“光電測控”專題文章導讀

喬彥峰

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所光電測控部)

我國從 50年代籌建第一個靶場武器試驗場區以來,至今已有 50多年的歷史,先后建立過多個試驗基地及試驗測量場區。光學測量設備也隨著靶場的發展經歷了一個從無到有,從小到大,從援建到自建的全過程。隨著計算機技術、通信技術和電子技術的飛速發展,各種先進的測控技術、測控設備層出不窮,先進的光電測控技術已經在現代科學技術、工業生產和國防等諸多領域中廣泛應用。

至 20世紀 90年代初,國外研制的光電經緯儀多采用組合式結構,組合任選、配置靈活、機動性好、適應性強。近幾年,國外測控設備的功能不斷完善,性能也不斷提高,光電經緯儀空間飛行目標的坐標測量精度、目標的跟蹤精度都有了很大的提高。我國自行研制的試驗場光學測量設備,其總體技術和主要性能指標已與國外相當,但在精密跟蹤及測量技術、輻射特性測量以及新技術的研發和工程應用上還有一定的差距。

如何縮小上述差距,是在光電測控設備研制以及在光電測控技術預研過程中必須考慮的關鍵性問題。這不僅涉及推進現有關鍵技術的設計優化,如大口徑支撐技術;還涉及了圍繞光電測控設備功能提升、性能優化的展開相關技術攻關,包括:采用先進的高性能的光電器件和圖像處理、融合跟蹤等技術提高光測設備性能;開展輻射特性測量技術實現光測設備功能提升;加強前沿技術的研究,尤其是光學新技術的前瞻研究,如光學合成孔徑技術等。

本專題論文來源于光電測控部目前正在承擔的相關課題項目,內容涉及光電經緯儀光機結構的優化設計、經緯儀星體標校、紅外輻射特性測量以及合成孔徑成像技術等。鑒于編碼器在光電測控設備上的廣泛應用,而光柵是編碼器的核心元件,本專題還包括一篇對光柵衍射效率計算的論文。

《1 m口徑主反射鏡支撐系統的優化設計》一文對 1 m主鏡的支撐系統進行了優化設計。分析比較了兩種常用主鏡側支撐結構,優化確定了軸向支撐半徑和側支撐方式、側支撐點位置。分析計算出主鏡處于不同俯仰角位置時的最大面形精度 RMS值為 5.3 nm。

《連續變焦鏡頭焦距輸出結構的設計》一文設計了一種連續變焦鏡頭的焦距輸出結構,該結構直接由一個連接桿與移動鏡組相連,由以蝸輪蝸桿驅動的直線位移傳感器為反饋元件,提高了焦距輸出的精度。

《船載光電經緯儀塢外星體標校》一文采用恒星位置代替固定方位標,將原本在塢內的經緯儀標校工作轉移到海上。實驗結果表明:海上星校單項差的標定與塢內通過方位標標定的結果非常接近,照準差偏差為 0.015″,水平差為0.22″,垂直差為 0.014″,系統誤差的標定與塢內結果具有很好的一致性,能夠滿足經緯儀海上標校的要求。

《環境對中波紅外探測器測溫精度的影響》一文根據測溫模型推導出紅外探測器像元灰度值和輻射照度之間的關系公式。根據以上公式推導出輻射測溫的修正公式,以高精度面黑體作為目標進行測溫實驗,對紅外探測器像元的灰度值進行修正并計算測溫誤差,修正前、后測溫誤差的均方根分別為 3.56℃和 0.27℃,顯著提高了測溫精度。

《利用蒙特卡洛法分析紅外光學系統的雜散輻射》一文利用雜散輻射分析軟件 Light tools中已有的蒙特卡洛分析方法,對建立的紅外系統光機結構的三維模型進行光線追跡分析,得到了系統像面的照度分布結果。同時,對該系統中各結構表面的熱輻射進行了定量計算,分析了結構中不同組成部分對系統像面的雜散輻射影響。針對紅外系統探討了雜散輻射抑制方法,為后續設計提供了參考。

《地基多孔徑成像系統驗證實驗設計》一文在現有加工工藝條件及裝調檢測條件下,設計了基于兩個子望遠鏡的合成孔徑成像實驗系統,選取菲索型多孔徑望遠鏡為研究對象,從幾何光學理論出發,討論了地基斐索型合成孔徑成像系統實驗的可行性。分析了實驗中關鍵組件的調整精度,提出了保證合成孔徑成像系統能完善成像的解決方案。實驗中設計了分辨率小于 ±0.03 mm的微調機構來保證系統獲得清晰圖像,使用分辨率達到 0.05μm的壓電直線精密驅動器系統來保證兩束光相位同步。

《亞波長閃耀光柵矢量衍射效率計算》一文通過建立閃耀光柵的電磁介質模型,并將楔形不規則結構簡化為多層矩形光柵結構,通過電磁場的介質分布建立了嚴格耦合波方程。根據邊界條件求解出各層的電磁場分布,再通過增透矩陣方法將各層電磁場依次迭代,求解出了整個結構的衍射效率。這種矢量衍射數值算法具有較高的準確性,可以推廣應用于高致密刻線復雜光柵的衍射計算分析。