振动干扰下光路失调的数值计算

　　1　引　言

　　随着光学系统的应用领域不断扩展,一些复杂的光学系统逐渐从实验室走向实际应用现场,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,从而阻碍光学系统的实用化进程。机械振动对光学系统的成像质量、测量精度和目标跟踪瞄准精度的影响是不可回避的,它已成为实际应用现场中影响光学系统稳定性的主要干扰因素之一,因此,抗振性能的评估已成为光学系统现场应用的一个研究重点。

　　研究光学系统在恶劣环境中的工作性能,完善光学系统工作稳定性的措施是一项非常有意义的工作。以色列Ben-Gurion大学的Arnon等人建立了振动环境下激光通信的数学模型,分析了振动对卫星光通信网络性能的影响,并研究了相关的解决方案[1-2];陈云亮等人研究了随机振动对探测器接收信号的影响[3];文献[4]指出,卫星平台振动的干扰问题是在激光星间链路实用化之前必须解决的关键问题。

　　为了满足现场诊断实验的要求,围绕现有光学诊断实验室系统集成化、小型化、工程化的问题,本文开展了对振动失调光学系统光线传输数值计算的相关研究,以便为光学系统在燃烧诊断中的现场应用提供技术储备。

　　2　振动失调物理模型动力学计算

　　2.1　振动失调模型的建立

　　2.1.1　有限元模型的建立

　　以光学系统中常用的反射镜及镜架作为分析计算对象,通过瞬态动力学分析求解其在振动激励下的位移响应。由于影响瞬态动力学分析结果的主要因素为研究对象的质量及结构刚度分布,因而在保证元器件的质量属性和总体结构特征的前提下,在实际建模中忽略了一些局部微小特征,如倒角、螺纹等。这些局部特征对动力学分析结果的影响很小[5-9],却会使计算量显著上升,因此这种简化是合理和经济的。

　　反射镜实体模型作为研究对象是通过PTC公司的三维实体造型软件Pro/E按照图纸建立的,如图1所示。反射镜的有限元模型建立在ANSYS环境下,如图2所示。单元类型采用SOLID92,材料属性如表1所示。

　　2.1.2　振动激励下反射镜动力学分析

　　瞬态动力学分析用于计算结构在方位或大小随时间任意变化的载荷作用下的动力学响应[10-12],研究方法采用模态叠加法。通过瞬态动力学分析可以得到模型任意节点上的位移响应,本文选取图3所示的A,B,C3点。图4为模型的振动激励,图5为A,B,C3点的位移响应。

　　2.2　振动失调模型的计算

　　反射镜模型的镜面偏转角和偏移量是将振动失调模型的输出和光路追迹模型的输入关联起来的参量。在振动激励作用下,镜面的变形很小。镜面的偏转角可以由镜面上参考点A,B的相对偏移量计算,如图6所示。反射镜面γ在无干扰的初始状态下位于XOY坐标面内,那么在振动干扰下某时刻,镜面γ′在YOZ面上的投影角为θ,即镜面的偏转角。图7为镜面垂直两点经振动干扰后的几何关系图;zA,zB为初始状态下A,B在Z轴上的位置;zA′,zB′为扰动后某时刻A,B在Z轴上的位置;θ为此时刻镜面产生的偏转角。