三维角度调节靶架的定位精度分析

针对大功率激光装置中送靶机构特性,设计了一种新型三维角度调节靶架,该靶架由一个正切机构实现回转角度调整,由一套正交分布的正切机构实现二维角度偏摆调整。从靶架机构中的原理误差、结构误差和牵连误差出发,对角度调节靶架机构的结构参数进行了分析。结果显示:靶架机构误差受直线驱动器位移、驱动器球头半径、正切机构作用半径、驱动器安装孔角度误差、驱动器圆柱面对中误差、两个正切机构正交误差、靶杆和回转轴线倾斜角度影响。靶杆和回转轴安装倾斜误差影响较大,球接触误差次之,通过精密装调及控制系统补偿后此三维角度调节靶架精度可达0.1 mrad。     

步进电机驱动的直线变倍成像系统研究

为了满足无人机光电载荷的体积和重量要求,并有效解决传统凸轮机构加工精度要求高、系统易产生机械振荡等问题,提高系统的响应速度和变焦精度,对基于步进电机驱动实现连续变焦的直线变倍成像系统进行研究。采用二相混合式步进电机驱动实现机械补偿式变焦系统的变焦聚焦功能。首先,本文研究了基于步进电机的直线变倍成像系统的工作原理与构成,完成硬件平台的搭建,利用单片机控制实现步进电机的加减速过程。然后构造适合本系统的图像清晰度评价函数,并采用扫描反馈搜索算法完成对镜头焦距值的标定,将标定结果载入聚焦算法。最后,完成系统的性能测试。测试结果显示,采用速度控制模型后,步进电机的定位误差显著降低,范围在0.010 mm以下,整个系统的变焦精度远远小于1%,而且光学性能和外场拍摄性能较好。该基于步进电机的直线变倍成像系统满足无人机光电载荷的适用性要求。     

光学系统计算机辅助装调的坐标基准过渡方法

为实现光学系统计算机辅助装调工程化应用,达到根据失调量的计算值对光学元件进行空间位置误差校正的目的,提出了失调量的计算值和调整机构调整量之间的过渡方法,利用坐标变换和最小二乘优化算法建立了失调量-调整量的关系模型,完成了两者坐标基准过渡。仿真结果表明,根据此方法自编程序计算出的平移调整量精度可达10-6 mm量级,角度调整量精度可达0.02″量级,计算精度远高于光学系统的装调要求。在模拟装调过程中,与直接采用失调量计算值对元件调整的结果相比,此方法的调整结果明显好于前者。对于不同的光学元件装卡方式和调整机构,可对此算法的相关参量进行赋值,灵活运用于不同的工况,为计算机辅助装调的实际工程化应用提供理论依据。     

激光跟踪测量系统中的光学误差分析

论述了在激光跟踪测量系统中由跟踪转镜机构和猫眼逆反射器产生的光学误差,并分析了它们对测量结果产生的影响。通过仿真得到了"计算中心点"的坐标。利用光学理论计算了跟踪转镜机构入射光束偏心和镜面偏心产生的误差。从猫眼的球度误差、材料折射率误差和光学中心误差几个方面对猫眼产生的光学误差进行了分析。结果表明,猫眼的误差对测量精度影响较大,因此要求猫眼精度要高。     

四分束全Stokes同时偏振成像系统波片快轴装调误差的分析及优化

建立了包含1/2波片(HWP)和1/4波片(QWP)快轴装调误差的Stokes矢量测量误差方程。分析了波片快轴的装调误差对7种典型基态入射光的Stokes矢量测量精度的影响,推导了任意入射光Stokes矢量测量误差的表征方法。仿真结果表明,偏振度越大,偏振测量误差越大,选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统性能。提出了一种波片快轴装调误差的优化方法,当测量矩阵的条件数小于1.84时,选取0.772/0.228的分束比可使波片快轴装调误差对系统偏振测量精度的影响最小。为满足2%的偏振测量精度,HWP的快轴装调误差应在±0.15°内,QWP的快轴装调误差应在±0.52°内。     

提高平行光管分划板装调精度新方法研究

推导了分划板失调量与待测系统调制传递函数(MTF)下降之间的解析表达式,对光管和待测系统焦距比与分划板装调精度之间的数学关系进行仿真分析,发现焦距比为1,分划板轴向装调误差为0.0012mm引起的待测系统MTF下降为0.01。据此提出依据Zernike系数定量指导装调,采用数字干涉仪与平行光管、分划板构成干涉光路进行逐次迭代调整的方法。实验与数学分析均表明,上述方法可显著提升分划板装调精度,其引起的探测器离焦导致的MTF下降可控制在0.013。实验结果与理论值之间的偏差表明,环境扰动等不确定度对标定精度产生影响,在测试环境良好的条件下采用上述装调方法,使用焦距与待测光电系统焦距相当的平行光管就可满足高精度光学标定与装调的测试需求。     

