国外光电瞄准吊舱探测系统总体构架的对比分析

回顾了国外军队装备的四代光电瞄准吊舱的技术特点和发展历程,定义了光学口径和吊舱舱径之比(光舱比)作为衡量集成度的标准,重点针对第三代的Sniper XR ATP和ATFLIR两型采用共光路串联布局吊舱的探测系统进行了分析和正向设计:二者均拥有Φ150 mm口径,约1.5°×1.5°视场,在0.7~0.9μm和3.7~4.8μm波段的传递函数接近衍射限,前者为透射式前置望远系统,后者为离轴三反式前置望远系统,二者的结构布局为:前置望远系统置于吊舱前部压缩光束,通过光学铰链和快反镜将光束导入吊舱中,部分光进入各自的探测通道或激光发射通道。其中,类ATP的透射式前置望远系统可在汇聚光路中折叠形成俯仰/方位正交轴系并置于305 mm舱径内,光舱比约0.492;类ATFLIR的离轴三反式前置望远系统可在压缩后的平行光路中折叠形成方位/俯仰两个正交轴系并置于Φ330 mm的球体内,光舱比约0.455。作为对比,采用共光舱并联布局的第四代Litening 5和Talios吊舱探测系统将所有光学载荷和伺服框架平台置于吊舱前部的Φ406 mm球体内,光舱比约0.37,其并联共光舱设计架构的集成度较低。针对未来可能的升级要求,类ATFLIR吊舱比ATP吊舱具有更强的生命力,其采用纯反射式的前置望远系统可以更方便地增加波段和拓展功能。

大口径环形分段光学系统基准构建方法

为了更好地对大口径分段望远镜进行集成检测与稳定性保持基准构建,本文提出一种大口径环形分段光学系统基准构建方法。首先,采用局部光瞳投射的方式实现光瞳对准映射;其次,利用微透镜阵列构建系统共焦空间基准;之后,基于环带整体调控模式,采用共焦与曲率半径联合分析,实现曲率半径与系统对准的共同调节;最后,利用白光干涉所形成的条纹包络进行粗共相探测,并利用通道光谱方法实现粗共相与精共相间的精度衔接,空间共焦基准定位精度优于125μm,共相基准覆盖范围优于20μm,精度优于0.5μm,光谱基准不确定度优于5%。实现了不同时空特征扰动的分层次、多模态抑制,利用以上共基准原位测量新方法有效提升了光学系统原位计量检测精度并缩短了溯源链长度,增加了检测效率与准确度。

国外转塔式光电瞄准吊舱技术发展分析

对国外转塔式光电瞄准吊舱进行了划代,介绍了典型第三代吊舱的主要技术特点,定义了衡量光电吊舱集成度的四个评价标准:通光孔径与舱体直径之比、通光孔径的立方与系统重量之比,舱体直径的立方与系统重量之比以及有效载荷重量与系统重量之比,实现了从宏观层级对性能相近的光电瞄准吊舱功能密度或技术水平的定量评价。介绍了国外典型装备的发展状况,重点针对美国MTS-B吊舱、土耳其ASELFLIR350吊舱及之后的400/500、加拿大MX-15D吊舱、法国EUROFLIR410吊舱和德国ARGOS II HDT等典型产品进行了对比分析,介绍了各自的技术风格、特点和重要载荷;通过正向设计评估验证了MTS-B前置望远系统的性能指标和ASELFLIR350的光学有效载荷;总结了现代光电瞄准吊舱的几大趋同化技术特点:多波段共孔径折反式主系统+旁轴小口径次系统的光机架构正取得共识、多种波段的激光探测技术日益倾向主动光学方向、基于多轴多框平台和快反镜相结合的复合轴控制技术正在普及、详查探测更注重目标细节区域增强、多波段图像融合信息处理技术在显控中越发重要。

多镜面大视场主动光学望远镜调控方法

为了更好地实现多镜面大视场主动光学望远镜波前像差抑制、提升望远镜探测能力极限,本文基于望远镜视场边缘内置的错位型曲率传感器进行波前感知,并利用功率谱对波前感知结果进行分析,进而基于波前像差的空间频率特征进行调控。首先,基于复光场理论分析了非瞳面对系统波前调控的影响机理。其次,分析了本方法在多镜面大视场主动光学望远镜调控过程中的精度特性。再次,利用桌面实验对多镜面大视场主动光学望远镜调控的可行性进行了验证。最终,波前重建结果与理论波前相关性高于0.85。利用功率谱对各个视场的空间频率特性进行了分析,与单纯使用均方根对多镜面影响敏感度进行分析的方法相比,灵敏度提升了20%。

