机载光电平台球罩的视轴指向误差

摘要:机载光电平台光学镜头前的通光窗口,多选用内外球心重合的等厚球形玻璃球罩。球罩在加工过程中产生内外表面球心不重合,会给视轴指向精度带来附加误差。本文根据光路图推导出了产生这种误差的数学表达式,分析了内外球心偏离对视轴指向精度的影响。实验结果表明,实测数据与数学推导结果吻合得很好。当某型号球罩的内外表面球心沿视场中心线的偏离达到0.26mm时,45视场处的视轴指向误差实测值达到0.075,超出了0.029（0.5mrad）的允许值。为了将球罩加工误差带来的视轴指向偏差减小到0.017（0.3mrad）,内外球心偏离必须控制在0.10mm以内。     

惯性稳定平台载体扰动抑制算法研究

为了减小载体扰动对机载光电设备的影响,需要设计保证惯性稳定平台稳定的控制算法。以某型号惯性稳定平台为研究对象,通过建立其机电系统的动态模型,分析了影响平台稳像精度的扰动因素,在此基础上设计了扰动观测器。此外,为有效抑制载体的周期性扰动作用,针对性地设计了重复控制算法。仿真结果表明,所提出的扰动观测器与重复控制相结合的复合控制算法能够有效地抑制载体扰动,提高系统稳像精度。     

机载光电稳定平台检测技术的研究

给出了机载光电稳定平台的检测技术及方法,并提出了一种动态靶标的结构方案及原理,使其能够进行静态、动态的参数测试,尤其是可见光和红外成像系统同时工作时各种参数的测试。在此基础上为建立测量基准的传递方法、形成系统的光电侦察平台总体检测技术提供必要的准备和基础。着重阐述了机载光电稳定平台的静态、动态时的角度测量方法,首次提出了一种利用光线对接方法,实现可见与红外同时测量。还提出了一种数学计算方法,通过两个角度的测量和空间矢量法计算,得出动态靶标的空间坐标,以此作为机载光电稳定平台的指向坐标的真值,并给出了动态靶标的静态与动态精度的标定方法。     

车载光电侦察平台视轴稳定技术研究

为了进一步提高光电平台伺服控制系统的抗扰动能力,提出一种基于自抗扰控制器的改进型速度稳定回路。首先,分析了平台视轴稳定回路的数学模型并引入电流环对其进行了化简,通过伺服控制系统中扰动作用原理,引入扰动总和的思想。然后,设计含有降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器,对扰动总和实时观测并进行线性化前馈补偿。最后,以某型车载光电平台为控制对象,进行了PI控制器与自抗扰控制器的对比实验。实验结果表明,采用自抗扰控制器伺服控制系统相比PI控制法的阶跃响应速度更快,超调幅值仅为PI控制法的26.98%。使用摇摆台引入的频率为2.5Hz的正弦扰动,系统稳态误差幅值仅为PI控制法的9.76%。在系统模型参数改变±15%范围内,自抗扰控制器仍具有良好的抗扰能力,表现出很强的鲁棒性,满足光电平台的性能要求,对提升平台抗扰能力有着较高的实用性。     

小型无人机载光电稳定平台框架结构研究

针对无人机平台挂载条件的要求,设计了小型无人机载光电稳定平台的机械结构。通过分析光电稳定平台的框架结构、功能及指标参数的要求,选择两轴三框架结构,提出分离式外方位框架的结构,并对其减重优化,大大减小了加工成本及装配难度。同时,采用ADAMS软件建立小型无人机载光电稳定平台的模型,对其进行动力学仿真。     

动基座光电稳定平台伺服系统中加速度反馈的实现

在动基座光电稳定平台伺服系统中引入了加速度反馈闭环以提高其动态性能。考虑准确建立动基座光电稳定平台控制对象模型难度很大,该加速度反馈闭环没有基于控制对象模型,而是通过直接测量角加速度信号来实现。仿真、分析结果表明,加速度反馈闭环的引入有效提高了伺服系统动态力矩刚度,并改善了伺服系统起动、制动性能。引入加速度反馈闭环后,动基座光电稳定平台伺服系统对摩擦力矩抑制能力明显提高;对周期性扰动抑制能力提高了9.3dB;对速度阶跃响应超调量降低了4.9%,同时过渡过程也有极大的改善。该伺服系统不仅结构简单,鲁棒性强,且有较好的通用性。     

光电吊舱稳定平台的设计与试验

设计了一种可以搭载多种载荷的两轴两框架光电吊舱稳定平台。介绍了稳定平台的结构,特别是主体框架和光电吊舱挂载结构,分析了接口与伺服控制,进行了光轴平行度调校与稳定精度测试,并进行了振动试验和电磁兼容试验。     

