光电系统顶层规划与总体设计技术综述

李继泉, 龙永福



光电系统顶层规划与总体设计技术综述

李继泉1, 龙永福*2

(1. 湖南华南光电(集团)有限责任公司 精密光学车间, 湖南 常德, 415007; 2. 湖南文理学院 物理与电子科学学院, 湖南 常德, 415000)

简单介绍了国内光电系统现状, 阐述了光电系统的顶层规划和总体设计的主要任务, 从项目管理和总体设计两个方面简述了顶层规划和总体设计的主要方法、内容及现实意义, 用总体设计的一般原则、基本内容和基本方法与步骤分析了光电系统总体设计思路. 展望了光电技术的发展趋势, 并提出了较好的建议和措施.

光电系统; 光电技术; 光电总体集成技术

上世纪末和本世纪初的几场局部战争集中地说明了2个事实[1—2]: 一是光电系统能获取大量的军事信息, 对战争的胜利起到关键作用. 二是光电装备的先进和落后对战争的胜败有一定作用, 因此, 世界各国都不惜投入巨资研制海、陆、空、天平台中的光电装备[3—6]. 随着通信、电子、计算机和控制等技术的发展, 光电装备也向多功能、多传感器, 能对付多目标的复合化、智能化和整体固态化方向发展. 这样的结果将导致光电装备成为一个集成多学科技术与一体的系统工程[7—9]. 因此, 光电装备的构成也逐渐复杂化, 研制难度加大, 成本提高, 研制风险也骤然上升.

如何在光电装备中有效的实现多学科的整合, 保证设计工作的顺利开展和设计质量达到预期效果, 这是一项复杂而艰巨的工作. 在光电系统开发研制过程中有效的开展顶层规划和总体设计是一条比较合适的途径.

1 现状和面临的形势

目前, 国内有关光电公司主要从事大口径枪用瞄准镜(具)和地面火炮瞄具的研制工作, 在现代大型的复杂光电产品的设计上起步较晚, 相应的理论基础和设计经验的积累不成系统. 目前从事总体设计技术的人员队伍不足, 支撑后续发展的后备人员欠缺, 在项目研发过程中导致系统方案考虑不周. 因此, 开展光电系统顶层规划和总体设计方面的工作, 对提高和发展光电系统总体技术, 推动系统集成能力, 有非常重要的现实意义.

2 顶层规划和总体设计的主要任务

在光电系统的顶层规划和总体设计工作中有许多系统的工作, 如: 顶层规划及总体设计方案的决策[7—9]、系统的精度分析、系统的战技能力分析、系统的关键技术运用及解决情况[10—12]、系统的集成和通讯设计、系统的综合性能分析、系统电磁兼容性设计[13]、系统的六性设计、防护性能设计和“人、机、环”及装饰设计[14—15]等. 面对繁杂的系统顶层规划和总体设计技术内容, 按照其各自在系统顶层规划和总体设计中的权重位置关系, 分为首要问题、核心问题和全局性关键技术3个层次; 按照工作性质可分为项目管理和总体技术研究.

3 系统的总体设计

总体设计始于系统研制方案阶段, 并贯穿于装备研制全过程, 它侧重于处理系统全局性的问题.

在方案研制阶段, 根据战技指标, 分析可行的技术途径和技术关键与难度, 进行总体论证, 对形成的若干总体初步方案进行比较、评价、决策和筛选.

在工程研制阶段, 分解功能和指标, 运用参数分析、系统数值仿真和融合技术等方法, 指导组件、部件设计, 侧重解决组件、部件之间的接口、人机工程、系统优化、六性、预留发展和可生产性等问题.

在设计定型阶段, 组织实施和试验系统各项性能与功能, 并处理试验过程中新发现的问题.

3.1 总体设计的一般原则

总体设计技术是一个探索性、开拓性的创新工程, 是“战略”性的、方向性的、把握全局性的设计, 因而, 要求在进行总体设计时, 既综合体现现代科学技术的发展, 又充分反映我国、相关光电公司的具体情况, 既要技术先进, 又要经济合理; 既要使用方便, 又要制造、维修方便; 既要性价比合理, 又要可靠性高、工作状态稳定. 由于总体设计是一项战略性的工作, 它的优劣直接影响到光电系统的性能和使用. 如果总体设计不合理, 很可能在竞标中不能胜出或者装备不多便停止装备, 开展新系统的研制, 所以在开展多学科融合的总体设计时, 设计者要有创新意识, 要充分运用科学原理和设计理论, 在充分调查研究掌握大量第一手资料的基础上, 重视科学试验, 做到理论与实践紧密结合, 尽力使总体设计技术先进、原理正确、实践可行、经济合理, 使产品具有竞争力.

