航空相机地物反射镜结构设计与分析

作者： 邵毓   来源： 吉林大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 轻量化设计   像质评价   有限元分析   地物反射镜   航空相机  

描述： 航空侦察克服了地球曲率和地形障碍对地面侦察设备视线的限制,弥补了卫星侦察细节不足和时效性差的弊端,在战场情况瞬息万变的现代战争中表现出不可或缺的地位。随着航空相机远距离成像对细节的分辨能力需求不断提高,光学系统焦距和口径都随之增大,地物反射镜作为光学系统的重要组成部分,其使用环境下面形精度的保证情况对系统成像影响越来越受到重视。众多研究者从事过工作载荷及环境下反射镜面形变形的研究,指出反射面的面形变化与反射镜的形状、支撑方式、载荷以及轻量化的程度存在一定的比例关系,比例系数一般根据经验给定。随着计算机技术的普及,光机热集成分析方法应运而生,通过多项式拟合作为桥梁,将结构有限元分析的结果带入到光学设计软件中,经过光学系统成像质量评价得出结论,作为判断反射镜结构设计能否满足整体设计要求的依据。论文分析了光学系统成像质量评价的方法,指出MTF评价方法由于在设计和实际检测中具有相同的评价结果而受到广泛的重视;同时分析了有限元分析方法在现代光机设计中的应用,指出有限元分析得到的表面变形数据是离散的数据,不能直接应用到光学软件的分析中;最后介绍了Zernike多项式,由于其系数项与光学初级像差有一定的联系,近年来常作为将有限元分析数据到转换到光学设计软件中进行像质评价的转换纽带。论文以薄板理论为依据,分析了受重力作用下反射镜反射面面形的变形原因。讨论了材料、结构形状和支撑方案对反射镜面形的影响,列举了常用的反射镜材料、支撑方案的特点和不同减重形式的对比。同时指出,航空相机使用寿命较长,只通过粘结剂粘接反射镜和与其连接的结构支撑件存在安全隐患。最后,论文对一420×280长圆形反射镜结构进行了设计和分析。通过光学设计确定了地物反射镜几何形状和面形误差参数,经加工能力分析最终给出的地物反射镜的设计指标;通过背部开放和封闭两种轻量化形式及对应的支撑方案进行对比设计;通过有限元分析方法对组件反射面变形分析,通过Zernike多项式拟合传递到光学设计软件中,对设计指标的符合程度进行了评价,最终通过加工装配后的反射镜组件的光学性能检测证明和验证了理论分析的正确性,所设计的地物反射镜能够满足光学系统对反射镜面形精度要求。由于时间及课题篇幅的关系,论文并未对所有结构件进行分析,这些零件组合后对反射面是否存在应力应变并没有详细的讨论。另外,由于相机处于环控状态下,保持常温的工作环境,设计中并未对在温度变化下反射镜面形的变化进行分析和设计。这些工作都将在日后的工作中不断完善,并结合相机飞行照相和环境试验,在极端温度、压力、振动等条件下,反射镜面形的变化和支撑结构的稳定性做详实的跟踪和记录,以考核在实用状态下设计的质量。

一种长焦距航空相机振动隔离技术研究

作者： 杜言鲁   来源： 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 减振系统   光学传递函数   振动   航空相机   图像退化仿真  

