具有两个双轴柔性铰链的快速反射镜设计

为了改善快速反射镜(FSM)对车载运动平台振动、冲击环境的适应性,设计了一款具有中心和四周两个双轴柔性铰链支撑结构的FSM。在明确车载跟瞄发射系统应用需求的基础上,分别对FSM的平面反射镜、驱动元件、测角元件和柔性铰链进行了详细设计和选择。采用两两差分的方法对四通道电涡流传感器的测量噪声进行抑制,有效保证了FSM的测量精度。采用有限元分析的方法对中心和四周柔性铰链的模态和刚度进行分析与优化设计,有利保证了FSM控制带宽的提高。完成FSM的精密加工、装调后,对系统的指向精度、控制带宽和阶跃响应时间进行了实验测试分析。结果表明,所设计FSM的指向精度优于1″,闭环控制带宽大于200 Hz,阶跃响应时间约为10 ms,满足车载平台系统的应用需求。     

二维快速控制水冷反射镜装置设计

为了进一步精确控制激光发射方向,减少反射镜热畸变以提高光束质量,设计了一种新型二维快速控制水冷反射镜装置.根据高功率激光反射镜的设计和制作原则,对反射镜的材料性能进行了分析,采用主动水冷铜镜来减小镜面热畸变使镜面变形控制在0.1 μm以内.然后,分别从机械结构、驱动器和控制系统、角度检测元件3方面设计了反射镜装置,其x-y轴框架式的机械结构形式,可减小反射镜的冷却水管对轴系回转精度的影响,使回转精度＜2″.实验测试结果表明,二维快速控制水冷反射镜装置工作稳定、可靠,控制光束稳定的精度＜1″,可满足对激光传输方向的精确实时控制和对光束整体倾斜方向进行校正等要求.     

两维快速控制水冷反射镜装置设计

通过对高功率激光发射系统中,从激光器到发射系统的强激光通道内光束传输质量的分析,发现了影响光束传输精度的原因。设计了一种新型两维快速控制水冷反射镜装置,解决了强激光传输方向的精确实时控制和校正光束整体倾斜方向的问题,实现了减小镜面热畸变提高光束质量的功能。试验测试结果表明,两维快速控制水冷反射镜装置工作稳定、可靠;具有质量轻、转动惯量小、行程小、谐振频率高、响应速度快、动态滞后误差小等优点。此装置设计合理,具有应用推广价值。     

机动车载快速反射镜激光指向修正量的解算

为了提高机动车载跟瞄发射系统的瞄准精度,提出在其发射光路中引入快速反射镜来修正发射激光的方向。研究了快速反射镜激光指向修正量和粗红外跟踪脱靶量以及反射镜空间实时绝对角度的关系,结合激光发射光路和红外跟踪光路的结构特点,提出了将船摇坐标变换理论应用到快速反射镜激光指向修正量的解算中。建立了快速反射镜激光指向修正量与粗红外跟踪、快速反射镜空间位置的关系,并通过MATLAB编写了M函数,建立了SIMLINK仿真模型。基于仿真模型得出了激光指向修正量与快速反射镜转角的关系数据以及在快速反射镜工作范围(±6′)内的简化公式。试验结果表明:该解算算法正确,解算精度较高,最大静态解算误差为2.9″;载车在三级公路上以20km/h的速度跑车时,激光指向的控制精度为方位角11.65″、俯仰角15.38″,均满足项目指标要求。     

空间光学遥感器反射镜柔性支撑的设计

为降低光学遥感器反射镜在复杂且恶劣的空间环境下的面形误差,设计了一种柔性支撑结构,使反射镜在具有良好的热尺寸稳定性的同时结构刚度满足力学要求。针对某长圆形光学反射镜组件,通过设置柔性铰链的厚度、最薄处厚度和柔性铰链圆弧半径3个特征参数,对柔性铰链进行合理的结构设计。采用有限元法对反射镜组件在力热耦合状态下的面形精度和结构强度及结构的动态刚度进行仿真分析,结果表明,反射镜面形PV值由350.08nm降至59.03nm,RMS值由102.67nm降至9.11nm,柔性结构保证了反射镜的热尺寸稳定性,同时满足力学要求。最后,对反射镜组件的力热模拟件进行力学试验,得到的结果显示其3个方向的基频分别达到264Hz,290Hz和320Hz。这些结果表明,该柔性支撑结构设计方案是合理可行的。     

