基于摄影测量的定日镜面形误差检测方法研究

在塔式太阳能热发电中,定日镜面形误差对镜场光学效率具有重要影响,因此需要对定日镜面形误差进行检测。定日镜一般由多个子镜拼接而成,子镜的倾斜角度误差是定日镜面形误差的重要组成部分。本文提出一种基于摄影测量的定日镜子镜倾斜角度误差的检测方法,即在已知定日镜子镜外形尺寸的条件下,利用摄影成像原理计算出定日镜子镜4个角点的空间位置坐标,进而求出子镜的法线方向,再利用所求得的法线计算出子镜的倾斜角度,最终实现对定日镜子镜倾斜角度误差的检测。本文详细阐述了该方法的测量原理,推导了计算公式,并利用平面镜与相机进行了相关验证实验。通过在不同距离下对不同倾斜角度的平面镜进行测量实验,得出测量镜面倾斜角度与实际倾斜角度的偏差约为0.1°~0.3°,实验结果表明:该方法能够较准确地检测定日镜子镜的倾斜角度误差,验证了该方法的正确性和可行性。

自由空间光通信ATP系统中精瞄偏转镜的设计

二维精瞄偏转镜是自由空间光通信中捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统的关键组成部分,对偏转镜进行了机构设计和有限元模态分析,偏转镜采用压电陶瓷驱动器驱动,采用柔性铰链传动。研制了集驱动、检测、主控模块为一体的数字式精密定位控制器,在实验室构建了两套测试系统,对偏转镜的频率和静态性能进行了测试,并着重介绍了频率的两种测量方法及其优缺点分析。仿真和测试结果表明,偏转镜的频率约为1.5 kHz,转角范围约为±2 mrad,精度约为1μrad,分辨率约为0.1μrad。

两维高速压电倾斜反射镜

介绍了两维高速压电倾斜反射镜（以下简称倾斜镜）的性能分析、工作原理和我们研制的各种倾斜镜。

高速转镜干涉成像光谱仪

介绍一种高速转镜干涉光谱仪原理,提出一种基于该原理的干涉成像光谱仪,该成像光谱仪有较大视场角,提高了扫描效率,特点是用带有倾角平面反射镜转动代替传统Michelson干涉成像光谱仪动镜的直线运动,解决了Michelson干涉成像光谱仪扫描效率低和不稳定的难题.

空间稳像系统摆镜设计与仿真

摆镜作为稳像系统核心部件,摆镜单元的性能参数和外载荷对摆镜面形的影响为摆镜设计和装配的主要约束条件。在设计约束基础上,对摆镜及其装卡结构材料进行了选择,对结构进行了轻量化设计。为考察外载作用对摆镜面形影响规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜组件进行了仿真,使用基于Zernike多项式的光机集成仿真方法消除刚体位移,得到了消除刚体位移后摆镜面形参数。仿真结果表明:外载作用下摆镜刚体位移明显;预紧力作用下刚体平移占据了刚体位移的主要方面;动力载荷作用下,当重力存在于光轴方向时,静力载荷对摆镜面形起主要作用,否则动力载荷对摆镜面形起主导作用。在仿真数据基础上,对摆镜零件进行了加工和装配,对装配后摆镜进行了面形测试,测试结果表明:摆镜面形能够满足设计要求,也说明了摆镜结构设计的合理性和仿真方法的有效性。

液晶自适应光学系统中倾斜镜的建模与控制

为了提高液晶自适应光学系统的波前探测精度,研究了该系统中倾斜镜的校正方法。分析了液晶自适应光学系统中各环节的物理特性,利用拉格朗日方程给出了倾斜镜系统模型的基本结构;采用子空间辨识方法确定了模型参数,同时利用非线性最小二乘算法对子空间模型的频域特性进行了修正。修正后模型幅频特性均方根误差为0.024 5dB,相频特性均方根误差为1.9008°。引入Smith控制策略来解决倾斜镜校正波前整体倾斜过程中的时滞问题;利用子空间辨识出的模型分别进行Smith和PID的仿真和实验验证,得到的结果与仿真计算相吻合,即在相同稳定裕度的情况下,采用Smith补偿PID算法的误差抑制带宽比传统PID算法提高了23.97%。最后,用提出的方法对一组湍流整体倾斜信号进行了校正。结果显示:采用Smith补偿PID算法的控制精度比传统PID算法提高了21.03%,证实提出的方法优化了倾斜镜的校正精度,保证了开环液晶自适应光学系统的波前探测精度。

