光机丨理解LOS（line-of-sight）（一）
光学系统受微振动环境影响，光轴抖动会影响成像质量。1 微振动环境不可避免性光学设计指标极致追求（大口径、长焦距、高分辨率、轻量化等），光学设计指标高，结构系统刚度受质量限制，导致光学系统结构对微振动环境越来越敏感。微振动是指在光机系统结构受到外界环境和内部转动部件工作造成的光机系统产生运动或震荡。微振动具有多样性、固有性、复杂性、难控制性等特点。 外部环境：以空间环境为例，重力和太空温度变化。内部部件：天线的转动、太阳帆板转动机构、姿态系统动量轮与控制力矩陀螺、制冷机等。2 微振动环境分析必要性微振动是低级别振动（移动或振动部件在轨运行过程中发生的低水平振动）。微振动机理研究的本质是分析光学系统在不同微振动环境影响下对不同光学参数、扰动参数的敏感特性，从而指导机械系统的隔振设计和光学系统优化设计。图 LOS pointing as a function of time图片来源：Spacecraft mechanical loads analysis handbook图 resulting effects on image quality图片来源：Spacecraft mechanical loads analysis handbook图片来源：Spacecraft mechanical loads analysis handbook在航天器系统中，指向和扫描机制的精度要求通常非常严格，从高增益天线的小分数度（如0.01°），到卫星间光链路的微弧度，甚至仪器光学延迟线应用的纳米弧度。这些要求对于实现高性能的光学通信和观测至关重要。截图表13-1和图13-7所示。给出了JAXA的HINODE/SOLAR-B任务的短期、中期和长期以及与频率相关的指向稳定性要求。图片来源：Spacecraft mechanical loads analysis handbook进行微振动分析时，需要考虑航天器内部干扰传输到敏感的接收器位置在结构中的传播路径，如图13-18所示，降低微震动环境对光学质量影响，解决策略是在transmission path做干扰、阻碍传播。3 微振动分析微振动分析是基于使用有限元分析方法预测航天器结构的传递函数，将微振动干扰从源位置传输到接收器位置。其他的方法是功 率 方法和基于能量方法的统计能量分析(SEA)的扩展，用于振动-声响应预测。有限元分析法通常适用于低频和中频范围，其有效性取决于模型的细化程度。在高频范围，当模态密度足够时，更适合使用统计能量法方法。3.1 有限元分析方法微振动分析准确性取决于航天器结构模型的复杂性、扰动传输路径上模型的不确定性，以及有限元分析的频率范围。为了确定预测模型的稳定性,可以评估相关结构参数的敏感性。航天器发射、进入轨道阶段，所有柔性附件放置于适当的飞行位置至关重要。比如：太阳能帆板、天线等。航天器发射阶段，释放所有发射锁定装置（launch locks）和其他夹持（clamping）机构至关重要，以确保所有柔性附件在置于适当的位置（太阳能帆板、天线杆）。注意：释放这些锁定装置可能会导致刚度矩阵奇异性，需要特别注意处理这些数值问题。奇异性可能会影响航天器姿态控制系统的稳定性和性能，因此需要采取适当的措施来解决。在航天器在不同的任务阶段填充剂比例发生显著变化，影响航天器的质量分布，改变其动态特性和模态结果，可能导致结构的固有频率发生变化，甚至可能引起新的模态耦合，从而影响到航天器的性能。进行自由模态分析，考虑前六阶刚体模态分析。即分析在无约束条件（内部、外部）下的模态分析结果。图片来源：Spacecraft mechanical loads analysis handbook传递函数描述了外部激励（力/扭矩）是如何转化为航天器的响应（加速度/角速度）。在非常低的频率下（<0.01 Hz），航天器的加速度响应预期为恒定加速度，即激励力除以卫星质量。在低频范围内，航天器的弹性模态尚未显著影响其动态响应，因此航天器作为一个刚体响应外部激励。（频率>0.01 Hz），传递函数的特性会因卫星结构的弹性模态（弯曲、扭转）的出现而显著改变，会在特定的频率下引起响应的共振峰值。这些模态的存在使得传递函数变得更加复杂，不再是一个恒定的加速度。图13-20所示，卫星传递函数示例提供了在低频率范围内刚体模态的计算结果。3.2 LOS定义微振动分析主要关注光学设备的LOS，分析干扰源对仪器性能的影响。通常来说，需要仪器的详细模型，以便考虑到仪器和航天器之间的模态耦合。如果预期的仪器结构模态高于感兴趣的频率范围，即可使用简化模型。主要关注成像面位置作为微振动评估准确性，以LOS作为评价指标，以确定光学件（反射镜、透镜、焦平面）与整体仪器性能之间关系。