發(fā)布時間：2017-12-31 12:29

  本文關(guān)鍵詞：光機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

  更多相關(guān)文章： 星敏感器 熱環(huán)境 澤尼克面型 像質(zhì)評價 不規(guī)則折射率

【摘要】：光機熱一體化技術(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。分析過程是利用有限元軟件對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)境對光學(xué)系統(tǒng)的作用,然后在光學(xué)設(shè)計軟件中分析光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量變化。光機熱一體化技術(shù)在航天探測方面應(yīng)用非常廣泛,航天器在設(shè)計制造階段需經(jīng)過大量的熱控試驗才能投入使用,耗費巨大,而使用光機熱一體化技術(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)一地對航天器性能進(jìn)行規(guī)劃及設(shè)計,已經(jīng)為航天部門廣泛采用。本論文對光機熱一體化技術(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。在分析國內(nèi)外光機熱集成進(jìn)展的基礎(chǔ)上,總結(jié)了當(dāng)前光機熱一體化存在的問題。對光機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。空間光學(xué)系統(tǒng)受熱環(huán)境影響,鏡片受熱各處有不同程度變形。這些面型形變在機械軟件中以離散數(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)受熱不對稱、不均勻時,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。在計算每個網(wǎng)格點的折射率之后,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.對星敏感器進(jìn)行了熱平衡和熱仿真試驗。在熱平衡試驗中,詳細(xì)介紹了熱平衡實驗流程,根據(jù)星敏感器在軌運行所處的空間環(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)鏡分別實時測量了星敏感器關(guān)鍵部位的溫度和光學(xué)系統(tǒng)的光軸漂移。在熱仿真實驗中,把熱平衡試驗條件作為熱仿真試驗的初始條件,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)與熱平衡試驗測量所得溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。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),然后計算了光學(xué)系統(tǒng)的光軸漂移并與熱平衡試驗中的工裝基準(zhǔn)鏡所測量的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。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)量的評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上,計算了熱變形以及折射率不規(guī)則分布對光學(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH74

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本文編號：1359798