鉴于总体设计要解决的问题既复杂又困难, 且在整个设计过程中需要按照“分析、综合、评价、决策”的逻辑步骤进行, 因此, 它是结合系统总体结构的动态和静态功能满足为设计的基本要求, 运用人际工程学原理和动力学分析的手段进行仿真评估, 使之起到承上启下、总揽全局、分解综合、匹配协调和优化权衡的作用. 同时, 它应以低成本获得系统的最佳综合性能和较高的效费比为追求目标, 研制过程中注重继承原有成熟技术, 不降低总体下达给光电系统的主要战技指标要求. 所以, 在系统构成选择、总体构型与布局和设计参数确定等方面, 应遵循下列原则:

(1)贯彻落实成套性原则;

(2) 着眼于综合性能先进性;

(3) 控制新技术比例;

(4) 从全寿命周期考虑;

(5) 标准化、通用化、系列化和组合化;

(6) 符合人机工程学原理规范和标准;

(7)重视文件编制、试验设计和软件管理.

3.2 总体设计的基本内容

现代光电系统是一个复杂的系统, 总体工作包括系统总体的技术集成和综合, 必须将各个单元视为一个有机结合的整体, 使整体性能最优, 费用最小, 周期最短. 因此, 总体工作体现的科学方法就是一项系统工程. 总体设计内容很广泛, 概括起来有两个方面: 项目管理和技术分析. 从大致过程来讲, 可以概括为: 选择和确定总体方案、参数和关键技术; 对各个分解单元提出要求并进行技术攻关和协调; 组织实施各种试验并分析与评价结果. 主要内容有:

(1) 战术技术指标的论证与分析;

(2) 项目开发研究机构的建立;

(3) 系统总体指标分解与确定参数和接口等;

(4) 光电系统原理设计;

(5) 总体布局与结构设计;

(6) 系统样机测试与试验;

(7) 制定规程和规范;

(8) 技术成果的总结.

3.3 总体设计的基本方法与步骤

产品设计的新方法、新技术和新原理的应用情况分为3种类型: 创新设计、适应性设计和变型设计. 在总体设计中运用科学的设计方法, 能够帮助设计人员找出最佳方案、保证设计质量、减少设计师的冒险程度, 使设计师有更多的时间从事创造性的工作. 目前, 国内有关公司主要运用的现代设计方法有: 系统工程学在设计中的应用、优化设计(3次设计技术——系统设计、参数设计和允差设计)、可靠性设计和计算机辅助设计等.

通常设计过程主要分为以下几个步骤:

(1) 概念设计.

确认设计的系统是需要实现的功能, 通过审查功能的过程中, 使系统的技术条件变得愈加清晰可见, 随后, 对提出来的设计概念的优缺点进行评估和权衡. 这时, 为了使设计的变量之间找到平衡, 常常需要对个别变量进行折中分析, 这有助于发现所要求的技术参数之间存在的矛盾和不相容性. 为了评价和比较, 并最终确定最佳方案, 可以对绝大多数认为可行的设计概念准备一份概念性的布局图, 作为初始详细设计的一种起点.

(2) 技术性能要求和设计约束.

对设计过程中最终要的两项输入就是技术性能指标和确定施加的约束. 前者是阐述用户的技术要求, 表明成品必须做成什么样, 正常运行的合格程度, 而后者是确定实际的限制. 例如: 尺寸、重量、布局、使用环境及影响光、机和电接口关系的资源消耗.

如果已经确定了所有的技术条件和界面接口要求, 接下来就是进行第一次设计评审. 在评审期间, 专家们会对文件的完整性和适合程度提出审查意见, 只有在批准之后才可以继续开展工作, 进入初步设计阶段.

(3) 初步设计.

在确定了系统的技术要求和约束以及一种或者多种设计概念后, 就从理想化设计阶段进入初始设计阶段. 在设计阶段, 总体设计人员通过与光学设计、机械设计和电气设计等主管设计师共同协作, 力争确定一个大概的装配方案, 一旦完成研制后, 完全有可能满足系统的设计目的和要求. 总体设计人员必须组织各个主管设计师对设计方案分类挑选, 详细地查对细节, 分析数据, 遇到问题还必须想出新的对策. 当确定了几个关键的问题而将方案确定后, 就真正地要开始初始设计工作了.

(4) 设计分析和计算机建模[16].

到了设计这个阶段, 系统中所有主要零件的材料和电子元器件的规格都要被选定, 至少暂时被确定下来, 所以就可以分析该设计在预测环境中的性能. 如果这些分析暴露初始设计具有明显的不足, 就应该仔细地评估并决定是否重新设计. 与结构有关的分析通常使用有限元分析方法来完成, 光学通常使用光学设计分析软件ZEMAX进行, 热环境使用性使用热分析软件Flomerics进行等.

(5) 误差预估和公差.

为了获得系统的精度, 必须对影响系统精度的各项误差进行分析, 找出影响精度的主要因素加以控制, 设法减少对系统精度的影响. 造成误差的因素是多方面的, 必须综合考虑. 误差预估与分析的过程在方案制定阶段就开始考虑, 首先从原理误差(理论误差、方案误差、技术原理误差、机构原理误差、零件误差和电路控制系统的原理误差等)进行, 其次是制造误差(尽可能把3个基面统一起来), 最后是运行误差(由变形和磨损等引起). 总的原则为: 在保证系统有足够优良性能的同时, 为光学零件、机械零件、电气控制和组装件规定最宽松的公差范围.

