航空相机反射镜支撑结构优化设计及环境适应性分析

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:catloveless
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反射镜支撑结构在折反与离轴反射式光学成像系统中起着举足轻重的作用,是高分辨率航空相机的关键部件,对光电成像系统的体积、重量及在复杂机载环境中的成像像质有很大的影响。通过优化结构参数配置,降低外界环境变化对反射镜支撑结构的影响,提高支撑结构的稳定性对保证良好图像质量起着举足轻重地作用。本文以某航空双波段侦察相机的研制工作为依托,通过光机热集成分析的方法,针对卡塞格林主光学系统中的主镜支撑结构进行优化设计,以提升主镜支撑结构的光学性能和环境适应性。主要研究内容和成果如下:(1)总结概括了国内外反射镜镜坯的材料、轻量化、支撑结构形式,分析了柔性铰链的工作原理。针对本文研究的主镜组件进行初始结构设计和材料选型,分析了在+X、+Y、-Z方向重力、30℃均匀温度变化、加工误差平面度作用下主镜变形的像差组成成份及对光学调制传递函数的影响。研究了反射镜径厚比、支撑点数、支撑率分别在光轴沿重力方向和均匀温度变化作用下对主镜面形精度的影响,得出最大变形量与面形精度之间关系。(2)基于参数优化理论,提出一种将反射镜与支撑结构结合起来进行参数优化设计来提高热适应性的方法。建立了主镜组件参数优化的有限元模型,以均匀温降引起的面形误差为目标函数,基于梯度优化算法对主镜和柔性铰链进行了详细的尺寸参数优化,获得了满足设计指标的尺寸参数组合,分析了尺寸参数对面形误差、基频和重量的灵敏度,筛选出影响响应函数的关键尺寸参数。结果表明,尺寸参数对光学性能有明显的影响,由30℃均匀温降导致的面形误差从26.5nm下降为11.6nm,优化后光学系统中心视场的MTF值从0.15提高到0.21,轴外视场的MTF值也得到了改善,主镜的热适应性增强,光学系统在热载荷下的性能得到了提升。(3)基于拓扑优化与参数优化理论,提出了将反射镜与支撑结构结合起来进行优化设计以提高热适应性的方法。建立了主镜组件拓扑优化的有限元模型。以30℃均匀温降引起的面形误差RMS值为目标函数,分别基于变密度法和水平集法对主镜和柔性铰链进行优化,获得了优化后的拓扑构型。结果表明,水平集法得到的面形误差由优化前17.5nm下降为优化后3.2nm;变密度法得到的面形误差由优化前的15.9nm下降为优化后的6.5nm;两种方法取得的温度适应性都明显提升,但后者的机加工艺性好。然后,根据材料分布结果提取特征,构建板筯式结构模型。(4)基于拓扑优化结果,再次建立了的主镜组件参数优化的有限元模型,对主镜和柔性铰链进行尺寸参数优化,分析了尺寸参数对面形误差、基频和重量的灵敏度。结果表明,30℃均匀温降引起的面形误差RMS值由优化前54.1nm减小到优化后7.5nm,优化后光学系统的中心视场MTF值达到0.29,全视场MTF值达到0.23,说明经过拓扑优化与参数优化的设计结果要优于直接参数优化的结果,主镜组件的抗热变形能力进一步增强,光学系统的像质也有了明显的改善。(5)对优化后的反射镜组件进行了环境适应性研究。研究了主镜分别在俯仰和横滚运动时,镜面的刚体位移、面形精度、主要像差组成成份的变化情况。分析了不同均匀温度变化对主镜面形精度及对光学系统调制传递函数的影响。通过有限元仿真分析,对主镜组件进行了正则模态、频响和随机振动分析,结果表明,优化后结构的安全裕度足够,能够承受随机振动试验条件。(6)依据优化结果,加工制备了原理样机,开展了面形测量、光学调制传递函数测试、地面温度试验和外景成像试验。通过地面温度试验,分别在室温和低温下成像测试。结果表明,相机的图像质量满足指标要求。
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