空间激光通信APT系统中快速反射镜关键技术研究
发布时间：2021-04-29 16:54
快速反射镜（Fast Steering Mirror,FSM）是安装在光源与接收端之间,通过驱动器控制反射镜的偏转调整光束传播方向,起到稳定光学系统视轴或者调解光束指向的作用,因此,FSM已成为空间激光通信中捕获、瞄准和跟踪（APT）系统的关键组成部分。由于它具有高带宽、高响应速度和高控制精度等特点,还被广泛应用于天文望远镜、图像稳定和自适应光学等领域。本文以某预研项目空间激光通信终端为应用背景,根据项目需求,本文分别对采用柔性铰链支撑的FSM和采用十字柔性轴承支撑的FSM进行详细研究。详细研究内容分别叙述如下:1.详细对比国内外研究不同类型FSM的性能特点。根据某激光通信终端系统对FSM的指标要求,分析FSM各组成部分与性能指标之间的关系,确定系统指标及设计方案,设计两种采用不同支撑结构的FSM,并且均采用音圈电机作为驱动元件,利用QD组成位置检测装置。2.首先提出双曲线直圆混合柔性铰链,该型铰链不仅具有双曲线柔性铰链运动范围大的特点,还具有直圆柔性铰链回转精度高的特点。为了便于该型柔性铰链的优化设计,推导了其柔度计算公式,还分析了不同方向柔度与各参数之间的关系,有效缩短了双曲线直圆...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 空间激光通信发展现状
1.2.1 国外发展现状
1.2.2 国内发展现状
1.3 快速反射镜发展现状
1.3.1 国外发展现状
1.3.2 国内发展现状
1.4 论文研究内容和章节安排
第2章 快速反射镜整体方案设计
2.1 引言
2.2 FSM调节光束的原理及性能指标的提出
2.2.1 FSM调节光束的原理
2.2.2 性能及指标的提出
2.3 总体设计方案
2.3.1 驱动元件类型的确定
2.3.2 支撑结构的设计或选择
2.3.3 位置检测装置的选择及设计
2.3.4 驱动元件的排布方式
2.4 整体结构设计
2.4.1 采用柔性铰链支撑的FSM整体模型设计
2.4.2 采用十字柔性轴承支撑的FSM整体模型设计
2.5 各部件材料的选择
2.5.1 工作镜体材料的选择
2.5.2 支撑结构的材料选择
2.5.3 基座材料的选择
2.5.4 FSM各部分质量及转动惯量计算
2.6 本章小结
第3章 支撑结构的设计
3.1 引言
3.2 柔性铰链支撑结构设计
3.2.1 双曲线直圆混合柔性铰链柔度计算公式推导和仿真分析
3.2.2 双曲线直圆混合柔性铰链性能分析
3.2.3 双曲线直圆混合柔性铰链支撑结构设计
3.2.4 疲劳寿命仿真分析
3.3 弹性轴承支撑的选择
3.3.1 各柔度计算式推导
3.3.2 十字柔性轴承关键尺寸确定
3.3.3 疲劳寿命仿真分析
3.4 本章小结
第4章 基于四象限探测器的位置检测装置
4.1 引言
4.2 位置检测装置测量原理
4.2.1 四象限探测器工作原理
4.2.2 位置检测装置线性度分析
4.2.3 位置检测装置数学模型建立
4.3 测量范围和线性度仿真分析
4.4 测量范围和线性度测试
4.4.1 实验平台搭建
4.4.2 测量范围和线性度实验结果分析
4.5 本章小结
第5章 快速反射镜系统谐振频率及动力学仿真分析
5.1 引言
5.2 采用柔性铰链的快速反射镜动力学建模与分析
5.2.1 模态分析理论及仿真
5.2.2 建立FSM一维运动动力学模型
5.2.3 加入高阶谐振的FSM动力学模型
5.3 采用十字柔性轴承的快速反射镜动力学建模与分析
5.3.1 模态分析理论及仿真
5.3.2 建立动力学模型
5.4 本章小结
第6章 快速反射镜性能测试和实验研究
6.1 引言
6.2 柔性支撑结构柔度测试
6.2.1 双曲线直圆混合柔性铰链支撑结构柔度测试
6.2.2 十字柔性轴承支撑柔度测试
6.3 快速反射镜实验测试平台搭建
6.4 快速反射镜静动态性能测试
6.4.1 采用柔性铰链支撑快速反射镜静动态性能测试
6.4.2 采用十字柔性轴承支撑快速反射镜静动态性能测试
6.4.3 实验结果分析
6.5 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 已完成工作总结
7.2 论文创新点
7.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间激光通信研究现状及发展趋势[J]. 石胤漩. 中国新通信. 2016(15)
