光机热集成分析中镜面刚体位移分离

环境载荷引起的光机系统变形会严重影响光学系统性能。光机热集成分析是评估这种影响的有效手段。在光机热集成分析中,为减小光学系统刚体位移对变形后镜面拟合的影响,采用齐次坐标变换及最小二乘算法来分离光学镜面变形所包含的刚体位移。该方法首先用齐次坐标变换表示出变形数据中的刚体位移;其次利用最小二乘法求解刚体位移参数。利用该方法对一个低温环境下离轴抛物面镜进行了分析,其刚体偏转量都小到μrad量级。同时,对该方法求解刚体位移的精度进行了分析。当刚体偏转量小于0.01 rad求解误差小于1%,结果表明该方法满足光学镜面变形中的刚体位移求解精度要求。     

成像光谱仪光谱定标

成像光谱仪是谱像合一的新型光学遥感器.成像光谱仪的光谱定标是辐射定标的基础,准确的光谱定标是获得地物正确光谱信息的必要条件.介绍了成像光谱仪光谱定标的原理和几种光谱定标方法,并对国内成像光谱仪光谱定标技术进行了展望.     

基于刚体运动完备方程的光机热集成分析方法

对于环境载荷恶劣、光学面变形复杂的光机系统,传统光机热集成分析方法的计算误差较大。提出了基于刚体运动完备方程的光机热集成分析方法,利用双立方样条插值法对光学面进行修正,然后建立光学面刚体运动完备方程,采用优化的求解方式分离光学镜面刚体运动,最后采用最小二乘方法求解Zernike多项式系数,实现对光学镜面弹性变形的表征。采用数值案例和工程案例验证了所提方法的有效性和正确性,定量分析了刚体运动方程、镜面修正方法、镜面点阵分布以及面形等关键因素对光机热分析结果的影响,结果表明,所提方法比传统方法更为精确地分离出光学面刚体运动和弹性变形量,且不依赖于光学面的解析方程,镜面变形的复杂程度对分析结果的影响较大。     

宽谱段高光谱成像仪星上波长定标方法

高光谱成像探测仪在轨波长漂移和性能衰变是有效载荷在轨长期工作必须解决的问题。利用太阳辐射光谱和大气后向散射辐射光谱中特有的Fraunhofer吸收线可作为星上波长定标的基准。针对波长定标精度需求，优选出高精度的太阳参考光谱，用仪器狭缝函数卷积后初选出87条Fraunhofer吸收线，并分析了由Fraunhofer吸收线分布非均匀性引起的系统误差，以及由仪器探测能力不同而产生的随机误差。综合最大偏差和RMS，确定了在满足定标精度优于0.01 nm的条件下，可用的76条太阳Fraunhofer线的精确位置。该研究为高光谱成像探测载荷在轨高精度波长定标奠定了基础。     

空基跟踪平台变焦镜头光机热集成分析

针对空基光电跟踪平台可见光变焦镜头进行光机结构设计及光机热集成分析。依据跟踪镜头-20~50 ℃的温度适应性指标要求,对变焦镜头进行光机集成分析。首先,建立了变焦镜头的有限元模型。其次,采用Patran软件对光机系施加温度载荷计算镜头的热弹性变形,利用Nastran软件计算个各光学元件镜面节点变形后的点云刚体位移。最后,采用 Sigfit光机接口软件分析温度载荷工况下各光学组件镜面Zernike系数,将分析结果导入Zemax中考核镜片面型变化以及刚体位移变化对MTF的影响。分析结果表明:在-20~50 ℃的温度载荷下,光学系统全视场的MTF @100 lp/mm值均大于0.3,满足技术指标要求。最后通过温度可靠性实验对变焦镜头的温度适应能力以及光机集成分析准确性进行实验。     

振动影响航空TDICCD相机像质的集成分析

采用集成建模分析法,研究了航空TDICCD相机的成像质量受到振动载荷激励影响后的变化程度。在振动激励下,光学系统镜面会产生变形和微位移,使光学性能下降。设计了一种采用非球面镜片的航空相机光学系统,建立了航空相机光机系统的有限元模型,对其进行动力学分析,得到振动激励下的各个镜面节点位移量,以Fringe Zernike多项式为接口对镜面变形进行拟合,将拟合得到的12组37项系数输入到光学软件的航空相机光路模型中进行光学性能评价。分析表明,该航空相机光学系统在振动激励下,91 lp/mm分辨率时光学调制传递函数下降了9.7%,像点点列图发生偏移和弥散,需采取相应的减振措施。     

星载大相对孔径宽视场成像光谱仪光学系统设计

高分辨率大相对孔径宽视场成像光谱仪已成为星载海洋水色遥感等领域的迫切需求,根据大相对孔径和宽视场的研究目标,采用折叠Schmidt望远成像系统与改进型Dyson光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个相对孔径1/1.2、视场3.9°,工作波段0.35~1.05μm的航天遥感成像光谱仪光学系统。基于像差理论,分析了改进型Dyson光谱成像系统球差校正原理。运用光学设计软件ZEMAX对成像光谱仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析。分析结果表明,光学系统在各个波长的光学传递函数均达到0.77以上,谱线弯曲和谱带弯曲均小于6%像元,便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,非常适合应用于航天遥感。     

