全景式航空相机扫描反射镜及支撑结构设计

扫描反射镜是航空相机光路转折、像移补偿和自准直调焦的关键部件,扫描反射镜及其支撑结构的设计水平对航空相机的性能有重要影响。以某全景式航空相机为例,在总结了扫描反射镜尺寸、轻量化结构、柔性支撑结构的一般设计方法基础上,设计了三角形和四边形轻量化孔组合形式的扫描反射镜结构,并提出了一种背部三点柔性支撑结构形式,经验证可以满足设计指标中对反射镜面型精度的要求。     

采用三点定位原理的反射镜支撑结构设计

在选择空间反射镜的支撑形式时,大口径反射镜一般采用柔性支撑结构加背板的支撑结构;小尺寸反射镜采用周边支撑的结构,但支撑结构质量都较大。为了降低反射镜支撑结构质量,通过对三点定位原理的自由度分析,设计了3个柔性铰链结构,通过柔性铰链的结构参数分析及有限元分析计算,设计出参数为R=1mm,t=2.5mm的三点柔性铰链,实现400mm口径反射镜的周边支撑,并使支撑反射镜的三个铰链直接与相机机身连接,省略了常规反射镜支撑的背板及边框,大大降低支撑结构质量;且该支撑结构具有较好的动态刚度和力、热环境适应能力。     

光学反射镜及其支撑结构设计与分析

空间遥感器光学反射镜支撑连接结构的高刚度和良好的热尺寸稳定性是保证其成像的关键因素,文中针对某空间光学遥感器反射镜及其支撑结构进行了静力学和热弹性分析,镜面变形云图显示反射镜面形精度在力学工况下满足成像要求,而热环境工况下显著超差,遥感器不能正常成像,因此对反射镜支撑结构进行改进,增加了柔性结构。通过有限元分析结果表明,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,面形精度均满足成像质量要求,说明了结构的合理性。     

可见与红外双波段航空侦察相机光机设计

为满足高分辨率昼夜凌空侦察和中低空战术昼夜侦察需要设计灵巧型双波段航空侦察相机,该相机的研制为发展新型机载光电侦察设备提供技术储备。根据目标在不同光谱波段下的光学特征设计可见、红外双波段光学成像系统,全视场传递函数达0.5以上。基于SiC材料反射镜设计一种叶片式柔性支撑结构,该结构能够较好的保证反射镜的面形精度,仿真结果显示反射镜在重力载荷和热载荷叠加的情况下面形精度优于12 nm。针对目前航空相机主支撑结构难于同时保证质量小且刚度高的问题,采用NX/Narsrtan软件对相机主支撑结构进行优化设计,优化结果使相机框架结构一阶固有频率提高15 Hz,质量减小10%。通过环境试验、动态成像试验及分辨率检测试验验证设计结果的正确性。相机切实可行的光机设计有效地保证整个系统的性能指标都能满足设计要求。     

应用数学坐标变换方法计算航空相机像面旋转

对相机成像光学系统成像特性分析,将整个相机抽象为一个简单数学模型。在笛卡尔坐标系中,通过数学坐标变换和几何光学的方法对不同工作方式的航空相机由扫描反射镜沿俯角方向旋转引起目标像旋转问题作定量计算,为偏流补偿机构工程应用提供理论依据。     

空间相机1 m口径反射镜组件结构设计

针对1 m口径空间相机反射镜的设计要求,提出了一种新的反射镜柔性支撑结构.以材料选择、径厚比、支撑点数量和位置、轻量化结构形式等为设计变量,以自重作用下反射镜面形精度rms值为目标函数,优化设计了一种背部开口、三角形轻量化孔、背部三点支撑的SiC空间反射镜结构,同时提出了一种反射镜柔性支撑结构.对反射镜在光轴水平状态下进行装调检测时影响反射镜面形精度的柔性支撑结构参数进行了灵敏度分析,找到了影响反射镜面形精度的结构参数.对反射镜组件动、静态特性和热特性进行了有限元分析,分析结果表明,光轴水平方向重力载荷作用下反射镜面形精度rms达到5.6nm,4℃均匀温升工况下反射镜面形rms为2.7 nm,反射镜组件一阶固有频率为192Hz.最后,进行了反射镜组件的动力学测试试验,测得反射镜组件一阶固有频率为197 Hz,最大响应应力为181MPa,验证了有限元分析的准确性.得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求.     

月基极紫外相机反射镜与探测器间支撑结构

为了保证月基极紫外相机在卫星发射、地月变轨及月表着陆过程中的大量级振动冲击、月表超大温差环境以及尽量轻的相机重量条件下,反射镜相对于探测器的位置精度要求,设计并研制了基于CFRP(carbon fiber reinforeed plastic)的反射镜与探测器间的支撑结构,分析并试验验证了支撑结构的稳定性.首先,根据极紫外相机的光学系统,确定了反射镜与探测器间的支撑结构形式;然后,考虑相机重量及反射镜相对探测器的位置精度及稳定性要求,采用CFRP作为支撑结构的结构材料;分析了重力和温度载荷作用下反射镜相对探测器间的角度变化量、反射镜面形;支撑结构的固有频率以及在整机上的正弦振动、随机振动应力响应.试验结果表明:反射镜相对探测器间的角度变化量＜20″,验证试验后图像分辨率,满足相机技术指标要求.     

