奇异值方法在大口径反射镜面形分析中的应用

为了更好地分析大口径反射镜的面形,引入奇异值方法来分析系统的重力印透造成的大尺度起伏以及由磨削加工、测量噪声等因素造成的中高频误差。首先对奇异值分解的基本方法以及在反射镜表面评价中的具体应用方法进行了研究;之后利用数值仿真,验证了奇异值分解应用在反射镜表面分析中的可行性;最后,将提出的方法应用在实际的反射镜镜面评价之中,得到系统去除高频误差后的结果。所提出的方法对于低信噪比的大口径反射系统面形评价有较好的指导作用。     

Bipod支撑大口径反射镜的零重力面形测试技术

双脚架结构具有静定支撑的特点,可以隔离机械附加载荷,因此成为大口径空间相机反射镜组件的常用支撑形式之一。在地面装调时,采用双脚架支撑的反射镜的面形因重力作用而下降。空间相机入轨后,随着重力变形的释放,反射镜面形会再次发生改变。有限元分析方法评估反射镜组件的重力误差,其精度难以达到高质量高分辨率成像的要求。同时,反射镜加工过程中使用的重力卸载方案也难以沿用至组件阶段。针对重力误差测试过程中装配误差与三叶像差混叠以及检测光路对球差测试精度不足的问题,提出了翻转与卸载相结合的测试方案。基于不同像差的正交性,可以进行分别测试来逐项获取各像差。通过反射镜组建的翻转测试,分离装配误差与重力误差中的三叶像差。设计一定精度的卸载装置,通过卸载前后的对比测试,得到重力造成的球差等旋转对称像差。采取上述方案可以实现对全部重力误差的实测。利用1.3 m口径高轻量化反射镜组件进行了测试验证,其重力误差面形rms和在轨面形rms分别为0.192λ （λ=0.6328 μm）和0.023λ。     

大口径空间反射镜的重力卸载优化方法

针对某Φ1550 mm口径高轻量化反射镜在轨面形误差RMS优于1/50λ （λ=632.8 nm）的高精度要求，为模拟在轨失重状态，降低反射镜光轴水平状态面形检测时重力的影响，对反射镜进行了多点主动支撑式重力卸载参数优化。首先，在反射镜分区的基础上，提出了卸载力大小、支撑点数量及轴向初始位置的确定原则；随后，建立反射镜的有限元模型，以重力与卸载力共同作用下主镜面形RMS优于0.002λ为目标，以卸载力轴向位置为参数进行仿真优化，通过对参数的影响规律分析总结出快速优化要点，实现优化过程的简化；最终使重力引起的面形误差RMS值减小至0.00145λ。将优化后参数应用于反射镜光轴水平状态的面形检测中，测得绕轴0°、120°、240°时面形RMS分别为0.0157λ、0.0161λ及0.0159λ，且面形分布较为一致，说明经卸载后重力对面形的影响被有效消除。所提出的重力卸载优化方法灵活高效，为实现大口径反射镜的高精度光学加工及在轨使用提供保障。     

大口径光学遥感器主反射镜支撑设计

大口径主反射镜作为光学遥感器的重要部件,它的面形精度直接影响成像质量的好坏,其支撑结构设计一直是研制光学遥感器的关键技术。本文对某大口径光学遥感器主反射镜的支撑结构进行了研究,根据设计要求和理论计算方法确定了支撑点数量及分布位置,通过有限元方法分析和优化了支撑点的分布位置,结合大口径反射镜的特点加入侧面辅助支撑,得到了理想的面形精度。     

大口径碳化硅反射镜面形子孔径拼接干涉检测

为了突破大口径反射镜面形检测的瓶颈,提出了子孔径拼接干涉检验方法。分析研究了子孔径拼接的基本原理与实现流程。基于三角剖分算法、最小二乘拟合和齐次坐标变换等建立了综合优化子孔径拼接数学模型。结合工程实际,规划7个子孔径完成了口径为800mm的大口径碳化硅反射镜的拼接测量,获得了全口径面形分布。利用基准靶标并基于迭代算法实现了镜面物理坐标与拼接像素坐标之间的转换,从而为大口径反射镜后续数控精确加工提供了依据。     

天基大口径反射镜支撑技术的发展

为了满足人类对地观测和宇宙探索的更高性能要求,空间望远镜反射镜口径已经从米级向十米量级迈进,呈现不断增大的趋势。大口径反射镜支撑与反射镜面形精度和稳定性直接相关,是决定空间望远镜实际观测能力乃至任务成败的关键技术之一。首先对大口径反射镜的三种主要支撑形式进行了介绍并做出适用性比较。在此基础上,从影响反射镜支撑设计的各个因素出发,讨论了反射镜支撑的设计原则。然后结合设计原则的讨论和国内外研究进展对支撑点数量和位置优化、无热化设计、无应力装配设计等大口径反射镜支撑关键技术及发展方向进行了探讨,期望对我国大型空间望远镜的研制提供借鉴,在新一轮空间探索热潮中实现跨越发展。     

