光電子學與激光技術

機載光電平臺目標定位與誤差分析

孫輝

摘要：目的：為解決機載光電平臺目標精確定位問題，從工程應用出發，根據機載光電平臺的特點，通過建立6個坐標系及坐標系之間的線性變換，構建了從光電平臺成像系統像面坐標系到大地地理坐標系的目標定位數學模型。分析了載機位置和姿態角度誤差及光電平臺指向角度誤差對目標定位誤差的影響，建立了目標定位誤差模型，采用蒙特卡羅方法對仿真數據進行了目標定位實驗。方法：機載光電平臺通過伺服控制光學成像系統視軸指向目標，目標景物成像在像面中心，建立影像點與景物點之間的對應關系，是實現目標定位的關鍵。首先構建大地地理坐標系E，使用經度、緯度和高程描述目標的空間位置，然后構建地心空間直角坐標系G、載機地理坐標系S、載機機體坐標系A、成像系統坐標系C和像面坐標系P。從目標在像面坐標系P的坐標出發，根據上述6個坐標系統的定義及其變換關系推導目標坐標計算公式，依次計算目標的成像系統坐標、載機機體坐標、載機地理坐標和地心直角坐標，進一步解出目標的大地經緯度和高程坐標。為描述載機位置和姿態參數及光電平臺指向角度參數對目標定位精度的影響，構建目標定位誤差計算模型，采用蒙特卡羅方法分析和統計目標定位誤差。首先根據載機經緯度、姿態角和光電平臺指向角度參數誤差分布特點，建立載機經度、緯度、航向角度、俯仰角度、滾動角度隨機誤差的正態分布函數和光電平臺方位角度、俯仰角度隨機誤差的均勻分布函數，通過對上述7個參數誤差進行隨機抽樣處理，根據目標定位公式計算目標經度和緯度坐標，統計目標經度和緯度的標準差，采用誤差敏感度μ衡量目標定位誤差對測量參數誤差的敏感程度，當μ＜1時表示敏感程度低，定位誤差在數量級上低于測量參數誤差；μ＝1時，定位誤差與測量參數誤差在一個數量級上；μ＞1時表示敏感程度高，定位誤差在數量級上高于測量參數誤差。結果：為驗證本文方法，選擇一組測量數據進行目標定位計算和誤差統計實驗，通過實驗結果進一步分析載機經緯度、載機姿態角度及平臺指向角度對目標定位精度的影響。實驗中，根據載機的經度、緯度、航向角度、俯仰角度、滾動角度及光電平臺的方位角度、俯仰角度誤差隨機分布函數，生成7個隨機參數序列，每個序列長度n＝106，隨機參數序列和其他測量參數進行組合代入目標坐標計算公式，計算目標的大地經度和緯度，統計目標定位標準差和誤差敏感度。從實驗結果數據可以看出，目標經度和緯度誤差對載機經度和緯度誤差的敏感度等于 1，表明載機經緯度誤差和目標定位誤差在一個數量級上，載機經緯度誤差大體上等量傳遞到目標定位誤差，對目標定位精度影響較大；目標經緯度誤差對載機姿態角度和平臺指向角度誤差的敏感度在10－4～10－2，表明目標定位誤差低于載機姿態角度誤差和平臺指向角度誤差 2～4個數量級，載機姿態角度誤差和平臺指向角度誤差對目標定位誤差影響較小。因此，在同等誤差條件下，載機經緯度誤差是決定目標經緯度誤差的主要來源，是影響目標定位精度的關鍵因素。結論：根據機載光電平臺特點，通過建立6個坐標系統和8次線性變換，構建從成像系統像面坐標系到大地地理坐標系的目標定位數學模型。從載機位置參數、載機姿態參數、光電平臺指向參數出發，推導出目標的大地地理坐標計算公式；根據載機和光電平臺測量參數誤差分布，采用蒙特卡羅分析法估算目標定位誤差；通過實驗數據分析了測量參數誤差與目標定位誤差之間的關系。實驗結果表明，通過載機位置參數、載機姿態參數和光電平臺目標指向角度參數等測量信息可以實現機載光電平臺對目標的精確測量。在目標定位誤差方面，載機經緯度對目標定位計算結果影響較大；載機姿態角度和平臺指向角度對目標定位計算結果影響較小，載機位置測量精度是影響目標定位精度的關鍵因素。通過實驗結果定量分析了目標定位誤差與測量參數誤差的關系，在實際工程應用中可以根據指標要求進行合理的誤差分配和測量精度控制，以期減小計算誤差，達到最佳的設計效果。

