1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
为了后期研制星载高重频激光雷达提供数据校正及仿真，设计研制了一套小视场高重频激光雷达验证系统。对该激光雷达进行详细的光机系统结构设计，利用Zemax软件模拟发射、接收与后继单元光路图。精确计算出出射光束发散角为0.106 mrad，设计新型的光束转向结构确保正入射到扩束器中。在0.4 mm小孔光阑下，接收单元视场角0.25 mrad，在系统焦平面上的小孔光阑偏心不得超过29 μm，选择高精度三维调整结构对小孔光阑精确定位。整机结构设计采用模块化设计方法，以方形框架为基准，不同单元模块安装在其不同位置，高度集成在尺寸为390 mm×390 mm×550 mm以内。对发射单元进行装校，并检测出发散角为0.11 mrad，与仿真结果相比，相对误差为4.1%；对接收与后继单元进行装校，采用平行光管出射的平行光正入射到接收望远镜，获得系统焦点精确位置，完成高精度的装校。通过对系统增益比进行标定实验，得到系统增益比为1.15，并对系统进行探测实验，探测结果：系统在夜晚气溶胶探测距离可达22 km，退偏振比可达10 km。在白天探测距离可达10 km，退偏振比可达6 km，并与太阳光度计比较，光学厚度相对误差为7.1%。整机性能满足设计要求，为后期做飞行实验打好基础。
小视场高重频激光雷达 光机系统设计 装校 性能测试 lidar with small-field of view and high-repetition frequency opto-mechanical system design installation and calibration performance testing 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210046
1 上海航天控制技术研究院光电探测与制导事业部，上海 201109
2 中国航天科技集团有限公司红外探测技术研发中心，上海 201100
为了满足自准直动态靶标跟踪精度的需求，建立一种用于离心工况下旋转虚拟目标光机系统，即采用一个旋转式平行光管来模拟无穷远处的旋转目标以完成光电跟踪光端机的跟踪性能检测与定标。对于平行光管中安装在主反射镜背部的三个辅助支撑，通过对辅助支撑径向位置的优化排布可以使该结构的基频达到167 Hz，离心工况下主镜面形误差的方均根（RMS）值小于λ/30（λ为632.8 nm）。采用4D干涉仪对平行光管的波像差进行检测，检测结果表明平行光管的波像差RMS值优于λ/15。
测量 自准直动态靶标 跟踪精度检测 平行光管 光机系统设计 激光与光电子学进展
2021, 58(23): 2312003
1 桂林理工大学 广西空间信息与测绘重点实验室，广西 桂林 541006
2 天津大学 微电子学院，天津 300072
3 桂林理工大学 机械与控制工程学院，广西 桂林 541006
4 桂林理工大学 地球科学学院 ，广西 桂林 541006
5 中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004
LiDAR作为一种测深、水下地形绘制设备已在国外进入商用阶段。而我国LiDAR研制与应用相对缓慢，且主要集中在大型双频测水LiDAR的研制上。笔者所在团队在双频测水LiDAR设计的基础上，针对无人机，设计了单频LiDAR光机系统。首先分别设计了该系统的组成部分，即采用反射式光楔实现圆周扫描的扫描单元、采用Kopilevich模型计算的最佳接收视场角、采用广义开普勒系统设计的接收光学单元，然后集成整机，计算光学系统效率，仿真实验验证扫描效果，波形测试验证设计LiDAR可用性。该系统最佳接收视场角为95 mrad，最佳飞行航高150 m，飞行速度10 m/s，最佳测量水深25 m以内，最大测量水深50 m。该系统采用Kopilevich模型确定LiDAR最佳视场角，提升了LiDAR光机系统性能，并可切换两种不同扫描方式。
激光雷达 水深测量 光机系统 开普勒系统 无人机 LiDAR bathymetry opto-mechanical system Kepler system Unmanned Aerial Vehicle(UAV) 红外与激光工程
2021, 50(4): 20200297
1 天津大学 微电子学院, 天津 300072
2 桂林理工大学 广西空间信息与测绘重点实验室, 广西 桂林 541006
3 桂林理工大学 机械与控制工程学院, 广西 桂林 541006
4 桂林理工大学 地球科学学院, 广西 桂林 541006
采用公式推导和仿真优化相结合的方式, 设计了一种测量水深的LiDAR光机系统。该系统光源采用532 nm和1 064 nm双频激光器, 设计532、647、1 064 nm三个接收通道, 拟定飞行高度140~500 m, 可变扫描角9°~15°, 发散角小于0.5 mrad, 水面点密度范围约为0.687~4.170点/m2。设计拉曼波段作为水深测量波段, 提高浅水区测量效果, 利用可变扫描角实现了不同高度下幅宽可固定、兼顾高分辨率和大视场角, 以适应不同应用场景。
激光雷达 双频激光 光机系统 水深 LiDAR dual frequency lasers optical-machine system water depth 红外与激光工程
2020, 49(2): 0203006