[2]空间激光通信光端机发展水平与发展趋势[J]. 王岭,陈曦,董峰. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(02)
[3]空间激光通信现状、发展趋势及关键技术分析[J]. 姜会林,安岩,张雅琳,江伦,赵义武,董科研,张鹏,王超,战俊彤. 飞行器测控学报. 2015(03)
[4]深切口椭圆柔性铰链优化设计[J]. 卢倩,黄卫清,王寅,孙梦馨. 光学精密工程. 2015(01)
[5]采用柔性铰链的快速反射镜设计[J]. 周子云,高云国,邵帅,薛向尧. 光学精密工程. 2014(06)
[6]空间激光通信发展概述[J]. 吴从均,颜昌翔,高志良. 中国光学. 2013(05)
[7]两轴正交圆切口单轴柔性铰反射镜支撑结构[J]. 李海星,丁亚林,史磊,宋玉龙. 红外与激光工程. 2013(07)
[8]TC4-DT钛合金高周疲劳行为研究[J]. 于兰兰,毛小南,李辉,赵永庆,张鹏省,侯智敏. 钛工业进展. 2012(06)
[9]新型双曲线直梁复合型柔性铰链刚度研究[J]. 任宁,王长路,欧开良,周峰. 机械强度. 2012(05)
[10]Kinematics modeling of a 6-PSS parallel mechanism with wide-range flexure hinges[J]. 杜志江,史若冲,董为. Journal of Central South University. 2012(09)
博士论文
[1]光束指向控制设备中快速反射镜系统设计研究[D]. 方楚.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[2]星间激光通信若干关键技术研究[D]. 焦仲科.中国科学院光电技术研究所 2017
[3]基于椭圆弧柔性铰链支撑的高性能快反镜优化设计[D]. 付锦江.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[4]星间激光通信终端及其实验室检测平台光学系统研究[D]. 吴从均.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[5]高性能快速控制反射镜研究[D]. 吴鑫.华中科技大学 2012
[6]卫星激光通信终端系统捕获瞄准跟踪技术研究[D]. 郑燕红.哈尔滨工业大学 2010
[7]相干激光空间数据传输系统及其多阶波前校正研究[D]. 幺周石.电子科技大学 2010
[8]快速控制反射镜结构及其动态特性的研究[D]. 王永辉.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
硕士论文
[1]大气湍流影响下卫星光通信探测光斑分布与定位算法研究[D]. 左海成.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3167831
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 空间激光通信发展现状
1.2.1 国外发展现状
1.2.2 国内发展现状
1.3 快速反射镜发展现状
1.3.1 国外发展现状
1.3.2 国内发展现状
1.4 论文研究内容和章节安排
第2章 快速反射镜整体方案设计
2.1 引言
2.2 FSM调节光束的原理及性能指标的提出
2.2.1 FSM调节光束的原理
2.2.2 性能及指标的提出
2.3 总体设计方案
2.3.1 驱动元件类型的确定
2.3.2 支撑结构的设计或选择
2.3.3 位置检测装置的选择及设计
2.3.4 驱动元件的排布方式
2.4 整体结构设计
2.4.1 采用柔性铰链支撑的FSM整体模型设计
2.4.2 采用十字柔性轴承支撑的FSM整体模型设计
2.5 各部件材料的选择
2.5.1 工作镜体材料的选择
2.5.2 支撑结构的材料选择
2.5.3 基座材料的选择
2.5.4 FSM各部分质量及转动惯量计算
2.6 本章小结
第3章 支撑结构的设计
3.1 引言
3.2 柔性铰链支撑结构设计
3.2.1 双曲线直圆混合柔性铰链柔度计算公式推导和仿真分析
3.2.2 双曲线直圆混合柔性铰链性能分析
3.2.3 双曲线直圆混合柔性铰链支撑结构设计
3.2.4 疲劳寿命仿真分析
3.3 弹性轴承支撑的选择
3.3.1 各柔度计算式推导
3.3.2 十字柔性轴承关键尺寸确定
3.3.3 疲劳寿命仿真分析
3.4 本章小结
第4章 基于四象限探测器的位置检测装置
4.1 引言
4.2 位置检测装置测量原理
4.2.1 四象限探测器工作原理
4.2.2 位置检测装置线性度分析
