400 mm口径平面窗口元件中频误差控制技术

针对高功率激光装置所需的大口径光学元件,进行了小工具数控抛光中频误差控制工艺研究。对数控加工过程中卷积效应对中频误差的影响进行分析,并建立了残余误差分析模型,对卷积效应所引入的残余误差进行定量分析。利用该模型对中频误差修正工艺参数进行了仿真分析,并进行了修正工艺参数实验验证,确定了全面匀滑最优化参数。在最优化工艺参数的基础上,针对大口径光学元件开展了数控抛光中频误差控制工艺实验验证,使400 mm口径平面窗口元件加工精度达到透射波前PV值为0.27,透射波前PSD1 RMS值为1.67 nm。该实验结果表明,通过400 mm口径平面窗口元件的中频PSD1控制技术研究,使窗口元件能够达到高功率激光装置对中频PSD1的指标要求。     

被动半刚性磨盘在平滑中频误差中的应用

介绍了一种去除中频误差的有效工具被动半刚性磨盘。被动半刚性磨盘由刚性基底、变形层、薄板层以及抛光层组成。这种特殊的夹层式结构使磨盘在平滑过程中具有高通滤波特性,因而能够有效去除中频误差。基于弹性力学和滤波器理论,分析了被动半钢性磨盘的平滑机理,讨论了磨盘基本参数和误差频率之间的相互关系。以一块表面具有明显中频误差的抛物面镜为实验件,对被动半刚性磨盘的平滑能力进行验证,经过2个周期(共计75 min)的平滑后,中频误差得到了有效抑制。     

被动半刚性磨盘在平滑中频误差中的应用

介绍了一种去除中频误差的有效工具--被动半刚性磨盘。被动半刚性磨盘由刚性基底、变形层、薄板层以及抛光层组成。这种特殊的夹层式结构使磨盘在平滑过程中具有高通滤波特性,因而能够有效去除中频误差。基于弹性力学和滤波器理论,分析了被动半钢性磨盘的平滑机理,讨论了磨盘基本参数和误差频率之间的相互关系。以一块表面具有明显中频误差的抛物面镜为实验件,对被动半刚性磨盘的平滑能力进行验证,经过2个周期（共计75 min）的平滑后,中频误差得到了有效抑制。     

基于Harvey-Shack表面散射理论的光学误差测量

基于散射理论,不同频段的光学表面制造误差会对光学性能产生不同的影响,而常用的光学设计软件一般没有考虑。为此利用小波变换对误差进行了频段分割;然后基于Harvey-Shack表面散射理论,从频段误差的角度对光学表面的光学性能进行了评价,同时基于小波变换的特点,当光学性能不满足要求时,找到了需重点控制的频段误差在光学表面发生的区域,从而对下一步的加工进行指导。最后以一块口径500 mm的大镜实测数据及设计要求"在0.33 mrad内环绕能量大于70%"进行了实验验证。结果表明,利用此方法能有效的建立"表面频段误差光学评价光学加工"三者之间的联系。     

基于经验模态分解-Wigner分布的光学元件中频误差识别

对于大尺寸高精密光学元件,不仅要对光学元件表面低频面形精度和高频粗糙度进行控制,还需要严格限制中频误差,以保证其使用性能和稳定性。为了确定光学元件的不合格区域并指导其返修,引入经验模态分解(EMD)和Wigner分布(WVD)函数方法,通过理论分析确定该方法与功率谱密度函数间的关系,实现对光学元件表面中频误差的辨识与定位。实验结果表明：EMD-WVD方法不仅可以识别分布在实验光学元件表面15~27 mm空间频率为0.1 mm-1的中频误差,还可以减小多分量信号所引起的空间频率为1.0~1.5 mm-1的交叉项干扰,提高中频误差辨识的准确率。     

基于经验模态分解-Wigner分布的光学元件中频误差识别

对于大尺寸高精密光学元件,不仅要对光学元件表面低频面形精度和高频粗糙度进行控制,还需要严格限制中频误差,以保证其使用性能和稳定性。为了确定光学元件的不合格区域并指导其返修,引入经验模态分解(EMD)和Wigner分布(WVD)函数方法,通过理论分析确定该方法与功率谱密度函数间的关系,实现对光学元件表面中频误差的辨识与定位。实验结果表明:EMD-WVD方法不仅可以识别分布在实验光学元件表面15~27mm空间频率为0.1mm-1的中频误差,还可以减小多分量信号所引起的空间频率为1.0~1.5mm-1的交叉项干扰,提高中频误差辨识的准确率。     

