音圈式大行程快速反射镜及其视轴稳定技术研究

发布时间：2020-08-25 12:47

【摘要】：航空光电侦察平台作为现代战争中一种重要的侦察手段,它的侦察距离直接决定了其侦察的效率和自身的安全性。因此成像距离更远的反射式长焦相机被应用到航空侦察领域,而随着相机焦距的增长,其对于视轴稳定精度的要求也越来越高,传统框架伺服稳定系统已无法满足长焦相机的成像要求。基于快速反射镜的视轴二级稳定系统可以大幅度提升系统的视轴稳定精度,但是其对于快速反射镜的行程要求比较高,同时复杂的航空环境会影响快速反射镜的工作性能。所以研究一款大行程、高性能、抗干扰能力强的快速反射镜对于提升航空侦察效率具有重要意义。音圈式快速反射镜可以满足视轴稳定对于行程的要求,但是其本身极易受到外部扰动的影响,而且相比于压电陶瓷,音圈电机的控制难度更高,带宽提升更困难。针对以上问题,本文对自研的音圈式快速反射镜进行了详尽的研究,通过控制算法来提升其快速性和鲁棒性,并应用到航空光电稳定平台中来测试其对视轴稳定精度的提升效果。本文的主要研究内容总结如下:根据运动学理论推导了快速反射镜的理论模型,提出了时域正弦叠加构造白噪声的方法,并采用这种方法对快速反射镜进行了扫频建模。在控制环路中加入了速度负反馈环节,以提高系统阻尼系数抑制二阶模型谐振。为了抑制机械谐振所引起的谐振峰和反谐振峰,提出了一种基于双T型陷波器的新型结构滤波器。分析了快速反射镜响应速度和控制带宽之间的关系,理论推导结果证明系统控制带宽越高,系统响应速度越快。根据开环模型,设计了PI控制器对快速反射镜的位置环进行闭环控制。然后利用同样的建模方法对位置闭环系统进行了模型辨识。在此基础之上采用零相差控制方法设计前馈控制器,来进一步提升系统的控制带宽。实验证明加入零相差控制器以后,系统的幅值-3dB带宽达到了550Hz.对航空环境中会影响快速反射控制性能的扰动进行了逐个分析,并采用等效扰动来近似代替快速反射镜的所有外部扰动,简化了抗扰算法的设计难度。在快速反射镜控制系统中,分别尝试了干扰观测器和自适应鲁棒控制器两种抗扰方式。分析对比了两种算法的鲁棒性和他们对系统抗扰能力的提升效果,以及算法本身存在的缺陷。利用振动台模拟外部扰动,测试两种算法的实际性能。实验结果显示,自适应鲁棒控制算法对系统抗扰能力提升达到4.83倍,远高于干扰观测器的1.9倍。介绍了航空光电稳定平台的结构和载荷,分析了伺服稳定系统视轴稳定的原理和限制视轴稳定精度进一步提升的因素。提出了基于快速反射镜的二级视轴稳定系统,并对比分析了一级视轴稳定系统和二级视轴稳定系统的扰动隔离度。利用五轴摇摆台模拟航空环境,测试两种视轴稳定方式的实际性能,并提出利用图像处理的方法来计算视轴稳定精度。实验结果显示一级稳定方式的视轴稳定精度为20.3urad,而二级稳定方式的视轴稳定精度为5.1urad。综合本文的研究工作可知:引入零相差控制算法和自适应鲁棒控制算法之后,音圈式快速反射镜的快速性和鲁棒性获得大幅度提升,满足航空光电稳定平台对于快速反射镜的性能要求;将快速反射镜作为二级稳定环节加入到成像光路以后,平台的视轴稳定精度获得大幅度提升,足以保证焦距1m左右的相机正常工作。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：E87;E933
【图文】：

光电侦察平台,航空,光电侦察

有更好的把控，因此战场侦察在现代战争中变得越来越重要。航空光电侦察作为众多侦察手段之一，因其安全性高、实时性好、获取信息直接等优势，越来越受到各方的重视[1-4]。航空光电侦察的主要手段是通过航空光电稳定平台所搭载的光学传感器来获取目标信息，因其任务类型和功能需求不同，可以搭载到不同的航空载台，包括无人机、战斗机、运输侦察机、反潜机，电子战飞机、大型预警飞艇、武装直升机等，如图 1.1 所示，图中列举了几种常见的航空光电侦察方式。(a)无人机光电侦察 (b)战斗机光电侦察

视轴稳定,像质,精度,压电陶瓷

图 1.3 视轴稳定精度对成像质量的影响igure 1.3 Influence of visual axis stability accuracy on imaging qual速反射镜（Fast SteeringMirror,FSM）的二级视轴稳定系统系统的视轴稳定精度，目前被广泛应用到长距离航空光电瓷[10]作为制动器的快速反射镜因其控制带宽高，响应速度被广泛应用于视轴二级稳定中。但是这种快速反射镜也存陶瓷本身质量较大，采用压电陶瓷式快速反射镜，会压缩荷的空间；第二，压电陶瓷受其本身物理特性的限制，其其只能补偿微小的扰动，对于一级稳定系统的要求较高。路中除了做视轴稳定，还可以做像移补偿，其对行程的要求反射镜恰好可以弥补上述问题，音圈电机本身质量较轻，到正负 1°，可以弥补压电陶瓷行程不足的缺陷。

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先位置[12-14]，目前这些国家的研究机构和公司已经研发了大批的型号产品，于全球各个国家的军队中。相比较而言，国内在相应的研究方面起步比较晚处于跟随的状态[15]。目前，国内已经拥有了航空光电稳定平台的研究体系，相关研究的人员也很多，但是具体的产品性能和国外还有一定的差距。航空光电稳定平台最典型的结构为两轴结构。这种类型的平台一般由方位两个轴系组成，其中俯仰轴附着在方位框架上，载荷安装到俯仰框架中。一用陀螺做速度传感器进行闭环稳定控制，结合编码器做位置跟踪，另外还可加加速度环和电流环来提升平台的抗扰能力。比较典型的两轴框架航空光电平台有美国的 FLIR 系统公司研发的 TacFLIR 系列，其中最为经典的产品acFLIRIII，如图 1.4-a 所示。以色列飞机工业公司研发的 MOSP 型机载光电平台，同样采用两轴系结构。如图 1.4-b 所示，其为两轴四框架结构，其中架主要做视轴稳定，外框架主要做目标跟踪。这种两轴两框架或者两轴多框构方式，受限于本身的运动机制，其视轴稳定精度一般为 20urad 左右。

【参考文献】