描述： 20世纪以来,航空成像与测量技术得到了快速发展,已广泛应用于资源普查、地形测绘、军事侦察等诸多领域。为获取地面景物的高分辨率图像和地理位置信息,航空相机光学系统的焦距越来越长,此时振动已成为影响航空相机成像质量与测量精度的重要因素。本文结合某型长焦距斜视航空相机,分析了振动对相机成像质量与测量性能的影响,为提升相机动态成像性能,对振动隔离技术进行研究,主要包括以下几个方面的内容:根据长焦距斜视航空相机的工作原理,建立了摆扫成像过程中物点与像点间的映射关系,推导出斜视成像下振动像移模型,对线振动、角振动引起的振动像移进行分析,指出角振动(尤其是横滚轴方向的角振动)是影响相机成像质量的主要因素。为客观地评价振动对相机成像质量的影响,建立了振动像移与系统光学传递函数间的量化关系。着重分析了正弦振动、随机振动下的动态调制传递函数,对振动引起的图像模糊程度进行评价;针对正弦振动,提出一种基于第一类贝塞尔函数的动态调制传递函数计算方法;针对随机振动,提出基于谱密度函数复现时域随机信号的动态调制传递函数数值计算方法。采用曝光时间内像移函数的一阶统计矩,对图像几何变形进行评价;分析了同等振动幅值下图像几何变形随振动频率的变化情况,指出高频振动主要导致图像模糊,低频振动引起图像几何变形。为直观地反映摆扫方向和垂直于摆扫方向上的振动像移引起的图像退化情况,根据TDICCD工作原理,建立图像退化仿真模型;指出摆扫方向上的振动引起图像拉伸或压缩,垂直于摆扫方向上的振动导致图像拖影、扭曲。依据机载惯导系统测量出的载机位置、姿态信息以及相机俯角、位角信息,根据齐次坐标变换理论和地球椭球计算理论,提出一种直接对地目标定位算法;着重分析了相机与载机间减振器角振动误差对目标定位精度的影响,指出横滚轴方向角振动误差对目标定位精度影响严重,给出了提高目标定位精度的措施。结合振动环境下长焦距航空相机成像性能分析需求,为量化分析载机随机振动、振动隔离系统、振动传递效率以及残余振动对相机成像质量的综合影响,建立了一种基于功率谱的振动隔离与成像性能分析模型,并采用MATLAB软件编写了仿真分析界面,对长焦距航空相机振动隔离与成像性能进行了仿真分析。为提升振动隔离性能,对相机减振系统进行了分析、设计与试验。通过建立相机减振系统的振动分析模型,得出无振动耦合时减振系统刚度、阻尼以及安装间距间应满足的量化关系,为减振系统设计提供理论指导。为实现减振系统具有较低的固有频率(6Hz),选用金属螺旋弹簧作为弹性支撑元件;选用可调式旋转液体阻尼器,提供附加阻尼并实现减振系统阻尼可调,对减振系统中旋转液体阻尼器的布置以及阻尼值选取给出了设计方法。采用多体系动力学分析软件分析了减振系统的频率特性和振动耦合特性。通过正弦扫频试验,对减振系统的固有频率和传递率曲线进行测试,与仿真分析结果一致。通过随机振动试验,测试随机振动下减振系统的动态响应,测得减振系统隔振效率达到92.2%;采用自准直仪对角振动信号进行测量,分析了在不同阻尼系数下减振系统的振动耦合程度,通过调节各旋转液体阻尼器的阻尼值,可在一定程度上减小耦合出的角振动幅值。最后通过成像试验,验证了该减振系统可满足长焦距航空相机隔振性能要求。本论文中建立的基于功率谱的振动隔离与成像性能分析模型,可用于预估振动环境下相机的成像质量,对振动隔离系统设计具有一定的指导意义。通过对相机减振系统进行分析、设计与试验,提升振动隔离性能,使得在复杂振动环境下航空相机高分辨率成像。

航空相机检测仪系统的设计与实现

作者： 叶华   李彬   高培淞   刘禹   张赫   来源： 国外电子测量技术 年份： 2017 文献类型 ： 期刊 关键词： 地面保障   航空相机   检测仪   ARINC429   分层设计  

描述： 航空相机是一种重要的机载光电设备,在航空对地测绘等领域有着较为广泛的应用,为方便、直观地对航空相机进行地面检测,设计和实现了一种配套某型航空相机的检测仪系统。根据航空相机地面保障设备任务书和相机与地保设备通讯协议,给出了检测仪系统的功能需求。根据相机的接口要求和系统计算能力的要求,设计了检测仪系统的硬件方案。根据软件部分的功能需求,提出了一种新的分层架构,同时详细论述了软件系统的关键技术,描述了程序的运行流程,给出了检测仪系统的软件设计方案,并在VC6.0环境下实现了检测仪软件系统。针对检测仪的工作方式,设计了测试流程,并根据流程对检测仪进行了详尽的测试,经多次测试,检测仪工作正常。测试结果表明,检测仪系统满足了对其功能的全部要求,运行稳定,操作简便,显示直观,可以应用于航空相机地面保障任务。

航空相机检测仪系统的设计与实现

作者： 叶华   李彬   高培淞   刘禹   张赫   来源： 国外电子测量技术 年份： 2019 文献类型 ： 期刊 关键词： 地面保障   航空相机   检测仪   ARINC429   分层设计  

描述： 航空相机是一种重要的机载光电设备,在航空对地测绘等领域有着较为广泛的应用,为方便、直观地对航空相机进行地面检测,设计和实现了一种配套某型航空相机的检测仪系统。根据航空相机地面保障设备任务书和相机与地保设备通讯协议,给出了检测仪系统的功能需求。根据相机的接口要求和系统计算能力的要求,设计了检测仪系统的硬件方案。根据软件部分的功能需求,提出了一种新的分层架构,同时详细论述了软件系统的关键技术,描述了程序的运行流程,给出了检测仪系统的软件设计方案,并在VC6.0环境下实现了检测仪软件系统。针对检测仪的工作方式,设计了测试流程,并根据流程对检测仪进行了详尽的测试,经多次测试,检测仪工作正常。测试结果表明,检测仪系统满足了对其功能的全部要求,运行稳定,操作简便,显示直观,可以应用于航空相机地面保障任务。

大角度倾斜成像航空相机对地目标定位

作者： 乔川   丁亚林   许永森   修吉宏   杜言鲁   来源： 光学精密工程 年份： 2018 文献类型 ： 期刊 关键词： 数字高程模型   其次坐标变换   航空相机   目标定位   误差分析  

