机载小型化快速反射镜用微位移测量传感器设计

为了实现机载小型化FSM的闭环控制,设计了一款小体积、高精度、高环境适应性的微位移测量传感器。首先根据位移传感器的技术原理和机载FSM的应用需求,提出了微位移测量传感器的主要设计指标。然后,分别对微位移测量传感器的发光元件、密珠滑轨、测量光栅和接收元件等进行了详细设计与选择。其中,高精度密珠滑轨的采用不仅减小了测量过程中的附加阻力,而且使光栅副的运动更加精准;光栅副通光窗口的引入、独特零件编码的设计、裂相法信号提取方式的采用,保证了微位移测量传感器的高低温性能。最后,针对微位移测量传感器在机载小型化FSM上的应用效果进行了理论分析与实验检测。结果显示:机载小型化FSM的方位指向误差不超过3.4″,俯仰指向误差不超过3.8″,证明了专用型微位移测量传感器高精度、高分辨力和高响应速度的技术特点,满足机载小型化FSM的应用需求。     

机载紧凑型中波红外相机的设计

为了实现机载光电跟瞄系统的捕获与跟踪功能,针对机载环境狭小的空间设计了一款紧凑型中波红外相机。首先从机载平台的应用需求出发,提出了红外相机的各项性能指标。然后,采用二次成像与二次折转的方案对红外相机的光学系统进行了设计与优化,并研制出一套高精度调焦平台用以光学系统的距离与温度调焦;采用箱体式结构方案对红外相机的支撑基座进行了优化设计,有限元分析结果表明所设计的支撑基座具有足够的结构刚度。最后,在完成机载中波红外相机精密加工、装配与调试的基础上,采用光电测试平台对红外相机的焦距、视场角、噪声等效温差(NETD)和调制传递函数(MTF)等参数进行了实验检测。结果显示:相机的焦距、视场角等与理论设计较为符合,NETD为22mK,在探测器的极限空间频率处相机的MTF不低于0.58,接近衍射极限水平。因此,所研制的机载紧凑型中波红外相机工作灵敏度高、成像质量好,满足机载平台的应用需要。     

适用于FSM系统的菱形微位移放大机构设计

为了增加压电陶瓷驱动快速反射镜的偏摆范围,对菱形微位移放大机构进行了研究设计。首先介绍了菱形结构的放大原理并利用变形能法分析了影响菱形结构性能的关键参数,然后建立了快速反射镜系统要求与菱形结构设计要求之间的联系,并根据自行设计的快速反射镜系统选择了菱形结构的关键参数,最后通过有限元仿真对菱形结构和快速反射镜系统进行了模态分析并对快速反射镜的偏摆范围进行了实验测试。仿真与实验结果表明,快速反射镜的偏摆范围大于6',低阶谐振频率约为400 Hz,满足了快速反射镜的系统要求。文中研究得出,菱形结构的位移放大倍率与最大驱动力是此消彼长的两个性能,可以通过合理调整菱形长轴与菱形边夹角以及菱形边宽度使两个性能同时满足系统设计要求。     

可见光多波段激光合束系统设计北大核心CSCD

为了实现可见光波段不同波长多路激光的精密合束,设计了一套激光合束系统。通过长焦距镜头和高缩束倍率镜头配合大面阵光电探测器分别实现合束激光指向与位置的高精度、实时监测;通过高精度的角度调节平台和位置调节平台分别实现光束指向和位置监测误差的实时补偿。在完成光束指向、位置监测镜头的设计加工及精密装调后,获得位置监测装置的监测分辨率为0.054 mm,指向监测装置的监测分辨率为3.5μrad;在完成光束位置校正平台、指向校正两维摆镜、闭环控制系统合束流程的详细设计后,对合束系统的合束精度进行实验检测和误差分析。实验结果表明:合束系统短时间内针对稳定光束的合束精度为:指向6.17μrad,位置优于0.66 mm;长时间内针对缓慢漂移光束的合束精度为:指向18.46μrad,位置优于0.72 mm。因此,所设计的激光合束系统合束精度高,并且可及时对光束的漂移误差进行自动补偿,满足系统的应用要求。     

