宽角度位相调控反射镜的设计与研制

宽角度位相调控反射镜是下一代中高轨量子通信系统中的核心元件,用于宽角度范围内信号光的高效传递与偏振态的精确调控。基于等效多层膜理论,采用介质反射膜堆加非规整位相调控膜的膜系结构,设计了一种宽角度位相调控反射镜。选择Nb2O5和SiO2分别作为高、低折射率薄膜材料,通过误差分析,优化沉积工艺,采用电子束蒸发结合离子辅助沉积的方式,在德国莱宝Lab900-plus设备上制备出该薄膜元件。研制结果表明,反射镜在780 nm处、45°±7.5°入射范围内,其反射率大于99.3%,位相差控制在3°以内,满足量子通信系统的反射率及位相差控制要求,且通过相关环境模拟实验,满足可靠性要求,为该类偏振调控薄膜元件在下一代中高轨量子卫星中的工程应用打下了坚实的基础。

基于双反射镜的2D-DIC变形测量系统开发

二维数字图像相关(two-dimensional digital image correlation,2D-DIC)在测量过程中不可避免地会出现相机光轴与测量表面非垂直,由此产生的离面位移而将导致较大的测量误差,同时在视场受限的环境中难以通过单台相机完成大范围的变形测量。有鉴于此,该文开发了基于双反射镜的2D-DIC变形测量系统,使用双反射镜成像缓解离面运动对2D-DIC的影响,通过可移动相机实现小视场下的图像采集,提出基于频域移位的高精度图像拼接方法,并改进了融合函数,最终获得试样的高分辨率图像。单轴拉伸实验结果表明,轴向应变的平均相对误差相比传统2D-DIC方法降低12.82%,测量分辨率提高约34.92%,验证了测量系统的可行性和有效性。

反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定误差分析

为满足各类装备平台对反射镜式光电系统光路内嵌复合轴高精度稳定的需求,针对实际研制中各类误差源相互耦合难以控制的难题,文中基于反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定的原理,从理论上分析了快速反射镜角度与瞄准线角度关系线性化、陀螺和快速反射镜安装正交性误差以及快速反射镜测角精度对系统瞄准线稳定误差的影响,建立了瞄准线稳定误差与上述影响因素之间量化数学模型,并根据量化模型开展了计算仿真实验。仿真结果表明,在瞄准线稳定误差要求为2μrad级别时,快速反射镜角度与瞄准线偏转角度关系不能采用简化的线性化处理,陀螺安装误差应小于0.005 mrad,快速反射镜的安装误差应小于0.003 mrad,快速反射镜的测角精度应达到0.001 mrad。在实际应用中,在保证快速反射镜测角精度的基础上,应对陀螺和快速反射镜安装误差进行校准补偿,确保陀螺和快速反射镜安装误差产生的瞄准线稳定误差绝对值之和小于瞄准线稳定精度要求。

快速反射镜位移传感器高精度采集电路设计与实现

对位移传感器高精度及低延时的数据采集是实现快速反射镜高精度和高带宽的关键。详细分析了复合轴中快速反射镜位移传感器采集电路的需求,并依此进行了硬件电路和软件设计。经过测试,采集电路有效分辨率可达17bit,数据频率为5kHz,信号采集延时200μs,能够实现对快速反射镜位移传感器信号的高速高精度采集,可有效提升控制带宽和控制精度。

增材制造SiC陶瓷反射镜的研究进展

碳化硅陶瓷具有优异的力学性能和良好的热学性能,是制备空间光学反射镜的理想材料之一。传统成型技术制备的SiC陶瓷反射镜普遍存在轻量化程度低、制备周期长等问题,难以满足空间光学系统的发展需求。当前,增材制造技术展现了其在低成本、短周期制备超轻型反射镜方面的巨大潜力。本文首先对常见的反射镜材料特性进行了对比;然后,综述了SiC陶瓷反射镜增材制造成型技术的研究进展,并详细论述了SiC陶瓷反射镜制备过程的组分设计、制备工艺、致密化方法等,总结了增材制造技术制备SiC陶瓷反射镜的技术路线;最后,对SiC陶瓷反射镜增材制造制备技术的未来发展提出展望。

