内容简介
具有瞄准线稳定和跟踪的多传感器综合光电系统广泛应用于军事和民用领域。长期以来，国内外有关光电稳定系统理论和应用的专著寥寥无几。本书是作者根据多年从事科研项目所积累的经验和研究成果撰写的一本关于瞄准线稳定光电系统的专著。全书分上下两篇，上篇主要介绍光电稳定跟踪系统的基本概念、专业理论，包括实际工程应用中的一些常用知识;下篇主要介绍工程设计和实施过程中遇到的一些实际问题，包括总体设计考虑、光电传感器和机电元件选取、稳定平台结构和控制系统设计，以及系统仿真与测试等
本书可作为从事光电稳定系统科研人员使用，也可供高等院校研究生和博士生作为专业教材和参考，同时可供其他光电专业人员参考
目录
目录
上篇 光电稳定系统理论
第 1 章 绪论
1.1 军用光电系统的基本概念
1.1.1 军用光电系统的定义
1.1.2 军用光电系统的类别
1.1.3 军用光电系统的性能标准
1.2 光电传感器发展简述
1.2.1 前视红外装置
1.2.2 激光指示与测距装置
1.2.3 电视摄像机
1.3 机载光电系统发展简述
1.3.1 目标捕获与瞄准系统
1.3.2 情报、监视与侦察系统
1.3.3 红外搜索与跟踪系统
1.3.4 定向能红外对抗系统
1.3.5 多功能综合光电系统
第 2 章 光电稳定系统设计基本理论
2.1 坐标系转换
2.1.1 方向余弦矩阵法
2.1.2 Piogram 图解变换法
2.2 刚体动力学基础知识
2.2.1 动量矩
2.2.2 动量矩定理、赖柴定理
2.2.3 欧拉动力学方程
2.3 关于约翰逊准则
2.3.1 约翰逊准则
2.3.2 扩展识别
2.3.3 约翰逊准则的补充说明
2.4 分辨力与灵敏度
2.5 能见度
第 3 章 陀螺仪基本理论及应用
3.1 陀螺仪基本理论
3.1.1 陀螺仪的发展与分类
3.1.2 陀螺仪的基本特性
3.1.3 二自由度陀螺仪的技术方程与传递函数
3.1.4 单自由度陀螺仪技术方程及传递函数
3.2 光电系统常用陀螺仪
3.2.1 动力调谐陀螺仪
3.2.2 光纤陀螺仪
3.2.3 微机械陀螺仪
3.3 光电稳定系统中陀螺仪的选用
3.3.1 陀螺仪的表征参数
3.3.2 陀螺仪的选取
3.3.3 陀螺仪验收测试
第 4 章 陀螺稳定平台基本理论
4.1 陀螺稳定平台分类
4.2 单轴陀螺稳定平台
4.2.1 单轴陀螺稳定平台传递函数
4.2.2 陀螺稳定平台伺服回路主要性能指标
4.3 两轴陀螺稳定平台
4.3.1 两轴陀螺稳定平台原理结构
4.3.2 正割分解器
4.3.3 两轴陀螺稳定平台的运动分析
4.4 三轴陀螺稳定平台简述
第 5 章 瞄准线稳定的物理概念与基本理论
5.1 概述
5.2 光电稳定系统分类
5.2.1 瞄准线稳定系统的分类
5.2.2 图像数字稳定
5.3 光电稳定系统基本组成与性能
5.3.1 稳瞄系统基本组成
5.3.2 主要性能参数
5.4 瞄准线运动方程
5.5 万向架装置
5.6 振动对瞄准线及图像的影响
5.6.1 振动对光学传递函数的影响
5.6.2 振动造成的图像模糊
5.6.3 隔行扫描效应
5.6.4 卷帘式快门效应
5.7 光电稳定与跟踪精度的影响因素
5.7.1 稳定精度影响因素
5.7.2 跟踪精度影响因素
第 6 章 质量稳定
6.1 概述
6.2 两轴两环稳定系统
6.2.1 工作原理
6.2.2 运动学分析
6.2.3 动力学分析和控制
6.2.4 环架自锁
6.3 两轴四环稳定系统
6.3.1 多环架系统的动态特性
6.3.2 多环架系统环架锁定问题
6.3.3 外万向架的齿轮驱动
6.4 柔性支承稳定系统
第 7 章 反射镜稳定
7.1 概述
7.2 反射镜稳定的工作原理
7.2.1 反射镜陀螺仪直接稳定
7.2.2 反射镜伺服稳定
7.3 二倍角传动机构
7.3.1 连杆传动
7.3.2 钢带传动
7.3.3 其他 2:1 传动方法
7.4 反射镜稳定动力学分析
7.5 半角机构对系统性能的影响
7.6 平衡轮的作用
7.7 瞄准线重构
7.7.1 陀螺仪安装在辅助轴上
7.7.2 陀螺仪安装在反射镜轴上
7.7.3 陀螺仪安装在基座上