用于激光合束系统的光束位置监测装置设计

为了实现近场可见光波段、多路不同波长激光合束中位置误差监测,设计了一种光斑位置监测装置,该装置以缩束系统为基础对同指向激光束位置进行自动监测,在激光合束系统中与快速反射镜相配合,能有效提高合束系统的精度和合束效率。首先对监测装置光学系统进行了设计和仿真分析,使其实现缩束功能的同时减小色差对监测精度的影响。接着,根据设计要求选择了合适的光电探测器。然后,设计了镜筒并对装置的箱体进行有限元优化设计以减轻质量并防止产生共振,使其可以在复杂的环境中工作。最后,根据光斑的特性选择了合适的光斑中心定位算法。实验检测结果表明:缩束倍数达到了15.6倍,监测精度达到了0.1 mm。系统基本上可以使所有激光束成像在CCD上,且光斑能在CCD上成完全像,稳定性较好,精度高,满足使用要求。     

音圈电机驱动型快速控制反射镜机械结构研究

针对音圈电机驱动型快速控制反射镜(简称"快反",下同)系统,阐述了直线式和回转式音圈电机的结构组成、功能特性以及用于快反系统的关键技术.分析了目前快反系统常用结构形式(X-Y框架式和柔性无轴式)的组成和工作原理;在时比传统型快反系统机械结构优缺点的基础上,提出了新型球面副支撑式结构.新型结构既无复杂轴系,又实现了刚性支撑,转角范围大、承载能力强,且对振动、冲击、回转等工作环境具有较强的适应性.     

快速反射镜关键技术研究

快速反射镜(FSM)凭借其高精度、高分辨力、快响应等优点,被广泛应用于天文望远镜、自适应光学、复合轴精密跟踪等领域.尽管国内外关于FSM的研究较多,但少有对其关键技术的系统总结.首先,介绍了国内外FSM的发展现状和研究热点,分析了FSM的主要性能指标与各组成部分之间的关系.在延用FSM传统按支撑结构不同分类方式的同时,首次提出了按功能用途不同的分类方式,并针对各类FSM的结构特点和功能用途等进行了深入探讨;然后,在明确FSM结构组成的基础上,系统阐述了FSM系统中支撑铰链、工作镜体、驱动元件、测量元件和控制系统等关键技术,首次提出将柔性铰链分为四周分散式、中心集中式及四周分散与中心集中相结合式的分类方式,并分别对驱动元件、测量元件的排布方式进行了对比分析.最后,通过对FSM系统各关键技术的归纳总结,提出了FSM向大口径、大角度、高精度、高响应和高承载等方向发展的趋势.     

可见光电视用高精度小体积调焦平台的设计

为了实现可见光电视的距离和温度调焦功能,设计了一款高精度、小体积的调焦平台。根据可见光电视的光学设计结果及功能需求,提出了调焦平台的主要技术指标。依据此指标展开了高精度直线电机、精密直线导轨、高刚度平台基座及调焦量计算公式的详细设计、选择与解算。其中,高性能元器件的采用确保了调焦平台自身的运行性能,调焦量计算公式的精准解算保证了可见光电视的调焦效果。在完成调焦平台的精密加工和装调后,采用电感仪和平行光管分别对调焦平台的行程、分辨力、全行程精度及其对可见光电视的温度调焦效果进行了实验检测与验证。结果表明:所设计的调焦平台体积小(80mm×90mm×30mm)、行程大(-2.5mm~+2.5mm)、分辨力(6μm)和全行程精度高(方位、俯仰方向偏差均不超过10″)、调焦量计算公式准确,能够保证可见光电视系统距离和温度调焦功能的实现。     

Design and performance test of a two-axis fast steering mirror driven by piezoelectric actuators

A novel design of a two-axis fast steering mirror (FSM) with piezoelectric actuators is proposed for incoherent laser beam combination. The mechanical performance of the FSM is tested. The results show that the tilting range of the mirror is about 4 mrad, and the 1st-order resonance frequency is about 250 Hz. A self-designed grating encoder is taken as the sensor, which ensures the optimal precision of 10 μrad. The novel mechanical design can meet the requirement of engineering in incoherent laser beam combination.