一般来说, 宽松的公差范围意味着低的生产成本, 因而可以使用便宜的加工工艺, 检验的次数也可以减少. 在一定意义上也减少了装配过程中的人力资源; 另外, 宽松的公差会使零件具有更大的可调节性, 在装配期间有比较大的兼容性. 当然, 这些因素可能会使成品的性能降低. 为确定哪一个公差可以放松哪一个公差应当严紧, 设计过程有时会忽略的一种折中, 就是在灵敏度分析和预测过程中增加了时间和人力的投资. 这些成本不会在生产中得到补偿, 除非产量非常大, 如果是小批量生产, 让公差严些, 并且在分析步骤之前, 就将公差确定下来, 这可能会有利于降低成本, 同时, 在设计中, 应当让调整环节最少.

(6) 最终设计.

一旦通过分析或者建模使初始设计得到确认, 就要开始设计、校对、审查、按照要求修订和批准所完成的详细设计.

(7) 设计审查.

设计过程中一个重要方面就是设计审查. 一般来讲, 一个项目都需要4次的技术审查. 在设计进展过程中的关键点安排审查:

① 设计开始之前的设计输入审查;

② 概念设计和初始设计之后的初始设计审查;

③ 详细的技术设计之后的严格设计审查;

④ 首台样机完成后的各项指标的审查.

这些审查的目的就是为了降低新产品或者改进后的产品风险. 每次审查都把各个相关学科的专家聚集在一起, 通过不同角度审查, 使产品达到最优化.

(8) 光电系统制造.

(9) 系统评估.

(10) 编制设计文件.

4 光电技术的发展趋势

未来的光电系统将向传感器更多、体积更小、作用距离更远、重量更轻、耐用性更好和性价比更高的方向发展; 光电传感器同时也向共光路和一体化方向发展. 在图像处理方面, 将广泛的应用高帧频、多目标跟踪、自动识别和图像拼接等技术, 例如: 采用多光谱和超光谱成像技术能充分揭示出目标物的光谱反射特征, 其光谱分辨率较单谱段图像丰富得多, 信息量也较单光谱图像多. 这些图像经过计算机分析和处理, 会大大提高目标的识别能力.

5 建议和措施

目前, 国内有关光电公司光电系统的发展面临着一些制约因素, 主要有:

(1) 基础支撑薄弱.

与国际先进制造技术相比, 在光学、机械和电气方面均有不同程度的差距. 加工设备和工艺手段不足, 严重制约了国内光电公司的壮大和发展.

(2) 缺乏顶层设计.

在先进光电系统平台设计构建过程中, 可能由于缺乏高水平光电专家参与, 无法将光电系统自顶层设计进行合理的构思和设计, 从而影响了光电系统整体的性能优势.

针对目前国内相关光电公司的发展形势, 主要有以下几点建议:

①开展多光谱成像技术研究, 分析国家装备战略的发展趋势, 争取用于陆航和特种作战;

②对现有的光电转台进行合理组合、改装和改进, 使其能够满足多种作战体系的需要;

③开发各类校准、校正设备和模拟训练平台, 抢占后勤保障资源;

④大力开展反恐处突设备的研制, 尤其是在武警装备研究领域, 参与装备研究所战略、战术任务及作战模式的系统论证, 得到作战体系及所需装备详细需求.

6 结束语

光电系统的总体设计是一个牵扯多学科系统工程, 是把握全局性和方向性的设计, 同时, 也需要多种专业技术人员的大力支持和配合; 各专业技术的大力发展, 必将有力促进总体技术的前进.

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Summarizing on the top planning of photoelectric system and integer integrated technology

LI JiQuan1, LONG YongFu2

(1. Shop of Elaborate Optics, Hunan Southern China Photoelectric (Group) Co., Ltd. Changde 415007, China; 2. College of Physics and Electronics, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

This paper briefly introduces the current status of the domestic optoelectronic system, illustrates the main task of the top planning and overall design of the photoelectric system, sketches its method, main content and practical significance from the two aspects of the project management and the overall design, analyses its overall design idea by the general principles of the overall design, basic contents and basic methods and steps, prospects the development trend of the optoelectronic technology and puts forward some better suggestions and measures.

optoelectronic system; optoelectronic technology; optoelectronic integer integrated technology

TN 20

1672-6146(2014)02-0086-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.02.019

通讯作者e-mail: yongfulong@163.com.

2014-05-12

湖南文理学院重点学科建设项目-无线电物理; 湖南省重点实验室“光电信息集成与光学制造技术”; 湖南省光电信息技术校企联合人才培养基地.

(责任编校:刘晓霞)