红外光学元件的补偿加工技术研究

为了实现红外材料光学元件的高精度制造,文中研究了单点金刚石车削加工(SPDT)技术,并针对面形检测中存在的面形误差较大的问题,提出了采用补偿加工技术,以面形检测数据为基础,反馈修正车削加工程序,再次对红外材料光学元件进行修正加工,有效地提高了其面形精度。实验结果表明:对于某口径为30mm的ZnSe材料二次非球面元件,采用补偿加工技术后,其面形精度从PV=252.4nm和RMS=67.28nm提升到PV=58.3nm和RMS=10.62nm;对于某口径为40mm的Ge材料高次非球面元件,面形精度从PV=181.0nm和RMS=44.0nm提升到PV=60.0nm和RMS=7.35nm;这充分说明了该技术的可靠性,该技术能够有效地提高红外材料光学元件的制造精度。     

Zernike多项式的条纹反射三维面形重建算法研究

针对光学镜面测量中的面形重构问题,提出了一种基于Zernike正交多项式的面形重建方法。通过理论推导建立了面形重建数学模型;利用Matlab仿真模拟,分析了Zernike项数与采样点数的关系,研究了不同项数及采样点数对重建结果的影响;以双曲面为例进行了算法的有效性验证,给出了重建后面形的36项Zernike系数;最后对算法进行了噪声等级变化分析。研究结果表明:对于一个初始面形峰谷值(PV)为0.007 5 mm,均方根值(RMS)为0.001 1 mm的双曲面,选择Zernike前36项系数、采样点数为300时,拟合面形残差PV=2.664 5e-15 mm,RMS=4.661 6e-16 mm,拟合效果较好,且当噪声在15%以内,算法适用性较好。研究结果为后续复杂镜面条纹反射测量提供参考。     

基于有限元法的光电经纬仪主镜轻量化设计

对某光电经纬仪主镜的结构进行研究,了解主镜的支撑方式,分析了光轴不同指向时,镜面的面形变化(PV值、RMS值)规律.在对实体镜进行分析的基础上保证其支撑条件不变,对主镜进行轻量化设计,计算其轻量化率、PV值及RaMS值,比较两种轻量化结构,并研究镜面面形随镜面厚度的变化规律.分析结果表明,结构Ⅰ的轻量化效果较好,符合设计要求,研究发现,随着镜面厚度的增加,PV值和RMS值逐渐减少.     

大口径碳化硅平面反射镜的数控研磨与在线检测

本文介绍了480mm×280mm的船形碳化硅平面反射镜数控研磨的工艺参数的确定和工艺流程;并介绍了在研磨过程中使用的机床、磨具、磨料及采用的工艺参数和检测方法。给出了研磨前后480mm×280mm的船形碳化硅平面反射镜面形精度和表面粗糙度的检测结果:面形精度峰谷值(PV)由初始的21.7微米收敛到4.62微米,均方根值(RMS)由3.70微米收敛到0.558微米,并把轮廓检测结果与干涉检测结果进行了比较。     

基于空间频率评价磁流变抛光非球面中频误差

基于空间频率的概念,提出磁流变抛光非球面表面波像差的相移评价算法,根据位相与表面高度差之间的关系,计算出元件表面上各点的实际高度差.通过规划表面残余误差与抛光工艺参数之间的关系,确定能够有效消除表面残余误差的磁流变抛光工艺规范,制造成功在20 mm通光口径内面形精度达到20 nmRMS(均方根值)的非球面曲面.该方法克服了传统评价方法的局限性,为深入开展纳米精度磁流变抛光技术提供有力的技术储备.     

多电极静电拉伸薄膜反射镜的面形优化

为了提高多电极静电拉伸薄膜反射镜的面形精度,基于Henky-Campbell圆薄膜平衡方程分析了薄膜均布载荷作用下的拉伸成形和面形误差。采用ANSYS软件一阶优化法,建立了以薄膜屈服强度为状态变量,镜面3个同心环形区域上施加的载荷为设计变量,以反射镜面形与理想面形的最小均方根误差(RMS)为目标的优化模型,对口径300 mm、中心挠度分别为0.5、1.0和1.5 mm的薄膜反射镜面形进行了优化。实验中优化后的最佳镜面面形RMS为7.73μm,PV值为50.69μm,较优化前分别减少了30.2%和23.7%。     

长条反射镜轻量化及支撑结构设计

建立了几种轻量化反射镜的有限元模型,用有限元方法分析反射镜在加工、测试状态下自身重力作用对反射镜面形精度的影响。仿真结果表明:轻量化率达到43.59%,反射镜面RMS值1.43 nm,PV值为7.58 nm,反射镜的质量、刚度及反射镜面形精度均能达到成像质量要求,结构设计合理可行。     

快中子照相CCD成像系统反射镜组件设计

基于反射镜组件的刚度、强度和热尺寸稳定性,采用背部4点支撑方案设计了反射镜组件。对反射镜组件进行的静、动态刚度及热尺寸稳定性分析结果表明,反射镜在重力载荷和4℃温升载荷及温度和重力耦合变形下,面形精度达到PV≤λ/10,RMS≤λ/50(λ=400nm)。模态分析结果证明该结构有足够的动态刚度。     

