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光机热集成分析中数据转换接口的研究

宇航学报 2005年第2期26卷 201-205,222页

作者：杨怿张伟陈时锦哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心哈尔滨150001 哈尔滨工业大学机械工程系哈尔滨150001

光机热集成分析中的数据转换接口是实现光、机、热各分析软件间数据有效传递的重要手段。Zernike多项式的优点决定了它作为各分析软件间的数据接口工具是非常方便和成熟的。以一种数据处理算法和最小二乘法为Zernike多项式拟合的基础,... 详细信息

光机热集成分析中的数据转换接口是实现光、机、热各分析软件间数据有效传递的重要手段。Zernike多项式的优点决定了它作为各分析软件间的数据接口工具是非常方便和成熟的。以一种数据处理算法和最小二乘法为Zernike多项式拟合的基础,编制了数据转换接口,实现了分析模块间数据的转换,并在某空间遥感器主镜系统的光机热集成分析中得到应用。

关键词：光机热集成分析 Zernike多项式拟合最小二乘法

基于光机热集成分析的大规模拼接焦面误差分配

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中国光学（中英文） 2022年第5期15卷 1000-1006页

作者：牛盛光郭亮陆振玉韩康中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

随着空间天文、态势感知、环境监测等领域的要求越来越高,空间望远镜正在向着大视场、大口径的方向发展。大规模焦面拼接技术是大视场空间望远镜的关键技术,其主焦面平面度误差(P-V值)分配方法一般都是基于经验的直接赋值法,容易出现误... 详细信息

随着空间天文、态势感知、环境监测等领域的要求越来越高,空间望远镜正在向着大视场、大口径的方向发展。大规模焦面拼接技术是大视场空间望远镜的关键技术,其主焦面平面度误差(P-V值)分配方法一般都是基于经验的直接赋值法,容易出现误差分配不合理的问题。本文提出一种拼接焦面误差分配方法,通过光机热集成分析对重要参数误差进行精确分配。以16片互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器4×4机械直接拼接焦面为例,建立了拼接焦面误差树,通过光机热集成分析方法分析了重力和温度等重要参数对拼接焦面平面度的影响,最终给出误差分配结果。分析结果表明:两种不同姿态下重力造成的平面度误差分别为0.28μm、1.55μm,温度造成的平面度总误差为5.5μm,留30%余量后,确定重力和温度引起的平面度误差分配值分别为2μm和7.2μm。

关键词：焦面变形光机热集成分析误差分配 CMOS拼接

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基于刚体运动完备方程的光机热集成分析方法

红外与激光工程 2022年第6期51卷 235-252页

作者：王增伟赵知诚杨溢雷松涛丁雷中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室上海200083 苏州大学光电科学与工程学院江苏苏州215000

对于环境载荷恶劣、光学面变形复杂的光机系统,传统光机热集成分析方法的计算误差较大。提出了基于刚体运动完备方程的光机热集成分析方法,利用双立方样条插值法对光学面进行修正,然后建立光学面刚体运动完备方程,采用优化的求解方式分... 详细信息

对于环境载荷恶劣、光学面变形复杂的光机系统,传统光机热集成分析方法的计算误差较大。提出了基于刚体运动完备方程的光机热集成分析方法,利用双立方样条插值法对光学面进行修正,然后建立光学面刚体运动完备方程,采用优化的求解方式分离光学镜面刚体运动,最后采用最小二乘方法求解Zernike多项式系数,实现对光学镜面弹性变形的表征。采用数值案例和工程案例验证了所提方法的有效性和正确性,定量分析了刚体运动方程、镜面修正方法、镜面点阵分布以及面形等关键因素对光机热分析结果的影响,结果表明,所提方法比传统方法更为精确地分离出光学面刚体运动和弹性变形量,且不依赖于光学面的解析方程,镜面变形的复杂程度对分析结果的影响较大。

关键词：光机热集成分析热变形 Zernike拟合光学镜面刚体运动

光机热集成分析在高光谱成像仪紫外镜头中的应用

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应用光学 2016年第2期37卷 262-266页

作者：武耀徐明明陈素绢江宇薛辉司福祺陈结祥中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

温度变化会影响紫外镜头各镜面面形和镜片间隔的变化,采用了光机热集成分析方法研究温度对紫外镜头成像质量的影响。论述光机热集成分析的基本流程和关键技术,采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具,在紫外镜头光学系... 详细信息

温度变化会影响紫外镜头各镜面面形和镜片间隔的变化,采用了光机热集成分析方法研究温度对紫外镜头成像质量的影响。论述光机热集成分析的基本流程和关键技术,采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具,在紫外镜头光学系统设计和机械结构设计的基础上,建立了紫外镜头的热-结构分析模型,得到各镜面面形和镜片间隔的变化结果,并将结果耦合到光学设计软件中进行像质分析。分析结果表明,在镜头的工作范围内,镜头的调制传递函数在12lp/mm处均在0.7左右,能满足高光谱成像光谱仪的使用要求,同时也为光谱仪最后整机分析提供了参考。

