【摘要】：航空光電偵察平臺(tái)作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中一種重要的偵察手段,它的偵察距離直接決定了其偵察的效率和自身的安全性。因此成像距離更遠(yuǎn)的反射式長(zhǎng)焦相機(jī)被應(yīng)用到航空偵察領(lǐng)域,而隨著相機(jī)焦距的增長(zhǎng),其對(duì)于視軸穩(wěn)定精度的要求也越來越高,傳統(tǒng)框架伺服穩(wěn)定系統(tǒng)已無法滿足長(zhǎng)焦相機(jī)的成像要求。基于快速反射鏡的視軸二級(jí)穩(wěn)定系統(tǒng)可以大幅度提升系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定精度,但是其對(duì)于快速反射鏡的行程要求比較高,同時(shí)復(fù)雜的航空環(huán)境會(huì)影響快速反射鏡的工作性能。所以研究一款大行程、高性能、抗干擾能力強(qiáng)的快速反射鏡對(duì)于提升航空偵察效率具有重要意義。音圈式快速反射鏡可以滿足視軸穩(wěn)定對(duì)于行程的要求,但是其本身極易受到外部擾動(dòng)的影響,而且相比于壓電陶瓷,音圈電機(jī)的控制難度更高,帶寬提升更困難。針對(duì)以上問題,本文對(duì)自研的音圈式快速反射鏡進(jìn)行了詳盡的研究,通過控制算法來提升其快速性和魯棒性,并應(yīng)用到航空光電穩(wěn)定平臺(tái)中來測(cè)試其對(duì)視軸穩(wěn)定精度的提升效果。本文的主要研究?jī)?nèi)容總結(jié)如下:根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論推導(dǎo)了快速反射鏡的理論模型,提出了時(shí)域正弦疊加構(gòu)造白噪聲的方法,并采用這種方法對(duì)快速反射鏡進(jìn)行了掃頻建模。在控制環(huán)路中加入了速度負(fù)反饋環(huán)節(jié),以提高系統(tǒng)阻尼系數(shù)抑制二階模型諧振。為了抑制機(jī)械諧振所引起的諧振峰和反諧振峰,提出了一種基于雙T型陷波器的新型結(jié)構(gòu)濾波器。分析了快速反射鏡響應(yīng)速度和控制帶寬之間的關(guān)系,理論推導(dǎo)結(jié)果證明系統(tǒng)控制帶寬越高,系統(tǒng)響應(yīng)速度越快。根據(jù)開環(huán)模型,設(shè)計(jì)了PI控制器對(duì)快速反射鏡的位置環(huán)進(jìn)行閉環(huán)控制。然后利用同樣的建模方法對(duì)位置閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了模型辨識(shí)。在此基礎(chǔ)之上采用零相差控制方法設(shè)計(jì)前饋控制器,來進(jìn)一步提升系統(tǒng)的控制帶寬。實(shí)驗(yàn)證明加入零相差控制器以后,系統(tǒng)的幅值-3dB帶寬達(dá)到了550Hz.對(duì)航空環(huán)境中會(huì)影響快速反射控制性能的擾動(dòng)進(jìn)行了逐個(gè)分析,并采用等效擾動(dòng)來近似代替快速反射鏡的所有外部擾動(dòng),簡(jiǎn)化了抗擾算法的設(shè)計(jì)難度。在快速反射鏡控制系統(tǒng)中,分別嘗試了干擾觀測(cè)器和自適應(yīng)魯棒控制器兩種抗擾方式。分析對(duì)比了兩種算法的魯棒性和他們對(duì)系統(tǒng)抗擾能力的提升效果,以及算法本身存在的缺陷。利用振動(dòng)臺(tái)模擬外部擾動(dòng),測(cè)試兩種算法的實(shí)際性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,自適應(yīng)魯棒控制算法對(duì)系統(tǒng)抗擾能力提升達(dá)到4.83倍,遠(yuǎn)高于干擾觀測(cè)器的1.9倍。介紹了航空光電穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和載荷,分析了伺服穩(wěn)定系統(tǒng)視軸穩(wěn)定的原理和限制視軸穩(wěn)定精度進(jìn)一步提升的因素。提出了基于快速反射鏡的二級(jí)視軸穩(wěn)定系統(tǒng),并對(duì)比分析了一級(jí)視軸穩(wěn)定系統(tǒng)和二級(jí)視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的擾動(dòng)隔離度。利用五軸搖擺臺(tái)模擬航空環(huán)境,測(cè)試兩種視軸穩(wěn)定方式的實(shí)際性能,并提出利用圖像處理的方法來計(jì)算視軸穩(wěn)定精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示一級(jí)穩(wěn)定方式的視軸穩(wěn)定精度為20.3urad,而二級(jí)穩(wěn)定方式的視軸穩(wěn)定精度為5.1urad。綜合本文的研究工作可知:引入零相差控制算法和自適應(yīng)魯棒控制算法之后,音圈式快速反射鏡的快速性和魯棒性獲得大幅度提升,滿足航空光電穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)于快速反射鏡的性能要求;將快速反射鏡作為二級(jí)穩(wěn)定環(huán)節(jié)加入到成像光路以后,平臺(tái)的視軸穩(wěn)定精度獲得大幅度提升,足以保證焦距1m左右的相機(jī)正常工作。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：E87;E933
【圖文】：

