光电探测系统指向误差分析、建模与修正

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252011V01．32No．112042-2054ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR文章编号：1000—6893(2011)11—2042—13光电探测系统指向误差分析、建模与修正张智永*，周晓尧，范大鹏国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙410073摘要：针对光电探测系统(EODS)的高精度指向要求，提出一种基于半参数同归模型(SPRM)的改进算法。全面分析了误差来源，如光学系统的光轴一

2、致性误差、机械框架的垂直度和回转误差、控制系统的稳定跟踪误差等，采用多体系统运动学理论，建立了具有明确物理意义的指向误差线性模型。同时，针对系统中的非线性误差因素。提出了半参数回归模型改进算法。数值仿真表明：改进算法能够很好地抑制测量数据中非线性误差的干扰，参数辨识精度优于0．6”；转台实验表明：修正后，系统的指向精度从23．41”提高到2．oo”。关键词：光电探测系统；指向误差；误差分析；多体系统建模；线性模型；半参数回归模型中图分类号：V249；TH74文献标识码：A光电探测系统(Electro-OpticalDetectionSystem，EODS)具有多光谱综合探测、

3、隔离载体扰动、精确保持光学传感器视轴指向的能力，在航空摄影、战场侦察、成像制导等诸多领域获得了广泛应用[1-2]。指向精度是评价其性能的关键技术指标，它不仅直接影响图像观测质量和目标捕获、跟踪、瞄准，而且影响到系统目标定位精度，进而造成后续火力打击的误差。目前，提高指向精度有两种基本途径：硬件调校和软件修正。前者在设计、制造和装配过程中，通过硬件的方式尽量减小误差，造成设备的研制周期和设计成本大幅上升；后者在对误差分析、建模和辨识的基础上，通过软件的方式实现误差的修正。软件修正具有使用方便灵活、降低设计成本、缩短研制周期、能显著提高系统精度等特点，是改善系统性能的重要手段。良

4、好的误差修正方法往往能突破设计极限，使得系统精度有数量级的提高。如英澳天文望远镜(Anglo—AustralianTelescope，AAT)采用误差修正，将光电望远镜指向精度从150”提高到0．IJ，[3。，充分显示了其实用价值。指向精度受到多种误差因素干扰H彳]，如：光学传感器使用和装配所引起的光轴晃动和一致性误差；机械零部件加工、制造、装配过程造成的各轴系垂直度和回转误差、零位误差；机械框架在静止及运动过程中，由于受力、受热等原因造成的形变误差；由于负载偏心、摩擦力非线性特征、电机电气波动、陀螺漂移、图像跟踪器时滞等因素引起的控制系统稳定跟踪误差；载体环境，如温度、重力

5、、应力、振动等，引起的误差。如此众多、复杂的误差因素给设计有效的修正方法带来了困难，主要体现在：一方面是误差分析的全面性，如传统的误差修正方法比较依赖经验模型，对研制过程中具体的误差因素考虑得并不周全；另一方面是非线性误差因素修正，如修正时，容易忽略模型线性化的截断误差、测量数据的异常值、环境引起的随收稿日期：2011-03．18；退修日期：2011-03·25；录用日期：2011-04—18；网络出版时间：2011-04-2611：13：30网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V20110426．1113．005．htmlDOI：C

6、NKI：11—1929／V．20110426．1113．005基金项目：国家自然科学基金(50805144)；湖南省自然科学基金(09JJ4029)*通讯作者．Tel．：073l·84574934E-mail：聊ihao@126．con3引用格武I张智永，周晓尧．范大鹅．光电探稠系统指向误差分析、建模与修正[以．航空学报．2011．32(I”：2042-2054．ZhangZhiyong，ZhouXiaoyao，FanDapeng．Ana／ysis，modelingandc。rrectionofpointingerrorsforelectro-opticaldetection

7、systems￡∞．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica。20¨t32(11)：2042-2054．张智永等：光电探测系统指向误差分析，建模与修正机误差等。基于此，对影响光电探测系统指向精度的误差源进行了全面分析，建立了具有明确物理意义的线性模型(LinearModel，LM)，并提出了基于半参数回归模型(Semi—ParametricRegressionModel，sPRM)的改进算法，其参数分量用于对线性误差的分析，非参数分量则用于对非线性误差因素的刻画。1工作原理