大口径光电经纬仪主反射镜支撑结构设计

针对大口径光电经纬仪主镜的支撑结构对主镜面形精度的影响,对大口径光电经纬仪的Φ1 000mm主镜的支撑结构进行了研究。分析了现有轴向和径向支撑结构的局限性,提出了适用于大口径主镜的新的轴向和径向支撑结构,并阐述了该支撑结构的工作原理和优势。利用有限元分析软件建立了主镜的参数化模型,优化了主镜轴向支撑点和径向支撑点的位置,并分析了主镜光轴在竖直和水平位置两个极限状态下的面形误差,计算得到了主镜在竖直状态下面形误差RMS值为2.52nm;在水平状态下面形误差RMS值为4.33nm。对主镜进行装调后,用光学干涉仪检测得到主镜光轴水平时面形精度RMS值为19.87nm。仿真分析结果和实物检测结果都满足设计指标中面形误差RMS值小于λ/30的要求(λ=632.8nm),验证了轴向和径向支撑结构的可行性。

大型光电经纬仪转台的一种轻量化设计

传统光电经纬仪的转台基本都采用铸造或者钢板焊接结构。大型光电经纬仪的转台由于结构尺寸大,如果仍采用铸造或者钢板焊接结构,必然导致转台重量很大,降低跟踪架的系统刚度,于是有对转台进行轻量化设计的需求。提出了采用方钢管焊接成桁架结构,再在外表蒙薄钢板的转台轻量化设计方案。通过对转台的连接部件、止推轴承、径向轴承等进行等效简化,建立了转台的动力学模型。在相同接口尺寸、相同边界条件、相同外形尺寸的条件下,基于动力学模型,分析比较了桁架结构转台和传统钢板焊接结构转台。分析结果表明,采用方钢管焊接的桁架结构转台重量轻、刚度好,是一种比较有效的转台轻量化设计方案。

基于连续体拓扑优化的大型基座轻量化设计

拓扑优化设计能在给定约束和边界条件下,获得最优的材料布局。研究了连续体结构拓扑优化在大型基座轻量化设计中的应用。介绍了连续体拓扑优化原理,建立了拓扑优化的数学模型;对某大型经纬仪的基座进行连续体拓扑优化设计,获得基座的最优材料分布结果;以拓扑优化结果呈现的材料分布特征为依据,用空心方钢管构建桁架结构基座,完成轻量化基座的设计;对设计结果进行有限元分析,结果表明,轻量化基座与传统铸造结构基座相比,在保证静力载荷变形不变的情况下,可减重357.4kg,轻量化率为27.8%。

经纬仪对准动态靶标的方法研究

动态靶标是一种在室内检测光电跟踪测量设备的装置,经纬仪在检验各项精度指标或调试伺服跟踪系统前都需要动态靶标和经纬仪的相对位置满足动态靶标按预定轨迹旋转一周,经纬仪通过调整方位和俯仰姿态都能够捕获到靶标(简称经纬仪对准动态靶标)。首先介绍了传统的经纬仪对准动态靶标的方法,指出了其四方面的局限性,进而提出一种应用角度测量指向装置的经纬仪快速对准动态靶标方法,阐述了该方法所用角度测量装置的具体结构和对准靶标的具体实现过程,接着对应用角度测量装置对准靶标的主要误差进行了分析,最后总结了这种方法的优势。具体使用结果表明,该方法可以显著提高经纬仪对准靶标的工作效率。

机载激光通信系统发展现状与趋势

本文首先介绍了激光通信的突出地位和重大成果,说明机载激光通信技术的先进性和重要性。然后阐明了机载激光通信系统的工作原理,说明进行机载激光通信研究的可行性。接着简要叙述了机载激光通信系统的发展历史和国内外研究现状,重点对其性能指标和技术特点进行了分析。在此基础上,提出了机载激光通信的关键技术,并指出其应用前景和发展趋势。在不久的未来,机载激光通信将会成为信息化战争必不可少的通信手段。

光电仪器镜头盖装置结构设计研究

光电仪器的镜头都需要镜头盖的保护以维持仪器性能、延长使用寿命.文章从光电仪器研制工程实践出发,分类详细总结了常用的光电仪器镜头盖的结构形式和工作原理,阐述了这些镜头盖结构的优点与不足,以及最佳适用场景.在此基础上,提出了一种可应用于光电仪器的新型镜头盖形式——可变光阑式电动镜头盖,这种镜头盖结构原理简单、组件质量小,且不再安装在镜头最前端,故有利于光电镜头在指向机构系统中的静平衡与动平衡装调.

