甚大口径分体自重组式主镜系统关键技术研究

论文摘要

随着人类科学技术的高速发展,空间应用和深空探测领域都对空间遥感器的分辨能力提出了更高要求。NASA研究发现,类地行星的发现速度与天文望远镜口径D的1.8次方成正比,要满足探索生命起源的基础需求,天基天文望远镜口径应大于8m。受现有运载火箭整流罩有效运载空间的限制,主镜直径超过4m的光学系统需要采用折叠方式完成发射,在卫星入轨后展开、重组、共相,实现等效设计口径的成像能力。分体镜共相是一项极具挑战性的任务,首先需要分析分体镜六个位姿共相误差对光学系统的影响,以此合理的分配共相精度公差来指导共相调整装置的研制;然后根据共相精度公差,设计合理的共相调整装置;最后,为了对分体镜共相装置进行有效检验,需要对其有限元仿真分析结果进行快速、准确判读,提取有效参量,指导设计优化。上述这些技术是确保分体镜系统顺利研制的基础技术,也是核心关键技术。为了确保分体主镜具备共相的能力,本课题对分体镜共相技术开展了深入研究。首先建立了无坐标非球面数学模型,根据光线追迹理论,推导了分体主镜入射波面变形,位姿误差以及非球面参数误差对出射波面影响的公式,给出了分体镜共相误差在光学系统中传递的计算模型。利用此模型,可以对分体主镜的定值共相误差影响进行评估,为分析随机共相误差影响提供理论基础。基于该模型完成了8m口径分体主镜共相误差影响分析,数值模拟不同类型定值共相误差对波前变形的影响。共相误差具有随机性,为了准确预测随机共相误差对系统波前的影响,从而合理的分配进行共相精度公差,对共相误差来源及其分布规律进行了深入分析,推导了随机共相误差对波前变形影响的预测公式,提出了基于等贡献原理的共相精度加权公差分配方法,并推导了共相误差权重系数的计算方法;为了进一步降低系统对共相精度的需求,提出了利用分体镜位姿调整修正非球面参数误差的方法,并给出了修正残差的预测公式,数值模拟试验结果证明使用该方法可以将非球面参数误差影响降低一至两个数量级。为了有效保证分体镜的共相调整,对共相调整平台技术开展了深入研究。首先,基于共相精度公差加权分配理论,提出了共相调整平台的构型优化方法,实现了共相调整平台的构型优化,并得到改进型6PSS并联平台的设计方案;给出了改进型6PSS并联平台的运动学正解、逆解求解方法;利用运动学方程和并联机构的闭环特性,建立了并联平台的误差模型,给出了共相调整平台位姿误差与结构参数误差之间的映射关系;提出基于并联平台位姿精度检测结果的并联平台误差修正方法;通过该并联平台构型优化技术可以在不降低系统刚度的前提下,将执行部件的精度需求降低40%以上,通过误差修正技术可以极大的放宽并联平台的加工装配精度,从而显著的节约制造成本、缩短研制周期;分体镜共相调整装置需要通过有限元分析来验证其设计性能是否满足系统需求,并通过分析结果的反馈进行快速的设计迭代。但是,有限元分析结果只能给出节点变形,无法分离光机结构设计所需的基础参量,如刚体位移、非球面参数以及面形畸变等;为了解决大刚体位移条件下仿真分析结果的解析技术,提出了基于齐次坐标变换的刚体位移参量提取算法,突破了大刚体位移条件下的节点离散误差去除问题,以及基于最小二乘牛顿迭代方法的复杂节点变形条件下的非球面参数解析方法。上述理论既可以应用于静态分析也可以应用于非线性分析,既可以应用于分体式光学系统,也可以应用于整体式光学系统,具有普遍适用特性。完成了缩比验证系统的共相试验验证。首先,根据分配的共相精度公差,完成了分体镜制造共相精度公差和位姿共相精度公差分配;研制了共相调整平台,并搭建了精度测试系统,完成共相调整平台的精度测试,根据测试数据,使用误差修正算法进行了控制模型修正;开展了分体光学系统的共相调整试验,获得了系统波像差干涉检验结果。试验结果表明:运动学模型可以驱动共相调整平台进行指定运动,误差修正算法可以显著的提高平台控制精度;共相误差影响预测及共相精度公差分配理论可以有效的指导共相精度公差分配。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景
•   1.2 课题研究现状
•     1.2.1 分体自重主镜研究现状
•     1.2.2 分体镜共相误差影响分析及公差分配研究现状
•     1.2.3 分体镜共相平台技术研究现状
•     1.2.4 共相调整辅助分析技术研究现状
•   1.3 课题来源及意义
•   1.4 课题主要研究内容
• 第2章 分体主镜共相误差影响分析
•   2.1 反射定律的矢量形式
•   2.2 非球面主镜矢量模型
•   2.3 入射光线扰动对反射光线的影响
•   2.4 反射镜位姿误差导致的波前变形
•   2.5 反射镜非球面参数误差导致的波前变形
•   2.6 共相误差在系统中的传递