來源出版物：中國光學, 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現狀

康健，宣斌，謝京江

摘要：目的：針對表面改性SiC基底反射鏡在空間光學系統中的應用，對該類反射鏡在國內外研究現狀及發展趨勢進行了總結。通過對現有 SiC材料鏡坯的制備工藝、SiC反射鏡的改性技術及拋光技術的分析，總結出適合我國表面改性SiC反射鏡加工的發展方向。方法：通過對近年來國內外對于 SiC基底反射鏡發展情況的分析，從成型、改性及拋光等方面對比現階段我國所具備的 SiC基底反射鏡的加工技術。目前世界各國均將SiC基底反射鏡作為重點的研究對象。我國由于起步較晚，目前仍處于相對落后的狀態，但近年來我國自主研制的SiC反射鏡已多次成功應用于實際的空間光學系統中并取得預期效果。通過對幾種常用SiC材料的制備工藝分析可知，熱壓燒結SiC（HP-SiC）很難制成復雜形狀的反射鏡鏡坯，且鏡坯尺寸較小；無壓燒結 SiC（S-SiC）制備工藝復雜，設備昂貴；化學氣相沉積SiC（CVD-SiC）制備周期長，成本高；反應燒結 SiC（RB-SiC）則具有制備工藝相對簡單，反應燒結所需溫度較低，制備周期短，造價相對較低，并可對其進行輕量化處理等特點，有利于制備大口徑、結構復雜的空間反射鏡，現已廣泛應用于我國空間反射鏡的試驗與加工中。現階段，我國經過多年的研究和摸索，已逐漸形成了一些較為完善的SiC反射鏡加工工藝。基本分為成型、改性及拋光幾個階段。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，再通過研磨修改為所需的非球面，另一種是通過數控加工中心直接將鏡坯銑磨至要求的非球面，銑磨后需要進行粗拋光加工。通常認為粗拋光至面形精度達到λ/10（RMS）后可進行改性處理。目前國際上主要采用的化學氣相沉積法（CVD）和物理氣相沉積法（PVD）兩種SiC改性技術，CVD改性更適用于相對較小口徑的 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反射鏡需經過精拋光加工以獲得理想的光學表面。目前常用拋光方式包括古典拋光、計算機控制光學成型法、磁流變拋光以及離子束拋光。古典拋光法最重要的是對于拋光模硬度、拋光粉粒度、拋光液濃度等的選擇，同時配合主軸轉速、擺架速度等加工參數；計算機控制光學成型法是通過計算機控制小磨頭將不同的去除量轉換為拋光盤在不同位置的駐留時間或拋光速度來實現面型控制；磁流變拋光是將磁流變拋光液循環帶入零件與拋光盤之間，利用磁場作用形成的拋光模達到零件表面材料去除的作用；離子束拋光技術是一種通過離子源發射離子束轟擊光學元件表面產生物理濺射效應去除面形誤差的新型拋光技術。結果：SiC基底反射鏡在世界各國航空航天及軍事方面的應用已經越來越廣泛。由于我國受到發展時間短、加工經驗及加工設備并不完善等方面的影響，與國際領先水平仍存在明顯差距。CVD改性技術及PVD改性技術可適用于不同尺寸及技術要求的光學零件改性加工；古典拋光法對于加工者的經驗有較高要求，且加工周期較長，適用于平面元件和中小口徑球面反射鏡拋光；計算機控制成型光學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；離子束拋光技術在近年來以逐漸應用與大口徑光學元件的加工，但其設備費用高昂，目前應用并不廣泛。現階段我國通過應用上述拋光技術均成功研制出高精度光學元件，取得了明顯的進步。結論：根據國內現有條件，以計算機控制光學成型技術為基礎，根據實際需求配合多種拋光技術，即以組合式拋光技術進行SiC基底反射鏡的加工，是我國現階段較為合理的針對表面改性SiC反射鏡加工的發展方向。

來源出版物：中國光學, 2013, 6(6): 824-833

入選年份：2016