球面和柱面反射镜的象散及转镜扫描相机中柱面负透镜的计算

在转镜扫描相机中,对高速旋转的转镜的面形质量,提出了较高的要求。由于离心力所造成的转镜面形的变化,使相机在成象光路中产生了象散,从而降低了图象的分辨率。高速旋转中的平面反射镜,其镜面形变量是可以通过计算求得,也可以用特定的装置测定。     

共面光路在等待型转镜高速摄影机中实现同时分幅扫描

根据胶片图象形式的不同,转镜相机可分为两类,即扫描摄影机和分幅摄影机。由于它们各有利弊,因此,最好的方法是能用一台摄影机,同时得到现象的扫描和分幅图象。国际上有美国的330A型相机,但它采用空间光路,三面体铍转镜及整体充氦技术,这就给技术、工艺带来许多困难。本文根据我国的具体情况,提出了一种新颖方案来同时实现分幅、扫描,它包括以下内容: 采用两层共面光路可实现同时分幅扫描。研究了几种可能的等待形式,以尽量减少整体尺寸,入口角,增大光力,提高象质。同时,进行了结构优选,对空间光路的实现方式作了比较研究,给出了光学系统的设计参数。 实验中,首先采用了高强度铝合金六面体转镜。用弹性力学理论,对六面体铝转镜的强度及变形进行了精确计算,证明其变形量仅为同样回转半径三面体铍转镜的1.45倍,边缘线速度达816m/s。此外,对铝转镜进行了强度及变形实验,实验结果表明:其性能与理论相符,满足役计要求。 采用了国内较成熟的真空球罩技术,与充氦气相比,大大降低了成本。     

平面光路在等待式转镜高速摄影机中实现同时分幅扫描

根据胶片图象形式的不同,转镜相机可分为两类,即扫描摄影机和分幅摄影机,由于它们各有利蔽,因此,最好的方法是能用一台摄影机,同时得到现象的扫描(侧重时间信息)和分幅(侧重空间信息)图象。国内尚没有开展此方面的工作,国际上有美国330A型相机,但它是采用空间光路,三面体铍转镜及整体充氮技术,这就给技术、工艺带来许多困难。本文根据我国的具体情况,提出了一种新颖形式来实现同时分幅、扫描,它包括以下内容:     

超高速摄影中三面体转镜力学特性的计算机仿真

基于弹性力学空间问题的基本理论与有限元计算技术,建立了转镜力学分析的数值方法,并与四面体钢转镜的计算结果做了对比,表明它能够较为精确地模拟出转镜的强度及其任意点处的位移.利用该方法,计算了目前常用的三面体金属铍转镜和铝合金转镜的稳态强度,得出了转镜镜面变形量及内部应力分布的定量数值.结果表明,金属铍转镜在强度和镜面变形两方面均优于铝合金转镜.     

基于动力学性能的超高速摄影仪转镜的设计

为探索超高速摄影仪转镜的设计,提出了系统性的转镜动力学性能设计理论和方法。结合静力学和动力学理论,利用有限元分析软件对初始设计的转镜进行静强度、模态、谐响应、固有频率灵敏度进行数值分析,并对数值分析结果进行试验验证,根据分析结果反复修改相应的转镜的结构尺寸并设计新的转镜,对新设计的转镜进行交变力疲劳分析和试验。结果发现,初始设计转镜的最大应力小于转镜材料的屈服强度,转镜不会出现静强度失效;转镜一阶临界转速落在工作转速以内,其动力学特性不满足要求;镜体外接圆半径与转镜的固有频率负相关且相关程度最高;新转镜的一阶固有频率从459.4 Hz增大到713.6 Hz,变化率55.3%,转镜的一阶临界转速达到42 816 r/min,成功地避开了共振点,且疲劳强度满足设计要求。     

超高速摄影仪转镜运转可靠性数值与实验分析

为探讨分析转镜运转可靠性的数值方法,运用Monte Carlo理论并结合ANSYS参量化设计语言,根据小样本原理和可靠性理论建立了转镜运转可靠性分析数学模型.对转镜运转可靠性进行了数值分析,并对数值分析结果进行了实验验证.数值分析结果表明:转镜的功能函数值远大于零,最大应力与转镜转速的线性相关系数达0.9,镜体密度的相关系数值为0.15,最大应力、应变、位移的偏斜度和峭度值均为正值,统计结果服从正态分布呈右偏态,在95%的置信度水平下,转镜可靠度为0.999.这说明在理想状态下转镜的运转可靠性满足要求,转镜的最大应力值取决于转镜转速,并且镜体的密度对转镜最大应力有较大影响.转镜运转可靠性试验中没有转镜出现破坏,表明转镜运转可靠性数值分析方法是正确的,为转镜的运转可靠性分析提供一种可行、高效的数值分析手段.     

基于特征值灵敏度分析的超高速摄影仪转镜设计

利用数值分析方法,通过建立转镜特征值灵敏度分析模型,根据模态分析计算生成转镜特征值灵敏度循环执行文件,选用Monte Carlo法拉丁超立方抽样对转镜结构尺寸参数在其概率密度分布函数内进行抽样计算,统计分析得到反应转镜结构尺寸与特征值之间的Spearman秩相关系数。根据数值分析结果,修改镜体外接圆半径,并对修改前后的转镜分别进行模态数值分析和试验,结果显示转镜1阶模态增大101.8%,1阶临界转速达到8.7105 r/m,说明根据转镜特征值灵敏度数值分析结果优化转镜结构尺寸是一种实用、有效的方法。     

平行转镜式光谱仪原理与误差容限分析

采用光路展开法,利用调制度与相位误差两种判据,分析平行转镜在转动过程中的晃动、平行转镜的平行度、定镜的倾斜误差以及视场角等因素对平行转镜式光谱仪误差容限的影响.分析表明:平行转镜的晃动是平行转镜式光谱仪最重要的影响因素,但由于平行转镜的连续快速转动,惯性的作用会显著降低转动过程中的晃动影响;系统对平行转镜的平行度不敏感,对定镜的倾斜与视场角的误差容限与传统迈克尔逊式光谱仪相同.相对于传统直线往复运动式的光谱仪,平行转镜式光谱仪具有更高的探测速度与稳定性.同时,误差容限分析也为该光谱仪的系统设计与装调提供了理论指导.     

