小型辐射定标光学系统的光机热集成分析

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1、航天器环境工程第30卷第5期534SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2013年10月小型辐射定标光学系统的光机热集成分析肖庆生，杨林华，许杰（北京卫星环境工程研究所，北京100094）摘要：卫星遥感器辐射定标光机系统在模拟空间环境下的热学光学特性会影响辐射定标试验的精度。文章针对离轴抛物镜和辅助平面反射镜组成的小型定标光学系统，利用光机热集成分析技术建立其有限元模型，在模拟空间环境下进行热变形分析；选用在单位圆内正交的Zernike多项式作为基底函数，采用最小二乘法完成了离轴抛物镜面形的拟合；将相关数据读入光学软件，分析了该系

2、统在模拟空间环境下的像质变化。结果表明：温度梯度对定标光机系统的影响主要表现在光学平台的刚性位移，对抛物镜面形影响非常小，光学系统像质变化量约为λ/37。最后，通过与刀口仪法的像质原位测量结果对比，证明了光机热集成分析结果的准确性。关键词：辐射定标；光机系统；有限元方法；集成分析中图分类号：V416.8;TB115文献标志码：A文章编号：1673-1379(2013)05-0534-05DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2013.05.0150引言现了在力学载荷、热载荷综合作用下对光学系统性能的快速评估。以往，对该类光学系统的性能评

3、价模拟空间环境下的辐射定标试验主要用于对卫是通过对机械结构进行有限元分析，将变形结果与星光学遥感器的响应特性进行辐射定标，为用户提[1]光学系统设计提出的对结构变形的要求进行比较，供定标曲线。试验中，定标光学系统处于真空低来衡量机械和热载荷作用下光学性能是否满足技温环境，因温度变化所引起的热变形使反射镜的同术要求。这样的验证往往存在片面性，而采用光机心度（LOS）发生变化并产生波前畸变（WFE），从热集成分析方法则能更准确、综合地评价光学系统而影响其像质。为了掌握真空低温环境对系统像质的性能变化。的影响，并给遥感器定标精度分析提供依据，有必光机热集成分析流

4、程简称STOP（Structure-要对定标光学系统及其支撑进行光机热集成分析。Thermal-OPtical）分析流程，如图1所示。[2]1981年，美国Honeywell公司的Miller等人率先提出了光机热集成分析方法。该技术近些年得到了飞速发展，国外航天机构在空间望远镜等型号[3-6]研制中广泛应用了光机热集成分析方法。本文针对由通光孔径φ120mm、焦距956mm、离轴角10°的离轴抛物镜和辅助平面反射镜组成的小型辐射定标光学系统，利用光机热集成分析方法研究其在模拟空间环境下热学、光学特性的变化，并与刀口仪法的像质原位测量结果对比，以验证仿真分析

5、结果的准确性。1光机热集成分析图1光机热集成分析流程Fig.1AnalysisflowchartofSTOP光机热集成分析方法是综合考虑机械结构、热首先，根据设计的光学系统在建模软件中建立变形和光学成像之间关系的一种系统分析方法，实三维结构模型。然后将模型导入ANSYS有限元仿————————————收稿日期：2013-05-24；修回日期：2013-08-26基金项目：中国空间技术研究院自主研发课题作者简介：肖庆生（1987—），男，硕士学位，主要研究方向为空间光学工程CAD/CAE技术。E-mail:xqs.hit@163.com。第5期肖庆生等：小型

6、辐射定标光学系统的光机热集成分析535真分析软件，建立结构分析有限元模型。热分析既2.1.2有限元分析模型可在有限元分析软件中建立模型并将结果耦合到利用ANSYSWorkbench软件工具建立定标光结构分析有限元模型中，也可由专业的热分析软件学系统的有限元分析模型。在建模中，需要作如下完成热计算后将结果导入有限元模型中从而完成必要的简化：1）由于螺纹孔相对光学平台尺寸太小，对有结构的热弹性分析；而热弹性分析将得到反射镜面限元结果不会造成影响，可忽略光学平台上20个的变形量和光学平台上其他元件的位置变化等参安装螺纹孔；另外，忽略后对划分网格有利，避免数；通过

7、提取镜面位移量，采用Zernike多项式等应力集中。接口程序可完成变形后镜面面形的拟合，将多项式2）对抛物镜和平面反射镜的镜座调节台进行系数代入ZEMAX、CodeV等光学设计软件，可完简化，将它们的安装螺钉简化为固定约束，并去除成光机系统性能的快速评价。最后，依据性能仿真不受力的调节杆，简化的原则是不影响计算的精度。结果，可进行光学系统及其结构的优化设计，最终对抛物镜和平面反射镜均应按实际支撑和安装使光学系统满足要求。方式建模，各元件的支撑按接触问题处理。采用六面2小型辐射定标光学系统的仿真分析体实体单元进行网格划分，其有限元分析模型如图3所示，总单元数

8、为16192个，总节点数为31474个。本节采用光机热集成分析方法