在远距离目标轨迹测量系统中, 当前的长焦相机由于CCD尺寸限制一般视场角度较小, 无法实现对目标的可靠捕获。在对比当前的几种大视场拼接成像方法后, 针对远距离目标测量系统的要求提出了一种通过控制单个相机进行圆锥旋转来模拟4相机阵列实现大视场成像的方法。设计了实验样机对该方法进行验证。首先根据该成像方法设计了相机运动控制方案和相应的机械结构, 然后设计了相机的触发控制以及图像数据的传输和处理流程, 最后使用该样机进行了实验。实验中样机经校准后采集到了相对位置正确的子视场图像, 并拼接获得了大视场图像。使用视场角度为1.02°的小视角相机, 实现了4个有一定程度重合的子视场2×2拼接, 最终获得了1.93°的大视角。该方法为远距离目标测量系统中的目标捕获子系统设计提供了新思路。

新型光学检测靶标能够在内场模拟复杂运动轨迹的外场目标, 得益于结构组件中直线运动系统, 但直线运动系统以悬臂梁形式安装, 跨距大、刚度低, 不能够保证靶标的检测精度。为此, 首先根据欧拉-伯努利梁理论, 提出了在有限空间内对其进行结构加强的解决方法; 其次, 结合线性模组结构动力特性, 在其周围合理布置加强梁、加强板, 并采用集成优化设计确定加强组件的最优尺寸; 最后, 对安装后的直线运动系统进行模态分析与测振实验。仿真分析与实验结果显示: 直线运动系统加固后整体结构一阶、二阶固有频率分别为36、55 Hz, 与仿真设计值32、54 Hz吻合的较好, 与加固前一阶固有频率14 Hz相比较, 提高了1.86倍。结果验证了加强组件设计的合理性与可靠性, 加强后的直线运动系统结构性能满足新型光学检测靶标所要求的质量轻、刚度高、抗干扰能力强等要求。

激光发射系统中激光与经纬仪高精准对接保证了激光的高精度定向发射, 针对激光器与经纬仪机下对接方式, 从理论上建立整体坐标系下基于库德光路传导激光的库德镜空间归一化模型, 精确标定激光在各库德镜空间中的位置及其变化, 通过该模型提出内场分级、外场秒级的激光与经纬仪高精准对接技术, 结合某长波激光发射系统进行实验验证, 可实现激光与经纬仪2″以内高效精准对接, 从工程上验证了该技术的正确性和实用性, 为该类型激光对接提供了技术支撑。

为分析CO2激光9R波段输出谱线特性, 满足激光与物质相互作用的需求, 首先利用镀膜选支技术使高功率TEA CO2激光器只输出9R波段的激光。然后, 通过单脉冲放电试验, 利用CO2激光谱线分析仪分析9R波段CO2激光谱线的波长和谱线数量, 并利用能量计分析每支谱线在单脉冲能量中所占的比例。通过改变输出镜的透过率、全反射镜的曲率半径以及工作气体的比例, 分析CO2激光9R波段输出谱线在波长、数量以及能量比例方面的变化。试验结果表明, CO2激光在9R波段同时输出了多条相邻较近的谱线, 并且这些谱线随激光器输出镜透过率、全反射镜曲率半径和气体比例的变化而变化。

为了减小万向轴系式快速反射镜(FSM)的轴向间隙, 改善FSM系统的指向精度, 设计了一种轴系间隙消除装置。在明确万向轴系式FSM结构原理的基础上, 分析了FSM系统指向误差的来源。然后, 设计了轴系间隙消除装置, 计算了压缩弹簧预紧力并对它的结构参数进行了设定。最后, 针对是否装有轴系间隙消除装置的FSM系统的指向精度进行了对比测试。结果表明: 该轴系间隙消除装置能够有效改善FSM系统的指向精度, 使其在方位方向提高约4.4倍, 俯仰方向提高约3.3倍。此外, 在刚性支撑轴系基础上设计的弹性轴向间隙消除装置, 不仅改善了万向轴系式FSM的指向精度, 还为系统的运动部分提供了二次刚性支撑, 从而进一步提高了FSM的承载能力。