7.7.4 既在反射镜轴上又在基座上安装陀螺仪
7.7.5 利用解算器进行机电耦合
7.7.6 利用自动准直仪进行机电耦合
第 8 章 组合稳定
8.1 概述
8.2 组合稳定基本原理
8.3 组合稳定的瞄准线运动方程
8.3.1 ω₀对外方位环 A 的耦合
8.3.2 ω₀对外俯仰环 E 的耦合
8.3.3 ω₀对内方位环 a 的耦合
8.3.4 ω₀对内俯仰环 e 的耦合
8.3.5 精稳反射镜运动方程
8.3.6 粗稳平台运动方程
8.4 组合稳定系统传递函数及误差补偿
8.5 恢复质量稳定
8.6 快速偏转反射镜
8.6.1 压电陶瓷驱动
8.6.2 音圈电机驱动
8.6.3 快速偏转反射镜控制及带宽
8.6.4 快速偏转反射镜的主要性能参数
8.7 几种其他类型组合稳定简介
8.7.1 利用微扫透镜进行精确稳定
8.7.2 摄像机控制的快速偏转反射镜
第 9 章 间接稳定
9.1 瞄准线运动特性
9.2 俯仰轴稳定控制
9.3 俯仰垂直轴稳定控制
9.4 导引头捷联稳定
下篇 光电稳定系统工程设计
第 10 章 光电稳定系统总体设计
10.1 概述
10.1.1 光电总体的定义
10.1.2 光电总体设计内容
10.1.3 光电系统工程研制程序
10.1.4 光电系统设计流程
10.1.5 总体问题的数学表达
10.1.6 总体设计应注意事项
10.2 光电稳定系统总体设计考虑
10.2.1 光电总体涉及的技术问题
10.2.2 光电转塔
10.2.3 稳定方式
10.2.4 光电传感器
10.2.5 探测与识别距离
10.2.6 物理限制与功率
10.2.7 瞄准与指向性能
10.2.8 控制指令
10.2.9 目标跟踪
10.2.10 光机设计
10.2.11 光轴准直
10.2.12 热控制
10.2.13 地理定位
10.2.14 组合稳定
10.2.15 接口
10.2.16 操作控制与显示
10.3 光电转塔设计考虑
10.3.1 控制回路设计考虑
10.3.2 扰动力矩
10.3.3 万向架器件
10.3.4 振动环境测试与模拟
10.3.5 小型稳瞄吊舱的特殊性
10.4 系统设计规范
10.5 误差分析
10.5.1 误差预算
10.5.2 任务需求分配
10.5.3 误差描述
10.5.4 误差源分析
10.5.5 典型误差举例
第 11 章 光电传感器
11.1 前视红外传感器
11.1.1 红外探测器
11.1.2 红外辐射特性
11.1.3 红外系统主要性能参数
11.1.4 中波红外与长波红外
11.1.5 作用距离估算
11.1.6 热像仪目标捕获性能估算
11.2 激光测距与激光指示传感器
11.2.1 激光器简介
11.2.2 二极管泵浦固体激光器
11.2.3 基本性能参数
11.2.4 激光的大气传输
11.2.5 激光测距
11.2.6 激光指示器
11.3 固体电耦合器件和互补型金属 - 氧化物 - 半导体摄像机
11.3.1 主要性能参数
11.3.2 作用距离估算
11.4 激光夜视传感器
11.4.1 微光成像器件简介
11.4.2 微光电视
11.5 短波热像仪
11.6 其他光电传感器
11.6.1 激光光斑跟踪器
11.6.2 激光标示器
第 12 章 稳定控制系统设计
12.1 概述
12.1.1 控制系统设计的基本问题
12.1.2 光电系统伺服控制的特点
12.2 光电稳定系统工作模式与控制
12.2.1 初始模式
12.2.2 服务模式
12.2.3 手控模式
12.2.4 自动跟踪模式
12.2.5 随动模式
12.2.6 搜索或扫描模式
12.2.7 锁定与收藏模式
12.2.8 其他工作模式
12.3 控制系统设计
12.3.1 控制系统性能指标
12.3.2 反馈控制问题
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前言/序言
前言
