光電探測系統(tǒng)指向誤差分析、建模與修正

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1、航空學報ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252011V01．32No．112042-2054ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR文章編號：1000—6893(2011)11—2042—13光電探測系統(tǒng)指向誤差分析、建模與修正張智永*，周曉堯，范大鵬國防科學技術大學機電工程與自動化學院，湖南長沙410073摘要：針對光電探測系統(tǒng)(EODS)的高精度指向要求，提出一種基于半?yún)?shù)同歸模型(SPRM)的改進算法。全面分析了誤差來源，如光學系統(tǒng)的光軸一

2、致性誤差、機械框架的垂直度和回轉誤差、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定跟蹤誤差等，采用多體系統(tǒng)運動學理論，建立了具有明確物理意義的指向誤差線性模型。同時，針對系統(tǒng)中的非線性誤差因素。提出了半?yún)?shù)回歸模型改進算法。數(shù)值仿真表明：改進算法能夠很好地抑制測量數(shù)據(jù)中非線性誤差的干擾，參數(shù)辨識精度優(yōu)于0．6”；轉臺實驗表明：修正后，系統(tǒng)的指向精度從23．41”提高到2．oo”。關鍵詞：光電探測系統(tǒng)；指向誤差；誤差分析；多體系統(tǒng)建模；線性模型；半?yún)?shù)回歸模型中圖分類號：V249；TH74文獻標識碼：A光電探測系統(tǒng)(Electro-OpticalDetectionSystem，EODS)具有多光譜綜合探測、

3、隔離載體擾動、精確保持光學傳感器視軸指向的能力，在航空攝影、戰(zhàn)場偵察、成像制導等諸多領域獲得了廣泛應用[1-2]。指向精度是評價其性能的關鍵技術指標，它不僅直接影響圖像觀測質量和目標捕獲、跟蹤、瞄準，而且影響到系統(tǒng)目標定位精度，進而造成后續(xù)火力打擊的誤差。目前，提高指向精度有兩種基本途徑：硬件調校和軟件修正。前者在設計、制造和裝配過程中，通過硬件的方式盡量減小誤差，造成設備的研制周期和設計成本大幅上升；后者在對誤差分析、建模和辨識的基礎上，通過軟件的方式實現(xiàn)誤差的修正。軟件修正具有使用方便靈活、降低設計成本、縮短研制周期、能顯著提高系統(tǒng)精度等特點，是改善系統(tǒng)性能的重要手段。良

4、好的誤差修正方法往往能突破設計極限，使得系統(tǒng)精度有數(shù)量級的提高。如英澳天文望遠鏡(Anglo—AustralianTelescope，AAT)采用誤差修正，將光電望遠鏡指向精度從150”提高到0．IJ，[3。，充分顯示了其實用價值。指向精度受到多種誤差因素干擾H彳]，如：光學傳感器使用和裝配所引起的光軸晃動和一致性誤差；機械零部件加工、制造、裝配過程造成的各軸系垂直度和回轉誤差、零位誤差；機械框架在靜止及運動過程中，由于受力、受熱等原因造成的形變誤差；由于負載偏心、摩擦力非線性特征、電機電氣波動、陀螺漂移、圖像跟蹤器時滯等因素引起的控制系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤誤差；載體環(huán)境，如溫度、重力

5、、應力、振動等，引起的誤差。如此眾多、復雜的誤差因素給設計有效的修正方法帶來了困難，主要體現(xiàn)在：一方面是誤差分析的全面性，如傳統(tǒng)的誤差修正方法比較依賴經驗模型，對研制過程中具體的誤差因素考慮得并不周全；另一方面是非線性誤差因素修正，如修正時，容易忽略模型線性化的截斷誤差、測量數(shù)據(jù)的異常值、環(huán)境引起的隨收稿日期：2011-03．18；退修日期：2011-03·25；錄用日期：2011-04—18；網(wǎng)絡出版時間：2011-04-2611：13：30網(wǎng)絡出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V20110426．1113．005．htmlDOI：C

6、NKI：11—1929／V．20110426．1113．005基金項目：國家自然科學基金(50805144)；湖南省自然科學基金(09JJ4029)*通訊作者．Tel．：073l·84574934E-mail：聊ihao@126．con3引用格武I張智永，周曉堯．范大鵝．光電探稠系統(tǒng)指向誤差分析、建模與修正[以．航空學報．2011．32(I”：2042-2054．ZhangZhiyong，ZhouXiaoyao，F(xiàn)anDapeng．Ana／ysis，modelingandc。rrectionofpointingerrorsforelectro-opticaldetection

7、systems￡∞．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica。20¨t32(11)：2042-2054．張智永等：光電探測系統(tǒng)指向誤差分析，建模與修正機誤差等。基于此，對影響光電探測系統(tǒng)指向精度的誤差源進行了全面分析，建立了具有明確物理意義的線性模型(LinearModel，LM)，并提出了基于半?yún)?shù)回歸模型(Semi—ParametricRegressionModel，sPRM)的改進算法，其參數(shù)分量用于對線性誤差的分析，非參數(shù)分量則用于對非線性誤差因素的刻畫。1工作原理