中国天眼和“人民科学家”南仁东

中国天眼建成已经9年,在脉冲星、快速射电暴和中性氢三大研究领域都有很多发现。其中最有代表性的是通过脉冲星计时阵的观测发现纳赫兹低频引力波。南仁东以百折不挠的精神,带领团队奋斗22年终于建成了“中国天眼”。2019年9月17日,国家主席习近平签署主席令,授予南仁东“人民科学家”的国家荣誉称号,成为中国人民学习的榜样。

环境风载荷下大口径反射面天线波束指向分析

大口径反射面天线是深空探测、卫星通信的关键设备。为了不断提高观测性能,天线口径不断增大,进而对天线指向精度的要求越来越高。随着天线口径的增大,天线的刚度降低、迎风面积增大,这会导致天线的柔性变形严重,性能难以保证。为探究环境风载荷下大口径反射面天线的柔性变形对电性能的影响,提出了一种天线波束指向分析模型。首先,利用计算流体力学方法对天线表面的风压分布情况进行了数值模拟,得到了天线表面的风压系数。然后,利用风压系数与风速无关的特性,分析了不同风速工况下天线结构变形的规律。最后,根据天线结构变形的特点,分析了天线在不同工作状态下的增益损失、指向偏差等的变化规律。结果表明,所提出的模型可以快速评估大口径反射面天线在风载荷下的变形情况和波束指向特性,这为后续的天线抗风结构设计与系统控制研究提供了理论指导。

艺术-科技文明·古代天文仪器

简仪藏于中国科学院紫金山天文台简仪为13世纪世界上最杰出的天文测量仪器之一,是郭守敬在浑仪的基础上加以简化而创制的。简仪的发明不仅延伸了观测范围,提高了观测效率,也大大提高了读数精度。

1．2mSiC主镜轻量化设计与分析

为了探索研究大口径轻量化SiC主镜的可行性,对比分析了各种主镜轻量化形式的优缺点,确定了主镜的支撑方式;然后,从理论上计算了轻量化镜体结构参数,设计了采用夹心三明治结构扇形轻量化孔形式的1.23 m SiC轻量化主镜。利用有限元方法分析了轻量化主镜在浮动支撑下的自重变形,两种工况下的面形分别为:PV=9.43 nm,RMS=2.5nm;PV=16.7 nm,RMS=3.2 nm。分析结果表明,镜体的自重变形影响较小,可以满足要求。而由于SiC的热膨胀系数较大,热变形影响较大,在稳态温度场下,温度每相差1℃,镜面面形变化约为PV=40 nm,RMS=4.8 nm,说明为了达到了设计要求,必须对镜体采取热控措施。

大口径望远镜光学系统的误差分配与分析

通过对比国内外大口径望远镜光学系统的发展和研究现状,提出针对大口径望远镜系统的加工、装调和使用建立误差分配体系的方案。介绍了误差分配体系包含的内容,并对其进行归类。以1.2 m望远镜光学系统为例,阐述了误差分配原则。首先,根据设计确定总体误差标准,然后,计算误差分配的项数,最后,依据分配原则,结合实际加工和装调水平,给出了合理的误差分配结果。结果表明,在满足目前国内加工要求和装配的条件下,该方案使分配后该望远镜光学系统误差(RMS波像差)<λ/8.5,为大口径望远镜光学系统的误差分配提供了有力的依据。