高精度动载体激光发射系统光束控制反射镜

设计了一种适于车载等运动环境下的快速控制反射镜, 用于在具有振动和冲击的工作环境下控制激光发射系统的激光光束稳定及其精确校准。根据某光学系统的性能指标要求,阐述了用于高能激光的平面反射镜的物理性能以及控制反射镜负载应有的机械特性。采用大行程的音圈电机作为控制反射镜的驱动器,并设计了精度高、抗干扰能力强的角位移测量装置作为控制反射镜的位置传感器。对所采用的4个音圈电机和4个角位移测量装置进行了合理布局,既降低了系统的转动惯量又提高了系统的可靠性和环境适应性。实验结果表明：该快速控制反射镜的定位精度优于1.4″,满足高能激光发射系统对控制反射镜的精度要求。     

多交叉曲梁簧片柔性铰链的力学建模与性能分析

针对直梁型多交叉簧片柔性铰链难以兼顾大转角、低刚度的问题,设计了一种多交叉曲梁簧片柔性铰链。采用圆弧曲梁簧片减小变形应力和转动刚度,在纯转矩驱动条件下具有高转动精度和大转角行程。推导了圆弧曲梁簧片的变形应力计算方程,建立了柔性铰链的大变形力学分析模型,并通过转动刚度实验和变形应力仿真计算验证了理论模型的准确性。进一步分析了半径系数、簧片曲率和位形角等设计变量对柔性铰链驱动转矩和变形应力的影响关系,提出了同时减小转动刚度和变形应力的设计方案,确定了使柔性铰链获得零刚度特性和负刚度特性的设计变量组合。所设计的柔性铰链结构及其性能分析结果可为新型大行程柔性铰链的设计提供参考。     

非接触式扫描反射镜转角测量系统

为了提高扫描反射镜转角检测系统的测角范围,建立了基于一字线激光器和线阵CCD的高精度非接触式扫描镜角度检测系统。介绍了检测系统的结构和工作原理,该系统根据激光光斑在CCD上的位置计算扫描反射镜的转角,并利用特殊设计的阵列反射镜增大测角范围。为了降低对加工及装调精度的要求,对系统进行了误差分析,给出了采用多项式拟合法进行角度测量的理论依据。讨论了影响系统检测精度的一系列误差源,计算了系统测量的总误差。最后进行了相关的测量实验。实验结果表明：系统的检测系统分辨率为2.5",测角范围为11°,测角精度可达3",可以满足扫描反射镜对角度测量系统提出的高精度、非接触、大测角范围的要求。     

车载激光系统光束控制反射镜角位移测量装置

为了使快速控制反射镜(FSM)能在车载、舰载等运动环境下稳定工作,并具有很高的控制精度,研制了一套高精度角位移测量装置,该装置通过精确地提供反射镜摆角信息作为系统的反馈信号来实现伺服闭环控制.针对传统快速控制反射镜位置信息反馈传感器的精度低以及不适于动载环境等缺点,采用田字裂相信号提取方法设计了基于莫尔条纹计数测量原理的精密光栅,并通过计算机进行仿真分析设计了具有抗干扰能力和耐高低温变化的绝对零位信号,其对比度达0.25.对信号处理电路进行高度集成,实现了小型化.实验结果表明,反射镜角位移测量装置测量的反射镜角分辨率为0.15″,测角精度优于0.4″,完全能满足机动式条件下,高能激光发射系统对FSM控制精度的要求.     

提高中心球铰式快速反射镜指向精度的机构设计

为了提高快速反射镜的承载能力及其对振动、冲击等恶劣工作环境的适应性,一种中心采用球形铰链进行刚性连接、音圈电机驱动的快反系统应运而生.但该型快速反射镜运动部分绕中心轴回转的自由度无约束,直接限制了系统指向精度和动态稳定性的提高.为了克服此技术缺陷,设计了一种柔性防转机构.在明确中心球铰式快反系统结构特点和误差来源的基础上,对柔性防转机构中弹片的结构形式及尺寸进行了设计,对柔性弹片各方向的刚度进行了有限元分析、对比,最后,针对是否装有柔性防转机构的快反系统的指向精度进行了对比测试.结果表明:该柔性防转机构结构简单、易于实现,并能有效改善快反系统的指向精度(约提高3倍).在确保中心球铰式快反大的承载能力的前提下,使其具备了传统柔性无轴式快反的优点.     