光学表面中高频误差的仿真分析

在光学设计和装调过程中,常常需要随时根据面形质量来预估光学系统的性能,传统的方法都是借助泽尼克多项式拟合光学表面面形来进行仿真评价。但非球面光学元件在加工过程中常常产生中高频误差,这类误差会引入小角度的散射,进而影响光学系统像质评价。提供了一种点对应点的仿真方法,通过准确评价面形质量获得高精度的像质预估结果,解决了传统的泽尼克多项式不能描述中高频成分的关键问题。该方法在实际光学系统中进行了验证,仿真结果和实测数据吻合度优于90%。     

空间遥感相机大口径变方位反射镜设计

随着遥感技术的发展,新型相机对变方位反射镜提出了口径更大,精度更高的需要。针对1 000 mm×700 mm大口径变方位反射镜提出了一种新式背部高稳定支撑设计,相对于常规变方位反射镜设计,具有体积包络小、重量轻、适应性广的特点。反射镜采用ULE材料,蜂窝夹层的轻量化结构形式,通过背部三点关节球铰卸载了反射镜的装配应力和在轨热变形应力,达到反射镜的无应力静定支撑。通过重力卸载结构的设计和卸载力的优化,解决了光学反射镜地面测试结果天地一致性问题。仿真分析表明地面重力环境下,在90°反射镜面型测试方位时,面型为0.006λ(λ=632.8 nm);在75°整机成像方位Ⅰ测试时,面型为0.005λ;在45°整机成像方位Ⅱ测试时,反射镜面型为0.011λ。反射镜组件的一阶频率达到83.2 Hz,具有较高的刚度,能够满足发射时力学环境要求。这种大口径变方位反射镜组件设计能够满足新型遥感相机的需求,也可为同类反射镜的设计提供参考。     

膜基反射镜面形控制系统设计与实现

膜基反射镜的面形控制是研制膜基反射镜的关键技术之一.设计了一种基于模糊逻辑控制技术的膜基反射镜面形控制系统,包括面形设计、面形控制、面形分析和面形控制仿真等功能模块.采用Visual C#和MATLAB混合编程来实现系统功能,并在仿真系统中嵌入了ANSYS有限元分析功能.采用控制反射镜中心截面矢高的方法设计控制器,利用Zernike多项式拟合得到膜基反射镜的面形及其像差.对口径为300 mm、F15的膜基反射镜进行了面形控制和扰动响应仿真分析,最终得到面形误差RMS值为71λ(λ=632.8 nm),在相同条件下,该结果与根据薄膜大扰度形变理论得到的面形误差结果相一致.     

大口径反射镜轻量化及其支撑结构设计

为了满足大口径(800mm400mm)矩形轮廓反射镜的结构稳定性设计要求,采用背部3点支撑方式,基于Bipod原理,为某超宽覆盖空间的相机主镜设计了一种新型柔性支撑结构。分析了反射镜各结构参量对其质量和刚度的影响,选取其中影响较大的参量作为设计变量,对镜体轻量化结构进行了优化设计,并进行了有限元分析。结果表明,优化设计后的反射镜组件具有较好的力学适应性、温度适应性和动态刚度。振动试验结果与有限元分析结果相符,证明了其准确性。     

大口径SiC反射镜的焊接加工和测试

SiC是目前空间用大口径反射镜的首选材料,随着空间光学系统的发展,出现了1m以上空间用SiC反射镜的需求.对该反射镜采用焊接拼接然后再进行加工可以节约成本,降低风险.作为演示实验件,首先,对直径为600mm的焊接SiC反射镜进行了焊接拼接,粗磨成型、精细研磨和粗抛光.然后,采用CCOS技术对反射镜进行了精抛光,并分析了...     

大口径空间反射镜组件结构设计与分析

设计了某1.2 m口径的空间光学反射镜结构及其支撑结构系统。首先,合理选取了反射镜及其支撑结构的材料。从反射镜镜坯制作工艺、力学特性、热特性以及反射镜重量等因素考虑,最终选取基于反应烧结SiC材料的背部半开放式扇形轻量化孔的反射镜结构形式,反射镜设计重量为87.6 kg,轻量化率达到79%。其次,确定了在光轴水平状态下进行检测装调的方案,并进行其支撑结构的设计,采用3个双轴柔性铰链从背部对反射镜支撑,使大口径反射镜同时满足静态刚度、动态刚度、强度和热尺寸稳定性的要求。最后,对反射镜进行了组件级有限元分析。结果表明,反射镜在X向重力和4℃均匀温升作用下面形RMS分别为7.8 nm和9.4 nm,反射镜组件一阶固有频率为153 Hz,满足设计指标要求。     

大口径快反镜面形测试系统设计

大口径快速反射镜（快反镜）常被应用于空间光通信和激光武器等领域。为实现工作状态下大口径快反镜面形误差的实时检测,设计了大口径快反镜面形测试系统。该系统的口径参数为400 mm,工作波长为633 mm,由离轴式前置扩束系统和焦面附件系统组成。对测试系统的设计参数及元件参数选择进行了阐述,设计和仿真了光学系统结构,并基于光机热集成分析获得温度变化对光学系统的影响。测试大口径快反镜面形测试系统后结果表明该系统可实现实时记录和高精度测量,且在温度变化的工作环境下也可实现稳定测量,其测量稳定性为0.048λ（RMS,λ=633 nm）。     