3.3 阻尼阻尼值对预测微振动效果具有重要意义。阻尼通常被定义为黏性阻尼，用阻尼比表示，也就是常说的“临界阻尼比”或者“临界阻尼百分数”。比如，阻尼比0.01对应1%的临界阻尼比。光学结构通常是弱阻尼结构，典型阻尼比范围为0.001-0.02，卫星结构中阻尼比一般小于0.005。阻尼比可以通过测试获得，实际工程中，阻尼比数据多是依托于经验设置。在整个感兴趣的频带中，很难实现对阻尼比的准确预测。阻尼比是黏性阻尼与临界阻尼比值。也可以用放大因子Q或者损耗因子n表示。阻尼是描述系统性微振动分析时，考虑适当的阻尼值对于确保分析结果的准确性至关重要。如果阻尼值设定得过高，可能会导致分析结果过于乐观，而低估了实际的振动水平；如果阻尼值设定得过低，则可能会导致分析结果过于保守，高估了振动的影响。在航天器设计中，通常需要通过地面测试和分析来确定结构的阻尼特性。这些测试包括但不限于模态分析、阻尼比测试和振动台测试。通过这些测试，可以获得结构在不同频率下的阻尼比，进而为微振动分析提供准确的输入参数。此外，阻尼比的选择还应考虑航天器在轨运行期间可能遇到的各种工作环境，包括温度变化、空间环境因素的影响等。这些因素都可能对航天器结构的阻尼特性产生影响。3.4 功率方法 功率法是指在没有精确航天器模型情况下，估计微振动干扰源对敏感仪器的影响量级。这种“宏观”方法的主要假设干扰源的功率整体传输到仪器接口。在中频范围内进行微振动分析时，考虑阻尼对微振动性能影响。如果没有航天器结构的信息，可以假设仪器上的功率与干扰源输入功率相等。这是通过在扰动界面预测（或测量）的位移和力来计算的，因此需要一个准确的扰动源支撑模型。对于每个谐波频率,可以确定最大功率,并可能将其强加给有效载荷的局部模态。图片来源：Spacecraft mechanical loads analysis handbookGOMOS的功 率是根据所有界面螺钉的载荷和速度计算出来的。LoS偏差取决于输入功 率p、LoS模态形状θ、阻尼因子ξ，而不取决于模态的模态参与因子(或有效质量)。3.5 统计能量方法图片来源：动力学系统建模—统计能量分析西交大张新华PPT统计能量法实际上是一种估算方法，特别依赖于经验，其中涉及到一些重要参数的设置问题。以及我从未涉这部分不深入看了，网络上看到西交张新华老师这个ppt基本都讲到了，参考文献1也有这部分内容，感兴趣的可以看一下。4 抖动与漂移不管是成像系统还是非成像系统，由于作用在光学系统上的内外部动态载荷产生的LOS抖动都是需要考虑的一个重要因素。对于成像系统来说，在振动扰动下，光学元件发生振动，由此使得一个静止物体的图像在像平面“抖动”，如图7.25所示。图片来源：光机集成分析由于抖动的影响，探测器上的图像变得模糊或被涂抹，从而损失像质和光学性能。成像系统典型的设计目标，就是把动载荷下图像横向移动限制到一个像素的一小部分以下。其中，一个常用的经验法则，就是使LOS抖动不大于一个像素的1/4。对于非成像系统，诸如激光通信系统，在有动态扰动的情况下，激光光束需要在较长距离上保持精确指向以维持正常通信链路。对于这种情况，一个良好初始设计就是把角度抖动限制在波束宽度的1/10以内。4.1 抖动（jitter）成像过程中由于相机或成像设备的微小随机移动导致的图像清晰度下降、设备振动或其他快速变化的外部因素引起的。抖动表现为图像中的随机模糊，尤其在长时间曝光或高放大倍率的成像中更为明显，光学系统的快反镜可以减少光学系统受扰动的影响。4.2 漂移（drift）指成像过程中由于温度变化、设备老化、其他缓慢变化因素导致的图像质量下降。漂移可以是设备的聚焦点随时间慢慢变化，或者是成像设备的光学参数逐渐偏离初始状态。这种变化通常是长期的，并且不容易通过常规的防抖技术来校正。例如，在光通信系统中，漂移可能由环境温度变化引起，导致光缆传输特性发生变化，从而引起传输信号延时的缓慢变化。为了应对漂移，可能需要定期校准设备或使用具有自动补偿功能的成像系统。总的来说，抖动是短期的、随机的图像模糊，而漂移是长期的、逐渐变化的图像质量下降。两者都可以通过特定的技术和算法来减少对成像质量的影响。5 参考文献1.Spacecraft mechanical loads analysis handbook.20222.光机集成分析3.动力学系统建模—统计能量分析西交大张新华PPT本文整理微振动环境对光轴的影响相关学习笔记，希望对各位科研、企业工作者有所帮助，有一点启发。本系列赞赏功能开启，如果我的分享对您有用，记得点赞、在看、转发，打赏喝一杯美式就更好了！本文内容全是学习笔记整理，有错误一定及时提醒我！ 还有，白嫖没问题，严禁任何形式的搬运，洗稿！来源：认真的假装VS假装的认真