大口径光学非球面元件拼接优化及精度验证

针对磨削阶段大口径光学非球面元件拼接测量精度不高的问题,提出一种基于两段拼接的优化算法。首先根据多体系统运动学理论、斜率差值及逆推法建立两段面形轮廓的拼接数学模型;其次针对拼接算法中工件运动量和运动误差对拼接精度的影响,仿真分析了350mm非球面工件的两段拼接。仿真结果表明,随着平移误差增大,拼接误差明显增大,而当控制旋转角度在8°以内、平移量在10mm以内、旋转误差在60′以下及平移误差在3μm以下时,拼接误差的标准偏差值在0.2μm波动;最后利用Taylor Hobson轮廓仪和高精度辅助测量夹具对120mm口径的非球面光学元件进行测量实验并研究工件运动量对拼接测量精度的影响。实验结果表明,当控制平移量在10mm以内和旋转角度在8°以下时,拼接误差的标准偏差值在0.2~0.6μm之间,能满足磨削阶段光学元件亚μm级精度的面形检测要求。     

小口径高精度折射式光学系统装调公差的分析与控制

采用小口径高精度折射式光学系统的对地观测遥感器对成像质量要求严格,随之对装调公差要求苛刻。传统装调公差分配完全以光学设计给定公差为标准,在实际装调过程中与精度和周期的需求产生矛盾。提出将光学设计和装调实践相结合,用全过程仿真计算进行成像质量预估,对公差进行再分配,并利用光学系统各分离误差相互间的补偿,实时调整公差。然后举例说明在某小口径高精度折射式光学系统装调过程中对公差的具体分析,并详细阐述了针对公差的再分配和补偿方法,实现对偏心误差的控制精度为2,对镜间距的控制精度为1 m。镜头装调完成后成像性能良好,证明公差分配及控制方法的改进使装调效率显著提高。     

基于矢量波像差理论的两反系统装配失调解算方法

以矢量波像差理论中的三级像差理论为基础,提出了一种两反系统装配失调量解算方法。该方法仅采用轴上视场波前像差系数建立失调量解算模型,然后基于球差系数解算间隔误差,并基于彗差和像散系数解算偏心和倾斜误差,大幅提高了解算精度和效率。以某一两反光学系统为例,利用光学设计软件Zemax进行模拟装调,系统轴上视场失调像差系数均减小到10~(-7)数量级,失调误差均校正到10~(-5)数量级,达到了良好的装调效果。最后,利用该失调量解算模型指导两反光学系统的装调,失调量解算精度及装调精度达到了使用要求。Zemax模拟装调结果和实际装调效果均证明了所提方法的正确性。     

匹配光纤光栅温度传感解调系统

实验了一种基于一维调节器的光纤光栅静态温度(温度缓变)探测系统。在系统中,一维调节器与步进电机相连,步进电机由PC(计算机)通过PLC(可编程逻辑控制器)进行控制,匹配光纤光栅被固定在一维调节器上用来解调增敏光纤光栅传感器探测到的温度信号,匹配光栅的Bragg周期可通过调节一维调节器进行控制,其透射的光信号经光电检测电路检测并与调节架形成闭环控制。实验测得,在10℃~70℃范围内系统温度传感探测精度为±0.3℃。     

基于聚焦物镜与PSD的激光对中测量方法研究

针对传统激光对中方法数学模型复杂、求解困难的不足,提出一种基于聚焦物镜与PSD的激光对中测量方法。该方法利用光学系统中视场与焦距的关系以及相似三角形的原理得到不对中的角度偏差和平行偏差,测量原理简单,求解方便。实验结果表明,当平行偏量和角度偏量的测量范围分别为0.5 mm~1.5 mm,0.047 7°~0.143 2°时,平行偏量测量误差范围为0.035 mm~0.207 mm,角度测量误差范围为0.000 2°~0.012 8°。最后对系统测量误差进行分析并提出一种消除安装误差影响的方法,给出了计算公式。     

一种独轮车机器人俯仰平衡运动的控制与实现

针对一台3驱动独轮车机器人系统,对其运动学和动力学特性进行了分析,给出了一种可实现其前后俯仰平衡运动的控制策略。通过对独轮车俯仰运动分析,建立了独轮车俯仰平衡运动的简化力学模型;采用部分反馈线性化的控制方法对车体俯仰角进行了线性化处理,以车体俯仰角和行走轮转角为输出设计了控制器;最后,通过数值仿真实验和物理样机实验验证了力学模型的可靠性和所设计的控制器的有效性。     

BD-1高精度Bragg衍射仪微机控制系统研制

本文阐述了我国首次研制的BD-1高精度Bragg衍射仪中的微机控制系统。本系统采用Apple-Ⅱ微机、新型驱动细分控制器对步进电机实现步距角二细分控制,使衍射仪内单轴转台的θ角实现小步距转角(5.4″)高精度、高稳定的控制;该微机系统还实现了对工作台随动升降控制;晶体转角微调控制;高分辨数据采集及处理;限位报警等功能,且具有较强的抗干扰能力。     