平差理论在大口径光学元件轮廓检测中的应用

为了更好地进行大口径光学元件轮廓测量,以激光跟踪仪作为测量的工具,引入测量平差理论对测量数据进行处理,以提高光学元件毛坯制作、铣磨加工阶段的轮廓测量精度。首先,对拟合误差的公式进行了推导,得出影响拟合精度的因素;之后,对于大口径元件轮廓测量的具体检测模型提出了提高拟合精度的方法;最后,对于实际的2 m量级口径的SiC主镜进行了实际的测量与拟合,并从F数、拟合残差、结构函数等角度分析了平差结果。所提出的方法对于大口径元件的加工检测具有较好的指导意义。     

小孔径采样在大口径系统主镜装调中的应用

为了满足大口径光学—红外系统主镜的检测装调,引入了小孔径采样方法对于系统主镜的低阶误差进行分析,进而对系统的装调进行指导。随着光学-红外系统的口径加大,由于检测成本等原因,之前在装调时使用的与制造过程中相同的检测方法已经不再适用。本文首先对于小孔径扫描的基本原理做出了介绍,之后提出了实现本文方法的硬件结构,最后通过数值仿真来验证本文方法的正确性与可行性。对于大口径光学-红外系统主镜的装调检测有着较好的指导作用。     

C/SiC在大口径空间望远镜次镜承力筒的应用

设计并研制了基于C/SiC复合材料的大口径空间望远镜次镜承力筒。首先对C/SiC复合材料的特性以及在空间遥感器领域的应用进行了介绍。其次以某大口径空间望远镜次镜承力筒为例,对不同材料下次镜承力筒的质量、力热性能进行了对比。仿真分析表明:设计的C/SiC复合材料次镜承力筒低至32 kg,相比钛合金筒减轻45.5%;基频为204 Hz,满足设计要求;更易于控制热变形对反射镜面形的影响。最终完成了C/SiC复合材料次镜承力筒的研制和主要物理性能的检测,并进行了力学振动试验考核,对振动前后结构的三坐标测量数据进行了比对。结果表明:次镜承力筒组件的基频良好,振动试验前后频漂低于1%,结构的微位移变化量级在微米级。为应用C/SiC开展空间遥感器大尺寸整体成型支撑结构的设计提供有效的参考价值。     

大口径SiC轻量化反射镜组件的结构设计

针对某空间相机1.1 m口径反射镜的光机结构设计任务,为降低反射镜的重量,提高其环境适应性,设计了一种重力变形小、抗振性强、热尺寸稳定性高的空间反射镜结构系统。首先,详细分析了反射镜及支撑结构选材依据及应考虑的主要因素。然后,提出一种背部半封闭式扇形轻量化孔的反射镜轻量化结构方案,并利用参数化建模分析的方法对其结构参数进行了优化设计。采用背部三点柔性支撑方式对反射镜进行支撑,通过柔性铰链的柔性来调节由于装配中的过定位和热环境变化导致的反射镜面形精度降低问题。最后,对反射镜组件的力学和热特性分析结果表明,反射镜在X向1 g重力作用下反射镜面形精度PV为62.4 nm,RMS为5.7 nm,在20±4℃环境温度变化范围内面形精度达到PV为61.7 nm,RMS为6.3 nm,反射镜组件基频为150 Hz,能够满足静态刚度、动态刚度和热尺寸稳定性的设计指标要求。     

大口径反射镜轴向硬点定位

为了开展大口径主镜轴向支撑系统的研究,引入了硬点定位的概念。从三点运动学定位原理出发,详细地比较了不同支撑系统中硬点的特点和功能。进一步阐述了硬点在前期设计中所考虑的因素,分析了在特殊工况下,硬点与主镜轴向支撑系统刚度的关系,并选择了一块大口径薄弯月主镜作为对象,从静力学和动力学两个方面详细介绍了主镜硬点的设计过程,确定了其支撑圆半径和轴向刚度。讨论了当部分支撑点失效时,硬点与其他支撑点之间的相互影响。结果表明:新型轴向硬点定位较传统主镜定位方式优势明显,能够满足大口径主镜支撑系统的各项要求。     

空间大口径红外相机整机光谱响应测试方法研究

对空间大口径红外相机整机光谱响应测试方法进行介绍,建立空间大口径红外相机整机光谱响应测试系统。该测试系统包括:可见及红外光源、单色仪、标准探测器、数据采集系统、平行光管、真空罐、二维转台及待测相机。待测相机的波段集中在H2O、CO2等吸收波段,为了消除大气吸收波段对待测相机的影响,需要将平行光管、待测相机、转台等置于真空条件下,并向单色仪中通入氮气稳定后进行测试。整机试验结果表明,通入氮气后光谱测试精度大大提高,大气吸收波段光谱可准确测试。