快速反射镜驱动形式对伺服带宽的影响

为了提高大行程快速反射镜系统的伺服带宽,提出一种直线驱动形式的快速反射镜。该快速反射镜以音圈电机作为驱动器,利用滚珠花键约束驱动器工作方向,将传统的弧线驱动转变为直线驱动。首先,对直线驱动快速反射镜进行了结构设计,重点分析了直线驱动单元的组成形式与特点;接着,从约束条件分析驱动形式对系统伺服带宽的影响因素,并推导两种驱动形式下,快速反射镜在大行程运动时的动力学方程;最后,利用有限元分析得出快速反射镜的机械谐振频率,并通过实验测试对两种驱动形式下快速反射镜的伺服带宽进行了验证。结果表明,在相同的实验条件下,相较于传统弧线驱动形式,直线驱动形式快速反射镜的机械谐振频率由121.8Hz提高至229.9Hz,伺服带宽由40.3Hz提高至75.1Hz,分别提高了88.8%、86.4%,满足快速反射镜在大行程工作状态下的高带宽设计要求。     

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。     

压电驱动双面快速指向镜的设计

考虑相干激光雷达对光束波前的要求,设计了压电驱动双面快速指向镜系统以实现相干激光遥感探测的高精度大范围指向定位。研究了系统的机械结构和电子学控制方法。结合指向角度、通光口径及信号带宽的实际工程应用需求,选择了合理的致动器和位移放大机构。针对压电陶瓷固有的迟滞和蠕变等非线性效应,设计了以应变片作为位移传感器的模拟比例-积分-微分(Proportion Intergration Differentiation,PID)闭环反馈控制方法。在仿真分析指向镜固有模态频率的基础上,确定了周边支撑的反射镜支撑方式。实验结果表明,该指向系统能够达到指向范围为27 mrad×27mrad、绝对定位精度优于27μrad、偏转速率为2.7rad/s的指标,基本满足激光遥感探测对探测范围、探测精度、探测速率等指向定位的要求。     

一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法

给出了一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法。在高斯准直光束后加一透镜系统,恰当地调整准直高斯光束到某一种汇聚发散的状态。在这种状态下,可使由平凹腔凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径大小相仿,解决了不加透镜系统时,两反射回来光斑直径相差很大,难于对准的问题,提高两光斑的对准精度。实验使用束腰为0.6 mm的氦氖光,其后加一优化好的透镜系统,在889 mm的距离下,对凹面镜曲率半径为50 mm的平凹腔进行对准。得到由凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径分别为4.8 mm和5.1 mm,平凹腔的角度对准精度达到了3.18'。对准好的腔体在点亮LD后,均能出基模光斑。实验结果与理论分析相符,证明了该对准方法结构简单,执行方便。     

大口径精密光束扫描装置

高精度光束扫描、对准和跟踪是精密测控领域中的技术难点.基于棱镜偏摆角和光束偏离角存在百倍量级减速比的关系,提出采用级联正交偏摆双棱镜实现高精度光束扫描方案,并完成装置的研制,实现了大范围内精确控制光束偏转的要求.介绍装置的主要工作原理,给出设计指标和计算结果,接着介绍装置的机械结构、控制系统以及集成设计,分析前后棱镜变形和振动模态等问题,最后对装置进行试验标定.结果表明,扫描光束的俯仰角和方位角范围均达到1400 (rad,光束的扫描精度优于0.8 (rad,满足设计要求.装置的研制对于解决高精度的光学动静态跟瞄具有重要的工程意义.     

基于PSD的小型激光测头的设计

利用位置敏感探测器(PSD)频率响应高、接口电路简单、数据采集快等特点,设计了一种小型、动态激光三维测头。该测头采用激光三角法原理,利用凹凸双透镜光学系统进行激光缩束以提高测量精度,利用平面反射镜增加光程以减小体积,并对各具体参数和整体结构进行了详细的设计。该测头系统拥有体积小,精度高,反映快的优点。