由于大口径宽波段高能激光发射系统使用环境复杂、激光发射间歇时间长, 晶体窗口难于满足使用要求, 本文设计了一套用于发射系统的快门式机械窗口。该机械窗口由防尘罩压紧机构和防尘罩的驱动机构两部分组成。压紧机构通过丝杠、钢丝绳和同步带等传动方式实现单电机驱动多目标同步运动, 利用柔性铰链补偿安装误差。采用柔索的非线性分析法和积分原理求解了防尘罩的风压载荷与锁紧机构所需的压紧力间的解析关系, 通过逆推法建立了正压风载与电机负载扭矩间的解析表达式。根据电机的矩频特性计算了机构的转速范围和防尘罩能承受的最大风载。实际测试表明, 电机输出扭矩达到0.34 Nm时, 防尘罩可以抵御10 m/s风载作用, 开启与关闭的最小时间稳定在3 s左右, 正压风载与电机负载间表达式的计算误差不超过15%, 窗口的运行可靠, 符合设备使用要求。

根据激光发射系统对快速反射镜发射方向精度的需求, 提出了一种新型快速反射镜设计方案。该方案以柔性铰链为运动传递元件, 采用直线音圈电机驱动, 并用高精度光栅测微仪实现位置闭环控制。首先, 介绍了反射镜工作原理及驱动方式, 选择了系统的驱动元件和测角元件, 并对柔性铰链结构进行设计。在研究其刚度特性的基础上, 采用序列二次规划法优化了铰链关键尺寸。然后, 建立了驱动组件的简化模型, 并利用理论公式和有限元分析软件分别计算驱动组件的转角精度。最后, 使用测角元件及自准直平行光管测量了快速反射镜的转角精度。实验结果表明: 所设计的快速反射镜装置工作稳定、结构可靠, 对发射光束的控制精度能达到0.95″, 满足激光发射系统实时控制光束发射方向的精度要求。

考虑大口径光学望远镜中主反射镜的支撑精度直接影响光电探测设备的整机性能, 本文根据光学系统对口径为1 000 mm的主镜的支撑精度要求和光电设备中主镜的使用情况, 采用轴向和径向组合支撑的结构形式来完成对主镜的支撑, 并通过有限元法对支撑位置进行理论分析和计算。实验显示, 在轴向18点浮动支撑、径向3点柔性支撑的情况下, 主镜能够达到较高的面形精度。针对传统装调工艺不能获得理想的面形精度, 探索了新的主镜装调方法。用干涉仪对带有支撑的主镜进行实时测量并进一步进行修磨, 使主镜在装配完成后达到λ/18的面形精度。该方法满足了本项目的指标要求, 也为更大口径主镜的装调提供了一种新的思路。

为修正水平式经纬仪的指向误差, 提出了一种针对视轴指向的统一补偿模型。根据水平式经纬仪的光机结构, 建立了照准坐标系和地平坐标系; 通过两坐标系的几何关系得到目标在地平坐标系下的坐标方程, 并对该方程进行全微分, 得到地平坐标误差与指向误差的关系式。针对设备主要误差源之一(3轴误差)进行5次线性变换, 推导出目标在地平坐标系中关于3轴误差的统一地平坐标误差方程; 结合全微分所得关系式, 求出指向误差关于3轴误差的统一补偿模型, 将该模型与编码器误差模型线性叠加后获得水平式经纬仪指向误差的统一补偿模型。最后, 对全天分布较为均匀的46颗恒星进行观测, 得到了观测误差的实验数据, 利用最小二乘法对该模型进行拟合, 得到模型中各待定系数。实验结果表明, 采用该模型进行修正后, 设备总指向精度由修正前的40.1″提高到3.4″, 满足系统总体提出的精度要求。

为修正由轴系误差引起的水平式激光发射系统的指向误差，借鉴经纬仪视轴指向误差的修正方法——单项差法和坐标变换法，建立了激光发射系统指向误差的修正模型，得到了轴系误差在激光发射光路中的传递规律。介绍了系统光机结构及建模理论，导出了反射镜的作用矩阵。通过建立水平式跟踪架笛卡尔坐标系，将激光光束看作空间内一单位矢量，并借助矢量旋转与坐标变换，得到了各单项误差解析式；通过线性叠加得出激光发射系统指向误差的修正模型。结合电视跟踪系统所测量的激光束指向误差，采用最小二乘法拟合得出修正模型中各待定系数。实验结果表明：指向误差经修正后，系统在某两轨道上和天顶区域的指向精度可达到3.1″和9.7″，满足系统设计的精度要求。