振动环境下光束指向稳定及其光机电一体化关键技术

论文题目: 振动环境下光束指向稳定及其光机电一体化关键技术

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 陈贵敏

导师: 贾建援

关键词: 四元数方法,机械振动,光学失调,光束控制,光机电一体化

文献来源: 西安电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着光学系统应用领域的不断扩展,凝集大量研究成果的装备走出实验室、进入实际应用环境,例如远程高能激光输送系统,空间光通信、高精度激光加工设备以及测量设备。然而,使用环境中各种动态干扰的影响,如环境温度变化、大气湍流、灰尘烟雾、以及由各种原因引起的机械振动都会不同程度地影响光学系统的性能,严重地阻碍了光学系统的实用化进程。本文以车载移动光学系统为背景,研究了振动环境下光学系统失调光束传输的四元数方法、多平台光束自动对接技术和光束指向稳定控制技术。论文完成的主要工作有: 1、根据四元数的Rodrigues-Hamilton参数表示方法,提出了标准四元数和四元数旋转变换逆算子的概念,给出了用四元数方法描述的反射定律和折射定律,为后续的共轴光学系统以及失调光学系统中光线传输的研究奠定了理论基础。 2、给出了连续折射、连续反射共轴光学系统及带有倾斜镜的光学系统的光线传输的四元数计算方法和计算流程:利用VC++6.0和OpenGL编写了通用计算软件,并对某两级扩束的光学系统进行了仿真计算,计算结果合理。 3、基于机械振动理论,给出了镜片失调位姿的计算方法,并推导了光线经过失调镜片的四元数计算公式;给出了失调光学系统的四元数光线传输计算方法,并利用VC++6.0和OpenGL开发了通用计算软件;以某置于光学平台上的两级扩束系统的振动失调问题为例,得到了该失调光学系统输出光束的动态响应。 4、以大扰动光学系统的光束稳定控制为背景,设计了大转角大孔径的快反镜,该快反镜由压电驱动器驱动,采用基于椭圆柔性铰链的两级放大机构实现大转角转动;给出了椭圆柔性铰链的柔度计算公式,并运用非线性递减策略的粒子群优化算法对椭圆切口进行了优化设计;基于伪刚体模型法,运用防拥挤策略的粒子群优化算法对快反镜中的二级放大机构构型进行了优化设计;运用ADAMS动力学仿真软件对优化后的快反镜作了动力学分析,证实了优化所得结构的合理性。 5、基于大型光学系统的分体设计思想,提出一种多平台光束自动对接方案;基于压电学和伪刚体模型法,建立了上述快反镜的机电动力学模型;建立了多平台光束自动对接控制系统仿真分析模型,并以某双平台光路系统的光束对接问题为例,给出了合理的数值仿真结果。 6、针对在远距离传输中光束指向不稳定的问题,提出一种光束指向稳定控制方案;建立了光束指向稳定控制的实验模型,实验结果证明了该方案的可行性。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 光机电一体化技术

1.2 光学系统中的光机电一体化技术

1.2.1 复合轴控制技术

1.2.2 自适应光学技术

1.2.3 振动主动控制和光束稳定控制技术

1.3 车载移动光学系统的光机电一体化技术

1.4 本文的主要工作

1.4.1 论文的主要研究内容

1.4.2 论文的主要研究成果

第二章 用四元数表示的几何光学基本定律

2.1 四元数

2.1.1 四元数的发展

2.1.2 四元数的定义与性质

2.1.3 四元数的运算

2.1.4 Rodrigues-Hamilton参数及四元数旋转变换

2.2 用四元数表示的几何光学基本定律

2.2.1 反射定律

2.2.2 折射定律

2.3 本章小结

第三章 共轴光学系统光线传输的四元数方法

3.1 镜片曲面及其法线的表示

3.1.1 参考平面

3.1.2 镜片曲面的表示

3.1.3 镜片曲面法向量的近似计算

3.1.4 镜片曲面法向量的精确计算

3.2 连续折射光学系统

3.3 连续反射光学系统

3.4 带有倾斜镜的光学系统

3.4.1 倾斜镜参考坐标的选取

3.4.2 光线与倾斜镜的交点计算以及反射变换

3.4.3 系统编号及计算流程

3.5 计算实例

3.6 本章小结

第四章 失调光学系统光线传输的四元数方法

4.1 光学平台的机械振动理论

4.1.1 光学平台结构的振动响应

4.1.2 广义特征值问题

4.1.3 周期性激振的动力响应

4.2 光学镜片的失调位姿描述

4.2.1 镜片失调线位移的描述

4.2.2 镜片失调角位移的描述

4.3 镜片失调位姿的有限元计算方法及光线变换

4.3.1 轴对称透镜

4.3.2 轴对称反射镜

4.3.3 平面倾斜反射镜(倾斜镜)

4.4 失调光学系统的光线传输计算流程

4.5 某失调光学系统的光束传输计算

4.5.1 光学平台的有限元分析

4.5.2 失调光学系统的光束传输分析

4.6 本章小结

第五章 大孔径大转角快反镜的设计与优化

5.1 大孔径大转角快反镜的设计

5.1.1 驱动器的选择

5.1.2 柔性铰链的选择

5.1.3 柔性铰链位移放大机构的构型

5.1.4 快反镜的总体结构设计

5.2 椭圆柔性铰链的设计计算

5.2.1 椭圆柔性铰链的柔度计算公式

5.2.2 椭圆柔性铰链的静刚度矩阵

5.3 使用粒子群优化算法优化椭圆切口形状

5.3.1 粒子群优化算法

5.3.2 非线性权值递减策略

5.3.3 切口形状优化

5.4 使用粒子群优化算法优化位移放大机构的性能

5.4.1 位移放大机构的优化模型

5.4.2 粒子群优化算法中的防拥挤策略

5.4.3 优化结果

5.5 优化后的快反镜

5.6 本章小结

第六章 多平台间光束自动对接技术

6.1 对接方案的设计

6.2 快反镜的建模

6.2.1 压电层叠驱动器的模型

6.2.2 快反镜机电动力学模型

6.3 双平台自动对接的仿真

6.4 本章小结

第七章 光束指向稳定控制技术研究

7.1 光束指向稳定控制系统的组成

7.1.1 光源

7.1.2 快反镜

7.1.3 分束镜

7.1.4 位置敏感探测器

7.1.5 扰动模拟装置

7.2 实验结果与分析

7.3 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 论文工作总结

8.2 研究工作展望

致谢

附录A 光学平台的有限元模态分析数据

参考文献

作者在攻读博士学位期间的研究成果

发布时间: 2007-01-10

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