本文關(guān)鍵詞：一種長焦距航空相機(jī)振動隔離技術(shù)研究　出處：《中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：20世紀(jì)以來,航空成像與測量技術(shù)得到了快速發(fā)展,已廣泛應(yīng)用于資源普查、地形測繪、軍事偵察等諸多領(lǐng)域。為獲取地面景物的高分辨率圖像和地理位置信息,航空相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的焦距越來越長,此時振動已成為影響航空相機(jī)成像質(zhì)量與測量精度的重要因素。本文結(jié)合某型長焦距斜視航空相機(jī),分析了振動對相機(jī)成像質(zhì)量與測量性能的影響,為提升相機(jī)動態(tài)成像性能,對振動隔離技術(shù)進(jìn)行研究,主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:根據(jù)長焦距斜視航空相機(jī)的工作原理,建立了擺掃成像過程中物點(diǎn)與像點(diǎn)間的映射關(guān)系,推導(dǎo)出斜視成像下振動像移模型,對線振動、角振動引起的振動像移進(jìn)行分析,指出角振動(尤其是橫滾軸方向的角振動)是影響相機(jī)成像質(zhì)量的主要因素。為客觀地評價振動對相機(jī)成像質(zhì)量的影響,建立了振動像移與系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)間的量化關(guān)系。著重分析了正弦振動、隨機(jī)振動下的動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù),對振動引起的圖像模糊程度進(jìn)行評價;針對正弦振動,提出一種基于第一類貝塞爾函數(shù)的動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)計(jì)算方法;針對隨機(jī)振動,提出基于譜密度函數(shù)復(fù)現(xiàn)時域隨機(jī)信號的動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)數(shù)值計(jì)算方法。采用曝光時間內(nèi)像移函數(shù)的一階統(tǒng)計(jì)矩,對圖像幾何變形進(jìn)行評價;分析了同等振動幅值下圖像幾何變形隨振動頻率的變化情況,指出高頻振動主要導(dǎo)致圖像模糊,低頻振動引起圖像幾何變形。為直觀地反映擺掃方向和垂直于擺掃方向上的振動像移引起的圖像退化情況,根據(jù)TDICCD工作原理,建立圖像退化仿真模型;指出擺掃方向上的振動引起圖像拉伸或壓縮,垂直于擺掃方向上的振動導(dǎo)致圖像拖影、扭曲。依據(jù)機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)測量出的載機(jī)位置、姿態(tài)信息以及相機(jī)俯角、位角信息,根據(jù)齊次坐標(biāo)變換理論和地球橢球計(jì)算理論,提出一種直接對地目標(biāo)定位算法;著重分析了相機(jī)與載機(jī)間減振器角振動誤差對目標(biāo)定位精度的影響,指出橫滾軸方向角振動誤差對目標(biāo)定位精度影響嚴(yán)重,給出了提高目標(biāo)定位精度的措施。結(jié)合振動環(huán)境下長焦距航空相機(jī)成像性能分析需求,為量化分析載機(jī)隨機(jī)振動、振動隔離系統(tǒng)、振動傳遞效率以及殘余振動對相機(jī)成像質(zhì)量的綜合影響,建立了一種基于功率譜的振動隔離與成像性能分析模型,并采用MATLAB軟件編寫了仿真分析界面,對長焦距航空相機(jī)振動隔離與成像性能進(jìn)行了仿真分析。為提升振動隔離性能,對相機(jī)減振系統(tǒng)進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。通過建立相機(jī)減振系統(tǒng)的振動分析模型,得出無振動耦合時減振系統(tǒng)剛度、阻尼以及安裝間距間應(yīng)滿足的量化關(guān)系,為減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。為實(shí)現(xiàn)減振系統(tǒng)具有較低的固有頻率(6Hz),選用金屬螺旋彈簧作為彈性支撐元件;選用可調(diào)式旋轉(zhuǎn)液體阻尼器,提供附加阻尼并實(shí)現(xiàn)減振系統(tǒng)阻尼可調(diào),對減振系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)液體阻尼器的布置以及阻尼值選取給出了設(shè)計(jì)方法。采用多體系動力學(xué)分析軟件分析了減振系統(tǒng)的頻率特性和振動耦合特性。通過正弦掃頻試驗(yàn),對減振系統(tǒng)的固有頻率和傳遞率曲線進(jìn)行測試,與仿真分析結(jié)果一致。通過隨機(jī)振動試驗(yàn),測試隨機(jī)振動下減振系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),測得減振系統(tǒng)隔振效率達(dá)到92.2%;采用自準(zhǔn)直儀對角振動信號進(jìn)行測量,分析了在不同阻尼系數(shù)下減振系統(tǒng)的振動耦合程度,通過調(diào)節(jié)各旋轉(zhuǎn)液體阻尼器的阻尼值,可在一定程度上減小耦合出的角振動幅值。最后通過成像試驗(yàn),驗(yàn)證了該減振系統(tǒng)可滿足長焦距航空相機(jī)隔振性能要求。本論文中建立的基于功率譜的振動隔離與成像性能分析模型,可用于預(yù)估振動環(huán)境下相機(jī)的成像質(zhì)量,對振動隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。通過對相機(jī)減振系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)與試驗(yàn),提升振動隔離性能,使得在復(fù)雜振動環(huán)境下航空相機(jī)高分辨率成像。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：V245.6

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