空间光学遥感器反射镜柔性调节结构设计

针对空间光学遥感器圆形反射镜结构刚度高、热尺寸稳定性差的状况,设计了一种温升变形柔性调节结构,旨在保持结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性.对柔性结构进行了合理的结构设计,对其力学模型及铰链参数进行分析,并对反射镜组件进行有限元仿真.结果表明:在柔性结构的调节作用下,反射镜在力和热两种环境约束工况下,面形PV值均远小于63.2 nm,满足成像质量要求.证明这种柔性调节结构在实际结构设计中是合理可行的.     

空间遥感器反射镜组件的设计与有限元分析

针对某空间遥感器反射镜的设计指标要求,分析并优化了反射镜的支撑形式和结构参数,得到了质量为23.7kg,轻量化率达到76.2%的反射镜结构。在反射镜基本构型确定的基础上,设计了镜体的支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了反射镜结构系统的动静态刚度和热尺寸稳定性要求。采用有限元软件ABAQUS对反射镜组件进行了精确有限元分析,分析结果表明,在1g重力作用下反射镜的面形精度RMS达到3.66nm,在4℃均匀温升载荷作用下反射镜的面形精度RMS达到4.16nm,在1g重力和4℃均匀温升载荷耦合作用下反射镜的面形精度RMS达到5.51nm,反射镜组件的一阶固有频率为137.51Hz。得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求。     

非球面部分补偿检测系统的误差分析与处理

为了实现非球面通用化、高精度检测,提出非球面部分补偿法,并进行误差分析与处理.在光学设计软件ZEMAX中对部分补偿检测系统进行系统建模并优化,分析器件姿态误差及装调精度对重构非球面面形的影响.通过对系统误差的分析,提出基于系统建模的光线追迹与误差存储相结合的系统误差处理方法,将系统误差归为由系统建模得到检测光路的误差和由误差存储得到不含检测光路的干涉仪系统的误差.通过计算机仿真及实验证明,部分补偿检测系统采用该误差处理方法去除系统误差后,可以由逆向迭代优化重构(ROR)技术重构出更精确的非球面面形.将该非球面面形与采用无像差点法得到的面形对比,结果较吻合,均方根(RMS)精度接近0.02λ(λ为波长).     

基于特征组合的SVM电能质量扰动信号分类

针对电能质量扰动信号(PQD)特性,讨论了PQD信号分类时的特征选择,提出了基于多特征组合进行PQD分类的新思路。提取PQ测度、小波能量和均方根值(RMS),将这三种单项特征组合形成组合特征,使用支持向量机进行分类,比较了单项特征与组合特征分类的各项参数,确定最佳特征组合,实验中采用Matlab数学模型仿真数据、Fluke 6100A标准源数据、电能质量监测网现场采集数据分别进行实验,验证了该思路的可行性和正确性。     

重构Zernike多项式在微透镜测量中的应用

为了正确的评价微光学透镜的质量,在哈特曼波前传感器测量原理的基础上,提出了基于Gram-Schmidt正交化方法,搭建了哈特曼传感器测量微透镜实验装置,进行了微透镜的实际测量,对获得参考透镜和被测透镜的波面数据进行了处理分析.实验结果表明：利用对Zernike多项式重构波前信息,得到了被测微透镜的波前及像差参数.     

星载激光雷达望远镜主镜超轻量化结构设计

针对某星载高重频激光雷达整机系统小视场、轻量化、杂散光抑制及探测性能的需求,设计Φ400 mm望远镜主镜,选用SiC材料和背部三点支撑方式,以筋板式轻量化结构主镜为初始模型,采用拓扑优化和结构参数集成优化相结合的方法对主镜进行超轻量化结构设计,获得的主镜质量仅为4.4 kg,轻量化率达到80%。通过有限元仿真分析了主镜的静、动力学性能。结果表明:在径向重力作用下,优化后的主镜面形RMS为0.51 nm;在光轴重力作用下,RMS为4.9 nm; RMS优于λ/50(λ@632.8 nm);一阶自然模态频率为1 704.8 Hz,远大于1 000 Hz的设计要求。主镜轻量化效果显著,主镜组件的静、动力学性能均满足设计要求,为同类型星载激光雷达望远镜主镜的超轻量化结构设计提供了思路和参考。     

模具材质对CFRP平面反射镜离焦面形误差的研究

离焦像差是影响CFRP平面反射镜的面型精度的主要像差之一。采用T700碳纤维复合材料预浸料,在合理的铺层方案和制备工艺基础上,选用浮法玻璃、硼硅酸盐玻璃和微晶玻璃等三种材质为模具,通过仿真和实验研究了模具材质不同引起成型CFRP平面反射镜面形像差中的离焦像差。其中,浮法玻璃模具、硼硅酸盐玻璃模具和微晶玻璃模具引起的CFRP平面反射镜的离焦像差分别为0.023λ、0.008λ、0.003λ(波长λ=10.6μm)。分别从定性和定量的角度得出了:模具材质热膨胀系数与CFRP复合材料热膨胀系数越相近离焦像差越小,离焦像差与模具热膨胀系数的关系为P=(2225.9x+0.0007)λ。为制备应用于长波红外波段CFRP平面反射镜的模具选取提供了参考数据。     