长焦距航空遥感器过载载荷下的光机集成分析

环境载荷引起的航空遥感器光机系统变形对遥感器的光学系统性能会产生严重的影响。为了评估这种影响,需要一种将结构分析和光学分析相结合的有效手段。利用光机集成分析方法,首先建立了长焦距航空遥感器的有限元模型并进行了静力学分析,针对整个航空遥感器系统分别给定航向、展向和法向的加速度载荷,仿真分析了航空遥感器在机载飞行中的变形情况,重点分析由环境载荷、支撑结构所导致的各光学元件的表面节点位移变化,并以Zernike多项式为接口拟合各光学元件的镜面变形,将计算出的拟合系数代入光学分析软件对遥感器系统进行光机集成分析,评估指定环境载荷对该遥感器结构的光学系统性能的影响。分析结果表明,该航空遥感器在过载情况下,遥感器整体系统工作状态的光学调制传递函数在空间频率为0~62.5 cycle/mm范围内不低于0.16,经光学核算满足成像要求。     

空间光学遥感器光学镜面有限元分析结果的后处理

光学镜面是空间光学遥感器的重要组成部件,刚体位移和面形误差是评价其环境适应性的重要指标。介绍了一种从Pantran/Nastran软件的有限元分析结果中提取光学镜面的刚体位移和面形误差的方法。首先对Patran输出的原始数据进行预处理,消除原始数据误差;然后采用坐标变换法计算光学镜面的刚体位移,并通过法方程法直接进行求解,没有出现病态矩阵问题;最后通过球面方程拟合法计算光学镜面的面形误差,将球面拟合问题转换成3变量最优化问题再进行处理,并采用高斯-牛顿法进行数值迭代求解。经工程实践证明,该方法具有计算简洁准确、计算速度快等特点。     

成像探测仪定标技术概述

星载成像傅里叶变换光谱仪在静止轨道获取高分辨率大气辐射光谱,通过数学反演获取水汽、温度、压力和微量气体的廓线和垂直特性。定标技术是仪器的关键技术,定标精度反映了仪器性能和遥感信息的应用水平。文章分析了极轨和静止卫星红外、可见光通道定标的现状,指出目前Goes系列卫星定标出现的各种问题和相应的解决办法。     

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。     

次镜支撑结构硬涂层阻尼减振设计与仿真

为了提高大口径空间望远镜次镜支撑结构的动力学特性,获得更好的成像质量,在对比了目前减振方式优缺点的基础上,提出了一种将阻尼硬涂层涂覆在次镜支撑薄壁梁上进行减振的方法。首先以硬涂层-次镜支撑复合结构综合性能最优为目标分析了硬涂层的最佳涂覆厚度和弹性模量,然后在此基础上用ANSYS分析了次镜支撑结构涂覆硬涂层前后的加速度响应曲线,最后利用Zemax和Matlab等软件分别从镜片刚体位移和镜面面型变化两个角度分析了硬涂层减振对光学成像性能的影响。分析结果表明,在一个6 g量级的正弦激励作用下,涂覆硬涂层后次镜组件在X、Y、Z三个方向上的加速度响应较涂覆前均下降了30%~50%,光学系统成像质量和次镜面型精度也有很大提高。     

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。     

光谱仪在发动机红外隐身测评中的应用研究

航空发动机红外辐射特征台架测试试验数据可用以评估发动机的红外辐射特性指标达标情况,进而优化改善隐身措施。光谱辐射计既可获取发动机的光谱分布,也可获取所需波段区间的积分辐射强度数据,本文研究了SR5000N光谱辐射计在发动机红外辐射特征台架测试试验中的应用,分析测试中的误差源产生机理,提出光谱测试误差控制措施;针对非充满视场条件下的发动红外辐射特征测试,提出黑体视场占比相当的光谱标定方法,标定结果同热图像测试结果一致,表明该方法的正确性,分析了不同标定条件下标定结果的差异性,得到了标定条件对标定结果影响较小的结论,减小了标定限制,拓宽了光谱测试的工程应用范围。     

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。     

大气痕量气体差分吸收光谱仪地面数据评价软件设计

大气痕量气体差分吸收光谱仪通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来反演大气中痕量气体的分布和变化。在地面对大气痕量气体差分吸收光谱仪完成实验室定标以验证其性能和可靠性,为大气痕量气体差分吸收光谱仪的数据处理提供支持。为快速处理光谱仪定标数据,研制了相关的光谱辐射定标软件。定标软件基于C++语言,在Windows平台上开发,实现数据定标和多维度展示定标数据。 其中光谱定标采用多项式拟合算法,光谱分辨率采用Gauss拟合算法。辐射定标包括绝对辐射定标和相对辐射定标,绝对辐射定标求取辐射定标非稳定性和非线性, 相对辐射定标求取相对辐射校正系数和不确定度。结果表明软件运行良好,能够完成大气痕量气体差分吸收光谱仪地面光谱定标、辐射定标数据的处理。     

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。     

傅里叶光谱仪的光程扫描控制系统设计

为实现高信噪比、高光谱分辨率的光谱探测性能,在时间调制型傅里叶变换光谱仪中,需要控制反射镜往复精密摆动,完成干涉光程差的均匀扫描调制。首先分析了光谱探测性能对光程扫描控制性能要求间的关系;在此基础上,针对星载干涉仪对光程差扫描的高性能要求,给出了一种基于极点匹配的控制器设计方法。该方法借助于状态反馈设计结果,采用易于工程应用的前项和前馈环节加以有效实现,简化了控制器的设计与实现难度。通过仿真试验,验证了该方法的有效性。