基于AMASPGD算法的FSOC系统波前畸变校正及性能分析

为了抑制相干自由空间光通信系统中大气湍流引起光信号波前失真的不利影响,提出了一种基于聚合动量(AM)和自适应矩边界(AdaMod)优化器的增强型随机并行梯度下降(SPGD)算法。仿真结果表明,该优化算法可以显著提高收敛速度和鲁棒性,并有效降低波前畸变的峰谷值和均方根,从而更有效地抑制大气湍流对相干自由空间光通信(FSOC)系统混频效率和误码率的负面影响。

激光发射系统轴头箱结构分析与优化

为提高轴头箱刚度,对激光发射系统的轴头箱进行结构优化。基于现有轴头箱结构,在光机装调完毕后,安装侧盖时会导致系统视轴与光轴之间的角度差变大,导致不满足使用要求。根据有限元法,对负载条件下的轴头箱进行静力学分析,得到其变形情况。相机箱体变形情况影响电视视轴指向,其角度变化可以直接用三角函数计算。反射镜法向量也会产生变化,采用最小二乘法对反射镜反射面的节点数据进行拟合,通过拟合数据获得反射镜的法向量,计算其光轴角度变化情况。通过优化轴头箱结构形式,改变轴头箱结构与箱体盖板之间的重量分配,减少装调完毕后需要增加的负载重量,从而改善跟瞄视轴与激光发射轴平行度的稳定性。根据有限元分析结果,优化后的轴头箱结构,安装侧盖对视轴与光轴之间角度差影响不超过1″。通过实验证明,优化后的轴头箱结构具有更好的刚度。

T型光电转塔光具座结构研究

T型光电转塔左、右两侧的光具座上分别安装有电视摄像机、红外热像仪和激光测距机等光电传感器,针对某T型光电转塔因光具座结构变形较大所引起的传感器测角误差和多光轴平行度误差超差问题,提出了一种光具座结构改进方案,即将板状结构光具座改为框状结构光具座,并对初始光具座和改进光具座进行了有限元静力仿真分析,通过对比光具座仿真结果和实验验证,表明该光具座结构改进方案是合理的,能够显著提高光具座刚度,有效减少T型光电转塔的测角误差和多光轴平行度误差。

用于稀疏孔径成像系统光程控制的自适应控制算法研究

目前,稀疏孔径成像系统共相误差校正效果不佳,为此,提出了一种用于稀疏孔径成像系统光程控制的自适应控制算法。首先,分析了仅有前馈控制存在的累积误差问题,并由此引出了改进的比例-微分-积分(PID)反馈控制结构和表达式;然后,将两者结合,形成了前馈-改进PID反馈的复合控制系统,并用该系统对单个压电陶瓷进行了控制仿真;最后,采用一种随机并行梯度下降(SPGD)算法,以成像清晰度为优化目标,将稀疏孔径成像系统中的多个压电陶瓷组成了联合控制系统;通过搭建精密光程调控系统实验平台,对单个压电陶瓷采用前馈-PID反馈复合控制系统进行了1μm、5μm、8μm和10μm位移跟踪实验。实验结果表明:不同位移的响应曲线基本与期望位移曲线重合,不同位移的响应时间能有效控制在0.08 s以内,位置误差能有效控制在±3 nm以内;将SPGD联合控制系统用于1个三孔径稀疏孔径成像系统中,进行了分辨率板成像对比实验,对共相误差校正前后图像进行了定量评价(校正前,评价值J 1=0.54;校正后,评价值J 2=0.78)。研究结果表明:该联合控制系统能有效控制光程精度,校正共相误差,实现子光束干涉成像的目标。

多波段图像融合系统光轴平行性装调技术研究

本文基于一种多波段图像融合系统,对系统光轴平行性装调技术进行研究。系统为五光轴平行系统,包括白光模块、微光模块、短波红外模块、长波红外模块、激光测距模块,通过计算得到精度最高的为微光模块,精度为32.09″,即平行性偏差小于32.09″不影响系统使用。装调时采用光轴中心与平行光管十字靶板中心对准的方法,得到的图像为最大图像尺寸的99.89%,对图像信息获取不产生影响。最后用搭建好的平台对系统进行实验验证,实验证明平行性最大偏差为9″,小于系统最大允许误差,所以得出结论该装调方法对类似产品的装调具有一定参考价值。

基于旋转双棱镜的光束复合跟踪控制技术

提出一种基于旋转双棱镜的光束复合跟踪技术,用于取代传统伺服转台实现精密的光学跟踪。首先,建立双棱镜的光束偏转模型,详细推导光束偏转矢量与双棱镜转角间的转换关系,并对跟踪过程中的棱镜旋转非线性问题进行了分析。提出基于快速反射镜进行光轴修正的双棱镜光束复合跟踪方法,通过建立偏转光轴与光学基台间的扰动耦合关系,实现了对双棱镜转速的实时补偿,并改进棱镜控制器以提高光束控制性能。搭建实验系统,对旋转双棱镜复合跟踪技术进行验证。在动态跟踪实验中,采用改进控制器的双棱镜的控制精度明显提高,相较于比例-积分-微分控制器和线性自抗扰控制器,所提出的改进控制器使棱镜的控制精度分别提高58.33%和32.81%,并使跟踪误差由改进前的49.03μrad和38.88μrad降低为31.15μrad。开启视轴补偿后跟踪性能进一步提高,总跟踪误差降至7.49μrad,跟踪精度提高4.16倍。实验结果表明,光束复合控制能有效提高双棱镜的跟踪精度,验证了所提方法的有效性。

