文章目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 空间相机光机结构设计与优化技术的国内外研究现状

    1.2.1 空间相机光机结构的研究现状

    1.2.2 光机结构优化技术的研究现状

1.3 集成光学性能响应量优化方法的技术难点

1.4 本文的主要研究内容

第2章 光机结构的光学性能评价方法研究

2.1 引言

2.2 光学系统的光线追迹分析

    2.2.1 理论基础

    2.2.2 反射光线和折射光线的追迹

    2.2.3 视轴稳定性误差和系统波前误差的理论分析

    2.2.4 某同轴折反式空间相机光学系统光线追迹结果

2.3 线性光学模型的建立

    2.3.1 光学模型线性化方法

    2.3.2 某同轴折反式空间相机光学模型线性化

2.4 初始光机结构设计

2.5 初始结构的光机集成分析

    2.5.1 镜面性能分析方法

    2.5.2 镜面分析结果

    2.5.3 光机集成分析结果

2.6 本章小结

第3章 集成光学性能响应量的构型优化设计

3.1 引言

3.2 光机结构拓扑优化模型

    3.2.1 材料属性插值模型

    3.2.2 性能响应灵敏度分析

    3.2.3 可制造性约束

    3.2.4 集成视轴稳定性误差和波前误差拓扑优化模型

3.3 主反射镜构型优化

    3.3.1 主反射镜性能需求

    3.3.2 拓扑优化数学模型

    3.3.3 拓扑优化结果

3.4 主支撑背板构型优化

3.5 次镜主支撑构型优化

    3.5.1 次镜主支撑结构性能需求

    3.5.2 拓扑优化数学模型

    3.5.3 拓扑优化结果

3.6 设计结果性能评估

3.7 本章小结

第4章 尺寸参数的光学敏感性分析与集成优化设计

4.1 引言

4.2 参数敏感性分析方法

    4.2.1 基于拉丁超立方随机抽样与回归分析的试验设计法

    4.2.2 回归分析模型检验

4.3 尺寸优化模型与求解

    4.3.1 集成视轴稳定性误差和波前误差尺寸优化模型

    4.3.2 多目标优化问题求解方法

4.4 主反射镜和主支撑尺寸优化

    4.4.1 主反射镜和主支撑的参数化

    4.4.2 尺寸参数敏感性分析结果

    4.4.3 尺寸参数多目标优化设计结果

4.5 主支撑背板尺寸优化

4.6 设计结果性能评估与对比

4.7 本章小结

第5章 光机结构性能稳定性分析与试验

5.1 引言

5.2 组部件稳定性测试

    5.2.1 形位误差检测

    5.2.2 主镜面形检测

5.3 整机动力学性能稳定性分析与试验

    5.3.1 仿真分析

    5.3.2 振动环境模拟试验

    5.3.3 试验结果及其与仿真分析对比

5.4 整机静力学性能稳定性试验验证

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

    6.1.1 论文结论

    6.1.2 论文创新点

6.2 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

文章摘要:随着航天遥感技术的快速发展,空间相机已在国民经济的各行各业得到了广泛的应用,空间相机的系统光学性能指标也越来越高。光学机械结构作为实现相机光学系统功能的主要组件,面对外界环境的干扰和发射成本的约束需要其具有良好的性能稳定性和足够的轻量化。然而,相机光学性能的提高往往伴随着口径和焦距的增大,这对光机结构的轻量化和力学性能稳定性的设计提出了巨大挑战。因此,需要研究先进的光机结构优化设计方法,使得光机结构能够兼顾不同指标的需求。本文从相机的光学性能响应量分析方法着手,提出了相机视轴稳定性误差和波前误差的系统性能评价方法,研究了集成相机视轴稳定性误差和波前误差的光机结构构型优化技术和尺寸参数多目标优化技术。主要研究内容和成果如下:研究了基于有限元分析和线性光学模型的视轴稳定性误差和系统波前误差的光机集成分析方法。详细阐述了空间相机光学系统中反射光线和折射光线的追迹原理,推导了视轴稳定性误差和波前误差的理论表达式。基于相机的光线追迹分析模型,分析了主反射镜和次反射镜镜面刚体位移和面形误差对系统光学性能的敏感性,建立了用于连接结构分析和光学性能评价的线性光学模型。设计了相机的初始光机结构,并结合有限元分析和线性光学模型对相机在重力和温度变化载荷作用下的视轴稳定性误差和波前误差的均方根值进行了评价。依据系统光学性能关于主反射镜和次反射镜刚体位移的线性灵敏度矩阵,将系统光学性能作为性能评价方程建立在光机结构的有限元模型中。以光学性能作为性能约束,并添加可制造性约束,以结构刚度最大为目标对次镜主支撑结构和主反射镜的初始构型进行了拓扑优化;以主反射镜面形均方根值为约束,结构刚度最大为目标对主支撑背板的初始构型进行了拓扑优化。利用移动渐近法求解优化模型,直到目标函数迭代收敛。拓扑优化结果显示:在满足光学性能要求的前提下,结构轻量化率达到了44.7%。在拓扑优化结果的基础上,对次镜主支撑结构和主反射镜进行了详细的尺寸参数化。采用基于拉丁超立方抽样的试验设计法对各尺寸参数进行了敏感性分析。对比了分别以镜面刚体位移为响应量和以系统光学性能为响应量的敏感性分析结果,讨论了以系统光学性能为目标响应量的重要性,并识别出了关键的尺寸参数。以关键尺寸参数为设计变量,以质量最小以及自重载荷和温升载荷作用下的视轴稳定性误差和波前误差最小为目标,建立了多目标优化模型。利用多目标遗传算法获得了帕累托最优解集,从解集中选取出了最符合要求的最终解。最终设计结果相比传统设计结果在性能稳定性和轻量化程度上具有明显的优势。对研制出的各组部件进行了尺寸稳定性测试。对整机的力学仿真模型进行了初步的质量特性校验,然后分别进行了整机的模态分析、正弦和随机振动频率响应分析以及动力学环境模拟试验;并检测了相机翻转前后的系统波前误差变化;以考核结构在不同振动条件以及静力学载荷条件下的稳定性。结果表明光机结构具有良好的性能稳定性,也证明了优化设计的有效性;同时,仿真分析和检测试验对比结果验证了本文分析模型的准确性。最终完成了空间相机良好性能稳定性和轻量化的综合设计目标。