压电式快速控制反射镜的迟滞特性及线性化

针对压电式快速控制反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)的迟滞问题,分析了压电式FSM的工作原理和迟滞特性,建立了基于Bouc-Wen算子的压电式FSM的数学模型及其参数辨识方法。通过Bouc-Wen算子模拟压电式FSM输出镜面偏转角度中的迟滞分量,并根据在两个相位相同的输入驱动电压信号下压电式FSM的输出镜面偏转角度曲线辨识Bouc-Wen算子的全部参数。在此基础上,提出了压电式FSM的前馈线性化方法。为了验证提出的数学模型和线性化方法的原理,建立了压电式FSM及其线性化控制器的快速原型系统和Bouc-Wen算子参数辨识实验装置。实验结果表明:本文提出的参数辨识方法能够准确辨识压电式FSM的Bouc-Wen算子参数,提出的前馈线性化方法能够将压电式FSM的输出镜面偏转角度与输入控制电压的线性度提高到2.3%,迟滞误差减小到±0.5%,满足实际应用对精确控制压电式FSM的要求。

基于接触方法与集成仿真技术的摆镜面形仿真

为考察所设计摆镜在外载作用下面形变化是否满足设计要求,研究了摆镜在螺钉预紧力和不同方向重力作用下的摆镜面形变化规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜进行了仿真,采用基于Zernike多项式的数据处理算法对面形数据进行了处理,得到消除刚体位移后表征实际面形变化的参数和表示刚体位移系数的分布曲线。结果表明:螺钉预紧力和不同方向重力作用下摆镜刚体位移明显,镜面平移占据了刚体位移的主要方面,基于集成仿真技术的面形处理算法可以有效消除刚体位移;预紧力存在、不同方向重力作用下摆镜面形影响略有不同,与预紧力相比重力作用对面形影响较小。预紧力作用下摆镜面形仿真数据对于摆镜设计、装调具有一定指导意义,也说明了基于接触方法面形仿真的工程适用性。

空间太阳望远镜中的轻量化铍镜研究

为提高空间太阳望远镜相关跟踪系统的动态性能,验证金属铍作为可见光波段反射镜材料的可行性与可靠性,对空间太阳望远镜相关跟踪器中的摆镜进行了研究,设计与研制了Φ84 mm轻量化铍镜。利用冲击研磨工艺得到铍粉,再通过热等静压工艺和机械加工得到铍镜镜坯。使用化学镀镍工艺在镜坯基体上镀覆镍磷合金过渡层,再经过光学加工完成铍镜研制。镜面干涉检测后得到面形精度为RMS:0.012λ,PV:0.114λ,铍镜轻量化率为43.68%。检测结果满足空间太阳望远镜的技术要求。

非正交二维MEMS倾斜镜的研制

为提高传统二维倾斜镜在非正交方向上的光转换效率,设计并加工了一种转轴非正交二维MEMS倾斜镜。倾斜镜上电极非对称地固定在基底上,通过控制上、下电极的加电方式实现倾斜镜在两个非正交轴上的偏转变形。采用三层膜的结构设计,消除了上电极应力变形对镜面平整度的影响。通过在上电极加工微小突起,减小上下电极的重叠面积,避免了倾斜镜的吸合失效;另外,上、下电极仅在其边缘处重叠,确保了静电力的有效利用。研制的倾斜镜驱动电压低,在3.5 V的电压下可实现绕水平X轴0.16°、绕倾斜Y轴0.03°的偏转,Y轴与X轴成145.37°夹角。倾斜镜结构简单,可实现绕两个非正交转轴的偏转,空间适应性好,且有效避免了静电吸合对镜子的损坏。