大型高精度消像旋机构的设计与验证

在大口径望远镜巡天观测中,需要成像相机对指定天区长时间曝光,受地球自转的影响,长曝光图像会产生旋转现象。消像旋机构是为了抵消地球自转对成像质量的影响,使成像光斑在相机上位置稳定、能量集中。墨子巡天望远镜采用相机旋转的方式实现消像旋功能,消像旋机构要求具备承载能力≥250 kg、转速>20′/s和角定位精度≤2″。本文通过对影响消像旋机构承载能力、转动速度和定位精度的因素分析,采用高精度转台轴承结合轻量化转轴实现了高精度和高刚度轴系设计,轴系晃动为1.9″。传动系统采用谐波减速器结合圆柱直齿轮副两级传动,实现了低转速和高角分辨率。利用双读数头绝对式圆光栅测量转角误差并进行位置控制补偿,实现了角定位精度优于1.1″。墨子巡天望远镜成像图像在经过消像旋机构补偿后,光斑能量集中、无画圆,实现了高质量成像的目标。

基于差分运算的望远镜驱动系统非预期故障重构方法

极端环境下的望远镜驱动系统永磁同步电机传感器容易面临非预期故障,导致系统观测性能下降,甚至可能造成望远镜停机。在这种情况下,提出一种用于望远镜驱动系统电流传感器的故障重构方法,主要包含故障检测、隔离和重构等几个方面。其中,故障检测由三阶级联差分运算完成,对不同的故障类型、即使微小故障也能有很好的鲁棒性;决策逻辑电路根据故障检测提供的故障信号flag执行隔离操作;Switches开关根据隔离动作选择合适的电流,以达到故障重构目的。仿真试验表明,该方法从故障状态切换到健康状态是平稳的,且不影响系统的动态性能,确保驱动系统的可靠性和稳定性。

分块式空间望远镜技术研究现状及其发展趋势

大口径空间光学望远镜是实现高分辨率遥感与高灵敏度探测的重要科学仪器。传统的整体式望远镜口径超过4 m将难以突破现有运载器整流罩有效包络的限制,采用分块式的技术手段可以在满足运载能力的前提下实现口径最大化,是解决当前望远镜高分辨率与高信息收集能力的最优选择。文章先从部署形式上对分块式空间望远镜的国内外研究现状进行了梳理,归纳出分块望远镜在技术实现路线上的技术类型和特点,分别对高精度机构展开技术、机器人智能装配技术、波前检测与调控技术以及超轻可调分块镜技术进行了技术内涵及实现技术途径分析,最后面向未来远景目标,对分块式空间望远镜的技术发展作了展望。

基于区域滤波的模糊星图复原方法

当星敏感器在动态条件下工作时,在成像的过程中星点会因能量的分散而出现运动模糊现象,导致图像的信噪比降低,星点的模糊区域很难被提取,从而降低了星点质心的定位精度,严重影响星敏感器的姿态测量精度。为此,文中提出了一种基于区域滤波的模糊星图复原方法,在有效提高图像信噪比的同时可提高星点质心的定位精度。首先,根据星敏感器的工作特性,建立了不同工作条件下星点质心的运动模型。然后,根据运动模型确定星点质心的运动轨迹,进而提取星点的模糊区域,再利用图像处理算法对模糊区域内外的图像分别进行预处理。最后,利用图像复原算法对模糊星图进行复原。实验结果表明:在2(°)/s的动态条件下,区域滤波算法能够有效提高模糊星图的信噪比,并且复原图像中星点质心的定位误差不超过0. 1 pixel,可以满足星敏感器对高质心定位精度的要求。

内掩式透射地基日冕仪中杂光鬼像的消除

为了消除杂散光对日冕仪成像质量的影响,分析了工作波段为530～555 nm的内掩式透射地基日冕仪(其视场为±1.1～3R⊙,分辨率为13.5μm,口径为120 mm,系统F数为8.2)物镜的多次反射形成的鬼像。基于鬼像形成原理,完成建模模拟,提出了结构性遮拦措施,并通过实验论证了遮拦结构对鬼像有良好的遮拦效果,同时验证了鬼像的光强和物镜边缘衍射光基本一致。实验还显示:鬼像的尺寸和模拟基本一致,直径均约为0.9 mm。消除鬼像后,内掩式透射日冕仪消杂光能力和成像质量进一步提高,实现了对日冕的有效观测。