关键词：高光谱成像仪紫外镜头成像质量光机热集成分析 Zernike多项式计算机仿真

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空基跟踪平台变焦镜头光机热集成分析

激光与红外 2020年第5期50卷 615-622页

作者：杜伟峰刘永志高文杰胡雄超上海航天控制技术研究所上海200233 火箭军装备部驻天津地区军事代表室天津300308

针对空基光电跟踪平台可见光变焦镜头进行光机结构设计及光机热集成分析。依据跟踪镜头-20~50℃的温度适应性指标要求,对变焦镜头进行光机集成分析。首先,建立了变焦镜头的有限元模型。其次,采用Patran软件对光机系施加温度载荷计算镜... 详细信息

针对空基光电跟踪平台可见光变焦镜头进行光机结构设计及光机热集成分析。依据跟踪镜头-20~50℃的温度适应性指标要求,对变焦镜头进行光机集成分析。首先,建立了变焦镜头的有限元模型。其次,采用Patran软件对光机系施加温度载荷计算镜头的热弹性变形,利用Nastran软件计算个各光学元件镜面节点变形后的点云刚体位移。最后,采用Sigfit光机接口软件分析温度载荷工况下各光学组件镜面Zernike系数,将分析结果导入Zemax中考核镜片面型变化以及刚体位移变化对MTF的影响。分析结果表明:在-20~50℃的温度载荷下,光学系统全视场的MTF@100 lp/mm值均大于0.3,满足技术指标要求。最后通过温度可靠性实验对变焦镜头的温度适应能力以及光机集成分析准确性进行实验。

关键词：变焦镜头光机热集成分析有限元分析 Zernike多项式

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基于光机热集成分析法的红外成像系统热设计

红外技术 2015年第5期37卷 380-386页

作者：朱承希李阳施家明中国科学院上海技术物理研究所上海200083 河南省轻工业学校河南郑州450006

由于红外成像光学的特殊性,温度是影响其成像质量的主要因素之一。针对一款红外成像系统,应用光机热集成分析法,就其在夏季室外工作环境下的成像质量展开综合分析,发现光机元件温度的梯度分布对系统引入无法校正的像差,降低系统成像质... 详细信息

由于红外成像光学的特殊性,温度是影响其成像质量的主要因素之一。针对一款红外成像系统,应用光机热集成分析法,就其在夏季室外工作环境下的成像质量展开综合分析,发现光机元件温度的梯度分布对系统引入无法校正的像差,降低系统成像质量。建立在仿真分析的基础上,本文有针对性地设计一种分布式散热系统,在降低系统整体温度的同时,使得光机元件的温度分布均匀化,提高其成像质量。

关键词：热设计光机热集成分析红外成像系统

机载相机非球面光学系统光机热集成分析与研究

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机载相机非球面光学系统光机热集成分析与研究

作者：姜东旭长春工业大学

学位级别：硕士

机载相机能够高效地获取地面信息,在许多领域得到了广泛的应用。非球面光学元件由于其设计变量多,可以满足复杂光学系统的设计要求。机载相机与非球面光学系统的相结合已经成为重要的研究方向之一,机载相机在空中工作过程中,温度是影响... 详细信息

机载相机能够高效地获取地面信息,在许多领域得到了广泛的应用。非球面光学元件由于其设计变量多,可以满足复杂光学系统的设计要求。机载相机与非球面光学系统的相结合已经成为重要的研究方向之一,机载相机在空中工作过程中,温度是影响其成像质量的关键因素,因此运用光机热集成分析方法研究温度对机载相机非球面光学系统成像质量的影响具有重要意义。针对机载相机工作过程中形成内部温度梯度所引起的梯度折射率,介绍一种梯度折射率系数拟合方法,对机载相机进行瞬态热分析,导出分析结果中透镜的节点位移与温度数据,采用最小二乘法编写梯度折射率系数拟合程序并对其求解,建立梯度折射率光学系统模型,结果表明随着机载相机工作时间延长,梯度折射率系数减小,成像质量提高。采用齐次坐标变换矩阵推导刚体分离矩阵,导入稳态热分析结果节点数据,求解非球面光学系统各透镜刚体位移并分离。以Fringe Zernike多项式为基底函数,运用光机热集成分析方法求解不同温度工况下的各个透镜的面形畸变,并建立热弹性变形光学系统模型,结果表明温度升高和降低都会降低光学系统成像质量,其中相机对高温环境更为敏感。对工作过程不同时间点产生温度梯度所引起的热弹性变形进行求解,并与梯度折射率引起成像质量影响进行对比,结果表明温度引起的热弹性变形对光学系统成像质量影响更大。对机载相机提出热控设计要求,介绍了热控外筒设计和隔热组件设计,为其热设计提供了设计方向和思路。对机载相机进行高低温实验,对不同温度环境所采集的图像成像质量进行评价,实验结果表明温度升高或者降低都会对机载相机成像质量产生影响,且机载相机对高温环境更为敏感,验证了光机热集成分析方法的有效性。

