武装直升机光电系统发展与对策

总结直升机稳瞄技术发展历程。针对目前光电技术的最新发展,对分布式孔径系统、图像融合、粗精组合二级稳定、高性能光电传感器、定向红外对抗系统等新技术进行了分析,并论证了这些新技术在直升机稳瞄系统上应用的可行性。同时对我国未来直升机稳瞄技术的发展和新技术的应用提出相应的对策和建议。     

直升机光电系统网络协同目标瞄准方法北大核心CSCD

针对直升机网络化和信息化的探测需求,提出了利用数据链信息快速引导机载光电系统实现目标瞄准的方法。分析网络信息引导过程中光电系统的目标瞄准指示误差,给出目标信息坐标转换和延迟处理算法以及光电系统瞄准线偏差估计方法,最后通过仿真实验重点研究了数据精度、数据率、延迟时间等对直升机光电系统网络协同目标瞄准的影响。仿真结果表明:减小数据延迟时间,提高数据率和数据精度是减小网络协同目标瞄准误差的有效途径,采用合理的目标信息延迟处理算法,对提高目标状态估计精度,减小目标瞄准线估计误差具有一定的作用。     

500万像素手机镜头设计

 利用ZEMAX光学工程设计软件,设计了一款500万像素的手机镜头。该镜头由4片塑料非球面透镜和1片红外滤光片组成,其光圈值F为2.85,视场2ω为60°,采用Aptina公司的一款500万像素7.94mm(1/3.2)英寸CMOS作为该镜头的图像传感器,该图像传感器的像素颗粒大小为1.75μm,截止频率为285lp/mm,即为奈奎斯特频率。设计结果显示,该镜头在奈奎斯特频率处,0.7视场以内的MTF值大于0.3,在奈奎斯特频率1/2处视场的MTF值均大于0.5,波前均方差(RMS wavefront error)小于0.1,畸变小于1%。     

直升机载光电稳瞄系统可靠性研究与分析

 稳瞄系统可靠性对直升机载武器系统可靠性具有重要影响。通过对产品可靠性概念和军用光电系统可靠性、直升机载稳瞄系统的功能和组成单元的阐述,给出了舰载直升机光电稳瞄系统的可靠性框图和数学模型。研究了舰载直升机稳瞄系统的可靠性影响因素和系统故障模式,探讨了稳瞄系统结构、光学和电气可靠性,提出通过计算机仿真对稳瞄系统可靠性进行预计分析的方法。某舰载直升机稳瞄系统在96 h可靠性试验过程中出现故障2次,达到MTBF≤32 h的可能性指标要求。对系统可靠性提前进行预估并采取相应的设计措施,保证产品可靠性达到设计要求,提高设计质量,缩短研制周期。     

直升机驾驶员夜间飞行观察导航系统

 根据直升机驾驶员夜间飞行观察系统（NVPS)的特点,对NVPS的环境适应性设计、光电传感器选取以及控制系统设计等问题进行仿真分析与计算。在系统热设计中热像仪传感器通过传导、对流或辐射将热传递到壳体上,由系统采取统一的散热措施,给出NVPS中伺服系统的2个主要工作模式,即随动与锁定的控制回路原理。仿真和计算结果表明：设计的NVPS系统中光学系统焦距为14mm,f/#为1.9,瞬时视场为2.13mrad,透射比≥80%;NVPS稳定性能可达到0.1mrad,转弯速度为30°/s,机动飞行期间的锁定误差不超过0.1mrad,对头盔的位置随动误差不超过1.5mrad,系统随动速度可达到250°/s,角加速度可达到500°/s2。     

高炮光电火控系统

序言本文叙述为瑞典皇家海军研制的两种高炮光电火控系统。第一种系统(TVT300)系舰载点防卫系统,用于对付攻击我方舰艇的敌机。该装置包括装在稳定平台上的电视摄象机和对电视摄象机视场中出现的目标进行自动跟踪的电子线路。系统的使用原理是拦阻射击,即用舰载火炮组成火网,迫使敌机从火网中通过。第二种系统卡莱(Kalle)为陆基计算机化的系统,用于对付在高炮命中距离内沿任意航路飞行的敌机。这一系统由下列主要分系统组成:电视摄象机、激光测距机、稳定平台、自动跟踪装置、计算机装置和显示器。还打算研制夜间使用的红外监视与跟踪传感器样机。     