大口径光学遥感器主反射镜轻量化方案设计

合理的轻量化结构设计是降低大口径反射镜重量的实际而有效的方法,同时可以有效减少自重等对反射镜面形精度的影响。本文以口径为Φ1200mm主镜为研究对象,采用有限元分析作为研究手段,根据等刚度原则,结合实际工艺情况,设计了两种结构形式的主镜轻量化方案。根据有限元分析结果,确定基于反应烧结碳化硅(RB-SiC)工艺、背部半封闭结构、锥形后表面、采用扇形轻量化孔形式的结构方案为首选方案,并成功研制出了反射镜镜坯。

大型望远镜交流伺服控制系统综述

本文主要介绍了当前国际上地基大口径望远镜交流伺服控制系统的发展现状,详细论述了望远镜驱动方式的选择、交流永磁同步力矩电机的应用情况、控制系统的硬件组成以及伺服系统的控制策略。讨论了大型望远镜交流伺服控制系统设计的难点及未来发展趋势,为大型望远镜交流伺服控制系统的设计提供一定的参考。

小天体表面着陆区岩石目标检测算法

针对暗弱环境下小天体表面岩石轮廓特征不明显及岩石尺寸小而造成的难检测问题,提出了一种小天体表面着陆区岩石目标检测方法及模型。将多头自注意力机制融入YOLOv8x框架,用于提高模型获取图片全局视野的能力,增强模型对深空环境中不同光照条件下岩石特征的自适应性;在此基础上增加小目标检测层,用于提升模型对小尺寸岩石的关注度,增强模型对不同尺寸岩石的自适应性。对比实验结果表明,方法相较于改进前算法,岩石检测准确率、召回率和平均检测精度分别提升了6.4%、3%、5%,与其他主流目标检测算法相比,指标也得到明显提升。该方法为暗弱环境下小天体表面着陆区岩石的自主识别提供了理论和技术基础。

大气色散对4m望远镜成像分辨力的影响与校正

本文分析研究大气色散对4 m望远镜成像系统分辨率的影响及校正方法。首先计算分析了大气色散对其成像分辨力的影响,计算结果表明,天顶角大于15°时,大气色散开始影响系统成像分辨力,天顶角大于45°时,对系统成像分辨力有着较为严重的影响,需要设置大气色散校正器来进行消除。本文列举了3种大气色散校正器的实现形式,分别比较了它们的优缺点,最后选择了胶合棱镜旋转补偿的形式来消除大气色散对4 m望远镜高分辨力成像系统的影响。基于4m望远镜高分辨力成像系统的特点,将大气色散校正器放置于成像元件前的平行光路中,并利用光学设计软件对不同天顶角与大气色散校正器的旋转角度进行了仿真分析,该大气色散校正器的最大楔角为9.65°,旋转精度为±0.1°,对系统分辨力影响为1/1 000。分析结果表明,旋转精度完全能够满足系统成像分辨力的要求,证明本文对大气色散的影响分析和大气色散校正器的设计是有效的。

拼接镜的主动光学面形控制

为了实现对拼接式望远镜各子镜的主动控制,建立了正六边形子镜拼接的面形控制方程,并研究了传感器的安装位置对面形控制的影响。根据子镜之间相对位置的测量要求确定了主动控制所采取的方式,建立了由3个正六边形子镜组成的拼接镜的面形控制方程,并分析了传感器的安装位置对面形控制的影响。提出了传感器沿垂直镜缝方向错位安装的方法,分析了该方法对于拼接子镜扩展的适用性。分析表明,对于边长0.9 m,对角线长1.8 m的子镜,传感器错开0.02 m安装即能够准确检测子镜之间的位置变化;给出了正确的促动器调整信息,满足了拼接镜主动面形实时、高精度控制等要求。

焦面二维精密调整机构研究

针对大口径、长焦距的高分辨力空间光学遥感器对调焦和调偏流的要求,本文基于高刚度、高强度滚珠花键结构和高精度滚珠丝杠结构,提出了一种焦面二维精密调整机构,能够实现调焦和调偏流目的。焦面二维精密调整机构结构紧凑,占用空间小,质量轻,并具有足够的强度、刚度、良好的自锁性能及抗冷焊性能。机构的质量为5.5 kg,调焦范围为±2 mm,调焦分辨力为0.17μm,调偏流范围为±5°,调偏流分辨力优于0.000 2″,对机构进行精度检测,各项参数均满足指标要求,适合在大口径、长焦距的高分辨力空间光学遥感器空间光学遥感器中使用。