4.2.3 位置检测装置数学模型建立
4.3 测量范围和线性度仿真分析
4.4 测量范围和线性度测试
4.4.1 实验平台搭建
4.4.2 测量范围和线性度实验结果分析
4.5 本章小结
第5章 快速反射镜系统谐振频率及动力学仿真分析
5.1 引言
5.2 采用柔性铰链的快速反射镜动力学建模与分析
5.2.1 模态分析理论及仿真
5.2.2 建立FSM一维运动动力学模型
5.2.3 加入高阶谐振的FSM动力学模型
5.3 采用十字柔性轴承的快速反射镜动力学建模与分析
5.3.1 模态分析理论及仿真
5.3.2 建立动力学模型
5.4 本章小结
第6章 快速反射镜性能测试和实验研究
6.1 引言
6.2 柔性支撑结构柔度测试
6.2.1 双曲线直圆混合柔性铰链支撑结构柔度测试
6.2.2 十字柔性轴承支撑柔度测试
6.3 快速反射镜实验测试平台搭建
6.4 快速反射镜静动态性能测试
6.4.1 采用柔性铰链支撑快速反射镜静动态性能测试
6.4.2 采用十字柔性轴承支撑快速反射镜静动态性能测试
6.4.3 实验结果分析
6.5 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 已完成工作总结
7.2 论文创新点
7.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间激光通信研究现状及发展趋势[J]. 石胤漩. 中国新通信. 2016(15)
[2]空间激光通信光端机发展水平与发展趋势[J]. 王岭,陈曦,董峰. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(02)
[3]空间激光通信现状、发展趋势及关键技术分析[J]. 姜会林,安岩,张雅琳,江伦,赵义武,董科研,张鹏,王超,战俊彤. 飞行器测控学报. 2015(03)
[4]深切口椭圆柔性铰链优化设计[J]. 卢倩,黄卫清,王寅,孙梦馨. 光学精密工程. 2015(01)
[5]采用柔性铰链的快速反射镜设计[J]. 周子云,高云国,邵帅,薛向尧. 光学精密工程. 2014(06)
[6]空间激光通信发展概述[J]. 吴从均,颜昌翔,高志良. 中国光学. 2013(05)
[7]两轴正交圆切口单轴柔性铰反射镜支撑结构[J]. 李海星,丁亚林,史磊,宋玉龙. 红外与激光工程. 2013(07)
[8]TC4-DT钛合金高周疲劳行为研究[J]. 于兰兰,毛小南,李辉,赵永庆,张鹏省,侯智敏. 钛工业进展. 2012(06)
[9]新型双曲线直梁复合型柔性铰链刚度研究[J]. 任宁,王长路,欧开良,周峰. 机械强度. 2012(05)
[10]Kinematics modeling of a 6-PSS parallel mechanism with wide-range flexure hinges[J]. 杜志江,史若冲,董为. Journal of Central South University. 2012(09)
博士论文
[1]光束指向控制设备中快速反射镜系统设计研究[D]. 方楚.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[2]星间激光通信若干关键技术研究[D]. 焦仲科.中国科学院光电技术研究所 2017
[3]基于椭圆弧柔性铰链支撑的高性能快反镜优化设计[D]. 付锦江.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[4]星间激光通信终端及其实验室检测平台光学系统研究[D]. 吴从均.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[5]高性能快速控制反射镜研究[D]. 吴鑫.华中科技大学 2012
[6]卫星激光通信终端系统捕获瞄准跟踪技术研究[D]. 郑燕红.哈尔滨工业大学 2010
[7]相干激光空间数据传输系统及其多阶波前校正研究[D]. 幺周石.电子科技大学 2010
[8]快速控制反射镜结构及其动态特性的研究[D]. 王永辉.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
硕士论文
[1]大气湍流影响下卫星光通信探测光斑分布与定位算法研究[D]. 左海成.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3167831
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