平行光管主反射镜组件的非线性有限元分析

为了提高对光学仪器中光机结构分析的精度,引入了非线性分析方法,用非线性有限元法研究了某平行光管主镜组件存在的非线性问题。介绍了产生结构非线性的主要来源,并在接触理论的基础上对主反射镜组件进行了合理的有限元建模。采用接触非线性分析方法对螺钉预紧时反射镜的响应及在自重和温度载荷作用下反射镜的变形进行了分析。将线性和非线性分析结果与实际结果进行了对比,结果表明,采用接触非线性分析方法对反射镜组件进行工程分析减小了分析误差。因此,在工程分析中,对某些接触部位采用非线性分析方法可以提高分析精度,得到的结果更加符合实际。     

平行光管主反射镜组件的非线性有限元分析

为了提高对光学仪器中光机结构分析的精度,引入了非线性分析方法,用非线性有限元法研究了某平行光管主镜组件存在的非线性问题。介绍了产生结构非线性的主要来源,并在接触理论的基础上对主反射镜组件进行了合理的有限元建模。采用接触非线性分析方法对螺钉预紧时反射镜的响应及在自重和温度载荷作用下反射镜的变形进行了分析。将线性和非线性分析结果与实际结果进行了对比,结果表明,采用接触非线性分析方法对反射镜组件进行工程分析减小了分析误差。因此,在工程分析中,对某些接触部位采用非线性分析方法可以提高分析精度,得到的结果更加符合实际。     

空间平面反射镜组件销钉预紧的非线性分析

介绍了产生结构非线性的主要来源与接触理论,对平面反射镜组件建立了合理的有限元模型.利用接触非线性分析方法分析了小重锤(m=0.18kg)在不同下落高度冲击销钉而对锥孔造成的法向压力;随后,将不同锥孔法向压力对镜面面形精度的影响进行了非线性和线性分析;然后,进行了空间平面反射镜的成像实验.分析与实验结果表明:采用非线性分析得到的面形精度比线性分析更接近实验值,非线性分析与实验值之间的最大误差为8.6%.由此对该空间平面反射镜组件提出了合理的销钉预紧方案,即小重锤最大自由下落高度不超过25mm.     

大孔径光学反射镜球铰支撑方式尺寸稳定性分析

采用球铰支撑可以极大地提高大孔径反射镜工作的可靠性,但必须对这种支撑方式进行合理的稳定性分析。球铰支撑方式的有限元分析必须围绕其支撑方式所具有的严格而又明显的接触特性、顶丝预紧力作用、具有相对滑动趋势而产生的摩擦这三大基本特征展开。应用传统的线性有限元分析手段对大孔径反射镜球铰方式支撑的尺寸稳定性分析具有较大的局限性。为提高分析精度,采用了非线性分析方法,最大程度地模拟实际结构,并将罚函数的摩擦形式引进到了摩擦接触对中,并对其进行了实际模型的解算,使得分析结果更加精确,并依据分析结果,对预紧力进行了合理地选取,使反射镜在一定的工作环境下能够稳定地工作,满足系统成像的需要。     

Ф2020 mm口径空间红外相机主反射镜设计

针对某Ф2 020 mm主反射镜,为了保证空间红外相机主反射镜具有良好的面形精度及较高的一阶固有频率,对其支撑结构进行了针对性研究。根据反射镜的尺寸形状和面形精度要求,确定了反射镜的背部支撑方案。设计了采用两种柔性方式串联的柔性结构用于主反射镜的支撑,并确定了柔性环节的应力最大位置。采用有限元方法对反射镜组件在力热耦合状态下进行了仿真分析,结果表明反射镜全口径最大面形误差RMS值为27.02 nm,组件一阶谐振频率为95 Hz。对相机处于装调状态装星状态时反射镜的面形进行了有限元分析,结果表明满足总体对主反射镜的设计要求。     

空间薄膜反射镜的研究发展现状

空间薄膜反射镜由于具有面密度低,易于折叠展开且成本低等优点很好地满足了空间反射镜的超轻量、超大口径的要求,因此在空间科学研究领域倍受关注。介绍了空间薄膜反射镜的发展,包括薄膜反射镜的理论基础,充气式薄膜反射镜和静电拉伸薄膜反射镜及其他类型的反射镜的代表成果。而后对空间薄膜反射镜的技术难点进行了分析;重点讨论了薄膜反射镜用聚酰亚胺薄膜的生产情况以及薄膜反射镜的面形控制、面形检测和反射镜支撑结构的设计。最后总结了反射镜近期的研制情况、存在的问题和应用发展趋势。认为空间薄膜反射镜作为国内外空间科学的热点,在未来的几十年内将在航天领域的太空望远镜、空间侦察相机、人造太阳、微波天线等方面得到广泛应用。     

空间遥感相机长条反射镜组件的动力学特性分析

空间遥感相机长条反射镜较圆反射镜的整体刚度相差很大,整个组件在随火箭发射过程中因力学环境引起的自身位置改变导致面形的微小畸变从而对成像质量造成严重影响。因此,反射镜组件的设计就成为整个相机系统研制的重点与难点之一。对其进行科学、严谨的力学环境仿真是设计中的有效辅助手段。对某相机的长条反射镜组件动力学响应进行了较为深入的研究,借助MSC-patran,用有限元法进行了求解。获得了组件的动力学特性。     