有更好的把控，因此戰(zhàn)場(chǎng)偵察在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中變得越來越重要。航空光電偵察作為眾多偵察手段之一，因其安全性高、實(shí)時(shí)性好、獲取信息直接等優(yōu)勢(shì)，越來越受到各方的重視[1-4]。航空光電偵察的主要手段是通過航空光電穩(wěn)定平臺(tái)所搭載的光學(xué)傳感器來獲取目標(biāo)信息，因其任務(wù)類型和功能需求不同，可以搭載到不同的航空載臺(tái)，包括無人機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸偵察機(jī)、反潛機(jī)，電子戰(zhàn)飛機(jī)、大型預(yù)警飛艇、武裝直升機(jī)等，如圖 1.1 所示，圖中列舉了幾種常見的航空光電偵察方式。(a)無人機(jī)光電偵察 (b)戰(zhàn)斗機(jī)光電偵察

圖 1.3 視軸穩(wěn)定精度對(duì)成像質(zhì)量的影響igure 1.3 Influence of visual axis stability accuracy on imaging qual速反射鏡（Fast SteeringMirror,FSM）的二級(jí)視軸穩(wěn)定系統(tǒng)系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定精度，目前被廣泛應(yīng)用到長(zhǎng)距離航空光電瓷[10]作為制動(dòng)器的快速反射鏡因其控制帶寬高，響應(yīng)速度被廣泛應(yīng)用于視軸二級(jí)穩(wěn)定中。但是這種快速反射鏡也存陶瓷本身質(zhì)量較大，采用壓電陶瓷式快速反射鏡，會(huì)壓縮荷的空間；第二，壓電陶瓷受其本身物理特性的限制，其其只能補(bǔ)償微小的擾動(dòng)，對(duì)于一級(jí)穩(wěn)定系統(tǒng)的要求較高。路中除了做視軸穩(wěn)定，還可以做像移補(bǔ)償，其對(duì)行程的要求反射鏡恰好可以彌補(bǔ)上述問題，音圈電機(jī)本身質(zhì)量較輕，到正負(fù) 1°，可以彌補(bǔ)壓電陶瓷行程不足的缺陷。

先位置[12-14]，目前這些國家的研究機(jī)構(gòu)和公司已經(jīng)研發(fā)了大批的型號(hào)產(chǎn)品，于全球各個(gè)國家的軍隊(duì)中。相比較而言，國內(nèi)在相應(yīng)的研究方面起步比較晚處于跟隨的狀態(tài)[15]。目前，國內(nèi)已經(jīng)擁有了航空光電穩(wěn)定平臺(tái)的研究體系，相關(guān)研究的人員也很多，但是具體的產(chǎn)品性能和國外還有一定的差距。航空光電穩(wěn)定平臺(tái)最典型的結(jié)構(gòu)為兩軸結(jié)構(gòu)。這種類型的平臺(tái)一般由方位兩個(gè)軸系組成，其中俯仰軸附著在方位框架上，載荷安裝到俯仰框架中。一用陀螺做速度傳感器進(jìn)行閉環(huán)穩(wěn)定控制，結(jié)合編碼器做位置跟蹤，另外還可加加速度環(huán)和電流環(huán)來提升平臺(tái)的抗擾能力。比較典型的兩軸框架航空光電平臺(tái)有美國的 FLIR 系統(tǒng)公司研發(fā)的 TacFLIR 系列，其中最為經(jīng)典的產(chǎn)品acFLIRIII，如圖 1.4-a 所示。以色列飛機(jī)工業(yè)公司研發(fā)的 MOSP 型機(jī)載光電平臺(tái)，同樣采用兩軸系結(jié)構(gòu)。如圖 1.4-b 所示，其為兩軸四框架結(jié)構(gòu)，其中架主要做視軸穩(wěn)定，外框架主要做目標(biāo)跟蹤。這種兩軸兩框架或者兩軸多框構(gòu)方式，受限于本身的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，其視軸穩(wěn)定精度一般為 20urad 左右。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2803709