光电着舰引导系统的视轴稳定

为了提高光电着舰引导系统的视轴跟踪精度和指向精度,研究了如何隔离舰体运动对光电经纬仪视轴的扰动。对舰载光电经纬仪进行建模,引入了各种扰动力矩。设计了超前滞后控制、线性二次高斯恢复（LQG/LTR）控制和H∞控制3种控制器来提高系统的性能和稳定性,详细研究了Kalman滤波和H∞加权矩阵的设计。在Matlab中对设计的控制方法进行仿真,并在摇摆台进行了试验验证。在时域、频域响应和稳定性能等方面对3种控制器进行的对比实验表明,LQG/LTR控制和H∞控制结果满足设计指标要求,稳定隔离度达到50 dB以上。基于提出的方法,经纬仪可以对着舰飞机进行稳定跟踪和精确轨迹测量,实现着舰引导。     

动载体光电平台角位移精密测量方法研究

提出了用位移传感器实时测量动载体光电平台六自由度位移的方法,并推导了该方法的理论公式,即通过坐标变换推导出了平台惯性坐标系、平台固连坐标系及传感器平面坐标系之间的关系,得到了传感器测试信号与平台位移量之间的关系式。通过传感器采集的实时位移值,计算出了平台六自由度位移,并分析了影响该方法测试精度的多个因素,得出了该方法可通过选用不同频带、不同精度的传感器,实现不同振动环境下隔振平台六自由度位移的动态精密测量的结论。理论分析表明,该测量方法简单有效,适用范围广,有较大的推广价值。     

陀螺惯性平台视轴稳定双速度环串级控制的研究

针对光电跟踪系统视轴稳定采用由速率陀螺构成的单速度环伺服控制的不足，本文提出采用以直流测速机为测量反馈元件构成模拟速度内环，利用陀螺的“空间测速机”功能组成数字稳定外环的双速度环串级控制结构。将速度稳定环的抗摩擦力矩干扰功能和隔离载体扰动功能分开设计实现。从系统抗干扰性、鲁棒性等方面与单环控制进行了理论分析和比较。伺服控制器分别采用有源PI校正和时间最小参数自调整PID控制算法。在四轴稳定跟踪转台上的性能测试结果达到了系统要求的稳定精度，表明该方法能明显减小载体扰动造成的误差，在一定的测量噪声和加速度敏感度范围内，能够有效地隔离载体扰动，控制性能良好。     

火炮稳定精度图像测试系统

为了高精度测试火炮稳定精度,建立了基于CCD与标准靶板的图像测试系统。介绍了测试系统的组成结构与工作原理,研究了系统采用的图像预处理、模板匹配、靶标十字中心定位和系统标定等关键算法。为消除分划板十字线对靶板十字识别的干扰,采用了开关中值滤波算法;在选取灰度变换算法提高图像对比度的基础上,分析选取了模板制作与匹配算法;然后,介绍了靶板十字中心的像素级和亚像素级定位;最后,引入基于主动视觉的标定方法确定了系统的像素角分辨率。试验结果表明:提出的系统测试精度优于0.07 mil,满足实际测试需要,实现了带有稳炮功能的现代火炮系统的稳定精度靶场测量。     

光电成像系统的性能优化

探讨了光学系统和阵列探测器构成的光电成像系统的整体性能和优化设计问题。针对阵列探测器的不断快速更新换代,研究了如何对光学系统进行改进以优化光电成像系统的性能。从采样成像系统的取样定理出发,研究了光电成像系统的传递函数特性,讨论了采样成像系统的相位平均传递函数,分析了光电成像系统的加工与使用误差对传递函数的影响。同时,给出了光电成像系统的信噪比计算公式。文中提出用于遥感观测的大型光电成像系统的光学系统传递函数的归一化空间频率等于0.5左右可与阵列探测器的奈奎斯特频率相匹配。结果显示,如此设计可在满足信噪比的同时使传递函数在奈奎斯特频率处达到0.1左右,分辨率达到奈奎斯特频率并且不产生频谱混叠效应。     

航空光电成像电子稳像技术

介绍了一种电子稳像技术,解决了航空平台光电成像系统视频图像帧内运动模糊和帧间不稳定问题。通过建立运动模糊的数学模型,构建二维运动模糊点扩散函数,采用维纳滤波方法,消除图像帧内运动模糊;通过灰度投影算法,检测序列图像当前帧和参考帧之间的运动矢量,采用图像补偿方法,实现序列图像稳定输出。实验结果表明,本文方法能提高信噪比,实现1 pixel的稳定精度,有效改善图像质量,输出清晰稳定的视频图像, 具有精确、快速、实用的特点。     

基于激光测距的机载光电成像系统目标定位

针对小型机载光电平台无法准确获取视轴指向问题,设计了一种基于激光测距的目标定位算法。利用机载光电侦察平台锁定跟踪目标的特性,对同一目标多次测量,采用激光测距装置获取目标与载机间的距离信息。根据WGS-84定义的地球椭球模型建立系统的测量方程。考虑到测量方程的非线性,利用扩展卡尔曼滤波对目标位置进行估计。该定位方法精度只受到GPS接收机定位精度和激光测距机测量精度的影响,目标定位误差与机载光电侦察设备视轴指向测量无关。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置测量误差及激光测距系统位置误差对目标定位的影响,结果显示该算法定位精度较高。采用飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性,在飞行高度8 000 m时,目标定位精度优于8 m。相比于传统定位算法,该方法可将定位精度明显提高。同时此定位方法易于部署,可操作性强,具有较大的应用价值。     