•   2.7 分体主镜共相误差导致的波前变形
•     2.7.1 分体主镜的基本构型
•     2.7.2 共相误差对光学系统的影响
•   2.8 共相误差影响数值模拟试验
•     2.8.1 分体镜位姿误差导致的波前变形
•     2.8.2 分体镜非球面参数误差导致的波前变形
•   2.9 本章小结
• 第3章 共相精度公差分配及分体主镜参数优化
•   3.1 共相误差来源及分布规律
•     3.1.1 位姿误差及其分布规律
•     3.1.2 非球面误差及其分布规律
•   3.2 随机共相误差影响分析及预测
•     3.2.1 分体镜制造误差影响预测及验证
•     3.2.2 分体镜位姿误差影响预测及修正
•   3.3 制造误差的修正及残差预测
•     3.3.1 理论推导
•     3.3.2 数值模拟
•   3.4 位姿误差的加权公差分配
•     3.4.1 构建位姿权重系数
•     3.4.2 位姿精度公差加权分配
•   3.5 分体主镜参数优化
•     3.5.1 分体镜共相精度公差分配原则
•     3.5.2 分体镜随机共相误差影响的概率分布
•     3.5.3 分体镜非球面参数误差优化
•     3.5.4 分体镜位姿精度公差优化
•   3.6 本章小结
• 第4章 分体镜共相平台技术
•   4.1 并联平台构型设计
•   4.2 并联平台运动学分析
•     4.2.1 6-PSS并联平台自由度计算
•     4.2.2 动平台的位姿描述
•     4.2.3 并联平台的运动学逆解
•     4.2.4 并联平台的运动学正解
•     4.2.5 数值模拟
•   4.3 并联平台精度分析
•     4.3.1 误差模型
•     4.3.2 误差模型仿真验证
•     4.3.3 并联平台精度分布
•     4.3.4 分体镜共相位姿精度校核
•   4.4 并联平台误差修正
•     4.4.1 并联机构位姿测量
•     4.4.2 并联机构标定模型
•     4.4.3 标定算法验证
•     4.4.4 并联机构误差修正
•   4.5 本章小结
• 第5章 共相调整辅助分析技术
•   5.1 分体镜共相调整有限元仿真分析
•   5.2 分体镜刚体位移参数提取
•     5.2.1 刚体位移参量解析过程
•     5.2.2 数值模拟验证
•       5.2.2.1 无干扰数值模拟验证
•       5.2.2.2 均匀分布干扰数值模拟验证
•       5.2.2.3 Zernike多项式分布干扰数值模拟验证
•     5.2.3 实例验证
•   5.3 节点离散误差的去除
•     5.3.1 映射矩阵
•     5.3.2 节点离散误差的消除
•     5.3.3 算法实现
•     5.3.4 数值模拟验证
•   5.4 分体镜非球面参数误差提取
•     5.4.1 程序实现
•     5.4.2 数值模拟验证
•     5.4.3 应用实例
•   5.5 本章小结
• 第6章 缩比验证系统试验研究
•   6.1 引言
•   6.2 缩比验证系统简介
•   6.3 共相调整平台精度检测
•     6.3.1 运动学测试系统
•     6.3.2 运动学测试
•     6.3.3 控制模型修正
•   6.4 缩比验证系统共相试验
•   6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 论文主要完成的内容
•   7.2 论文主要创新点
•   7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨会生

导师: 张学军

关键词: 分体自重组,甚大口径,共相技术,位姿调整,误差修正,参量解析

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)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 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)

基金: 科技部国家重点研发计划“静止轨道高分辨率轻型成像相机系统技术”(No.2016YFB0500100)

分类号: P111

DOI: 10.27522/d.cnki.gkcgs.2019.000002

总页数: 171

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