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基于快速反射镜的高精度视轴稳定技术研究

汪永阳  
【摘要】:视轴稳定技术是光电吊舱实现长焦距、远距离侦察,激光制导武器实现激光照射,激光通信设备实现远距离对准等多个应用领域中的一项关键技术,其作用主要是克服载体本身的机动和载体受到外部扰动后对光学系统视轴产生的影响,视轴稳定技术发展近60年,主要经历了被动减振视轴稳定、被动机械平衡稳定、主动陀螺两框架稳定、主动陀螺四框架稳定、主动陀螺四框架稳定与两轴快速反射镜稳定形成的六轴稳定等五个阶段。六轴稳定技术从20世纪末就开始在美国各大高端光电侦察设备(DB110吊舱、MTS-A/B光电平台,MX系列光电平台,狙击者吊舱、F35-EOTS光电侦察系统)中得到广泛的应用,这主要取决于20世纪末快速反射镜稳定技术的迅速发展,快速反射镜稳定技术不同于传统的机械稳定结构,它是将快速反射镜置于成像光路之中,将陀螺机械稳定的残差通过光路进行调整和补偿,由于快速反射镜具有极高的位置精度和带宽,从而能够实现高的视轴稳定精度;传统的机械稳定常称之为一级稳定,在此基础上实现的快速反射镜稳定技术称之为二级稳定。国内目前快速反射镜稳像技术尚处于研发阶段,经过"十一五"阶段已经突破了某些关键技术,例如快速反射镜的光路设计、快速反射镜二级光学补偿原理;本文首先提出适合快速反射镜应用的光路设计和光路补偿原理;接着针对快速反射镜的应用环境,提出几种对扰动有着明显抑制作用的一级视轴稳定控制算法,这是因为快速反射镜的角度行程较小,若一级机械稳定的残差太大,快速反射镜二级稳定将无法实现;接下来分别研究基于压电陶瓷和音圈电机驱动的快速反射镜的结构组成、控制原理和方式,通过对比两者之间的优缺点,最终选择基于音圈电机驱动的快速反射镜作为本文的控制对象,由于快速反射镜本身有位置传感器和驱动机构,能够形成单独的闭环系统,通常二级稳定控制是把快速反射镜等效成一个独立的控制单元,接收一级机械稳定的残差信号作为快速反射镜的输入,实现闭环的视轴稳定控制,这样的控制类似于传统的闭环控制,对于闭环系统中的扰动量没有建模,因此对视轴稳定的提高具有局限性。本文提出首先建立快速反射镜的开环传递函数,开环传递函数中的低频和高频扰动量分别为一级稳定残差和飞机振动量,通过对低频和高频扰动量进行建模,结合快速反射镜的开环模型和陀螺传感器数据,建立新的视轴稳定控制状态方程,通过分析状态方程的可观性和可控性,对可控的状态变量进行控制,最终达到视轴稳定的目的,并通过仿真分析达到预期的控制效果;最后本文描述了新型光电平台的发展趋势,重点介绍了新的平台内框架结构形式、新的平台内框架电机驱动形式、新的平台内框架角度传感器设计,通过对新型光电平台内框架进行改造进一步提高一级视轴稳定的带宽,减小快速反射镜的角度行程,从而快速反射镜的带宽可以设计的更高,有利于提高系统的视轴稳定精度。


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