的工作波段扩宽至紫外波段;使用大像元尺寸的探测器、大相对孔径的成像系统来满足对海洋目标弱信号的识别,同时通过降低积分时间来避免近海岸沙滩信号过强引起的探测器饱和。该光谱仪的工作波段为0.32~1.05μm、相对孔径为f/1.8、像元尺寸为24μm×24μm,通过加入弯月形的矫正镜避免了狭缝、探测器、滤光片和单透镜相互之间产生干涉。设计结果表明,整个光学系统各波长的传递函数均大于0.83,谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元尺寸的4%。所设计成像光谱仪系统适用于海洋环境污染,尤其是海洋溢油污染的监测。