六自由度气囊抛光机器人模态分析与中频误差抑制北大核心CSCD

针对六自由度串联式关节机器人气囊抛光系统因刚度不足引起的加工振动以及引入中频误差的问题,以IRB 6700机器人作为研究对象,基于Ansys Workbench建立模态分析模型,并结合实验分析机器人气囊抛光系统工况频带内动态特性,实验与仿真结果共同表明,机器人气囊抛光系统在工况频带至少存在5阶模态,且共振时机器人末端抖动幅值为mm级,机器人加工严重受限。同时针对机器人气囊抛光系统先进光学元件抛光工艺应用,设计一种阻尼抑振气囊工具头,与普通气囊工具头进行定点抛光与整面抛光对比实验。结果表明:抑振气囊头定点抛光斑粗糙度与频谱幅值普遍低于普通气囊工具头,引入的中频误差较一般气囊工具头低40%,抛光优化效果显著。     

采用非均匀有理B样条曲面延展光学元件面形误差

在离子束抛光工艺中,为了提高驻留时间求解算法在工件边缘处的求解精度,通常需要对原始面形误差数据进行边缘虚拟延展。要求原始面形误差数据与虚拟延展面光滑拼接,并在延展区域具有可控的不确定性。非均匀有理B样条(NURBS)曲面常用在机械制造领域对复杂形状物体进行三维建模。引入非均匀有理B样条曲面并结合泽尼克(Zernike)多项式拟合对一典型的圆形光学元件面形误差自由曲面数据进行延展。通过对典型面形误差曲面延展前后的等效功率谱密度曲线分析可以看出,延展后在面形误差频率大于0.05mm-1时其面形误差改善量均大于70%;将该典型延展面应用于特定驻留时间求解算法中,使得预测加工精度的均方根值由1.18nm改善至0.19nm。这表明,采用非均匀有理B样条曲面延展光学元件面形误差能够获得光滑拼接的虚拟延展曲面,并能大大改善离子束抛光工艺中驻留时间算法的求解精度。     

双星光学观测体系的目标定位误差分析

为提高双星光学观测体系的定位精度,构建了新型双星光学定位系统。通过对卫星、光电观测平台的建模,构建了地惯系下平台与目标间的观测矢量模型。利用几何定位算法,推导出了地惯系下的目标定位模型与定位误差模型,并利用蒙特卡罗法获得了定位误差分布。在此基础上,引入了小波理论进行误差的优化重构,以提高双星光学观测体系的定位精度。利用测量数据进行仿真,结果表明,引入小波理论对目标定位误差进行降噪重构后,可以使目标定位精度提高30%,为工程上减小目标定位误差提供了新的思路。     

光学小波包变换及其滤波器的研究

基于对光学小波变换必要条件的分析,提出光学小波包变换的概念.选出虹膜图库的联合最优小波包基,利用最优基的线性组合生成相应的复合光学小波包滤波器.将滤波器用于光电混合虹膜识别系统中对待识别输入进行小波包特征提取预处理,模拟结果不仅证明引入该滤波器可明显提升系统的识别效果,也证明了光学小波包变换提出的意义.     

磁流变加工驻留时间对中频误差的影响

针对磁流变抛光过程中的中频误差的控制,进行了驻留时间与中频误差影响关系的研究。对基于矩阵法得出的驻留时间进行分析,驻留时间矩阵沿抛光头的进给方向的起伏波动性,反映在抛光过程中速度的不连续性,会引入一定的中频误差。提出通过滤波算法使驻留时间沿抛光轮进给方向更加平滑,即相邻两点的速度更加接近,抛光轮只需要很小的加速度和很小的时间内即可完成整个加速过程,从而降低这种速度的波动性带来的误差。通过计算机仿真和实验验证,给驻留时间一个很小的扰动,会使残差的功率谱密度（PSD）曲线发散,而滤波后的驻留时间算法在不失真的情况下,在一定程度上抑制了中频误差。     

磁流变加工对中频误差的影响

基于传统抛光的亚表面损伤层厚度,进行磁流变去除亚表面损伤层的实验以便验证在该加工方式下对元件中频误差的影响。计算机模拟结果及实验数据表明:磁流变加工的走刀间距会引起中频误差评价指标PSD曲线出现对应频率的峰值;抛光斑的不稳定性会引起PSD曲线出现不确定的次主峰;去除深度与PSD曲线峰值之间有近似的线性关系。采用磁流变作为亚表面损伤层的去除手段,元件的中频误差质量受加工参数影响很大。如果前级加工不佳导致留下的亚表面损伤层较深,用磁流变加工进行去除时会造成中频误差质量超过限定指标。1     