具有瞄准线稳定的多传感器综合光电系统广泛应用于战场侦察、目标捕获和瞄准、夜间辅助飞行（或车辆驾驶）、红外搜索与跟踪、光电对抗等军事领域，以及反恐、消防、航拍、环境监视、电力巡线等民用领域，已成为实现战场态势感知、精确打击等信息化装备的核心技术，是当今世界科技与工业界的重点发展领域。光电稳定泛指图像稳定和光轴指向稳定，在军事应用中大多简称为瞄准线稳定。当成像传感器安装在机动武器平台上观察一个运动目标时，为了使传感器获得目标或目标区域的高质量图像，捕获并跟踪目标，就必须克服载体的振动、颠簸和摇摆，实现动态观察、瞄准和精确打击。陀螺仪和陀螺稳定平台原理是瞄准线稳定的基础，但由于瞄准线稳定有其特殊性，涉及更多学科，尤其是与光电成像质量密切相关，已成为一项专门的技术，并具有相关的理论知识。光学成像传感器的性能和分辨力在近年来得到大幅改善，若不随着传感器技术的进步相应地提高瞄准线稳定性能，则会失去传感器分辨力不断提高的价值。光电稳定技术最早出现在 20 世纪 60 年代的坦克火力控制系统中，通过陀螺仪对坦克瞄准具进行稳定，以克服坦克的颠簸和摇摆；70 年代，美军在越南战场对直升机安装火力系统时，为了克服直升机的振动，研制了直升机瞄准线稳定与跟踪系统（简称稳瞄系统）。随后光电稳定系统的技术发展始终伴随着现代战争发展需求，迅速扩展到各个军事应用领域。30 多年前，采用惯性稳定平台将安装在地面载体或舰船上的光学传感器的瞄准线抖动降低到几百微弧度；目前的精密惯性稳定平台甚至可将高动态运动载体（在野地上奔驰的重型装甲车辆，高机动直升机和在波涛汹涌的海上进行机动的舰船）上的瞄准线抖动降低到 10μrad 以内。若惯性稳定平台能工作在更好的环境，如太空飞行器中，则可将其瞄准线提高到更高水平。长期以来，国内外有关光电稳定系统理论和应用的专著一直是一个空白，设计者在实际工作中大多以 “惯性技术” 为主要参考书，但国内外有关 “惯性技术” 的著作毫无例外的都是介绍陀螺仪原理和惯性导航原理，其中只有个别章节涉及陀螺稳定平台等技术。随着光电稳定技术的发展，大负载、高精度、多光轴、高分辨力要求的光电稳定平台，无论从稳定与跟踪原理、万向架组成、工作模式以及控制策略等，已和惯性导航的陀螺稳定平台有着本质的区别。近几年，有关光电系统设计的专著不断涌现，但大多以光电传感器的基础理论，如探测器原理和光学设计等为其主要内容，有关光电稳定技术的内容基本未涉及。即使部分有关军用光电系统设计的相关著作，也只是兼顾性地介绍稳定与跟踪问题。本书是作者根据多年来从事该领域科研项目的经验积累和研究成果撰写的一本专著。作者的工作生涯中，30 余年都在从事光电稳定系统和技术研究，先后担任多个国家重点型号产品研制的总设计师和相关预先研究的课题负责人，获得省部级科技成果 20 余项，培养硕士、博士、博士后 40 余名，负责研制了国内第一台直升机昼夜型综合稳瞄系统、第一台直升机稳瞄 / 夜间飞行导航组合系统和第一台直升机桅杆稳瞄系统。在这些研制过程中积累了很多成功经验和失败教训，在学生的培养过程中通过相互探讨对一系列光电系统稳定技术有了更深入的理解和认识，这些宝贵的经验对该著作的撰写起着至关重要的作用。本书编写的目的，一是想将一生所从事的研究成果和经验总结出来，二是想为从事光电稳定系统研究的科研人员提供一本较为全面的参考书，试图做到 “读其一而知全貌”。作者本着这两个目标一直想将此著作写得尽量全面和通俗易懂，尽量结合工程应用。但由于光电稳定系统涵盖的内容实在太多，限于篇幅，很多内容没有编入，有些编入的内容也未能详尽论述。当然，有些专业内容如图像处理技术中的自动跟踪、图像增强、图像拼接、图像消旋、电子稳像、图像融合等，在光电系统中获得了广泛应用，但它是一项专门学科，有很多专著进行论述；再如，控制、机械、热传导、工程光学、材料、工艺等，其中很多新成果都可能促进光电稳定系统的技术发展。因此，技术发展是无限的，很多内容的编写只能作为遗憾留给后继者了。本书的研究工作得到了北方光电集团和西安应用光学研究所的大力支持，特此向支持和关心作者研究工作的单位和个人表示衷心感谢。感谢出版社同仁为本书出版付出的辛勤劳动。书中有部分内容参考了有关单位和个人的研究成果，均已在参考文献中列出，再此一并感谢。由于作者水平有限，书中错误和缺点在所难免，欢迎广大读者不吝赐教。纪 明于 2025 年 1 月