视场外回波引起条纹场扫描成像重构混叠现象研究

为了消除成像视场外回波对条纹场扫描成像(又称为傅立叶望远镜或者相干场成像)的可能影响,本文从理论上分析回波引起重构混叠的主要原因,并针对不同的应用场合提出对应的最佳解决方案。本文通过计算机仿真手段详细研究不同照明区域回波对成像的影响,仔细分析增加短基线方案对重构模糊的改善效果。仿真结果表明:三光束(同时发射的最多光束)重叠区域的回波对重构结果有最严重影响;增加短基线可以消除图像混叠,单臂增加一个短基线则能使图像质量明显改善,对应的斯托里尔比(Strehl ratio)从0.49上升到0.59;且单臂增加基线数越多,则重构图像细节就越丰富。本文所提出的消除成像视场外回波影响的几种方案对于条纹场扫描成像系统在不同领域的应用均具有重要的借鉴价值。     

红外成像系统的调制传递函数测试

研究了刃边法测试光学系统调制传递函数(MTF)的原理,提出将改进倾斜刃边法用于红外成像系统MTF的测量。考虑刃边倾斜角度的测量误差和噪声干扰会引起红外系统MTF的测量误差,采用Canny算子、直线拟合和边缘扩散函数(ESF)重构行数变动等方法来提高MTF的测试精度;同时针对ESF与线扩散函数(LSF)提出有效的降噪算法来降低噪声对MTF测试精度的影响,从而系统地降低了MTF的测量误差。搭建了实验平台,以红外成像系统的理论模型和实测参数得到的MTF曲线为依据,实验验证了本文方法的有效性,测试分析了刃边倾角的变化对MTF测试精度的影响。实验结果表明:通过本文方法测试得到的MTF曲线的测试精度为0.010,测试重复精度为0.008,刃边倾角保持在2°~10°。实验结果显示:本文方法有效地降低了刃边倾角的测量误差和噪声干扰对MTF测试产生的影响,测试结果具有良好的重复性。     

同心多尺度成像模式下的高分辨子成像系统设计

以同心多尺度成像模式为基础,结合人眼视网膜凹成像思想,提出了一种宽视场与双分辨率成像组合的新型同心多尺度成像系统,在广域视场范围内实现了对关注的感兴趣目标区域的高分辨动态注视。介绍了同心多尺度双分辨率成像系统的工作方式;使用一个单透镜和一个双胶合透镜为初始结构,结合二轴微机电系统(MEMS)扫描微镜组合形成光路;利用ZEMAX光学设计软件,优化设计了成像波段为0.486~0.656μm,在单个分通道视场内(30°)可对关注的小视场区域(6°)高分辨注视跟踪的子成像系统。对成像系统的像质以及点列图、调制传递函数(MTF)曲线、场曲、畸变曲线进行了评价。结果表明设计的子成像系统在全视场内成像均匀,接近衍射极限,场曲和畸变较小,最大场曲不超过0.6mm,最大畸变小于1.5%,能够满足同心多尺度双分辨率成像系统对子成像系统性能的要求。     

光电稳定跟踪装置的控制系统设计

给出了一类光电稳定跟踪装置的框架伺服控制方案,重点研究了速率稳定环的设计过程,使用dSPACE半实物仿真系统进行了速率回路开环特性的模型辨识和高阶滞后超前控制器设计,对于数字化频率特性测试时产生的相位滞后现象进行了理论推导,并提出了相位补偿公式.对于经典控制器可能遇到的精度不足的问题,介绍了相应的非线性补偿方法.针对伺服系统的位置跟踪环和速度稳定环在频域存在的耦合现象,深入分析了产生频域耦合的原因和相应的解耦设计方法,提出了此类系统位置跟踪环和速度稳定环的理想设计模型.在此基础上讨论了姿态干扰隔离度的概念,推导了隔离度的计算公式.对系统工作过程中可能遇到的5种典型情况进行了仿真试验,仿真结果验证了有关概念的正确性.     

曲面复眼成像系统的研究

研究了两种曲面复眼成像系统,并首次将曲面场镜阵列引入曲面复眼成像系统,使其边缘视场的成像质量进一步提高,视场角进一步加大。进行了成像系统的建模以及光线追迹,两种结构的视场角分别达到60°和88°,整个系统的体积分别为0.9 mm×0.9 mm×0.5 mm和0.9 mm×0.9 mm×0.75 mm。文中给出了用激光直写设备在曲面基底上进行光刻来制作曲面微透镜阵列的方法。