發(fā)布時(shí)間：2017-12-31 12:29

  本文關(guān)鍵詞：光機(jī)熱一體化研究及成像分析　出處：《北京理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：光機(jī)熱一體化技術(shù)是一種綜合考慮光學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和熱力學(xué)影響的分析方法,應(yīng)用于多種光學(xué)儀器的研究,最常見的是應(yīng)用于空間光學(xué)系統(tǒng)的熱控和熱設(shè)計(jì)。分析過程是利用有限元軟件對(duì)空間遙感器和星載光學(xué)系統(tǒng)建立結(jié)構(gòu)和熱分析模型,模擬空間環(huán)境對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的作用,然后在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中分析光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量變化。光機(jī)熱一體化技術(shù)在航天探測(cè)方面應(yīng)用非常廣泛,航天器在設(shè)計(jì)制造階段需經(jīng)過大量的熱控試驗(yàn)才能投入使用,耗費(fèi)巨大,而使用光機(jī)熱一體化技術(shù)可以預(yù)先模擬太空環(huán)境,能夠節(jié)約巨大的成本,還能夠統(tǒng)一地對(duì)航天器性能進(jìn)行規(guī)劃及設(shè)計(jì),已經(jīng)為航天部門廣泛采用。本論文對(duì)光機(jī)熱一體化技術(shù)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究,提出了變形面型擬合算法及折射率不規(guī)則分布擬合算法,并將此算法應(yīng)用于仿真試驗(yàn)中。論文取得的主要研究成果包括:1.深入地研究了熱傳遞理論與有限元理論,分析了空間光學(xué)系統(tǒng)與外界、內(nèi)部進(jìn)行熱交換的基礎(chǔ)理論。在分析國(guó)內(nèi)外光機(jī)熱集成進(jìn)展的基礎(chǔ)上,總結(jié)了當(dāng)前光機(jī)熱一體化存在的問題。對(duì)光機(jī)熱分析中的有限元理論進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并推導(dǎo)了熱傳遞中的數(shù)值模擬有限元方法。2.提出了熱導(dǎo)致透鏡形變面型重建的算法�？臻g光學(xué)系統(tǒng)受熱環(huán)境影響,鏡片受熱各處有不同程度變形。這些面型形變?cè)跈C(jī)械軟件中以離散數(shù)據(jù)形式存在,光學(xué)軟件不能直接接受這些離散數(shù)據(jù)。面型重建的算法是把形變量通過澤尼克算法求解為光學(xué)軟件能夠接受的澤尼克系數(shù),從而達(dá)到面型重建的目的。論文中使用了圓域標(biāo)準(zhǔn)澤尼克多項(xiàng)式、最小二乘法、施密特正交等方法重建了變形后的鏡面面型。3.提出了不規(guī)則折射率的概念以及熱致折射率不規(guī)則分布擬合算法。光學(xué)系統(tǒng)受熱不對(duì)稱、不均勻時(shí),各處溫度不同,而折射率與溫度正相關(guān),以致各處折射率不同。在深入研究光線在變折射率介質(zhì)中傳輸?shù)奶匦院?提出了不規(guī)則折射率概念。在計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的折射率之后,求取能近似代表這種折射率分布的梯度折射率系數(shù),在此基礎(chǔ)上提出了光學(xué)系統(tǒng)的折射率不規(guī)則分布擬合算法。4.對(duì)星敏感器進(jìn)行了熱平衡和熱仿真試驗(yàn)。在熱平衡試驗(yàn)中,詳細(xì)介紹了熱平衡實(shí)驗(yàn)流程,根據(jù)星敏感器在軌運(yùn)行所處的空間環(huán)境,使用空間模擬器模擬了真空環(huán)境及冷黑環(huán)境。使用溫度傳感器和工裝基準(zhǔn)鏡分別實(shí)時(shí)測(cè)量了星敏感器關(guān)鍵部位的溫度和光學(xué)系統(tǒng)的光軸漂移。在熱仿真實(shí)驗(yàn)中,把熱平衡試驗(yàn)條件作為熱仿真試驗(yàn)的初始條件,經(jīng)過熱分析、熱應(yīng)力分析,將仿真分析所得溫度數(shù)據(jù)與熱平衡試驗(yàn)測(cè)量所得溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。根據(jù)面型形變擬合算法把光學(xué)系統(tǒng)透鏡形變量擬合為澤尼克系數(shù),然后計(jì)算了光學(xué)系統(tǒng)的光軸漂移并與熱平衡試驗(yàn)中的工裝基準(zhǔn)鏡所測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。5.分析了空間光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量受熱環(huán)境的影響。在深入探討光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,計(jì)算了熱變形以及折射率不規(guī)則分布對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量造成的影響。6.編制了光學(xué)軟件與機(jī)械分析軟件之間的接口。編寫了提取變形前后透鏡表面的坐標(biāo)程序,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)一化和規(guī)范化處理,為解決光學(xué)軟件與有限元軟件坐標(biāo)系不一致問題,編寫了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序,編制了熱致面型變形擬合算法系數(shù)求解程序以及熱致折射率不規(guī)則分布算法系數(shù)求解程序。
[Abstract]:In this paper , the thermal control and thermal design of the optical system are studied by using the finite element software .

【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH74

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本文編號(hào)：1359798