二氧化碳探测仪光谱仪系统光机结构设计及分析

论文摘要

二氧化碳探测仪是用来测量大气中二氧化碳浓度和分布的高精密光学仪器。二氧化碳等温室气体排放量的不断增加导致温室效应加剧，引起的极端气候变化已经严重影响到了人类各项生活活动，威胁到了人类的生存，因此精确监视和测量全球二氧化碳等温室气体的排放状况已成为气候研究的一个重要方向。当前的地基温室气体测量手段，远远不能满足温室气体覆盖范围和空间高分辨率的要求，为了实现全球覆盖的CO2含量精确测量，充分了解全球碳循环过程及其对气候的影响，开展空间高分辨率二氧化碳探测仪的研制工作具有重要的科学研究和经济意义。本文主要针对二氧化碳探测仪中一个光谱波段的光谱仪系统进行了详细的光机结构设计及分析，主要的研究工作有以下几个方面：（1）透镜结构组件的设计。根据各透镜的通光口径大小和面形精度要求，确定了各透镜的安装方法和外形结构尺寸。所有透镜支撑结构采用模块化设计，即每个透镜都单独装入各自的镜座中，这样装调方便快捷。由于探测仪工作所处环境温度变化较大，且透镜倾斜、共轴和面形精度要求较高，本论文设计了一种径向透镜径向挠性支撑结构，和普通透镜支撑结构相比，在温度载荷作用下，能更好的保证透镜的共轴精度，并减小了镜面面形误差，各项指标均满足设计要求，证明了该结构设计的合理性。（2）平面光栅结构组件的设计。平面光栅是二氧化碳探测仪的主要分光元件，其面形精度好坏直接影响到探测仪的工作性能。根据平面光栅的设计要求，从光栅材料选取、结构形状及支撑方式方面等进行了研究。设计了一种光栅挠性支撑结构，并对整个光栅结构组件在各种工况下进行了各项力学分析，结果表明，各项指标均满足设计要求。（3）镜筒结构多目标优化设计。镜筒是二氧化碳探测仪的重要结构组成部分，主要用来确定各光学元件的轴向和径向的相对位置。因此高刚度、轻量化及良好的热环境适应性一直是空间镜筒设计面临的重大课题。本论文利用连续体拓扑优化技术，进行了镜筒结构的多目标优化设计。在变密度连续体结构拓扑优化方法基础上，采用加权法和靶向量法定义了多工况作用下多目标优化函数，得到了同时满足刚度和一阶频率最大的镜筒拓扑结构，然后进行了镜筒结构的尺寸优化，结果表明，与初始结构相比，优化后的镜筒结构各项指标都有所极大改进，达到了优化目的。（4）整机装配组件的动力学分析。二氧化碳探测仪在运输、发射阶段都将受到振动、冲击和加速度等各种动力学环境，需对整机装配体进行动力学分析以验证结构设计的合理性。首先，对整机装配体进行了模态分析，得出了其前三阶的固有频率；然后对其进行了谐响应分析，得出了响应曲线、最大响应值及所发生位置；最后进行了随机振动分析，得出了相应的响应曲线及最大响应值。（5）整机装配组件光机热一体化分析。温度载荷是空间探测仪器的主要载荷，当温度变化时，光学元件表面的半径、空气间隔、光学材料的折射率及机械结构组件的实际尺寸都会发生相应的变化，其中任何一项都会使系统焦距偏离或系统失准，因此有必要考察整个装配结构组件在热载荷作用下对探测仪像质的影响。本论文对整机装配组件进行了温度载荷分析，得到了各光学元件镜面变形，利用Zernike多项式对其镜面变形进行了拟合，得到各项Zernike系数，把其和镜面刚体位移一并带入光学设计软件中，同时考虑了温度变化引起光学元件材料折射率的变化，得到了不同温度载荷作用下系统离焦量，做出了随温度变化的离焦曲线，为光学系统调焦补偿提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 二氧化碳探测仪国内外研究现状
• 1.2.1 二氧化碳探测仪工作的基本原理
• 1.2.2 二氧化碳探测仪国内外发展现状
• 1.3 本论文的主要研究工作
• 第2章 二氧化碳探测仪工作力学环境
• 2.1 静力学环境
• 2.2 动力学环境
• 2.3 动力学分析的基本概念
• 2.3.1 模态分析的基本概念与目的
• 2.3.2 谐响应分析的基本概念与目的
• 2.3.3 随机振动（PSD）分析的基本概念与目的
• 2.4 本章小结
• 第3章 二氧化碳探测仪光谱仪系统光机结构设计及分析
• 3.1 光机结构设计总体思路
• 3.2 光谱仪系统光机结构设计指标要求及光机结构总体布局
• 3.2.1 光谱仪系统光机结构部分技术指标要求
• 3.2.2 光机结构总体布局方案
• 3.3 透镜结构组件的设计及分析
• 3.3.1 透镜的固定安装方法
• 3.3.2 透镜结构参数确定及计算方法
• 3.3.3 光机界面类型
• 3.3.4 透镜径向挠性支撑结构设计
• 3.3.5 透镜装配组件的工程分析
• 3.4 平面光栅组件的设计及分析
• 3.4.1 光栅材料的选择
• 3.4.2 光栅径厚比的选择和轻量化设计
• 3.4.3 光栅支撑结构设计
• 3.4.4 光栅结构组件的工程分析
• 3.5 镜筒结构的多目标优化设计
• 3.5.1 拓扑优化方法简介
• 3.5.2 结构多目标拓扑优化的数学模型
• 3.5.3 镜筒结构的多目标拓扑优化
• 3.5.4 镜筒结构的尺寸优化
• 3.6 本章总结
• 第4章 光谱仪系统整机装配动力学分析
• 4.1 整机模态分析
• 4.2 整机谐响应分析
• 4.3 整机随机振动分析
• 4.4 本章总结
• 第五章 光谱仪系统光机热一体化分析
• 5.1 光机热一体化分析方法简介
• 5.2 面形分析计算
• 5.2.1 镜面刚体位移计算
• 5.2.2 镜面畸变拟合计算
• 5.3 不同温度下离焦量计算
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与研究展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究与展望
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