光电子学与激光技术

机载光电平台目标定位与误差分析

孙辉

摘要：目的：为解决机载光电平台目标精确定位问题，从工程应用出发，根据机载光电平台的特点，通过建立6个坐标系及坐标系之间的线性变换，构建了从光电平台成像系统像面坐标系到大地地理坐标系的目标定位数学模型。分析了载机位置和姿态角度误差及光电平台指向角度误差对目标定位误差的影响，建立了目标定位误差模型，采用蒙特卡罗方法对仿真数据进行了目标定位实验。方法：机载光电平台通过伺服控制光学成像系统视轴指向目标，目标景物成像在像面中心，建立影像点与景物点之间的对应关系，是实现目标定位的关键。首先构建大地地理坐标系E，使用经度、纬度和高程描述目标的空间位置，然后构建地心空间直角坐标系G、载机地理坐标系S、载机机体坐标系A、成像系统坐标系C和像面坐标系P。从目标在像面坐标系P的坐标出发，根据上述6个坐标系统的定义及其变换关系推导目标坐标计算公式，依次计算目标的成像系统坐标、载机机体坐标、载机地理坐标和地心直角坐标，进一步解出目标的大地经纬度和高程坐标。为描述载机位置和姿态参数及光电平台指向角度参数对目标定位精度的影响，构建目标定位误差计算模型，采用蒙特卡罗方法分析和统计目标定位误差。首先根据载机经纬度、姿态角和光电平台指向角度参数误差分布特点，建立载机经度、纬度、航向角度、俯仰角度、滚动角度随机误差的正态分布函数和光电平台方位角度、俯仰角度随机误差的均匀分布函数，通过对上述7个参数误差进行随机抽样处理，根据目标定位公式计算目标经度和纬度坐标，统计目标经度和纬度的标准差，采用误差敏感度μ衡量目标定位误差对测量参数误差的敏感程度，当μ＜1时表示敏感程度低，定位误差在数量级上低于测量参数误差；μ＝1时，定位误差与测量参数误差在一个数量级上；μ＞1时表示敏感程度高，定位误差在数量级上高于测量参数误差。结果：为验证本文方法，选择一组测量数据进行目标定位计算和误差统计实验，通过实验结果进一步分析载机经纬度、载机姿态角度及平台指向角度对目标定位精度的影响。实验中，根据载机的经度、纬度、航向角度、俯仰角度、滚动角度及光电平台的方位角度、俯仰角度误差随机分布函数，生成7个随机参数序列，每个序列长度n＝106，随机参数序列和其他测量参数进行组合代入目标坐标计算公式，计算目标的大地经度和纬度，统计目标定位标准差和误差敏感度。从实验结果数据可以看出，目标经度和纬度误差对载机经度和纬度误差的敏感度等于 1，表明载机经纬度误差和目标定位误差在一个数量级上，载机经纬度误差大体上等量传递到目标定位误差，对目标定位精度影响较大；目标经纬度误差对载机姿态角度和平台指向角度误差的敏感度在10－4～10－2，表明目标定位误差低于载机姿态角度误差和平台指向角度误差 2～4个数量级，载机姿态角度误差和平台指向角度误差对目标定位误差影响较小。因此，在同等误差条件下，载机经纬度误差是决定目标经纬度误差的主要来源，是影响目标定位精度的关键因素。结论：根据机载光电平台特点，通过建立6个坐标系统和8次线性变换，构建从成像系统像面坐标系到大地地理坐标系的目标定位数学模型。从载机位置参数、载机姿态参数、光电平台指向参数出发，推导出目标的大地地理坐标计算公式；根据载机和光电平台测量参数误差分布，采用蒙特卡罗分析法估算目标定位误差；通过实验数据分析了测量参数误差与目标定位误差之间的关系。实验结果表明，通过载机位置参数、载机姿态参数和光电平台目标指向角度参数等测量信息可以实现机载光电平台对目标的精确测量。在目标定位误差方面，载机经纬度对目标定位计算结果影响较大；载机姿态角度和平台指向角度对目标定位计算结果影响较小，载机位置测量精度是影响目标定位精度的关键因素。通过实验结果定量分析了目标定位误差与测量参数误差的关系，在实际工程应用中可以根据指标要求进行合理的误差分配和测量精度控制，以期减小计算误差，达到最佳的设计效果。