平行转镜式光谱仪原理与误差容限分析（英文）

采用光路展开法,利用调制度与相位误差两种判据,分析平行转镜在转动过程中的晃动、平行转镜的平行度、定镜的倾斜误差以及视场角等因素对平行转镜式光谱仪误差容限的影响.分析表明:平行转镜的晃动是平行转镜式光谱仪最重要的影响因素,但由于平行转镜的连续快速转动,惯性的作用会显著降低转动过程中的晃动影响;系统对平行转镜的平行度不敏感,对定镜的倾斜与视场角的误差容限与传统迈克尔逊式光谱仪相同.相对于传统直线往复运动式的光谱仪,平行转镜式光谱仪具有更高的探测速度与稳定性.同时,误差容限分析也为该光谱仪的系统设计与装调提供了理论指导.     

基于转镜跟踪目标的分析与计算

基于高速CCD相机主光轴的转镜弹道同步跟踪系统,研究了高速飞行弹丸飞行姿态和飞行速度的问题,利用转镜的反射原理和转镜运动规律,建立了转镜随弹丸运动的时空关系模型和转镜运动参数的数学模型,并推导转镜运动参数与弹丸飞行速度和弹道距转镜中心垂直高度之间的数学关系;在理论分析的基础上,用MATLAB分析了转镜视场内的弹道宽度随时间变化的规律以及转镜转角和角加速度随时间变化的规律,得到在某一时刻转镜视场的大小以及转镜参数的变化曲线;给出了转镜尺寸、扫描速率曲线和最大离散速度等主要参数的计算方法,分析了它们对整个跟踪系统的影响。针对系统设置参数为h=150 m, v=300 m/s时进行仿真,仿真结果表明本系统可实现对高速弹丸的同步跟踪。     

超高速摄影用高强度铝合金转镜动态特性的研究

转镜型超高速摄影机的信息容量取决于转镜的材料和横截面形状.本文首次对超高速摄影用高强度铝合金转镜从理论和实验两个方面进行了系统研究.研究表明:高强度铝合金是超高速分幅摄影机转镜的理想材料;当铝转镜截面形状为正三角形、镜面尺寸为(17×32.5)mm²时,转速已达(50×10⁴)rpm,镜面尺寸为(33×24)mm²时,转速已达(40×10⁴)rpm.     

超高速摄影仪转镜谐响应的数值与试验分析

 对超高速摄影仪转镜进行了谐响应数值分析,得到转镜在正弦周期激励下的幅频响应曲线、应力等值线图。转镜的幅频响应曲线在354 Hz处出现峰值,一阶扭转和二阶弯曲共振带出现了叠加,在1 600 Hz处曲线有细微的波动,转镜在一阶弯曲共振点处的幅频曲线幅值远大于其在1 600 Hz处的幅值,共振点处的等效应力是其匀速运转时的358倍。在转镜试验测试系统上测得的转镜幅频曲线在297 Hz 和355 Hz处均出现了峰值,数值解和实验结果能够很好地吻合。这说明转镜的一阶弯曲固有频率共振带是转镜的危险速度带,一阶弯曲是转镜出现动力学破坏的主要原因。仿真结果与实验结果的一致性表明,利用数值方法预测转镜的设计能否成功克服受迫振动引起的破坏是有效的。     

超高速摄影中蜂窝结构转镜的设计与力学分析

 提出了蜂窝结构的三面体转镜,对这种新型转镜做了结构设计,并利用3维有限元计算技术,分析了蜂窝结构的三面体铝合金转镜的力学性能。结果表明：对镜面尺寸17.325 mm、轴向长度32.5 mm的三面体铝合金转镜,在5×10 ⁴ r/min转速下,镜面最大变形量为0.547 μm,约为原结构铝合金转镜镜面的16%,与相同结构尺寸的铍转镜镜面变形量处于相同量级;内部最大应力小于原结构铝合金转镜。     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42 mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

高速扫描相机时间测量不确定度分析

以国内普遍使用的SJZ-30型高速扫描相机为例,用精测转速方法的结果处理数据,转速测量相对合成不确定度小于0.1%,时间间隔测量的相对扩展不确定度为0.2%.扫描速度在像面上的位置误差,采用"中值扫描速度",可予以校正.同时讨论了进一步降低转速测量不确定度和位置误差的方法.     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

基于转镜同步跟踪系统的研究

为了研究高速飞行弹丸的运动姿态问题,提出转镜同步跟踪技术。在高速CCD相机主光轴方向放置一面转镜,将弹道线位置上飞行弹丸的运动姿态反射到高速CCD相机内实现同步跟踪。设计了基于高速CCD相机视场中点的转镜跟踪系统,建立了弹丸和转镜的运动模型,并利用MATLAB软件得到了其随时间变化的曲线,分析了相机和转镜空间位置对成像质量的影响。针对参数H=200 m,V=100 m/s,对系统存在的误差进行了分析,结果表明该系统可以实现对高速弹丸的同步跟踪。