转镜参数对送粉式激光熔覆工艺过程的影响

从理论上分析了激光熔覆光源的形成原理及转镜参数对光源能量分布的影响 ,结果表明 ,在其它条件不变的情况下 ,随着转镜棱数m增加 ,激光熔覆光源长度减小 ;而转镜转速n越高 ,激光熔覆光源的能量分布越均匀。通过对不同转速条件下获得试样的金相组织、熔覆层尺寸和熔覆层硬度的分析测试 ,试验结果表明 ,熔覆层不同区域的组织形态随转镜转速的变化均有所变化 ;熔覆层宽度和厚度随转镜转速的增加而增大 ;熔覆层硬度随转镜转速的增加虽略有下降 ,但影响不大。

某空间望远镜相关跟踪系统摆镜随机振动分析

介绍了基础激励下机构随机振动响应的理论与分析方法.利用有限元分析软件ANSYS建立了某空间望远镜相关跟踪系统摆镜的有限元模型,并进行了随机振动响应分析.通过分析考察了其承受动力学环境的能力.对计算结果进行了分析.指出了现有结构中的薄弱环节,提出了改进方案,为摆镜的设计提供了重要参考依据.

大角度压电式快速控制反射镜

针对现有的基于压电陶瓷叠堆执行器的快速控制反射镜偏转角度较小的问题,提出了一种大角度定轴偏转压电式快速控制反射镜。采用基于柔性铰链的桥式位移放大机构将压电陶瓷叠堆执行器的输出位移放大,并将其作用到反射镜面上实现大角度定轴偏转。在此基础上,建立了压电式快速控制反射镜的结构和偏转角度输出方程,并通过理论推导和仿真对其工作时的最大偏转角度、最大应力和自然频率特性进行了分析。最后,通过实验测试对建立的压电式快速控制反射镜的工作原理和特性分析结果进行了验证。结果表明,建立的偏转角度输出方程能够根据压电陶瓷叠堆执行器的输出位移准确估计压电式快速控制反射镜的机械偏转角度,从而大大提高设计的效率;建立的压电式快速控制反射镜可以实现大于3°的镜面机械偏转,其固有频率为180Hz,能够满足高速稳像系统的偏转角度大、响应速度快的要求。

45°倾斜镜多自由度精调结构设计研究

对于高准确度光学系统,光学元件及其支撑机构之间的简单连接很难使光路对准并满足公差要求,本文介绍了一种在光学系统中能够对光路进行折转或分束的45°倾斜镜的精调支撑机构.该倾斜镜支撑结构采用了多自由度精调方式,能够在实现两维倾斜调整的同时,实现相互垂直光路的方向平移.设计中使用的柔性元件使结构的倾斜调整准确度达到角秒级,实现0-10 mm的位移,同时借鉴现有的燕尾槽导轨平移技术节省加工成本和减小周期,并且借助有限元分析软件,对机构中的关键部分进行了详尽的分析和论证.整个研究方法可作为同类光机系统设计时的参考,在光学系统的光路调整中有较大的应用价值.

自适应光学系统中倾斜镜的自适应逆控制

为了克服自适应光学系统中倾斜镜的迟滞响应,提高响应的线性度,改善倾斜镜的控制精度,研究了倾斜镜的迟滞非线性效应。提出了一个基于频率相关的Mutified-Prandtl-Ishlinskii(MPI)模型的补偿方法来在线自适应逆补偿倾斜镜的迟滞非线性。结合反馈PID控制构成了自适应逆前馈复合控制方案,其中自适应逆前馈克服了由于频率等因素引起的迟滞曲线变化,反馈PID则改善了整体的控制性能。建立了倾斜镜二阶系统模型来估计倾斜镜系统的输出,解决了MPI模型参考信号的问题,避免了增加额外前馈传感器,保证了光能量的利用率。实验结果表明,倾斜镜系统15 Hz非线性迟滞率由原来的24.28%降为1.17%,线性度提高了约95%,控制精度较传统PID方法提高了约60%。该方法能够有效补偿倾斜镜的迟滞非线性,提高了自适应光学系统中倾斜镜的校正精度。