正六边形反射镜支撑结构设计

研究了正六边形主镜的支撑结构组件,对主镜组件进行了材料选择、结构形式与尺寸参数设计、仿真分析和试验验证。首先,针对使用要求,对主镜进行了材料选择,确定主镜材料为微晶玻璃,并进行了轻量化设计,对边320 mm的正六边形主镜最终重量约为7 kg,轻量化率为57%;其次,确定主镜支撑采取背部三点的支撑方式,支撑点分布圆为?184 mm,对支撑组件中的镶嵌件、柔节和支撑背板进行了材料选择,并给出了组件的装配工艺,采取正交试验和有限元仿真相结合的研究方法对支撑组件中的柔节进行了优化设计,给出了柔节优化后的尺寸参数,分析结果表明:在1 g、-2℃工况及1 g、2℃工况下因结构支撑引入的面形误差分别为3.9 nm RMS和5.2 nm RMS,能够满足光学指标要求;最后,对组件进行了实物试验,试验结果表明:在室温18℃下检测其面形精度RMS为0.018 9λ(λ=632.8 nm),在室温20℃下检测其面形精度RMS为0.019 6λ,获得了比较好的面形精度,验证了结构设计的合理性,具备良好的性能,满足系统使用要求。     

4m SiC主镜的轻量化及支撑技术

为设计出结构合理的4mSiC轻量化主镜,本文借助于有限元法完成了扇形轻量化主镜的参数设计,确定了90个支撑点的排布方式,并提出了将36组轴向和侧向力促动器共同设置在主镜背面的力分散器上的支撑方案。通过建立轻量化主镜的有限元模型,计算出不同的俯仰角下主镜的重力变形和不同温度载荷下主镜的热变形情况。重力变形分析结果表明主镜光轴水平时,镜面最大变形误差RMS仅为14．7nm,满足设计指标要求;热变形分析预算出1℃的轴向温差引起的镜面面形误差RMS值为278．0nm。若要保证4mSiC轻量化主镜的镜面面形,则必须设计出合理的热控装置,保证主镜的轴向温差不大于0．1℃。     

一种基于有限元分析的柔性支撑结构设计

为了满足反射镜较高的面形精度要求,提出了一种基于有限元分析的柔性支撑结构.首先根据反射镜的设计要求确定柔性支撑的结构形式,然后利用有限元分析软件对反射镜组件进行网格划分并提交运算.分析结果表明,当柔性支撑中镶嵌件膜片厚度为1.5mm、柔性杆十字槽厚度为4mm时,反射镜组件的一阶谐振频率达到206Hz,在1g重力作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到2.5nm、4.4m、25.3nm,在1g量力和4℃温升共同作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到15.2nm、17.7nm、28.5nm,各项指标均满足设计要求.动力学响应分析表明,柔性支撑具有较强的抗振能力.     

杏南油田含聚污水表面活性剂降压增注研究

杏十三区含聚污水回注区块受残余聚合物影响,导致区块吸水效果下降,影响油田开发效果。因此,开展了含聚污水区块降压增注表面活性剂配方及配套工艺参数研究。首先对注入水进行了全水质分析;以石油磺酸盐为基础药剂,通过测量界面张力进行复配药剂及添加剂的筛选;对体系进行性能评价后,开展了室内岩心驱替实验,从而优化了注入参数。结果表明,降压增注表面活性剂的最佳配方（质量分数）为：0.7%石油磺酸盐+2.0%重烷基苯磺酸盐+0.5%无水乙醇+1.0%NaCl,与原油之间的界面张力为6×10-3 mN/m;在岩心驱替实验中,最佳注入速度为0.15 mL/min,最佳注入量为1 PV,最优段塞组合为0.5 PV+0.3 PV+0.2 PV,在不同渗透率的条件下,降压率均超过24%。     

中波红外发射系统光机结构设计与主镜的分析和检测

激光准直扩束系统被广泛应用在光通信、光测量等领域,可实现对出射激光准直和扩束,减小激光发散角,增强远场激光辐射强度。根据设计要求和光学系统特点,设计了口径为290mm的卡塞格林式中波红外发射系统,设计了主、次镜装调结构,并完成主镜支撑结构、次镜支撑结构、透射目镜支撑结构及其他部分的结构设计。用ANSYS Workbench对主镜支撑结构进行分析。主镜面形精度采用ZYGO干涉仪进行波像差检测,得到RMS为0.047λ(λ=4.7μm)。结果表明,设计的中波红外发射系统满足准直扩束系统对像质的要求,可实现出射激光的准直和扩束,且结构简单,易于加工装调,具有较高实际应用价值。