一种光机一体化平面反射镜结构设计及应用分析

为满足空间光学系统高成像质量、高稳定性和高杂散光抑制效果的需求,文章从选材、选型及仿真设计等方面开展研究,提出了一种新型光机一体化反射镜无框结构优化方案。方案的光学镜面通过钛合金表面烧结玻璃技术实现16∶1的镜坯光学面本体径厚比,加工难度与成本显著低于碳化硅与铍反射镜。经静应力与模态分析:反射镜结构稳定,重力及安装应力对镜面面形的影响可忽略不计,样件实测面形误差峰谷值<0.65λ,均方根值<0.12λ(λ=632.8nm),通过了相关环境性试验验证;经系统建模及杂散光分析:敏感角度斜入射视场光通量透过率可降低至传统光机分离设计的5~20%左右。设计方案已经成功在轨应用,为星载光学成像高光学稳定性与高杂散光抑制需求的实现提供了一种可借鉴的技术手段。

快速反射镜双线性插值标定技术

为满足光电系统中对快速反射镜高指向精度的需求,对基于电涡流传感器测量的快速反射镜二维角度标定技术进行研究。分析了利用电涡流传感器进行二维角度测量的工作原理,设计了快速反射镜角度标定系统。对多项式拟合、双线性插值两种标定模型进行了理论分析和实验测试。结果表明,在±1000″角度范围内,双线性插值法标定的误差在2″以内,比传统的多项式拟合法标定精度高。标定精度的提高对实现快速反射镜高精度指向具有十分重要意义。

双面共体反射镜结构优化设计与分析

为了满足某同轴四反红外光学系统中主四双面共体反射镜的性能要求,需要镜体在高轻量化率的同时具有更高的刚度,保持两个镜面面形稳定。该文采用拓扑优化的方法,以刚度最大为优化目标,约束设计域体积分数的方式对双面共体反射镜初始模型进行优化。优化结果表明,主镜面与四镜面通过以光轴为中心呈辐射形排列的筋板连接时刚度较高;通过自由尺寸优化获得主、四镜面和筋板的最佳尺寸参数;参考优化结果设计主、四共体反射镜,最终方案轻量化率达到82.4%。对主四反射镜模态及1g重力对面形RMS的影响进行分析,求得一阶频率达到417 Hz;1g重力作用下反射镜面形变化最大为λ/22(λ=632.8 nm)。分析结果表明,优化后的镜体刚度足够,且具有较好的抵抗重力变形能力。按照优化后的设计方案进行反射镜的加工和测试,主、四镜面形RMS实测结果均约λ/7,满足红外光学系统的性能要求,证明了本文优化设计方法的有效性,为双面共体反射镜的设计提供一定的借鉴作用。

测地激光陀螺反射镜法向位移影响分析

测地激光陀螺是一种基于Sagnac效应的测量地球自转角速度的惯性传感装置,可应用于世界时、大地测量学等领域。激光陀螺一般由压电陶瓷控制推移反射镜来提高稳频精度。针对稳频机构工作过程中球面反射镜的法向位移对谐振腔的影响,从环腔稳定性定义出发,不同于传统的光学矩阵分析谐振腔稳定性,而是使用更真实的射线追踪仿真对球面反射镜法向位移时谐振腔的出光稳定性进行分析。仿真结果表明,环腔的尺寸与球面反射镜的法向可位移范围呈正相关,实验测得可位移范围为1.492~1.695 mm左右,实验与仿真结果误差在1%内。本文对测地激光陀螺在稳频机构工作过程中的球面反射镜法向位移的影响进行了初步探究,研究结果对于测地激光陀螺的稳频控制及陀螺搭建有一定参考意义。

快速反射镜的复合快速非奇异终端滑模控制

为进一步提升激光通信精跟踪系统的控制性能,本文对音圈电机驱动的快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)控制方法进行了研究。针对FSM中存在的强轴间耦合与外部扰动问题,提出了融合前馈解耦补偿与固定时间扩张状态观测器的复合快速非奇异终端滑模控制策略。首先,采用系统辨识方法建立FSM的双输入双输出耦合传递函数矩阵模型,并设计前馈解耦补偿器补偿耦合分量,以实现X轴和Y轴之间的运动解耦。其次,针对解耦后的各单轴模型,设计固定时间扩张状态观测器,同时实现对角速度和外部干扰的固定时间估计。随后,构建快速非奇异终端滑模面,并在控制律设计中采用指数幂函数取代符号函数,以提高系统收敛速度并抑制控制抖振,基于Lyapunov方法验证所提控制系统的稳定性,并证明跟踪误差在有限时间内收敛。最后,通过对比实验验证了提出的复合控制策略的有效性。实验结果表明,FSM在100 Hz强扰动存在的情况下,跟踪60 Hz和120 Hz圆形轨迹,其轨迹跟踪误差的平均绝对值分别为0.0036°和0.0131°,系统能够保持良好的跟踪性能,说明所提复合控制策略是有效的,满足激光通信FSM对于高精度和强抗扰等要求。