空间微重力下离轴三反相机离焦范围

由三块反射镜组成的光学系统在轨道空间微重力的影响下,其反射镜面间隔、曲率半径往往发生改变,对系统的后截距产生较大的影响,最终导致相机离焦,成像质量下降。通过分析三反系统的等效高斯光学系统,得到其后截距公式;通过齐次坐标变换,得到反射镜面刚体位移公式;通过采用最小二乘算法拟合计算得到微重力环境下的镜面半径,计算出相机在空间环境下的离焦量为0.04 mm,为调焦机构的设计提供了理论依据。     

吉林一号轻型高分辨空间相机碳纤维桁架支撑技术

从吉林一号卫星某空间相机的实际应用角度出发,提出采用基于碳纤维复合材料的高精密薄壁筒和桁架杆作为主、次反射镜间的支撑结构,并完成相关设计和工程分析。深入开展相关振动、静力和温度稳定性试验,分析和试验结果表明,所提的支撑结构具有较好的结构稳定性和抗视轴抖动性能,碳纤维桁架的质量仅为2.11 kg,当基频达到186 Hz时,在重力和4℃温升条件下的稳定性优于1″。对在轨获取的全色遥感影像进行动态传函(MTF)分析,结果表明空间相机在轨动态MTF值为0.08,进一步证明CFRP桁架结构支撑技术的可靠性和有效性。     

国外碳纤维复合材料空间反射镜技术研究与应用进展

采用碳纤维复合材料(CFRP)制造反射镜是空间光学系统轻量化的发展趋势。详细地阐述了国外科研机构在碳纤维复合材料反射镜方面开展的全面基础研究,特别是美国复合材料反射镜研究应用公司(CMA)、伦敦大学学院UCL在这方面的研究情况。阐明了以PLANCK、RICH、NPOI和ULTRA等项目的高精度反射镜为典型代表的工程应用情况,介绍了碳纤维复合材料反射镜的最新研究情况,包括碳纳米管/环氧树脂制造反射镜和镜面非接触方法加工。     

一种成像测量图像径向几何畸变的校正方法

通过对具有径向畸变的摄像机模型的分析,设计了一套求解图像径向几何畸变中心和畸变多项式系数的方案。首先,依据校正样板曲线的弯曲程度应用一元线性回归法和逐次逼近法求取光学图像的几何畸变中心,然后应用递推最小二乘法求解径向几何畸变的多项式系数,最后根据所得到的畸变中心和畸变多项式系数对图像进行校正得到满足要求的图像。仿真试验证明:该方法可以通过一次采集单幅图像对成像系统进行高精度标定,能够对成像测量系统的径向几何畸变进行一定精度的校正。实践证明:该方法通过图像处理的方法提高成像测量系统的精度,降低了系统的设计成本,可以作为成像测量系统中单独标定摄像机畸变参数的一种简单有效的方法。     

Nonlinear amplitude approximation for bilinear systems

An efficient method to predict vibration amplitudes at the resonant frequencies of dynamical systems with piecewise-linear nonlinearity is developed. This technique is referred to as bilinear amplitude approximation (BAA). BAA constructs a single vibration cycle at each resonant frequency to approximate the periodic steady-state response of the system. It is postulated that the steady-state response is piece-wise linear and can be approximated by analyzing the response over two time intervals during which the system behaves linearly. Overall the dynamics is nonlinear, but the system is in a distinct linear state during each of the two time intervals. Thus, the approximated vibration cycle is constructed using linear analyses. The equation of motion for analyzing the vibration of each state is projected along the overlapping space spanned by the linear mode shapes active in each of the states. This overlapping space is where the vibratory energy is transferred from one state to the other when the system switches from one state to the other. The overlapping space can be obtained using singular value decomposition. The space where the energy is transferred is used together with transition conditions of displacement and velocity compatibility to construct a single vibration cycle and to compute the amplitude of the dynamics. Since the BAA method does not require numerical integration of nonlinear models, computational costs are very low. In this paper, the BAA method is first applied to a single-degree-of-freedom system. Then, a three-degree-of-freedom system is introduced to demonstrate a more general application of BAA. Finally, the BAA method is applied to a full bladed disk with a crack. Results comparing numerical solutions from full-order nonlinear analysis and results obtained using BAA are presented for all systems.     