高精度光学载荷安装平台热控设计及试验验证

某科学卫星的3台光学主载荷需实现对太阳共视,要求3台载荷的光轴平行度偏差小于30ʺ,考虑到热弹变形的影响,光学载荷安装平台温度须控制在(22±5)℃。然而,载荷安装平台尺寸大(1.6 m×1.6 m×0.8 m)且处于舱外,外热流各方向相差大,温度均匀性控制难,故对该平台采取主动热控(PI闭环加热)和被动热控(多层隔热)相结合的热控措施。软件仿真显示,此热控方案下,载荷安装板及支撑杆温度可以控制在(22±3)℃;整星真空热试验显示,此热控方案下,载荷安装板温度可以控制在(22±2)℃,载荷支撑杆温度可以控制在(22±3)℃:以上均验证了热控方案可行、有效。

几种光轴平行性测试方法的比较与探讨

介绍几种常用的光轴平行性测试方法,并逐一分析每种方法的测量原理和系统组成以及相关操作过程,比较各方法之间的优缺点。

多光轴光学系统光轴间平行性检测仪的研制

结合实际需要设计了一种精度高、便携性好,用于检测多光轴光学系统光轴间平行性的检测仪器。该仪器能够实现可见、红外与激光不同谱段任意两个光学成像系统间的光轴平行性检测。与同类其他仪器比较,该仪器的特点是光学系统结构均采用全反射设计,避免使用红外光学玻璃,在设计中减小和去除了影响仪器精度的一些因素,例如:去除了平面镜2个表面楔角α的影响。仪器的主体采用完全对称的结构和积木式的组装方式,保证了仪器经温度循环实验和振动试验后检测精度优于5″,满足使用要求。

平行度测试仪原理及其测量精度分析

平行度测试仪是检测大型光电经纬仪多光轴系统平行度的设备,要求平行度测试仪的精度要达到0.5″。方法是利用一块反射镜和两块五棱镜将一束准直光束分光成两束平行光束,大型经纬仪的两个光学系统分别接收这两束平行光,两束平行光所成像的脱靶量差值即为两光学系统的光轴平行度。利用两个精度为0.1″的自准直平行光管和一块平面反射镜检测平行度测试仪精度。经检测标定后平行度测试仪的精度可达到0.5″,能够很好的满足检测平行度为2″的光学系统的检测。

大口径平行光管用于光轴平行度测量的实现

本文利用大口径平行光管,设计了一套光轴平行度检测系统。介绍了该系统的组成、工作原理,分析了提高系统检测精度的关键技术。

远距离多波段红外图像融合系统及配准方法

研制了一种短波红外、中波红外和激光测距仪联合工作的图像融合系统。系统实现了全天时可透雾的远距离场景监控、远距离目标测距,并能够检测1.06μm和1.57μm的激光光束。为了保证系统的融合图像质量,提高配准精度,提出了一种光轴平行度校正方法,实现短波红外和中波红外图像的粗配准;提出了一种新的迭代优化方法,通过寻找最优配准参数来获得最佳的融合性能,采用基于人眼感兴趣区域的清晰度指标作为评价函数来完善配准过程,采用粒子群优化算法解决联合优化问题,实现短波红外和中波红外图像的精配准。实验结果表明该系统在远距离场景监控和战场态势感知等方面具有较大的应用潜力。

多光轴光学系统光轴平行度野外试验方法

基于激光测距的基本原理及激光能量分布情况 ,利用测距的方法进行对角度的测量 ,在野外全系统工作状态下 ,实现了多光轴系统平行度的测试 。

水平式激光发射系统光轴平行度误差分析

对于激光发射系统,激光轴与电视光轴的平行度是保证其指向精度的关键。相对于传统的光电经纬仪,该系统光轴平行度误差是一动态误差,变化规律较为复杂。为修正激光发射系统激光轴与电视光轴的平行度误差,建立了光轴平行度误差模型,由此掌握该系统光轴平行度误差的变化规律。在总结了影响光轴平行度的主要系统误差源的基础上,分析各项误差对光轴平行度的影响,利用矢量旋转与坐标变换,建立了激光轴经折返镜后在空间坐标系内的指向模型,由此得到两光轴平行度误差模型,通过电视跟踪系统测量两光轴平行度误差值,并采用最小二乘法拟合得到误差模型中各待定系数。实验结果表明:拟合后的光轴平行度达到2.6″,模型能够基本描述两光轴平行度误差的变化规律。