车载红外告警系统中目标航迹管理及DSP实现

介绍了车载红外告警系统中多目标的航迹建立及目标从图像坐标到载体坐标的转换方法。系统在方位360°视场内均匀布置了6个红外传感器，天顶方向布置1个红外传感器，形成360°全半球视场。每个传感器对应1个目标检测板，系统设计有1个系统控制板，用于对目标进行坐标转换、航迹管理以及向各个检测板发送控制命令。当目标检测板完成目标检测后，便向控制板发送7个传感器中的目标信息，控制板对目标进行坐标转换使之统一于载体坐标系，在载体坐标系建立目标航迹并对航迹进行预测管理，最后通过串口向上位机输出目标在载体坐标系的位置信息并报警。实验证明，转换后的目标位置完全正确，且误差小于1°，满足系统指标要求。     

无人机载型曲面仿生复眼成像测速系统

基于仿生复眼的视觉优势,将曲面仿生复眼结构应用于无人机载光电探测系统,实现机载宽视场高分辨运动目标探测。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形排列的曲面透镜阵列作为曲面仿生复眼,辅以光学中继转像子系统和CMOS图像传感器,构成曲面仿生复眼成像测速系统。该系统的成像视场可达98°×98°,系统焦距为5 mm,角分辨率为1.8 mrad,F数为3.5,系统体积为Ф123 mm×195 mm,重量为1.35 kg。根据仿生复眼的成像原理,利用仿生复眼成像系统中相邻小眼存在的视场重叠优势,提出了曲面仿生复眼的测速原理,使得多个小眼能够同时探测场景中的同一个目标。运动汽车的测速实验表明该测速方法能够有效提高运动目标测试的可靠性和准确性。     

新型光电技术将改变潜艇作战

潜艇执行水上监视任务需要能在桅杆出水几秒钟内获取完整水上图像的先进光学／光电传感器。潜艇利用光学瞄准具和光电桅杆仔细探测和分辨难以辨认的目标或那些在远距离上通过协同或非协同的方式使用杂波有限弹道的目标。Kollmorgen光电公司、Zeiss Optronik公司和Thales光电公司等专业公司正在生产潜艇光电桅杆系统。其中，Thales公司为将多光谱成像传感器引入潜艇和将潜望镜传感器数据集成到潜艇作战系统铺平了道路。美国光电系统领域的专业公司Kollmorgen公司为包括阿根廷（2艘TR1700型SANTA CRUZ级潜艇）、荷兰（4艘WALRUS级潜艇）和意大利（装备6艘SAURO级潜艇）在内的世界范围用户提供各种先进的光电桅杆系统。     

激光红外主被动复合导引系统

提出了采用激光主动三维成像技术配合被动红外成像技术共同工作的复合导引体制,用于提升地对地导弹的作战效能及对于隐身目标的识别能力。给出了各分系统的设计方案,并提出了合理的导引策略。该套系统能够兼顾红外大视场搜索及激光小视场三维成像,丰富的目标图像信息更加有利于对作战目标进行准确识别。整套复合光学导引系统结构简单、加工难度适中,在将整套导引系统口径控制在100 mm左右的情况下,同样能够实现4 km以上距离的导引。该项技术的提出对于我国复合导引技术的发展及我军导弹作战能力的提升有着重要意义。     

机载光电观瞄系统的瞄准线指向线性运动补偿方法

为方便操作员快速捕捉并瞄准目标,提出一种适用于机载光电观瞄系统的线性运动补偿方法。该方法借助地面目标相对载机在初始东北天坐标系下的速度矢量进行分解,得出目标相对光电系统在惯性坐标下的角速度,并根据解算出的角速度值实时进行伺服补偿,驱动光电转塔于手动模式下,当操作员不操控光电转塔时,系统的瞄准线能够自动地指向地面目标区域。该方法已在某型无人机用光电观瞄系统挂飞试验中进行了验证,结果表明:在电视观瞄具的小视场（0.70.5）下,地面目标点、瞄准线指向点相对载机点的张角在方位和俯仰方向均小于该视场的1/6。     

线性振动、角扰动对机载光电吊舱图像质量的影响

以直升机载光电吊舱为研究对象,分析振动对图像质量及稳定精度的影响,论述线性振动和角扰动如何使光电吊舱振动发生耦合,振动耦合从而导致系统的俯仰、方位都随光轴发生扰动,使得内部电视、热像等传感器设备随光轴扰动,使系统图像晃动,降低图像质量及稳定精度。比较线振动和角扰动对系统稳定精度影响程度的大小,提出了合理的减振方法。     