空间相机接触热阻的计算

为了解决空间相机接触热阻难以确定的问题,从接触面传导和辐射换热的角度考虑,给出了其接触热阻的计算方法。根据空间相机的材料、加工、装配及其特殊运行环境,得到一个合理的接触系数范围。以空间相机的正视相机为例,对其结构进行合理的简化,利用I-DEAS/TMG热分析模块建立有限元模型,仿真计算了低温稳态平衡工况,考查了热阻波动对温度分布的影响。正视相机热分析计算结果和热环境模拟试验数据较为吻合,最大偏差为0.45℃。研究结果表明,该接触热阻计算方法合理,可以预测太空环境中干接触的精密加工表面间的接触热阻。     

碳纤维复合材料反射镜面板的铺层设计

从刚度设计的角度出发,利用有限元法对用于某空间光学系统的碳纤维复合材料反射镜面板的铺层进行设计,通过对角度相间步长为15°的铺层所制作的各种面板进行静力学分析,得出了在相同载荷的作用下,采用[0°/60°/-60°]s的铺层形式的反射面板产生的变形最小的结论,进而提出了在使用碳纤维复合材料制作空间光学反射镜时,反射面板铺层设计的一般方法,可以对碳纤维复合材料反射镜的制作提供一些参考。     

Modal analysis of a continuous gyroscopic second-order system with nonlinear constraints

A method for the modal analysis of continuous gyroscopic systems with nonlinear constraints is developed. This method assumes that the nonlinear constraint can be expressed as a piecewise linear force-deflection profile located at an arbitrary position within the domain. Using this assumption, the mode shapes and natural frequencies are first found for each state, then a mapping method based on the inner product of the mode shapes is developed to map the displacement of the system between the in-contact and out-of-contact states. To illustrate this method, a model for the vibration of a traveling string in contact with a piecewise-linear constraint is developed as an analog of the interaction between magnetic tape and a guide in data storage systems. Five design parameters of the guide are considered: flange clearance, flange stiffness, symmetry of the force-deflection profile in terms of flange stiffness and offset, and the guide's position along the length of the string. There are critical bifurcation thresholds, below which the system exhibits no chaotic behavior and is dominated by period one, symmetric behavior, and above which the system contains asymmetric, higher periodic motion with windows of chaotic behavior. These bifurcation thresholds are particularly pronounced for the transport speed, flange clearance, symmetry of the force deflection profile, and guide position. The stability of the system is sensitive to the system's velocity, and, compared to stationary systems, more mode shapes are needed to accurately model the dynamics of the system.     

光学反射镜柔性锥套连接结构的设计与分析

针对空间光学遥感器反射镜结构刚度高、热尺寸稳定性差的状况,设计了一种柔性锥套结构,它在保持结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性。对某光学反射镜组件中的柔性锥套进行了合理的结构设计,并对柔性铰链参数进行了分析,采用有限元法对反射镜组件的非柔性锥套连接结构和柔性锥套连接结构在自重和热两种工况下的反射镜面形精度进行了仿真分析。分析结果表明:由柔性锥套连接的反射镜在自重工况下面形PV值较非柔性锥套连接形式变化不大,而热变形明显好于非锥套连接的面形精度,PV值由43.9nm降到了27.5nm,对热的贡献较大;连接在整机工况下的反射镜组件的反射镜面形精度可满足遥感器的成像质量要求,保证了结构的热尺寸稳定性。因此这种柔性锥套连接结构在实际遥感器结构中是合理可行的。     

空间相机调焦机构的设计与分析

设计了一种用于空间相机的调焦机构,该机构采用步进电机带动的精密步进谐波传动。波发生器由椭圆凸轮与套在其上的柔性轴承组成,输出端连接滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动,带动调焦镜沿直线导轨往复运动,其中输出刚轮与绝对式编码器相连,检测调焦移动位移。该机构具有传动比大、精度高、结构紧凑、效率高、运转平稳等特点。针对该机构在空间相机的实际应用,推导出了调焦机构位移与焦面移动的位置关系,并对该调焦机构进行了误差分析,用闭环控制的方式对其精度进行了检测。试验数据表明,该调焦机构传动比为1：70,重复定位精度为2μm,满足空间相机使用要求。     

A novel optimization method of camera parameters used for vision measurement

Camera calibration plays an important role in the field of machine vision applications. During the process of camera calibration, nonlinear optimization technique is crucial to obtain the best performance of camera parameters. Currently, the existing optimization method aims at minimizing the distance error between the detected image point and the calculated back-projected image point, based on 2D image pixels coordinate. However, the vision measurement process is conducted in 3D space while the optimization method generally adopted is carried out in 2D image plane. Moreover, the error criterion with respect to optimization and measurement is different. In other words, the equal pixel distance error in 2D image plane leads to diverse 3D metric distance error at different position before the camera. All the reasons mentioned above will cause accuracy decrease for 3D vision measurement. To solve the problem, a novel optimization method of camera parameters used for vision measurement is proposed. The presented method is devoted to minimizing the metric distance error between the calculated point and the real point in 3D measurement coordinate system. Comparatively, the initial camera parameters acquired through linear calibration are optimized through two different methods: one is the conventional method and the other is the novel method presented by this paper. Also, the calibration accuracy and measurement accuracy of the parameters obtained by the two methods are thoroughly analyzed and the choice of a suitable accuracy evaluation method is discussed. Simulative and real experiments to estimate the performance of the proposed method on test data are reported, and the results show that the proposed 3D optimization method is quite efficient to improve measurement accuracy compared with traditional method. It can meet the practical requirement of high precision in 3D vision metrology engineering.