快速反射镜的系统辨识与回路成形H∞鲁棒控制

音圈式快速反射镜(Voice Coil Actuator-Fast Steering Mirror,VCA-FSM)是星间激光通信中的重要伺服机构,其基于音圈电机进行驱动,FSM内部的柔性支撑结构以及轴间相对运动使系统存在复杂耦合特性,降低了系统的控制性能。对于该问题,本文提出了一种基于模型辨识的双轴回路成形H∞解耦控制方法。首先,基于激励与响应数据求解系统脉冲响应序列,构造Hankel矩阵进行系统辨识;其次,考虑系统的耦合特性,基于标称模型进行双轴回路成形H∞鲁棒控制器的设计;最后,基于VCA-FSM伺服控制实验平台,开展方波与正弦扫频实验。实验结果表明:相较于LQG与LQR控制,本文所提出的双轴回路成形H∞鲁棒控制使系统X,Y轴跟踪闭环带宽分别最大提升了54.3 Hz和54.8 Hz,显著降低了系统的耦合特性。本文所提出的控制方法充分提高了VCA-FSM伺服系统的性能,实现了双轴VCA-FSM的高性能解耦控制。

快速反射镜自适应反演PID复合控制系统设计

为了提高复合轴系统的光束跟踪性能,必须考虑不可测扰动对快速反射镜系统的影响。针对可测量扰动,设计了自适应反演前馈控制算法,并由此得到启发,设计了用于抑制不可测量扰动的自适应反演PID(proportional-integral-derivative)控制系统,用自适应算法提高系统稳态精度以及对不同扰动的适应性,用PID控制器修正系统的误差信号改善系统动态性能。仿真结果表明,相较于PID控制算法,自适应反演PID复合控制系统的误差均方差值下降了34.76%,相较于自适应控制算法,自适应反演PID控制系统的误差均方差值下降了13.3%,自适应反演PID复合控制系统的稳态精度相比经典PID控制和自适应反演控制系统均得到了明显的提升,采用复合算法时上升时间相较自适应算法减少了48.9%,超调量相较经典PID算法减少了80.5%,系统动态性能得到较大改善。

大转角快速反射镜柔性机构的优化设计与动态分析

针对压电驱动快速反射镜普遍存在的偏转范围小、扫描频率低等问题,本文设计了一种具有较大偏转角度的压电驱动快速反射镜柔性机构。首先开展了柔性机构嵌套级数、构型方式与固有频率、放大系数的相关性研究,得出了三级混合构型的初步设计方案。进一步将该机构离散为柔性铰链、刚性体和集中质量等基本单元,结合矩阵位移法,构建了柔性机构的通用动力刚度模型,得出柔性机构的结构参数与快速反射镜偏转角度的映射关系。在此基础上,对快速反射镜柔性机构关键尺寸参数进行优化设计,开展了柔性机构的模态分析。与国内外同类研究相比,该机构可以在保证较高一阶固有频率的基础上实现100 mrad机械偏转角度。

基于扩张状态观测器的快速反射镜滑模控制

快速反射镜需要具备快速的动态响应以及抗干扰能力。针对快速反射镜系统在工作环境中,因自身运动以及外界干扰等因素所引起的不确定性干扰问题,本文在对快速反射镜系统进行分析与数学建模的基础上,提出一种基于扩张状态观测器的改进滑模控制器,利用扩张状态观测器观测出未知扰动并直接补偿给控制器,在保证跟踪误差在期望精度范围的同时,有效减少了抖振,便于工程实现。通过仿真实验证明:相较于传统滑模控制器,采用基于扩张状态观测器的改进滑模控制器,上升时间缩短了50.4%,调节时间上缩短了39.1%,跟踪精度提高了30.5%,满足了快速反射镜的工作要求,提高了动态性能。

大口径空间非球面反射镜加工与检测技术研究

空间非球面反射镜在现代光学系统中发挥着重要作用,然而其复杂的曲率和大口径特性使得其加工和检测变得更加困难和复杂。该文研究当前大口径空间非球面反射镜加工与检测技术的最新进展和应用。通过对这些技术的研究,该文为提高大口径空间非球面反射镜的加工和检测质量提供重要的参考和指导。