宽视场高分辨率闭路监控系统监控镜头设计

为了满足新形势下闭路监控系统（CCTV）对拍摄视场和高清分辨率的要求,设计了一款复杂化的反摄远型全球面结构的CCTV镜头。该镜头的全视场为80,F#为3,焦距为5 mm,光谱范围为486 nm~656 nm。采用像元尺寸为7.5 m7.5 m,1.27 cm(1/2英寸)的CCD成像。该镜头在奈奎斯特频率67 lp/mm处,全视场MTF接近0.65;在1/2奈奎斯特频率处调制传递函数（MTF）大于0.85;在220 lp/mm处,全视场MTF大于0.3,已经接近衍射极限。镜头像面波前PV值为0.077 9,RMS为0.015 9,达到了瑞利判据的要求。设计评价结果表明,该镜头像差校正满足CCTV监控镜头的成像质量要求。     

星敏感器光学系统弥散斑测试方法

提出了一种星敏感器光学系统弥散斑尺寸的测试方法,主要是利用平行光管、转台和CCD显微摄像系统组成弥散斑测量系统,采集图像后,采用双三次插值像元细分,提取图像中灰度值,依据瑞利判据计算弥散斑尺寸。通过实际测量和试验验证,光学系统0.8视场弥散斑测量精度可以达到0.5μm,重复测量精度可达0.2μm。     

EMCCD侦察探测装置光学系统设计

为了满足EMCCD侦察探测装置的实际使用要求,设计了一个三视场光学系统。系统采用EMCCD接收,像元尺寸为16 m16 m 。通过对比4种成像系统结构形式的优缺点,选定三视场光学系统的初始结构形式,运用CODEV软件对其进行优化,实现600 nm～850 nm波段范围内三视场光学系统成像。设计结果表明,三视场光学系统的传递函数MTF在35 lp/mm频率处均大于0.5,点列斑直径均小于像元尺寸,畸变均小于0.2%,成像对比度满足使用要求。     

基于内拼接法的宽视场成像光谱仪研制

为了增大成像光谱仪的视场,提高遥感成像的作业效率,开展了内拼接宽视场成像光谱仪的设计和研制。针对推扫成像方式,分析了基于内拼接法的宽视场成像光谱仪的组成。利用两台Offner凸面光栅分光系统进行拼接,研制了原理样机。在实验室中对原理样机的像元对准误差、光谱分辨率和调制传递函数进行测试并进行了室外成像实验。测试结果表明原理样机光谱维像元对准误差约为0.15个像元（波长为479 nm）,交轨方向和顺轨方向空间维像元对准误差分别为0.16个像元和0.19个像元。原理样机的光谱分辨率约为1.6 nm,Nyquist频率处的调制传递函数值约为0.2。通过原理样 机的研制和实验验证了内拼接法增加成像光谱仪视场的有效性。     

基于光学联合变换相关器的像移探测技术

针对稳像中运动矢量的求取,提出了一种基于光学联合变换相关器的像移探测技术.给出了基于光学联合变换相关器的像移探测原理,并给出了仿真结果.为了验证联合变换相关器的探测准确度,进行了实验验证,验证结果表明探测最大误差为0.8个像素.结果表明,光学联合变换相关器能够很好地探测出运动矢量,进而完成图像稳定工作.相比单纯的软件算法求取运动矢量,基于光学联合变换相关器的像移探测技术能够更快更好地达到目的.     

远距离成像汽车平视显示光路结构设计

针对汽车AR-HUD显示虚像视距更远、虚像视场角更大的需求,采用自由曲面离轴反射光路结构,设计了一种焦距为-309 mm,虚像视距为7.5 m,虚像视场角为9.8°×5.5°的虚像显示光路。为保证驾驶员观察到的虚像的清晰度,结合人眼典型分辨角为1′,源图像显示模块采用分辨率为854×480 pixel的背投式DLP微投影系统。将人眼与虚像显示光路作为整体进行设计,使用Eyebox(孔径光阑偏移范围)模拟驾驶员眼睛活动范围,对于不同的孔径光阑位置,该光学系统的虚像面在奈奎斯特空间频率0.33 lp/mm处,中心视场MTF值大于0.6,全视场MTF值大于0.3。此外,使用蒙特卡罗方法对该系统取不同入瞳位置时进行了初步公差分析,系统90%的MTF值大于0.49,表明该系统容差能力较强。     

机载光电跟瞄平台动态准确度测试研究

分析了光电跟瞄平台的随动稳像准确度、稳定准确度和瞄准线稳定准确度等,提出了动态准确度的光电测试方法.通过搭建一定的试验环境,测试多传感器光电系统的光电跟瞄平台动态准确度的各项性能指标.研究结果表明,通过光电法测试光电跟瞄平台动态准确度的各项性能指标,可满足测试光电跟瞄平台和光电传感器系统动态瞄准准确度的要求,有利于复杂多传感器光电跟瞄系统的准确度分析与控制.