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电光传感器的协同设计和分析

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电光传感器的协同设计和分析(3)
时间:2017-06-21 21:55来源:讯技光电作者: 技术部点击:打印
技术研发的说明
 
我们对热浸和热瞬态测试数据的集成STOP分析结果可以通过以下三个表中提供的汇总数据的帮助来理解和解释。表2提供了用于每个测试中的热和冷条件下的热聚焦控制系统的一些关键参数。这些数据表明,至少对于1瓦以上的加热器功率,保持聚焦所需的加热器功率大致与周围光具座和L13-16设定点之间的温度差成比例。应指出的是,L13-16设定点温度不同于41℃的设计偏差温度。对于感兴趣的环境边界条件温度值,仪器厂商的控制算法选定的设定点温度由作为保持聚焦的最适的值。另外,在透镜部件13至16中设定的轴向热梯度的大小与采用的加热器功率成正比。
 
 
表2.热控制系统参数
 
表3总结了对于相同的四个测试条件下集成STOP分析给出透镜组件波前差分布预测值的标准41C设计残差值的变化。波前误差以在0.6328微米波长的波中的峰-谷(PV)量值给出。 这里我们看到两个氟化钙透镜元件(13和15)占主导地位,并且来自透镜13和15的波前误差增量趋于补偿在其他所有加热器功率。
 
 
表3.加热器功率水平下的透镜部件波前误差贡献的变化
 
我们集成STOP分析从如下物理视角提供了对这种非常规热聚焦控制操作方法。周围光具座温度降低到L13-16的41℃设计偏置温度以下越多,在透镜子组件透镜13和透镜16端部处的条带加热器上施加的加热器功率越多以保持可见光通道的聚焦。在L13-16子组件的两端施加相等的热量,从而在每个透镜内建立从L13到L16的轴向热梯度和更小的径向热梯度。两个CaF2透镜元件(13和15)具有比玻璃元件(14和16)更低的标准折射率,但是具有较大的dn/dT值。在所有加热器功率水平下,由透镜13和15引入的附加波前误差占主导地位,这表明热致折射率变化正在影响光学性能的变化。与每个透镜的平均体温度的变化相比,在透镜中建立的径向梯度较小(1/3th至1/10th),因此透镜中的体温度变化对图像质量具有主要影响。我们在集成STOP分析中也评估了由在光学表面上固定时弹性应力引起的透镜表面图变化,但是却发现产生的波前误差贡献可以忽略。由仪器厂商的控制算法选定的L13-16设定点温度,总会使具有较小直径的透镜15 CaF2元件的温度升高到高于41℃设计偏差值温度,并将较大直径的透镜13的温度降低到设计点以下,使得对于所有加热器功率水平,这两个透镜的热致波前误差贡献总是倾向于彼此抵消。这种倾向使L13-16子组件的总焦距和图像质量贡献在传感器的预期热环境中相对不变。
 
表4中数据总结了该热控制方法在保持聚焦和可见通道波前误差方面的总体效应。我们通过分析可以证实,对于可见光通道,仪器厂商的聚焦控制方法在传感器的预期热环境中可以有效地保持聚焦。对于所有情况,除了一些情况下(瞬态、热情况),每个测试条件的像差残差在衍射极限(0.25波PV)内。此外,通过表4中对于每个测试情况说明,可以通过附加重聚焦来移除像差残差。除了瞬态热情况,对于热效应(1mil)的产生散焦,这些重新聚焦值在仪器厂商的误差预算分配范围内。
 
 
表4.聚焦控制效应
 
初始STOP分析的注意事项
 
我们最初的集成STOP分析的精确度和整体效用受到三个因素的限制。首先,由于我们分析时采用基线光学设计模型的限制,无法直接将STOP模型图像质量预测与传感器可见通道的测量图像质量进行比较。我们的光学设计模型仅包括基线光学设计和简化表示的传感器中心遮挡。它不包括对于该传感器是重要的制造、对准或重力释放误差。它也不包括用于测试传感器的准直器的显著像差。这个限制将在未来的工作中通过将Zernike相位表面添加到表示这些误差的基线设计来解决。其次,尽管我们的STOP模型对于L13-16透镜子组件具有高精确度,但由于时间和计算资源的局限性限制了其余可见光通道的精确度。由于光具座的结构模型的有限精确度,可能引入了L13-16子组件的整体倾斜和偏心的小误差,并且忽略了除了L13-16之外的可见通道分量的光学性能影响。这些限制将根据我们的客户的后续工作的需要来处理。最后,热瞬态光学预测的准确性受两个因素的影响。对于L13-16使用平均初始温度分布,而不是由于时间和计算资源限制在前两个热循环中计算其从初始条件的演变。由于这个原因,用于STOP分析的温度分布中可能存在一些小的误差。更重要的是,用于测试有效载荷的全铝准直器的温度和焦点在热瞬态测试期间不受控制,因此在这些测试中观察到的一些焦点漂移,特别是在极端温度条件下,可能导致准直器焦点随时间和温度漂移。这是测试设置中的限制,如果测试要重复进行,则需要对其进行校正。
 
结束语和未来工作计划
 
在预期热环境下维持具有飞行有效载荷的可见信道聚焦控制中,一种新型电光传感器的集成设计和分析商业SDE软件环境已被用于验证非常规热控制方法。飞行硬件测量和我们的集成STOP分析显示,该方法至少工作在一阶。我们的集成分析方法同时具有了另外两个好处。首先,它以更佳的物理学角度分析热控制方法的作用并且因此如何进一步减小剩余的小的残留聚焦误差。其次,我们开发的集成STOP过程允许跨学科分析,使曾经需要几天甚至几周来执行的工作,现在可在一天内可完成。考虑到六个不同的集成STOP分析来完成这项工作,由于设计周期的显着减少,执行这种独立评估所需的成本和时间的节省是巨大的。
 
进一步的工作计划是支持这种有效载荷的在轨测试(OOT)和第二有效载荷的最终热真空测试。我们的基线光学设计模型将会更新,将包括制造、对准和重力引起的效应,同时更多的可见通道组件将被添加到模型中,使其可对预测的和测量的可见通道图像质量的高精度比较。我们还计划在SDE软件环境中添加一个适配器,以便控制算法软件,可以包含在集成分析中。这将使我们可以在从地面命令到最终图像质量进行整个聚焦控制系统的建模。
 
参考文献
[1] Pavlica, Steve and William Tosney, “Assessment of NRO Satellite Development Practices,” The Aerospace Corporation, 2003.
[2] Young, Thomas A., Chair, “Report of the Defense Science Board/Air Force Scientific Advisory Board Joint Task Force on Acquisition of National Security Space Programs,” Office of the Under Secretary of Defense for Acquisition, Technology, and Logistics, May 2003.
[3] NASA Instrument Capability Study, Final Report, NASA Office of the Chief Engineer, NASA Headquarters, December 2008.
[4] Panthaki, Malcolm, “Concurrent Engineering to the Rescue: Do We Have the Software Tools to Support It?” Proc SPIE, Vol. 7071, 3 September 2008.
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