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点研究室, 安徽 合肥 230031
偏振扫描仪(POSP)是一台分孔径、分振幅同时偏振测量的遥感器。简要介绍了POSP的光机系统设计以及部分指标要求。为保证测量精度,针对仪器在运输与发射阶段力学以及在轨运行的热环境,对POSP光机进行了环境适应性设计与分析,并通过热真空与鉴定级力学试验进行验证。试验结果表明,仪器的基频约为110 Hz,各阶模态与仿真结果基本吻合,整机强度和刚度满足要求;热真空试验后,仪器遥感测量输出正常,光机各部组件工作正常。在热、力学试验前后分别进行了整机性能测试,结果显示试验前后视场重合度均大于90%,偏振精度优于0.5%。该仪器具有良好的空间热以及力学环境适应性,满足仪器地面和在轨稳定、可靠的工作需求。
遥感 光机系统设计 环境试验 性能测试
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
介绍了自行研制的太阳反射波段超光谱辐照度仪的光机系统设计。仪器的光谱范围为400~2500 nm,包括三个分光探测单元,可实现太阳总辐照度、天空漫射辐照度、太阳直射辐照度和漫总比的长期自动测量。为验证光机系统设计的合理性,对外场实验数据进行了分析。通过与传统人工测量漫总比数据的对比,发现两种方法的漫总比偏差小于2%。仪器具备与传统测量方式相当的辐照度测量精度,在卫星遥感器自动化定标中具有一定的优势。
光学器件 光学遥感 无人值守 光机系统设计 辐照度基法
1 海装西安局, 西安 710068
2 西安应用光学研究所, 西安 710065
精确的光机分析是实现系统优化设计的前提。针对耦合场作用导致光机系统中光学元件面形发生非回转对称的变化, 提出了Zernike拟合的三维接口模型, 以提高光机分析数据转换精度, 实现耦合场作用下光机系统的高精密分析。对某光机系统进行重力和温度场耦合集成分析, 提取各光学面形变化的非对称分布, 并借助该三维接口模型在光学设计平台中对系统成像质量进行分析, 用于后期系统优化设计。结果表明该接口模型可应用于实际多场作用下的光机系统分析。
光机系统 成像质量 耦合场 Zernike拟合 有限元分析 opto-mechanical system imaging quality coupled field Zernike polynomials fitting finite element analysis
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对研制和集成完的直径为1 m的激光雷达望远镜, 介绍了望远镜主镜系统的结构设计, 并分析了主镜二级背板安装点匹配失调及主镜挠性支撑脚作用对主镜面形的影响。通过建立主镜系统的有限元模型开展光机分析, 并对分析结果进行了处理, 使其能够与集成装校时的干涉测量波前图进行直接对比, 得出二级背板与光学基板安装点匹配失调是导致主镜形变过大的主要原因。针对此问题对望远镜主镜系统结构进行了改进, 通过有限元光机结构分析, 预计优化后的结构能够有效地减小匹配失调导致的主镜形变, 将使主镜均方根形变量从0.3λ降至0.097λ(λ=632.8 nm), 满足激光雷达要求的0.15λ面形要求。
激光雷达 望远镜 光机分析 光机系统结构优化 有限元分析 lidar telescope optomechanical analysis optimization of optomechanical system finite element analysis 红外与激光工程
2018, 47(7): 0718002
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
3 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
为了解决光机系统动力学分析与面形优化过程中由于光机接口程序后处理方式所引起的计算数据量大或接口处理失效的问题, 提出将光机接口处理过程移到有限元前处理中, 并进行了光机系统的集成分析与优化。首先, 为了解决标准Zernike多项式在环形离散点域内的非正交性, 引入了节点面积加权因子和环域Zernike多项式。提出了通过对镜面施加均匀压强求节点支反力的方式求取节点面积加权因子的计算方法。然后采用最小二乘法推导出镜面刚体位移和拟合镜面变形的Zernike多项式系数与镜面各节点变形量之间的线性关系式。最后, 编写接口程序将这些线性表达式以多点约束(MPC)的方式导入到有限元模型中, 在前处理过程中完成系统的光机接口处理过程。通过对非稳态风载引起的某1.2m地基望远镜视轴抖动和液压whiffletree支撑下的主镜镜面高阶变形量进行结构动力学随机响应分析, 验证了光机前处理方法对解决光机系统动力学问题的有效性。此外, 还以镜面面形为优化目标对1.2 m轻量化主镜的镜体结构和尺寸进行敏感度分析, 证明了光机前处理方法可以有效地简化镜面面形的优化分析过程。
光机接口前处理 光机系统动力学: 面形优化: 节点面积加权因子: 环域ze Preprocessing of optical machine interface optical machine system dynamics surface shape optimization node area weighting factors annular Zernike polynomial