永磁直线电机精确相变量建模方法

针对永磁直线电机控制系统的精确动态仿真,提出了一种基于有限元的永磁直线电机一般化相变量建模方法。考虑电机非理想结构对推力的影响,建立了永磁直线电机的一般化相变量模型。采用3次样条插值,根据电磁场有限元计算结果获得了模型中电感、齿槽力、永磁体产生的磁链与动子位置的关系曲线。考虑功率电子模块中吸收电路的影响,提出了一种基于S-function的仿真建模方法,根据相变量模型的状态方程直接建立了Simulink下的永磁直线电机一般化仿真模型。对某种永磁直线电机进行了两相导通控制和id=0矢量控制下的控制系统仿真实验,仿真结果表明,基于有限元的相变量模型为永磁直线电机控制系统精确动态分析提供了一种快速、有效的一般化建模方法。

应用新轴系结构改善光电跟踪系统谐振频率特性

对典型的光电跟踪系统进行结构分析,提出了改善机械结构谐振频率的方法,以便提高光电跟踪系统的跟踪速度。研究了典型跟踪架的垂直轴系的结构,认为单向止推轴系沿轴向的窜动限制了扭转刚度。提出了以双向止推密珠轴系结合定心轴系的结构形式设计垂直轴系,从而有效地提高了系统的刚度,改善了系统的机械谐振频率。对改进后的跟踪架进行了模态仿真分析,并通过振动及扫频试验获得了光电跟踪系统谐振频率特性曲线。实验结果表明,系统谐振频率达到114Hz,为伺服系统实现高速跟踪时的稳定性和快速性提供了硬件基础。在舰面跟踪高速起降目标的试验中,该系统最大跟踪速度达到150(°)/s以上,加速度大于240(°)/s^2,显示其光电跟踪能力显著提升。

螺栓连接条件下结构振动模态的时频分析方法

在精密光电跟踪设备中,光机结构的振动特性对保持目标跟踪的精度和稳定性具有重要意义。螺栓连接是光机结构的常用连接形式,但其非线性接触特性也使得结构的振动特性变得较为复杂。采用时域激励计算结构位移响应并进行频域分析的方法计算结构的共振频率。相比于弹簧单元模拟螺栓连接等简化方法,此方法不需要对每一个螺栓分别进行弹簧单元刚度等参数的选取和处理。以螺栓连接的悬臂梁为例,先利用接触面固结的模型验证方法的准确性,其后对考虑接触和螺栓预紧力的模型进行仿真计算。仿真的模态结果和试验模态结果对比表明,所提的仿真方法正确且有效。

光电跟踪转台垂直轴系动态特性

为实现光电跟踪转台的精密控制,对某型号跟踪转台垂直轴系动态特性进行了研究。首先分析了轴系固有频率与转台谐振频率之间关系,建立了垂直轴系动力学模型。然后建立了转台有限元模型,进行了模态分析,并根据实际工况,加载激励和边界条件,利用显式积分对垂直轴工作情况下整个转台响应进行求解。最后搭建了垂直轴系动态特性实验平台,进行伺服扫频实验,获得垂直轴以及随动部件的时域和频域特性。结果表明:动力学分析垂直轴系固有频率为180.4Hz,仿真结果为190Hz,伺服实验扫频结果为174Hz,最大误差在10%以内,根据分析提出了增大垂直轴系固有频率与选取控制带宽的参考方案,为轴系动态特性探索研究与优化提供了依据。

螺栓连接悬臂梁超谐响应特性试验研究

针对光电设备中广泛采用的螺栓连接形式,采用单螺栓连接悬臂梁模型,对螺栓连接引起的结构振动特性的改变进行实验。利用激振器和振动信号采集设备,结合快速傅立叶分析方法指出螺栓连接模型在一定条件下有超谐共振响应现象。模型的谐振频率随着扭矩的增大呈先增大后减小的现象。结构在相同扭矩下,第一阶谐振频率随着激励幅值的增大而减小,结构呈渐软非线性。给定1/2和1/3倍谐振频率下的正弦激励,系统能量随着激励幅值的增大而趋向于固有频率处。结构在低预紧扭矩下,非线性项中二次项对结构响应起主要作用;在较高预紧下,非线性项中三次非线性项对结构响应起主要作用。该实验结果对开展后续连接结构的非线性振动特性的研究有一定的理论和指导意义。

低预紧扭矩螺栓连接悬臂梁的2倍谐振响应

为准确获得光电设备中螺栓连接对系统结构动态响应特性的影响,研究了装配连接环节导致的非线性振动特性。采用单螺对栓连接悬臂梁模型,对螺栓连接引起的结构振动特性的改变进行了研究和实验。利用接触有限元方法对低预紧扭矩下结构非线性振动特性进行了时域数值积分仿真分析,给出了不同激励量级周期受迫激励下的相轨迹曲线;结合快速傅里叶分析方法,指出此模型在低预紧扭矩下存在1/2频率激励下的谐振现象。基于激振器实验,给出了实验自由振动响应幅值和受迫振动响应幅值的变化,证实了仿真结果的准确性。数值仿真和激振器实验均表明:激励量级越大,螺栓连接引起的非线性振动中自由振动分量对结构动态响应的影响越大。该方法对开展后续连接结构的非线性振动特性的研究有指导意义。