基于MEMS可变形反射镜的激光整形研究

应用MEMS可变形反射镜进行激光光束整形技术研究。首先建立平顶光束整形的理论模型,通过近轴透镜聚焦后的光场,利用柯林斯广义衍射积分公式对高斯光束整形模拟仿真,分析不同束腰半径和发散角的高斯光束对整形成平顶光束的影响。设计基于可变形反射镜的平顶光束整形的光路实验,通过平顶光束整形的理论模型和泽尼克多项公式,得到MEMS可变形反射镜各单元的驱动电压参数,实现平顶光束整形光场分布。在基于MEMS可变形反射镜的激光整形研究分析中,利用波前传感器对整形平顶光束进行光斑分析,得到基于可变形反射镜的平顶光束整形实验结果。对实验结果和理论仿真进行对比分析,得到其规律基本一致,结果较为理想。

基于MEMS反射镜的窄线宽外腔可调谐半导体激光器

基于大转角的电磁式MEMS反射镜和闪耀光栅作为外腔调谐元件,设计了Littman-Metcalf结构的外腔半导体可调谐激光器,MEMS反射镜可准确控制偏转角度,2 h内角度复位调谐波长漂移小于20 pm,该可调谐激光器实现了1435.81~1555.83 nm(120.02 nm)的稳定的波长调谐,全波段波长调谐过程中激光器边模抑制比大于30 dB,相同调谐电流下,激光器波长控制误差小于20 pm。注入电流350 mA时,外腔激光器输出功率达25.89 mW,最小阈值电流68 mA。利用延迟自外差法测得可调谐激光器的线宽优于69 kHz。该研究成果有望在激光雷达、相干激光通信、光学传感器及计量检测等诸多领域发挥重要作用。

结合直角反射镜的狭缝型空间滤波器

文章提出一种由一对柱透镜、一个滤波狭缝和直角反射镜组成的新型狭缝空间滤波器。柱透镜对和滤波狭缝用于组成一维滤波结构,直角反射镜用于将波面旋转90°并反射回一维滤波结构进行另一维的空间滤波,从而实现对光束的完全滤波。根据瑞利-索末菲衍射积分,利用Matlab软件对光束在新型狭缝滤波器中的传输进行了理论模拟。结合实验验证,证明了新型狭缝滤波结构的像传递和空间滤波功能。由于结构上近似于三镜型狭缝滤波器的对折结构,因此新型狭缝滤波器相比三镜型狭缝滤波器要缩短将近一半,可进一步降低大型激光装置的规模和成本。

轻量化铝反射镜拓扑优化与加工试验研究

铝反射镜在航空航天和空间遥感卫星领域中广泛应用,为了提高铝反射镜的轻量化率,降低民用商业遥感卫星的发射成本,设计了一种背部开放式、三角形孔结构和三点支撑形式的轻量化铝反射镜。在此结构基础上,首先以质量最小为优化目标,以反射镜背部加强筋的厚度和加强筋的布局为优化对象,以柔度最小为响应约束,应用有限元法对反射镜背部加强筋的厚度进行尺寸优化和加强筋的布局进行拓扑优化,得到的铝反射镜轻量化率超过63%;然后设计了工装夹具进行单点金刚石车削加工试验;最后使用激光干涉仪检测反射镜的面形精度。检测结果表明:反射镜的面形值PV(peak to valley)为1.48μm,能够满足民用商业遥感卫星的使用要求。

面向光束指向调控的双快速反射镜偏转角快速解算方法

基于双快速反射镜的光束指向调控系统可补偿光束位置偏差及角度偏差,双反射镜引入的耦合效应致使难以快速求解合适的镜面绕轴偏转角。为解决该问题,文中构建了双快速反射镜光束指向调控模型,分析了偏转角与光斑位移在小角度下的近似线性关系,提出了偏转角的快速解算方法,可在单次求解后获得适用的镜面偏转角。该方法采用迭代收敛算法解算抑制随机光束指向失调的偏转角并形成数据集,基于该数据集训练浅层神经网络,可根据当前光斑位置偏差直接解算快速反射镜偏转角。仿真实验结果表明,依据该方法解算的偏转角进行调控,相较于未调控前光束状态,在X和Z方向的位置偏差分别减小99.32%、99.46%,角度偏差分别减小99.07%、98.98%,平均综合偏差减小99.16%,极大地抑制了光束指向失调。