靶场适用的光电经纬仪光轴平行性检测

针对可换负载式光电经纬仪更换成像探测组件后的光轴平行性检测,提出了一种靶场适用的光电经纬仪光轴平行性检测方法。该方法在正倒镜状态下拍摄方位标,结合经纬仪角度测量结果和方位标距离测量结果计算方位标十字丝中心在成像坐标系下的坐标,通过基于坐标变换推导的光轴平行性检测公式计算成像光轴相对理想照准光轴的偏差,从而实现对光轴平行性的检测。对该方法的检测精度进行了分析,结果表明成像系统投影中心坐标测量误差和距离测量误差对光轴平行性检测误差随着方位标距离增大而减小,当方位标距离为1 km、坐标测量误差为1 cm时,坐标测量误差和距离测量误差对平行性检测精度的影响约为0.01 mrad;当方位标距离足够远时,平行性检测精度与成像系统的角度测量误差相当,能够满足靶场使用需求。

大尺度多光谱多光轴平行性检校系统

为对室内不拆装情况下大型或整车上的多谱段光电装备进行光轴平行性检校,设计了大尺度多光谱多光轴平行性检校系统。系统采用一个多光谱平行光管提供多个谱段的无限远目标,通过二维移动平台实现平行光管的室内大跨度移动。利用倾角传感器、双线阵CCD测量系统和姿态调整机构来恢复和保证平行光管移动前后的光轴平行性,实现室内分布在车体上不同轴距不同谱段光电装备的光轴平行性进行统一检校。系统设计方案和误差分析结果表明:该系统平行光管移动前后的光轴平行性总误差小于0.142mrad,在提高检校精度的同时还大大减小了光轴平行性检校的工作量;各分系统中倾角传感器和姿态调整机构误差对系统总误差贡献最大,通过选用更高精度的分系统还可进一步提高系统的总体精度,满足更高精度装备的光轴平行性检校要求。

测距激光的能量分布及其对光轴校正的影响

利用涂料墙面作为反射目标,采集、处理和分析脉冲激光测距机发射激光的光斑能量分布。结果表明:能量环带占比从中心到边沿呈现由高到低的变化趋势,80%以上的激光能量集中在占激光光斑总面积60%的中心区域内,而且某些型号的测距机激光能量分布存在较明显的区域不均衡性。因此,测距机要达到最大测程的指标要求,相关光轴的平行性校正必须更加严苛,而且光轴平行性校正方式也应加以改进。

基于并联机构的六维加速度传感器的方案设计及建模研究

提出一种新的基于并联机构的压电式六维加速度传感器的设计方案,即用并联机构充当传感器的弹性体结构,压电陶瓷同时充当传感器的敏感元件和并联机构的移动副,弹性球铰链代替传统的球面副。分别在质量块、外壳及地面上固结坐标系,基于多体系统理论推导两两之间位姿关系的解析表达式。运用牛顿-欧拉法建立系统的动力学方程,通过引入辅助角速度并用四元数来描述旋转矩阵和角速度矢量,将其转化成两个一阶常微分方程组的初值问题,并运用改进的欧拉算法进行求解,实现了六维加速度的完全解耦。针对四元数的违约问题,运用矩阵广义逆理论提出了一种有效的可重复运行的修正算法。利用建立的解耦模型及其算法对实例进行了求解,数据处理总时间小于采样点时间跨度,且理论计算值与ADAM S仿真数据吻合得很好;另外,通过试验进一步验证了设计方案的合理性以及数学模型的可靠性。

关于激光测距机光轴平行性校正方法的改进

对激光测距机传统的光轴校正方法进行了改进:通过光轴平行性偏差与偏心环(框)旋转角度之间的校正模型计算出偏心环(框)需要调整的角度值,利用光轴校正装置可实现激光测距机光轴的校正。校正方法可分为半自动校正和全自动校正两种方法:半自动校正方法采用在激光测距机双偏心结构上加刻度环,通过套筒旋转双偏心结构一定角度,实现对光轴进行调整;全自动校正方法采用步进电机带动双偏心结构旋转达到对光轴进行调整的目的。通过对某型激光测距机进行实验研究,实验结果表明,采用提出的方法进行光轴校正后光轴误差均在最大允许误差范围内(0.25 mrad),该值满足实际要求。

利用恒星对天文观测系统光轴平行性检校

基于地基天文观测系统光轴平行性的校验需求,建立了一套高精度多光轴平行性检测系统。针对具有成像光谱仪的天文观测系统,将恒星作为点光源,利用天文跟踪系统完成对恒星星象及相应光谱数据的同步采集。在光谱维视场中,成像光谱仪不易准确地确定恒星的位置,该检测方案利用赤道仪控制系统和成像光谱仪狭缝视场的特点,对恒星目标进行一维扫描,将成像光谱仪接收到的恒星能量随着扫描位置进行拟合来确定光谱维视场中心,通过高斯拟合法来计算光学仪器之间光轴的平行性偏差。试验结果表明:测量结果不确定度为1.52",该检测系统结构简单,满足成像光谱仪和其它成像仪器野外高精度快速检测光轴一致性的要求。