来源出版物：中国光学, 2013, 6(6): 912-918

入选年份：2016

表面改性碳化硅基底反射镜加工技术现状

康健，宣斌，谢京江

摘要：目的：针对表面改性SiC基底反射镜在空间光学系统中的应用，对该类反射镜在国内外研究现状及发展趋势进行了总结。通过对现有 SiC材料镜坯的制备工艺、SiC反射镜的改性技术及抛光技术的分析，总结出适合我国表面改性SiC反射镜加工的发展方向。方法：通过对近年来国内外对于 SiC基底反射镜发展情况的分析，从成型、改性及抛光等方面对比现阶段我国所具备的 SiC基底反射镜的加工技术。目前世界各国均将SiC基底反射镜作为重点的研究对象。我国由于起步较晚，目前仍处于相对落后的状态，但近年来我国自主研制的SiC反射镜已多次成功应用于实际的空间光学系统中并取得预期效果。通过对几种常用SiC材料的制备工艺分析可知，热压烧结SiC（HP-SiC）很难制成复杂形状的反射镜镜坯，且镜坯尺寸较小；无压烧结 SiC（S-SiC）制备工艺复杂，设备昂贵；化学气相沉积SiC（CVD-SiC）制备周期长，成本高；反应烧结 SiC（RB-SiC）则具有制备工艺相对简单，反应烧结所需温度较低，制备周期短，造价相对较低，并可对其进行轻量化处理等特点，有利于制备大口径、结构复杂的空间反射镜，现已广泛应用于我国空间反射镜的试验与加工中。现阶段，我国经过多年的研究和摸索，已逐渐形成了一些较为完善的SiC反射镜加工工艺。基本分为成型、改性及抛光几个阶段。铣磨成型的加工方式通常有两种，一种是将镜坯铣磨至比较半径的球面，再通过研磨修改为所需的非球面，另一种是通过数控加工中心直接将镜坯铣磨至要求的非球面，铣磨后需要进行粗抛光加工。通常认为粗抛光至面形精度达到λ/10（RMS）后可进行改性处理。目前国际上主要采用的化学气相沉积法（CVD）和物理气相沉积法（PVD）两种SiC改性技术，CVD改性更适用于相对较小口径的 SiC基底反射镜改性处理，而PVD改性更适用于制备大口径SiC基底反射镜。改性后的SiC反射镜需经过精抛光加工以获得理想的光学表面。目前常用抛光方式包括古典抛光、计算机控制光学成型法、磁流变抛光以及离子束抛光。古典抛光法最重要的是对于抛光模硬度、抛光粉粒度、抛光液浓度等的选择，同时配合主轴转速、摆架速度等加工参数；计算机控制光学成型法是通过计算机控制小磨头将不同的去除量转换为抛光盘在不同位置的驻留时间或抛光速度来实现面型控制；磁流变抛光是将磁流变抛光液循环带入零件与抛光盘之间，利用磁场作用形成的抛光模达到零件表面材料去除的作用；离子束抛光技术是一种通过离子源发射离子束轰击光学元件表面产生物理溅射效应去除面形误差的新型抛光技术。结果：SiC基底反射镜在世界各国航空航天及军事方面的应用已经越来越广泛。由于我国受到发展时间短、加工经验及加工设备并不完善等方面的影响，与国际领先水平仍存在明显差距。CVD改性技术及PVD改性技术可适用于不同尺寸及技术要求的光学零件改性加工；古典抛光法对于加工者的经验有较高要求，且加工周期较长，适用于平面元件和中小口径球面反射镜抛光；计算机控制成型光学成型法适用于大口径非球面反射镜的加工；磁流变抛光可直接将初加工后未经研磨的SiC元件直接抛光至较高的面形精度；离子束抛光技术在近年来以逐渐应用与大口径光学元件的加工，但其设备费用高昂，目前应用并不广泛。现阶段我国通过应用上述抛光技术均成功研制出高精度光学元件，取得了明显的进步。结论：根据国内现有条件，以计算机控制光学成型技术为基础，根据实际需求配合多种抛光技术，即以组合式抛光技术进行SiC基底反射镜的加工，是我国现阶段较为合理的针对表面改性SiC反射镜加工的发展方向。

来源出版物：中国光学, 2013, 6(6): 824-833

入选年份：2016