機(jī)載光電平臺(tái)目標(biāo)定位與誤差分析

孫輝

摘要：目的：為解決機(jī)載光電平臺(tái)目標(biāo)精確定位問(wèn)題，從工程應(yīng)用出發(fā)，根據(jù)機(jī)載光電平臺(tái)的特點(diǎn)，通過(guò)建立6個(gè)坐標(biāo)系及坐標(biāo)系之間的線性變換，構(gòu)建了從光電平臺(tái)成像系統(tǒng)像面坐標(biāo)系到大地地理坐標(biāo)系的目標(biāo)定位數(shù)學(xué)模型。分析了載機(jī)位置和姿態(tài)角度誤差及光電平臺(tái)指向角度誤差對(duì)目標(biāo)定位誤差的影響，建立了目標(biāo)定位誤差模型，采用蒙特卡羅方法對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了目標(biāo)定位實(shí)驗(yàn)。方法：機(jī)載光電平臺(tái)通過(guò)伺服控制光學(xué)成像系統(tǒng)視軸指向目標(biāo)，目標(biāo)景物成像在像面中心，建立影像點(diǎn)與景物點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位的關(guān)鍵。首先構(gòu)建大地地理坐標(biāo)系E，使用經(jīng)度、緯度和高程描述目標(biāo)的空間位置，然后構(gòu)建地心空間直角坐標(biāo)系G、載機(jī)地理坐標(biāo)系S、載機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系A(chǔ)、成像系統(tǒng)坐標(biāo)系C和像面坐標(biāo)系P。從目標(biāo)在像面坐標(biāo)系P的坐標(biāo)出發(fā)，根據(jù)上述6個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的定義及其變換關(guān)系推導(dǎo)目標(biāo)坐標(biāo)計(jì)算公式，依次計(jì)算目標(biāo)的成像系統(tǒng)坐標(biāo)、載機(jī)機(jī)體坐標(biāo)、載機(jī)地理坐標(biāo)和地心直角坐標(biāo)，進(jìn)一步解出目標(biāo)的大地經(jīng)緯度和高程坐標(biāo)。為描述載機(jī)位置和姿態(tài)參數(shù)及光電平臺(tái)指向角度參數(shù)對(duì)目標(biāo)定位精度的影響，構(gòu)建目標(biāo)定位誤差計(jì)算模型，采用蒙特卡羅方法分析和統(tǒng)計(jì)目標(biāo)定位誤差。首先根據(jù)載機(jī)經(jīng)緯度、姿態(tài)角和光電平臺(tái)指向角度參數(shù)誤差分布特點(diǎn)，建立載機(jī)經(jīng)度、緯度、航向角度、俯仰角度、滾動(dòng)角度隨機(jī)誤差的正態(tài)分布函數(shù)和光電平臺(tái)方位角度、俯仰角度隨機(jī)誤差的均勻分布函數(shù)，通過(guò)對(duì)上述7個(gè)參數(shù)誤差進(jìn)行隨機(jī)抽樣處理，根據(jù)目標(biāo)定位公式計(jì)算目標(biāo)經(jīng)度和緯度坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)目標(biāo)經(jīng)度和緯度的標(biāo)準(zhǔn)差，采用誤差敏感度μ衡量目標(biāo)定位誤差對(duì)測(cè)量參數(shù)誤差的敏感程度，當(dāng)μ＜1時(shí)表示敏感程度低，定位誤差在數(shù)量級(jí)上低于測(cè)量參數(shù)誤差；μ＝1時(shí)，定位誤差與測(cè)量參數(shù)誤差在一個(gè)數(shù)量級(jí)上；μ＞1時(shí)表示敏感程度高，定位誤差在數(shù)量級(jí)上高于測(cè)量參數(shù)誤差。結(jié)果：為驗(yàn)證本文方法，選擇一組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)定位計(jì)算和誤差統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析載機(jī)經(jīng)緯度、載機(jī)姿態(tài)角度及平臺(tái)指向角度對(duì)目標(biāo)定位精度的影響。