磁流变加工对中频误差的影响

基于传统抛光的亚表面损伤层厚度,进行磁流变去除亚表面损伤层的实验以便验证在该加工方式下对元件中频误差的影响。计算机模拟结果及实验数据表明：磁流变加工的走刀间距会引起中频误差评价指标PSD曲线出现对应频率的峰值;抛光斑的不稳定性会引起PSD曲线出现不确定的次主峰;去除深度与PSD曲线峰值之间有近似的线性关系。采用磁流变作为亚表面损伤层的去除手段,元件的中频误差质量受加工参数影响很大。如果前级加工不佳导致留下的亚表面损伤层较深,用磁流变加工进行去除时会造成中频误差质量超过限定指标。1     

基于小波神经网络的光纤陀螺误差补偿方法

为了提高光纤陀螺的测量精度,提出了一种基于小波神经网络的误差补偿方法。首先使用小波分析中的Mallat分解算法提取出陀螺信号中的主趋势项,对其误差余项进行重构。然后将重构信号作为小波神经网络的目标输出,将原始陀螺信号作为训练样本。为了提高小波神经网络的训练速度同时防止其陷入局部极小值,采用增加动量因子和自适应调整学习速率的方法来改进训练方法。训练后建立的神经网络模型对光纤陀螺误差具有良好的估计能力。结果表明,经过小波神经网络方法补偿后,光纤陀螺的输出精度达到了0. 019 4°/s,光纤陀螺的测量性能得到了提高。     

小工具数控抛光对元件表面中频误差的匀滑研究

数控抛光已被广泛应用于光学元器件的加工制造,而抑制元件表面中频误差是加工过程中一项十分重要的内容。基于Presston方程对数控小工具抛光盘去除函数进行了建模,得到了理论化的去除函数表达式。结合去除函数,在参数化匀滑模型基础上通过建立多参数的时变理论模型,表明元件表面中频误差是随抛光过程呈指数型收敛的,其收敛效率取决于材料参数、体积去除率等抛光工艺参数。对理论模型的匀滑曲线进行了模拟分析,实现了不同工艺条件下的匀滑效率的对比。结果表明：在不同抛光盘材料的匀滑过程中,材料系数越大,其整体匀滑效率越高。同样,抛光盘体积去除率越大,对表面误差的匀滑效率也会越高。进行了一组空间周期分别为3,5,7 mm的波纹误差的匀滑实验,其结果表明,在相同的抛光参数下,具有较大空间频率的波纹匀滑效率会更高,收敛曲线下降得更快。最后对比了不同材料抛光盘匀滑效率,从实验上证实了沥青盘在波纹匀滑效率上远高于聚氨酯材料的抛光盘。     

多尺度变步长最小均方自适应算法在光纤陀螺数据处理中的应用

为有效抑制光纤陀螺(FOG)随机噪声,提出将一种多尺度变步长最小均方(MVSLMS)自适应算法应用于FOG数据处理中。根据FOG输出数据的特点,构建了MVSLMS自适应滤波器,提出了FOG信号滤波算法的实现步骤。对FOG实测静态数据、振动数据和速率测试数据进行了滤波实验,结果表明所提算法对FOG随机噪声的抑制效果明显,相比LMS滤波,MVSLMS自适应滤波后的静态数据零偏稳定性数值减小了72.0%,振动数据在振前、振中、振后零偏稳定性数值分别减小91.5%,77.4%和96.5%,速率测试数据标准差减小了54.4%。摇摆测试滤波实验结果表明所用算法对FOG真值信号具有较好的跟踪能力。     

多尺度变步长最小均方自适应算法在光纤陀螺数据处理中的应用

为有效抑制光纤陀螺(FOG)随机噪声,提出将一种多尺度变步长最小均方(MVSLMS)自适应算法应用于FOG数据处理中。根据FOG输出数据的特点,构建了MVSLMS自适应滤波器,提出了FOG信号滤波算法的实现步骤。对FOG实测静态数据、振动数据和速率测试数据进行了滤波实验,结果表明所提算法对FOG随机噪声的抑制效果明显,相比LMS滤波,MVSLMS自适应滤波后的静态数据零偏稳定性数值减小了72.0%,振动数据在振前、振中、振后零偏稳定性数值分别减小91.5%,77.4%和96.5%,速率测试数据标准差减小了54.4%。摇摆测试滤波实验结果表明所用算法对FOG真值信号具有较好的跟踪能力。