一种双面快速转向反射镜结构设计与分析

快速转向反射镜(FSM)也叫扫描镜,是空间通信、自适应光学等领域的关键器材之一,用以在目标和接收器之间调整光束方向。随着实际应用需求的多样化,国内现有的快反镜已越来越不能满足高端领域的需求。针对国内仅有传统的单面工作扫描反射镜研究的现状,从反射镜工作场合需要双面扫描的特定需求着手,设计出双镜面工作的反射镜结构与镜面支撑方式,选用压电陶瓷作为驱动器,分析并设计出在多角度具有良好柔性的柔性支撑结构与具有放大机构的底座结构,进而给出一种基于压电效应,从而实现快速倾斜的双面反射镜装置,最后运用有限元方法仿真分析对所提出的设计方法与结构进行验证。     

长条形空间反射镜及其支撑结构设计

提出了一种空间反射镜柔性支撑结构,以满足反射镜在重力和温变载荷下对较高面形精度的要求.根据光学设计指标要求确定了反射镜的结构形式,根据该结构形式设计了柔性支撑结构,并利用有限元分析软件对反射镜组件进行了分析和结构优化.分析结果表明.反射镜组件的一阶固有频率达到179 Hz,在X,Y,Z3轴方向,1 g重力作用下的镜面面...     

Bipod反射镜支撑结构的柔度计算及分析

为了改善反射镜在环境温度波动情况下的面形精度下降问题,设计了一种联杆型双轴Bipod柔性支撑结构,并基于柔度理论对它进行了参量优化。首先,对支撑结构的柔度进行了分析和计算,推导出柔性支腿以及反射镜组件的柔度理论公式。然后,以保证反射镜轴向支撑刚度和卸载能力为目的,计算得到一组针对口径为200mm反射镜的柔性支撑结构尺寸参数。最后,通过有限元分析和振动试验,对支撑结构的柔度公式、动态特性、温度适应性进行了分析验证。分析结果显示,在一定作用力下,柔性支腿的理论值与有限元分析值的误差在10%以内;振动试验得到组件的一阶频率为358.5Hz,与理论计算值的相对误差为8.8%;在20℃温差下,反射镜面形精度为7.7nm(rms)。试验结果验证了理论模型的有效性,同时说明Bipod柔性支撑结构能够降低温度波动对反射镜面形的影响。     

小型光学遥感器主镜室的光机结构

设计了一种新的光机结构,以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析,说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后,以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构,对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析,说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后,论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验,结果表明:在-60℃~80℃进行热冲击试验后,主镜不会出现炸裂现象;而在-20℃~50℃温度下,反射镜面形精度RMS仍保持在0.025λ(λ=632.8nm)水平。得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。     

快速控制反射镜两轴柔性支撑平台刚度优化设计

基于椭圆弧柔性铰链兼顾了直梁型柔性铰链运动范围大和圆弧型柔性铰链运动精度高的特点,设计了基于椭圆弧柔性铰链的二维快速控制反射镜系统两轴柔性支撑平台。为使柔性支撑平台快速响应性好,即使其低阶固有频率最大化,对该柔性支撑平台进行了结构优化设计。理论推导了单个柔性铰链最大刚度与许用应力、转角和铰链参数的理论计算公式。然后,采用集总参数的分析方法,得出了两轴柔性支撑平台低阶最大固有频率的理论计算公式。由公式可知:在转动惯量一定的情况下,低阶固有频率最大化即为工作方向刚度最大化。最后,通过有限元仿真和实验检测验证了理论计算的准确性,得到的结果显示:柔性支撑平台的最大固有频率和最大应力的理论值与仿真值的相对误差小于5%,平台工作刚度的理论值与仿真值、实测值的相对误差分别为3.86%和5.75%。仿真和实验结果表明:利用本文推导的理论公式进行柔性支撑平台刚度优化设计,既可以满足工程设计要求,又能省去繁杂的有限元计算。     

2m SiC反射镜柔性被动支撑系统

针对2 m SiC反射镜在地基望远镜中的应用,结合SiC反射镜热膨胀系数大、重量轻的特点,设计了柔性被动支撑系统。该系统底支撑whiffletree结构中的支撑杆采用柔性细杆,侧支撑杆采用柔性铰链结构,从而使底支撑系统和侧支撑系统分别起支撑作用,不但保证了主镜良好的位置误差和形状误差还很好地消除了装配应力和热应力。对在支撑系统作用下反射镜进行了静力学分析、热力学分析和模态分析,并通过面形检测和主镜倾斜与平移检测验证了分析结果。检测显示:反射镜面形(RMS)达到λ/40(光轴竖直)和λ/16(光轴水平),主镜指向不同俯仰角时最大倾斜变化量为8″,偏心为0.070 7mm,基本与分析结果吻合,达到了设计要求,表明这种柔性支撑系统具有很好的工程应用能力。     