二维振镜扫描系统调向误差分析

对比分析现有光束扫描系统的优劣,提出采用二维振镜扫描系统作为多光谱集成靶标的光轴调向装置,光轴调向装置的调向精度影响多光谱集成靶标的校准精度。通过对二维振镜扫描系统调向误差进行分析,建立二维振镜扫描系统调向模型,并进行了二维振镜扫描系统调向误差测量实验。结果表明:二维振镜扫描系统的方位角误差和俯仰角误差小于8″,调向角误差小于9″,调向误差小于10″,能够满足多光谱集成靶标光轴调向精度要求。     

精确确定光路中四分之一波片光轴方位的新方法

为了准确安装四分之一波片,介绍了一种精确确定光路中四分之一波片光轴方位的新方法,并利用米勒矩阵理论分析了影响测量结果的误差因素.测试方法所用的主要理论有米勒矩阵理论、傅里叶分析方法和最小二乘法.该方法利用最小二乘法得到了最优傅里叶系数,利用消光比测试原理实现了检偏棱镜的精确安装,利用反馈环控制系统对步进电机的步进角进行了控制.误差分析表明该方法的测量误差与四分之一波片光轴方位角本身的大小有关.实验结果表明该方法的标准不确定度为0.03.     

关于激光测距机光轴平行性校正方法的改进

对激光测距机传统的光轴校正方法进行了改进：通过光轴平行性偏差与偏心环（框）旋转角度之间的校正模型计算出偏心环（框）需要调整的角度值,利用光轴校正装置可实现激光测距机光轴的校正。校正方法可分为半自动校正和全自动校正两种方法：半自动校正方法采用在激光测距机双偏心结构上加刻度环,通过套筒旋转双偏心结构一定角度,实现对光轴进行调整;全自动校正方法采用步进电机带动双偏心结构旋转达到对光轴进行调整的目的。通过对某型激光测距机进行实验研究,实验结果表明,采用提出的方法进行光轴校正后光轴误差均在最大允许误差范围内(0.25mrad),该值满足实际要求。     

激光干涉任意转角测量信号的获得及误差补偿技术

采用信号处理的方法对激光干涉测角系统的特性进行线性化处理,需要产生两路正交信号。采用空间互相垂直的两套干涉系统获得信号难免会使系统复杂、调整困难,因此提出了一种插值处理方法,可以利用测量得到的一路信号获得线性输出信号。输出信号的非线性误差较处理前大大减小了,但是无法满足高精度测量的要求。还提出了针对误差产生的原因进行的误差补偿技术。实验结果表明,提出的方法可以实现任意转角的高精度测量,光程差的测量误差小于±0 2μm,对应的转角测量误差为0 63″。     

Orthogonal-polarization compensation method for measuring unsteady vertical force of a bumblebee in a wind tunnel

It is important to measure the unsteady vertical force of an insect in a wind tunnel for studying the flight performance of insects. Optical method can measure it with high accuracy, but it is affected by air turbulence. An orthogonal-polarization compensation (OPC) method is developed for measuring the beating force of a bumblebee in a wind tunnel and compensating the error due to beam fluctuations induced by air turbulence. The applicability of the OPC method was confirmed by using a piezo translator to generate the tilt angle variation. The results show that by using the OPC method, the error in tilt angle measurement due to air turbulence can be decreased by about 80% compared with that using the conventional angle measurement method. The OPC method was then applied to measure the tilt angle variation caused by the beating motion of a bumblebee attached to one end of a sensor block in a wind tunnel for a wind velocity of 1.1 ms⁻¹. The results confirmed the effectiveness of this new method.     

船舶运动状态下风速风向测量补偿与数字仿真

为了研究船舶运动状态下的风速风向精确测量,设计了一种船舶风速风向动态测量及误差补偿的数字仿真系统。通过对船舶航行状态下的风速风向测量原理进行分析,建立了船舶平面运动的相对风速风向和真风风速风向的解算模型,并根据船舶空间运动的风速风向测量及其误差补偿算法,对船舶横摇、纵摇状态下的风速风向的动态测量和误差补偿进行了数字仿真。数字仿真结果表明,该方法能够消除船舶航行时的运动姿态对风速风向测量带来的影响,为船舶的操纵控制和航行安全提供了精确和可靠的风速风向数据信息。     

A vibrators alternation stepping ultrasonic motor

A new concept of a vibrators alternation stepping ultrasonic motor, based on longitudinal vibrations of rectangular Langevin resonators, is presented. The new motor fed by a single-phase resource without feedback is capable of bi-directions step displacements without accumulative displacement error. The step angle is 1.44 degrees, when the 150 grooves on the rotor are used in positioning. The average rotation speed without load in one step is 16.49-14.65 rad/s, and the braking torque is 0.071-0.088 Nm in operating frequency 30 kHz and operation voltage 200 V.