描述： 针对大角度倾斜成像航空相机拍摄距离远,激光测距设备作用距离有限的问题,提出了一种不依赖距离测量设备的直接对地目标定位算法。依据载机POS测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中位置编码器测量的框架角位置信息,利用齐次坐标变换的方法求解目标在大地坐标系下的指向,再利用地球椭球模型和数字高程模型确定目标点的经纬度信息。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置姿态测量误差及相机框架角位置误差对视轴指向精度的影响,相比于仅采用地球椭球模型的目标定位算法,该算法有效降低了地形起伏对目标定位影响,在目标区域地形起伏标准差大于10m时,大角度倾斜成像的定位精度明显提高。采用飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性,在飞行高度18 000m拍摄框架横滚角小于63°时,目标定位圆概率误差小于70m,可满足工程实际需要。

虚拟仪器在航空相机动态分辨力检测中的应用

作者： 王强   尹晶   刘旭   刘春艳   来源： 光学技术 年份： 2023 文献类型 ： 期刊 关键词： 动态分辨力   摩擦波动补偿   航空相机   伺服直线电机   LabVIEW  

描述： 航空相机动态分辨力检测系统用于在实验室内模拟飞机飞行过程中地物相对飞机运动状态，实现针对航空相机在进行动态照相时的分辨力的检测。主要研究基于LABVIEW的动态分辨力检测系统的虚拟仪器技术与运动控制技术，根据航空相机像移速度方程设计了动态目标模拟的运动曲线，采用摩擦波动补偿算法改进了常规的PID控制算法完成运动曲线中的高精度匀速段的直线电机控制。系统实现了动态图形匀速直线运动速度范围10～1000mm/s,匀速段瞬时速度误差≤3mm/s,平均速度波动误差≤0.1%。

航空相机气密光学窗口及其保护罩的设计

作者： 谭淞年   姚园   徐钰蕾   许永森   李浩   来源： 光学精密工程 年份： 2022 文献类型 ： 期刊 关键词： 光学窗口   光窗保护罩   气密性   航空相机   双层舱门  

描述： 为了保证航空相机的成像效果，设计了气密光学窗口及其保护罩。本文对光学窗口的设计流程进行了分析，讨论了光学窗口设计的考虑因素，例如光学材料、光学厚度、压力和气密安装方案等。为了实现在非工作状态下对光学窗口的保护，设计了双层舱门结构形式的光窗保护罩，实现了系统的小型化。通过仿真分析和试验，测试了气密光学窗口和光窗保护罩的稳定性，系统能够在2个大气压和高低温环境下正常工作，性能良好。光学窗口保护罩整个厚度仅为37mm，能够实现快速开启与关闭，单程时间为7.7 s。相关分析方法解决了光学窗口设计问题的盲目性，使光学窗口的设计更加合理可靠。本文提出的方案为航空相机光学窗口的设计和保护提供了参考和技术支持。

非球面航空相机光机集成分析研究

作者： 王海涛   来源： 长春工业大学 年份： 2021 文献类型 ： 学位论文 关键词： 温度   成像质量   光机集成分析   微振动   航空相机  

描述： 非球面航空相机光机集成分析研究

基于空间滤波效应的航空相机图像检调焦系统研究

作者： 王海江   来源： 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) 年份： 2022 文献类型 ： 学位论文 关键词： 图像检焦   空间滤波效应   聚焦搜索策略   多重差分滤波器   航空相机  

描述： 基于空间滤波效应的航空相机图像检调焦系统研究

航空光电载荷串级动态复合限幅分幅步进控制

作者： 付金宝   张洪文   黄厚田   张雷   来源： 光学精密工程 年份： 2023 文献类型 ： 期刊 关键词： 航空光电载荷   航空相机   限幅   抗饱和   串级控制  

描述： 在某型面阵分幅步进成像的航空光电载荷中，俯角分幅步进控制系统存在位置给定突变以及电机启停导致机身整体微晃动的问题，使系统调整时间延长超过时序控制并影响成像效果。提出了串级动态复合限幅控制方法，在带有Anti/Windup的主副回路串级控制基础上，根据“一周拍照开始信号”和“位置/速度控制信号”动态规划电压限幅和速度限幅的幅值，实现对步进给定突变的自适应以及根据需要减小机身整体微晃动影响，最终满足载荷时序控制要求。控制实验测试及动态成像实验表明：在该航空光电载荷俯角分幅步进控制系统采用串级动态复合限幅控制后，实现了拍照段步进位置和返程段回位控制的快速性和稳态性能，拍照段位置步进控制的稳态调整时间缩短了26.56%，返程段位置回位控制的稳态调整时间缩短了18.47%。该方法满足载荷时序控制要求，提高了动态成像的横向像移补偿效果。