基于人工神经网络的某空间反射镜柔性支撑结构优化设计与分析

空间反射镜的支撑结构决定了反射镜的性能。通过有限元分析来优化支撑结构参数需要很大计算量,而且无法找到最优解。为了缩短设计周期,提出用人工神经网络来模拟反射镜组件输出特性和支撑结构参数间的非线性关系,并用MATLAB编制程序实现神经网络的建立和泛化,最终找到使反射镜输出特性最优的支撑结构参数。该方法不但能找到多变量优化的最优解,而且计算表明用神经网络泛化得到结果和有限元分析计算得到的结果相差在5%以内,精确度足以满足工程应用要求。     

次镜支撑结构的力学性能分析

次镜支撑结构性能的好坏直接影响光学系统的成像质量。针对几种典型的支撑结构,利用I-DEAD软件建立有限元模型,进行动力学分析计算。在比较典型结构的基础上,改进得到了2种新型偏置结构,即三翼偏置支撑结构和新型的四翼偏置支撑结构。通过分析表明,在同等条件下,2种新型结构能更大程度地减小遮拦比,提高光学系统质量;或是说,在遮拦比一致以及偏置距离相同的条件下,2种新型支撑结构的一阶谐振频率均大于传统的四翼偏置支撑结构,稳定性能更好,更适用于大口径的光学系统。     

大幅宽长波红外变帧频变焦成像

为了验证变焦扫描大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变的矫正效果,并降低扫描镜控制难度。首先分析了变焦成像时扫描镜扫描速度与扫描视场角间非线性变化关系;针对扫描镜变速扫描稳定性低且控制难度大的问题,在结合探测器变帧频分析与实现的基础上,提出采用扫描镜匀角速度扫描结合探测器变帧频变焦成像方法。推导了扫描镜匀角速度扫描时,光学系统焦距、相机实时帧频与扫描成像视场角的关系式。最后基于课题组已有的可连续变焦长波红外光学系统,搭建了一套基于扫描镜扫描成像的大幅宽长波红外变焦实验系统,并利用该系统进行了成像验证。成像结果表明,采用变帧频结合变焦成像方法,可有效抑制大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变问题。变帧频成像方法降低了变焦扫描时扫描镜扫描复杂度,证明了变焦扫描方法具备图像畸变矫正能力。     

空间相机主反射镜的力学计算

本文对空间相机主反射镜的初始设计进行了静力学分析,分别对主反射镜为中心支撑;边缘支撑,水平和垂直放置;载荷为自重g₀和5g₀的六种工况,用ANSYS程序计算了各工况下各单元及节点的变形和应力。生成了主反射镜的实心体模型,算出了主镜的准确重量。计算结果表明:现有设计满足静力学要求,还有轻量化的余地。边缘支撑的变形及应力均小于中心支撑。上述结果对主镜改进设计有重要参考价值。     

45°镜多元探测器并扫成像特性和扫描轨迹分析

在光学反射矢量理论基础上,对于航天航空用多光谱成像仪45°镜多元探测器并扫成像特性和扫描轨迹进行了分析,给出了45°镜反射作用矩阵、45°镜多元探测器并扫成像的物像关系和像旋计算公式,及其对应的地面扫描轨迹理论计算公式.     

Confocal imaging with bilateral scanning and array detectors

A novel arrangement for confocal microscopy is presented, in which the key elements are the use of an array detector such as a CCD for confocal image collection and the use of one double-sided scanning mirror element for bilaterally scanning the object and collecting the data on the CCD. The resulting arrangement is shown to be capable of confocal imaging with high photon efficiency under adjustable conditions of confocality and varying image acquisition rates, i.e. from slow speed up to real-time imaging. Either laser or conventional light sources may be utilized. In addition to CCD registration, direct observation by eye of the confocal image in fluorescence is also possible.     

空间相机主次镜间的薄壁筒和支杆组合支撑结构

为了满足大口径、长焦距空间相机中次镜相对于主镜的位置精度要求,设计并研制了主次镜间的支撑结构,分析和试验验证了组合支撑结构的稳定性。首先,根据给定的光学系统,确定了主次镜之间采用薄壁筒和支杆组合的支撑结构形式,对比了支撑杆和薄壁筒的结构形式以及二者之间的连接方式,通过优化,完成了组合支撑结构的设计。然后,讨论了重力对支撑结构的影响,并进行了固有频率和正弦振动响应分析。最后,通过量级逐增力学试验,采用光学方法测量了主、次镜间的角度变化量,验证了支撑结构的结构稳定性。试验结果表明:主、次镜间的角度变化量10″,组合支撑结构的一阶基频75 Hz。这些结果满足主、次镜间角度变化量要求,具有较好的结构稳定性。