實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)載機(jī)的經(jīng)度、緯度、航向角度、俯仰角度、滾動(dòng)角度及光電平臺(tái)的方位角度、俯仰角度誤差隨機(jī)分布函數(shù)，生成7個(gè)隨機(jī)參數(shù)序列，每個(gè)序列長(zhǎng)度n＝106，隨機(jī)參數(shù)序列和其他測(cè)量參數(shù)進(jìn)行組合代入目標(biāo)坐標(biāo)計(jì)算公式，計(jì)算目標(biāo)的大地經(jīng)度和緯度，統(tǒng)計(jì)目標(biāo)定位標(biāo)準(zhǔn)差和誤差敏感度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，目標(biāo)經(jīng)度和緯度誤差對(duì)載機(jī)經(jīng)度和緯度誤差的敏感度等于 1，表明載機(jī)經(jīng)緯度誤差和目標(biāo)定位誤差在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，載機(jī)經(jīng)緯度誤差大體上等量傳遞到目標(biāo)定位誤差，對(duì)目標(biāo)定位精度影響較大；目標(biāo)經(jīng)緯度誤差對(duì)載機(jī)姿態(tài)角度和平臺(tái)指向角度誤差的敏感度在10－4～10－2，表明目標(biāo)定位誤差低于載機(jī)姿態(tài)角度誤差和平臺(tái)指向角度誤差 2～4個(gè)數(shù)量級(jí)，載機(jī)姿態(tài)角度誤差和平臺(tái)指向角度誤差對(duì)目標(biāo)定位誤差影響較小。因此，在同等誤差條件下，載機(jī)經(jīng)緯度誤差是決定目標(biāo)經(jīng)緯度誤差的主要來(lái)源，是影響目標(biāo)定位精度的關(guān)鍵因素。結(jié)論：根據(jù)機(jī)載光電平臺(tái)特點(diǎn)，通過(guò)建立6個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)和8次線性變換，構(gòu)建從成像系統(tǒng)像面坐標(biāo)系到大地地理坐標(biāo)系的目標(biāo)定位數(shù)學(xué)模型。從載機(jī)位置參數(shù)、載機(jī)姿態(tài)參數(shù)、光電平臺(tái)指向參數(shù)出發(fā)，推導(dǎo)出目標(biāo)的大地地理坐標(biāo)計(jì)算公式；根據(jù)載機(jī)和光電平臺(tái)測(cè)量參數(shù)誤差分布，采用蒙特卡羅分析法估算目標(biāo)定位誤差；通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了測(cè)量參數(shù)誤差與目標(biāo)定位誤差之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)載機(jī)位置參數(shù)、載機(jī)姿態(tài)參數(shù)和光電平臺(tái)目標(biāo)指向角度參數(shù)等測(cè)量信息可以實(shí)現(xiàn)機(jī)載光電平臺(tái)對(duì)目標(biāo)的精確測(cè)量。在目標(biāo)定位誤差方面，載機(jī)經(jīng)緯度對(duì)目標(biāo)定位計(jì)算結(jié)果影響較大；載機(jī)姿態(tài)角度和平臺(tái)指向角度對(duì)目標(biāo)定位計(jì)算結(jié)果影響較小，載機(jī)位置測(cè)量精度是影響目標(biāo)定位精度的關(guān)鍵因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量分析了目標(biāo)定位誤差與測(cè)量參數(shù)誤差的關(guān)系，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以根據(jù)指標(biāo)要求進(jìn)行合理的誤差分配和測(cè)量精度控制，以期減小計(jì)算誤差，達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。