多节点激光通信天线“一体式”SiC/Al轻量化摆镜

为了降低多节点激光通信天线的工作包络尺寸、提高二维摆镜的运动控制精度,避免镜体材料与支撑材料性能差异引起的面形改变,提出了一种包含支撑结构的"一体式"轻量化摆镜。采用高体分SiC/Al作为材料,进行了摆镜以及支撑结构的一体化设计,提高了摆镜面形的力、热稳定性,可直接连接转台俯仰轴座,使摆镜回转中心距镜面的距离缩短至20 mm。有限元分析表明,"一体式"摆镜基频为1 337 Hz,在(20±5)℃工作温度范围内,面形误差峰谷值(PV)优于0.121λ,面形误差均方根值(RMS)优于0.031λ。使用ZYGO干涉仪对摆镜的面形进行检测,结果表明在(20±5)℃温度范围内摆镜面形PV值优于0.163λ,RMS值优于0.029λ,满足激光通信天线对于摆镜面形λ/25(RMS)的指标要求。

空间太阳望远镜中铍摆镜的有限元分析与应用

根据空间镜面材料选择原则进行了摆镜材料优选,研制了用于空间太阳望远镜相关跟踪器中的铍摆镜,建立了铍摆镜有限元模型并进行了力学分析。重点分析了铍摆镜在承受惯性载荷和温度载荷情况下的力学性能,对其在不同工况条件下的面形和内部应力的变化做了对比。最后,与同结构碳化硅材料摆镜在上述载荷情况下的力学性能进行类比分析,结果表明:铍摆镜受到惯性和温度载荷作用时引起镜体内部应力小于材料本身的屈服强度,力学性能优于碳化硅摆镜,其面形精度:RMS为2.18×10-6mm,PV为1.69×10-5mm,一阶谐振频率为1609 Hz。该摆镜结构设计合理,计算结果满足相关跟踪器使用要求,已经得到铍摆镜镜坯。

带摆镜的制冷型中波红外像方扫描光学系统设计

基本形式的像方扫描光学系统依然需要复杂的二维回转机构带动成像镜组做二维扫描,所以二维回转机构需要承担较大载荷。分析了基本形式的像方扫描光学系统形式,并在基本形式基础上加入摆镜,只通过二维摆镜的旋转达到扫描像面的目的,大大减小二维回转机构载荷,提高扫描速度,简化了系统结构,减小了系统体积。加入摆镜后的光学系统除具有基本形式像方扫描光学系统的性质外,还有了新的限制条件,对带摆镜的像方扫描光学系统进行了分析,提出了设计条件及设计方法,并设计出具有较大视场的像方扫描光学系统。

衰荡光腔中腔镜倾斜分析

分析了衰荡腔中腔镜倾斜产生的腔长失调和单程损耗因子变化,根据失调腔矩阵分析方法并参照实验参数,建立了腔镜角度失调下反射率测量的理论模型。利用该模型,模拟了不同腔镜倾斜量下的衰荡信号波形,分析了波形变化的原因,研究了测量精度与腔镜倾斜量的关系。分析表明,腔镜微小倾斜产生的衍射损耗的变化可以忽略,但导致的腔长变化和衰荡光斑漂移,会限制测量的精度。将衰荡波形的变化用于腔镜角度的精确调节中,可以提高该测量精度。

干涉光谱仪动镜倾斜误差容限分析

本文从调制度和相位误差角度，系统分析了双光束干涉光谱仪中，当光束孔径为圆形和矩形时，动镜运动过程中发生倾斜的影响，讨论了动镜倾斜容限以及减小动镜倾斜误差的方法．