新型混合柔性铰链柔度研究

提出了一种新型双曲线直圆混合柔性铰链。利用卡氏第二定理推导出双曲线直圆混合柔性铰链的柔度计算公式,并根据所推导的公式,分析了直圆半径、最小厚度和切割深度对其柔度的影响。同时采用实体单元建立双曲线直圆混合柔性铰链的有限元模型,对不同几何参数的铰链进行仿真分析,并对仿真解与解析解进行对比。结果表明:仿真解与解析解的最大误差在8%以内,证明了所推导公式的正确性;与不同形状的柔性铰链对比得出,双曲线直圆混合柔性铰链具有更好的转动能力和对载荷较高的敏感性。所设计的新型双曲线直圆混合柔性铰链更适用于快速反射镜支撑结构中,同时也为混合型柔性铰链的设计和优化提供了理论依据。

激光通信APT系统中快速反射镜研究

快速反射镜(FSM)凭借其高精度、高带宽、高分辨率等优点,已经成为激光通信中捕获、瞄准和跟踪(APT)系统的关键组成部分。本文介绍了国内外研究机构所研制多种类型FSM。首先介绍国内外FSM的发展历程和研究重点,然后,对FSM的支撑类型、驱动类型和各种位置检测元件的选择及设计进行了讨论,得到不同的支撑结构、驱动类型和位置检测元件对FSM各性能指标的影响趋势。最后,通过对各种类型FSM进行归纳总结,提出了激光通信APT系统中FSM向大行程、高精度和高带宽等方向的发展趋势。

光电经纬仪转台动态特性研究

光电经纬仪转台的动态特性对经纬仪瞄准与跟踪性能有重要影响。针对某型号经纬仪展开研究,基于3D Solid单元建立了有限元模型,采用Bathe子空间迭代法对转台进行了模态分析,获取了转台前6阶模态。进行了力锤激励模态测试实验,仿真结果与实验结果误差在12%以内。基于隐式积分法对经纬仪进行了扫频分析,结果表明,该型号经纬仪转台对350 Hz激励最为敏感。研究结果为经纬仪转台结构改进提供了指导,并为控制系统的带宽设计提供了依据。

用于四象限探测器光斑位置检测的数据采集传输系统设计

为了对四象限探测器输出的四路信号进行同步采集传输,本文设计了一套高分辨率、高速率的同步数据采集传输系统。该系统首先以FPGA芯片EP1C12Q240为核心,控制模数转换芯片ADS1274采集数据,数据经过片内FIFO缓存,然后按Camera Link协议将数据打包为32×40大小的图像,图像经Camera Link接口传输到PC机,最后使用图像采集卡采集图像数据,并利用MATLAB编写软件实现图像解码与存储。实验结果表明:该系统实现了分辨率为24bit、采样速率为100kHz的4通道同步数据采集,其有效分辨率可达18.79bit,数据传输稳定可靠。满足了数据采集系统高分辨率、高速率的需求,并且该方案也可方便地移植到其他应用中,具有较好的可扩展性。

基于APD的高灵敏度大气激光通信接收机系统设计

为了满足大气激光通信系统对接收端高灵敏度的要求,通过分析APD和接收机的温度电压特性,以及电压和温度的波动对接收机灵敏度的影响,设计了一种大气激光通信接收机,包括低纹波APD偏压控制电路、APD温度控制电路和主放大器电路等。实验结果表明,偏置电压为46.35V、温度为290K、误码率为10^(-9)时,接收机灵敏度达到-39.1d Bm,满足通信系统要求。

旋转双棱镜指向系统转角补偿偏差修正方法

针对旋转双棱镜系统解算困难、误差源众多和指向精度较低的问题,提出了一种补偿旋转双棱镜指向系统转角的修正方法,采用求偏导和建立全微分方程的方法建立光束指向误差与棱镜转角误差关系,解算出补偿角。经实验验证:在99.57%的指向区域中,指向偏差最大值由1.8742°降低为1.4753°,均方根由0.1401°降低为0.0893°,补偿棱镜转角修正方法可有效提高指向精度。

激光通信主镜结构多目标拓扑优化设计

为提高激光通信主镜的质量,针对激光通信终端主镜进行优化设计。基于多目标拓扑优化和折衷规划法的理论,建立了一种考虑多工况结构刚度和质量最小化的多目标优化数学模型。利用Optistruct求解器对主镜进行优化设计,得到主镜新模型。对主镜结构进行详细设计和有限元分析,分析在主镜光轴水平和竖直工况时的镜面变形。结果表明主镜轻量化率为55.3%,与优化前相比主镜光轴竖直时主镜面形精度有较大提高,满足激光通信中对主镜性能指标的要求。与不同轻量化主镜结构进行对比,该方法得到的结构面形精度更高,验证了该方法的可行性。

倒圆角三角型两轴柔性支撑设计

为提高压电陶瓷驱动的快速反射镜的回转精度,对倒圆角三角型柔性支撑进行研究。首先利用卡氏第二定理推导出倒圆角三角型柔性铰链柔度和回转精度理论计算公式;然后建立倒圆角三角型柔性铰链和两轴柔性支撑的有限元模型,并进行仿真分析得出柔度和回转精度的仿真值。将仿真值与理论值进行比较,其结果表明,最大误差在8%以内,验证了所推导公式的准确性。对比直圆型柔性支撑,在保证柔度的前提下,倒圆角三角型柔性支撑的回转精度提高了40%,具有重要的工程实用价值。