光电远程快速探测关键技术研究

发布时间：2020-09-24 21:36

　　随着航空航天技术的高速发展,侦察探测卫星、高空长航时飞行器、超音速导弹等快速空天平台对光电载荷远程探测的需求愈加强烈,技术指标要求越来越高,现有光电探测技术难以适应平台发展的需求。本文主要研究快速空天平台的光电远程探测技术,采用光电共要素并行多学科快速协同设计的总体设计方法、基于快速反射镜的宏微二级复合稳定平台控制和步进凝视扫描技术以及多波段共孔径探测技术,围绕着提升系统“光舱比”的技术路径,实现快速空天平台的光电远程探测。主要创新成果如下:1.研究光电共要素并行多学科快速协同设计的总体设计方法,大幅提高复杂光电系统研制的质量水平。通过提取单一学科不能实现的主要系统指标或承担光学、控制等多学科功能的核心元器件作为共要素,采用并行设计方法,使系统总体设计经历一次迭代即可得到较优解。利用此方法提高系统耦合性、控制精度,并缩小光电系统体积和重量,解决以往因采用串行和简单并行的总体设计方法需要多次迭代、欠缺耦合性设计导致的研制周期长、系统指标难以兼顾的问题。2.研究基于快速放射镜(FSM)的宏微二级复合稳定平台控制和步进凝视扫描技术,大幅提升平台稳定精度和成像质量。通过改进传统两轴两框架或两轴四框架机械稳定平台,增加快速反射镜精稳级,利用其高控制精度和高带宽特性,使平台稳定精度提高一个数量级;通过快速反射镜的像方反扫补偿实现步进凝视扫描,即伺服稳定平台作连续稳定的角运动,快速反射镜在光路中按照光学放大率作反向角运动,在毫秒量级的探测器积分时间内使光轴保持静止完成凝视成像,增加红外焦平面阵列探测器有效积分时间,显著改善成像质量。3.基于上述研究,提出以“光舱比”(光学口径与舱体直径之比)作为衡量复杂光电探测系统集成度的指标,实现在空天平台体积重量约束下的最优光电系统性能。通过进一步研究多波段共孔径探测技术,结合二极管泵浦固体激光器(DPL)技术、宏微二级复合控制稳定平台技术、快速步进凝视扫描技术和多探测器复用技术,最大限度提升系统光学口径和焦距,实现远程探测。4.将上述理论研究成果应用于某低空快速飞行平台红外探测装置、某高空快速飞行平台红外探测装置,在短研制周期、小体积重量以及恶劣使用环境等苛刻条件下,成功研制出工程样机,达到了总体要求。在总体设计时按照光电共要素并行多学科快速协同设计的方法,通过并行的子空间多方案快速概念设计及排列组合优化,转化为工程设计的共要素约束条件,进而指导分配光机系统和伺服稳定系统的设计权重,并在电子样机上对设计方案进行综合性能动态评估和迭代优化,经过一次设计迭代,确定总体技术方案。其中,在某低空快速飞行平台红外探测装置的研制中,针对小窗口大扫描角的要求,采用伺服稳定平台为主、光机为辅的设计权重,确定了基于陀螺稳定反射镜物方扫描的方案,具有高精度和高动态的稳像能力,突破小窗口、大扫描角和高角分辨率前提下快速高清晰度扫描成像的技术壁垒,实现了设计指标;在某高空快速飞行平台红外探测装置的研制中,针对机载快速扫描光电成像系统,采用光机为主、伺服稳定平台为辅的设计权重,基于快速反射镜复合轴控制的快速步进凝视扫描技术,通过设计前置望远系统、后置成像系统的光机结构和三轴光纤陀螺稳定两轴框架平台,配合小惯量的快速反射镜进行一维反扫进,实现了超过300公里远距离的高精度和高动态稳定红外成像,达到了设计指标;将上述理论成果应用于无人机光电瞄准吊舱研制,首先从提升“光舱比”的核心需求出发,采用光电共要素并行多学科快速协同设计的总体设计方法,拟定光电瞄准吊舱的总体方案,其次针对光机系统,设计同轴共孔径光学系统,结合激光测照子系统,形成系统多光合一的整体光机结构,然后针对伺服控制系统,采用基于快速反射镜的宏微二级控制稳定平台技术和快速步进凝视扫描技术,使整个系统具备体积小、重量轻的特征和高精度、高动态的瞄准能力,最终通过设计仿真达到了设计指标,处于国际先进水平,现已进入工程试制阶段。本文的理论研究和工程研制为快速空天平台光电远程探测系统研制提供了理论方法和技术基础。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN29
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