空间光学遥感器光机系统结构设计若干关键技术的研究

摘要

光机系统的结构设计在空间光学遥感器研制流程中占有极其重要的地位。光机系统结构是遥感器各分系统的承载平台，是光学系统实现功能的重要保证，其设计的优劣直接决定了遥感器的工作性能和使用寿命。随着CAD/CAE理论及软件技术的逐渐成熟与计算能力的日异强大，某些卓有成效的设计理念及方法已被应用于光学遥感器的结构设计领域，但由于遥感器设计工作的保密性很强，各种新理论、新技术无法被研究人员共享，这使得我国与其他技术先进国家之间的差距很难在短期内迅速缩小。
　　本文结合某型空间光学遥感器的研制任务，针对光学遥感器光机系统结构设计的若干关键技术环节进行了深入的研究。
　　首先对遥感器光学系统波前误差构成进行了分析，选择波前误差作为光学系统成像质量的衡量指标，认为系统总波前误差可由光学设计误差、光学元件面形误差导致的波前误差以及位置误差导致的波前误差三者基本遵循RSS原则合成。分析了某遥感器各光学元件位置误差叠加后对系统波前误差的影响，证明优化各位置误差的方向关系可以有效降低系统的波前误差。
　　选择合理的结构性能评判标准，是对空间光学遥感器光机系统结构开展优化设计工作的首要任务，本文以结构稳定性来评价遥感器光机系统结构在空间环境中的性能表现。根据针对载荷的不同，结构稳定性包括力学稳定性与热稳定性。热载荷是导致光学系统结构变形的主要因素之一，且由于空间热环境和遥感器热控手段的不确定性，热载荷所导致的结构误差以及光学系统波前误差往往无法预知，因此必须在结构设计时提高光机结构的热稳定性。
　　传统的遥感器光机系统结构优化设计方法是以重量最小化为目标，力学性能为约束的常规单目标优化设计，存在重大的缺陷。本文对结构设计与热设计的流程与相互影响关系进行了研究，提出以结构热稳定性和轻量化作为结构优化设计的目标；对热稳定性的评价方法进行研究，提出热稳定性可借助于整个光机系统及其每个光学元件在保证成像质量的前提下所能承受的最大热载荷来衡量；定义了光学元件的热致面形误差比例系数和系统整体的热致位置误差比例系数作为优化设计的目标函数，以光机系统结构形状与尺寸参数以及光机系统的公差分配作为设计变量，以结构的强度、动态刚度以及系统总波前误差作为约束条件，建立了遥感器光机系统热稳定性优化的数学模型。
　　针对经典优化模型中存在的多目标性和约束条件的不确定性，提出了应用模糊优化的原理与方法对热稳定性优化问题进行求解。研究了热稳定性模糊优化问题的最优约束水平解法，提出了目标与约束函数的模糊满意或满足区间与隶属函数的构建方法，提出了确定最优水平截集时模糊判决的选择标准。
　　结合某型空间光学遥感器光机系统结构设计任务，论述了遥感器光机系统的总体构型、主镜组件以及次镜支撑组件的设计原则与方法；分析了某型空间光学遥感器主镜及次镜支撑组件在重力、热载荷作用下的变形规律；选择主镜对温度水平变化、径向温度梯度、周向温度梯度以及次镜支撑组件对周向温度梯度的承受能力作为该遥感器光机系统结构热稳定性的衡量标准，运用了最优约束水平解法对该遥感器光机系统的热稳定性模糊优化问题进行了求解，得到了热稳定性高，重量较轻的结构。
　　最后，对遥感器光机系统热致误差被动补偿技术进行了研究。对主镜温度水平变化时的变形规律及其外圆柱面受压力作用时的变形规律进行了分析，提出了利用不同热膨胀系数的材料作为主镜支撑，通过对主镜体施加一定的压力来实现镜面热变形补偿的技术原理。对不同方向的主次镜径向间隔误差和次镜倾斜误差对成像质量的影响进行了分析，提出了通过结构设计使两类位置误差同向，从而达到互为补偿的技术原理。

目录

空间光学遥感器光机系统结构设计若干关键技术的研究

RESEARCH ON KEY TECHNIQUE OF OPTOMECHANICAL SYSTEM DESIGN FOR SPACE REMOTE OPTICAL SENSOR

摘 要

ABSTRACT

目 录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 空间光学遥感器的发展状况

1.2.1 空间光学遥感器的发展历程

1.2.2 空间光学遥感器的发展趋势

1.3 空间光学遥感器的结构设计要求与主要内容

1.3.1 空间光学遥感器结构设计要求

1.3.2 空间光学遥感器结构设计的主要内容

1.4空间光学遥感器结构设计的发展与现状

1.4.1 空间光学遥感器结构设计的发展概要

1.4.2 TSO集成分析方法

1.4.3 光、机、热一体化设计

1.5 本文主要研究内容

第2章 遥感器光机系统结构误差分析

2.1 遥感器光学系统成像质量评价标准

2.2 遥感器光学系统波前误差构成分析

2.3 遥感器光学系统的公差预分配

2.4 光学元件位置误差对成像质量的影响

2.4.1 主镜位置误差的影响

2.4.2 次镜位置误差的影响

2.4.3 三镜位置误差的影响

2.4.4 多种位置误差的综合作用

2.5 光机结构性能评价标准

2.6 本章小结

第3章 光机系统热稳定性模糊优化设计

3.1 热稳定性优化设计的机理

3.1.1 传统的光机系统结构优化设计方法

3.1.2 热稳定性优化设计

3.2 热稳定性的评价参数

3.3 热稳定性优化设计的经典数学模型

3.4 热稳定性优化设计的模糊数学模型

3.5 本章小结

第4章 热稳定性模糊优化设计的求解策略

4.1 模糊优化设计的基本概念

4.2 普遍型非对称模糊多目标优化的最优约束水平解法

4.2.1 模糊满意（足）区间与满意（足）度

4.2.2 最优约束水平解法

4.3 热稳定性模糊优化的求解

4.3.1 优化模型的简化

4.3.2 目标（约束）函数的模糊满意（满足）区间与隶属函数

4.3.3 模糊判决的选择

4.4 本章小结

第5章 某型遥感器光机系统结构暨热稳定性设计

5.1 光机系统总体构型设计

5.1.1 光机系统装调基准

5.1.2 主次镜间联结方式

5.2 主镜组件结构设计

5.2.1 主镜体轻量化结构

5.2.2 主镜支撑结构

5.2.3 主镜重力及热变形规律

5.3 次镜支撑组件结构设计

5.3.1 次镜支撑组件结构

5.3.2 次镜支撑组件重力及热变形规律

5.4 光机系统的热稳定性模糊优化设计

5.4.1 数学模型

5.4.2 目标与约束的模糊满意（满足）区间及隶属函数

5.4.3 优化过程及结果

5.5 本章小结

第6章 光机系统热致误差被动补偿技术

6.1 主镜热致误差的补偿

6.1.1 主镜热致误差的补偿原理

6.1.2 主镜热致误差被动补偿结构简例

6.2 次镜热致误差补偿原理

6.3 本章小节

结 论

参考文献

参加的科研项目

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个 人 简 历