关键词：机载相机光机热集成分析非球面光学系统梯度折射率系数热弹性变形 Fringe Zernike多项式成像质量

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分块式空间望远镜的光机热集成分析

红外与激光工程 2009年第2期38卷 326-329页

作者：董冰俞信张晓芳王霞北京理工大学光电学院北京100081

高分辨率空间望远镜目前通常采用分块可展开主镜。对主镜进行有限元热分析获得的镜面变形数据无法直接输入光学设计软件进行像质评价,需要进行数据转换。传统的以拟合圆域正交Zernike多项式作为光机热集成分析的数据转换接口的方法不适... 详细信息

高分辨率空间望远镜目前通常采用分块可展开主镜。对主镜进行有限元热分析获得的镜面变形数据无法直接输入光学设计软件进行像质评价,需要进行数据转换。传统的以拟合圆域正交Zernike多项式作为光机热集成分析的数据转换接口的方法不适于分析非圆孔径的分块镜。提出了采用二维插值算法进行数据转换,该方法不受光瞳形状和镜面空间频率的限制。用Matlab编制了光机热接口分析软件,分析了不同温度变化对空间望远镜分块镜成像质量的影响。仿真结果表明:热浸泡和径向热梯度对像质影响较小,而轴向热梯度对像质影响较大。

关键词：光机热集成分析分块式空间望远镜二维插值

复杂热环境下弹载成像光学系统集成分析方法研究

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复杂热环境下弹载成像光学系统集成分析方法研究

作者：陈超哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

弹载光学成像系统工作于高速飞行器的光学头罩内部,外环境和头罩内部热源将使光学探测系统产生热效应。影响光学头罩内部光学成像系统的外部热源主要来源于飞行器在高速飞行时光学头罩与大气剧烈摩擦而产生的气动热效应以及太阳辐射,内... 详细信息

弹载光学成像系统工作于高速飞行器的光学头罩内部,外环境和头罩内部热源将使光学探测系统产生热效应。影响光学头罩内部光学成像系统的外部热源主要来源于飞行器在高速飞行时光学头罩与大气剧烈摩擦而产生的气动热效应以及太阳辐射,内部热源则主要为电子器件在工作时产生的热量,这些热源通过热对流、热传导及热辐射的方式传递到光学系统,从而会导致光机系统的成像性能改变。本文以弹载光机系统做为研究对象,对其在气动热环境下的成像性能变化进行光机热集成分析,对集成分析过程中的关键技术进行了深入分析。本文的主要研究内容包括:(1)对光机热集成分析过程中涉及的热学理论进行了深入研究,对头罩与光机系统之间、光机系统内部的热传输问题进行深入了分析,建立了光机系统热分析中的热传导计算模型、热对流计算模型及热辐射计算模型。(2)对光机系统自适应网格划分的有限元分析方法进行了深入研究。针对光机系统几何模型的特征复杂性,如具有曲率变化、夹角等特征,采用基于几何特征的自适应网格划分,网格划分密度根据几个特征来自动确定,提高了有限元分析的求解精度,同时也提高了求解效率。(3)对光学元件产生热形变的面形进行拟合的算法研究。对基于Zernike多项式的面形拟合算法进行了详细论述,并且对Zernike多项式拟合精度问题进行了分析,分析了拟合阶数及不同网格划分方式对面形拟合精度带来的影响。编写了基于Zernike多项式的面形拟合程序。(4)对高速飞行器的气动热环境进行仿真分析与计算。飞行器高速飞行时,光学头罩与大气剧烈摩擦产生气动热效应,由此产生的热不仅会使得头罩本身发生热弹性形变,同时光学头罩摩擦产生的热量会通过传导与对流的方式使得头罩内部温度发生改变,进而使内部成像光学系统产生相应的热效应。本文通过仿真分析高速飞行器在高速飞行状态下产生的外流场特性及光学头罩热响应,建立了弹载光机系统热分析的气动热环境。(5)基于仿真计算得到的气动热环境对弹载光机系统进行了集成分析。研究了在气动热环境下光机系统的热形变,并利用传递函数、点列图等对成像质量进行了评价,求出了光机系统成像质量变化。

关键词：光机热集成分析有限元分析气动热效应 Zernike多项式