來(lái)源出版物：中國(guó)光學(xué), 2013, 6(6): 912-918

入選年份：2016

表面改性碳化硅基底反射鏡加工技術(shù)現(xiàn)狀

康健，宣斌，謝京江

摘要：目的：針對(duì)表面改性SiC基底反射鏡在空間光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)該類反射鏡在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有 SiC材料鏡坯的制備工藝、SiC反射鏡的改性技術(shù)及拋光技術(shù)的分析，總結(jié)出適合我國(guó)表面改性SiC反射鏡加工的發(fā)展方向。方法：通過(guò)對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)于 SiC基底反射鏡發(fā)展情況的分析，從成型、改性及拋光等方面對(duì)比現(xiàn)階段我國(guó)所具備的 SiC基底反射鏡的加工技術(shù)。目前世界各國(guó)均將SiC基底反射鏡作為重點(diǎn)的研究對(duì)象。我國(guó)由于起步較晚，目前仍處于相對(duì)落后的狀態(tài)，但近年來(lái)我國(guó)自主研制的SiC反射鏡已多次成功應(yīng)用于實(shí)際的空間光學(xué)系統(tǒng)中并取得預(yù)期效果。通過(guò)對(duì)幾種常用SiC材料的制備工藝分析可知，熱壓燒結(jié)SiC（HP-SiC）很難制成復(fù)雜形狀的反射鏡鏡坯，且鏡坯尺寸較??；無(wú)壓燒結(jié) SiC（S-SiC）制備工藝復(fù)雜，設(shè)備昂貴；化學(xué)氣相沉積SiC（CVD-SiC）制備周期長(zhǎng)，成本高；反應(yīng)燒結(jié) SiC（RB-SiC）則具有制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，反應(yīng)燒結(jié)所需溫度較低，制備周期短，造價(jià)相對(duì)較低，并可對(duì)其進(jìn)行輕量化處理等特點(diǎn)，有利于制備大口徑、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間反射鏡，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)空間反射鏡的試驗(yàn)與加工中?，F(xiàn)階段，我國(guó)經(jīng)過(guò)多年的研究和摸索，已逐漸形成了一些較為完善的SiC反射鏡加工工藝?；痉譃槌尚?、改性及拋光幾個(gè)階段。銑磨成型的加工方式通常有兩種，一種是將鏡坯銑磨至比較半徑的球面，再通過(guò)研磨修改為所需的非球面，另一種是通過(guò)數(shù)控加工中心直接將鏡坯銑磨至要求的非球面，銑磨后需要進(jìn)行粗拋光加工。通常認(rèn)為粗拋光至面形精度達(dá)到λ/10（RMS）后可進(jìn)行改性處理。目前國(guó)際上主要采用的化學(xué)氣相沉積法（CVD）和物理氣相沉積法（PVD）兩種SiC改性技術(shù)，CVD改性更適用于相對(duì)較小口徑的 SiC基底反射鏡改性處理，而PVD改性更適用于制備大口徑SiC基底反射鏡。改性后的SiC反射鏡需經(jīng)過(guò)精拋光加工以獲得理想的光學(xué)表面。目前常用拋光方式包括古典拋光、計(jì)算機(jī)控制光學(xué)成型法、磁流變拋光以及離子束拋光。古典拋光法最重要的是對(duì)于拋光模硬度、拋光粉粒度、拋光液濃度等的選擇，同時(shí)配合主軸轉(zhuǎn)速、擺架速度等加工參數(shù)；計(jì)算機(jī)控制光學(xué)成型法是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制小磨頭將不同的去除量轉(zhuǎn)換為拋光盤在不同位置的駐留時(shí)間或拋光速度來(lái)實(shí)現(xiàn)面型控制；磁流變拋光是將磁流變拋光液循環(huán)帶入零件與拋光盤之間，利用磁場(chǎng)作用形成的拋光模達(dá)到零件表面材料去除的作用；離子束拋光技術(shù)是一種通過(guò)離子源發(fā)射離子束轟擊光學(xué)元件表面產(chǎn)生物理濺射效應(yīng)去除面形誤差的新型拋光技術(shù)。結(jié)果：SiC基底反射鏡在世界各國(guó)航空航天及軍事方面的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛。由于我國(guó)受到發(fā)展時(shí)間短、加工經(jīng)驗(yàn)及加工設(shè)備并不完善等方面的影響，與國(guó)際領(lǐng)先水平仍存在明顯差距。CVD改性技術(shù)及PVD改性技術(shù)可適用于不同尺寸及技術(shù)要求的光學(xué)零件改性加工；古典拋光法對(duì)于加工者的經(jīng)驗(yàn)有較高要求，且加工周期較長(zhǎng)，適用于平面元件和中小口徑球面反射鏡拋光；計(jì)算機(jī)控制成型光學(xué)成型法適用于大口徑非球面反射鏡的加工；磁流變拋光可直接將初加工后未經(jīng)研磨的SiC元件直接拋光至較高的面形精度；離子束拋光技術(shù)在近年來(lái)以逐漸應(yīng)用與大口徑光學(xué)元件的加工，但其設(shè)備費(fèi)用高昂，目前應(yīng)用并不廣泛?，F(xiàn)階段我國(guó)通過(guò)應(yīng)用上述拋光技術(shù)均成功研制出高精度光學(xué)元件，取得了明顯的進(jìn)步。結(jié)論：根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有條件，以計(jì)算機(jī)控制光學(xué)成型技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際需求配合多種拋光技術(shù)，即以組合式拋光技術(shù)進(jìn)行SiC基底反射鏡的加工，是我國(guó)現(xiàn)階段較為合理的針對(duì)表面改性SiC反射鏡加工的發(fā)展方向。

來(lái)源出版物：中國(guó)光學(xué), 2013, 6(6): 824-833

入選年份：2016