航空场景模拟器的设计与研究

论文摘要

该模拟器利用光机电控一体的系统仿真技术,用于在实验室内模拟真实的目标飞行场景。另外模拟器受实验室实验环境的要求,设计上受到体积、重量的限制,同时要有很好的抵抗恶劣环境性能。本论文针对某型号的模拟器展开设计研究。该模拟器模拟三种目标类型,即固定在市场中心的第一目标、可分离出视场中心的第二目标以及多个目标一维排列的第三目标组。设计方案为将辐射源进行一次成像,并在该像面设置视场光阑,通过调节该光阑的孔径大小模拟近距离的目标范围内的不同目标距离。同时,在该像点附近设置光能调制器件,通过衰减透射的光能量进行远距离范围内的目标距离的模拟。另外,利用扫描镜模拟目标分离出视场中心的场景。针对不同的目标形态所要求的视场范围,设计三条光路,并用光耦合器件耦合成一路,最后利用望远式投影镜投射至接收器的光学系统。文中分别对望远系统、望远系统后的三条成像光路、望远系统和三条光路的组合、以及扫描到最大分离视场时的光路进行像质评价和分析。结果表明,系统的光学像质满足模拟成像要求。另外还对光学系统进行了公差分析,保证系统的加工精度对像质的影响不大。推导接收器接收到的实际目标的辐射能量表达式,并提出计算模拟器辐射源辐射亮度的方法。系统利用氙灯作辐射源,实验检测该辐射源的光谱亮度分布。根据模拟器中光能转播模拟原理分别推导模拟器在近距离范围内和远距离范围内的的出射亮度表达式。系统采用红外偏振片组合作为远距离模拟的光能调制器。利用琼斯矢量法进行推导,提出了实际偏振片组合的衰光率表达式。实验证明该表达式在低衰光率时表达衰光率的精确度大大地高于马吕斯定律。利用以上算法推导三片偏振片组合的衰光率,提出了不同旋转模式下的衰光率规律。另外,进一步推导出了不同消光比的两片偏振片组合的衰光率表达式,并推广到三片以上的情况。本系统采用三片相同消光比的偏振片组合,通过旋转中间的偏振片在保证动态性能良好的前提下大幅扩展了衰光范围。根据模拟器的光学系统结构推导出不同运动组件的模拟数学模型,并由此求得元件的运动速度和加速度与目标信号变化速度和加速度的关系。根据运动件的加工误差和侍服电机的控制误差进行控制精度分析,得到不同运动情况下的模拟信号的误差分布。对模拟器的支撑板按照转台的运动参数和系统内热力参数进行热-力的耦合分析,同时进行振动环境的功率谱密度响应分析。结果表明,支撑板的形变量很小,该模拟器具有良好的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 项目背景
• 1.1 飞行场景仿真技术简介
• 1.2 国内外半实物仿真设备发展现状
• 1.3 本论文描述系统的技术特点
• 2 模拟器光学系统设计
• 2.1 系统光学系统总论
• 2.2 光源整形聚光镜组设计
• 2.3 模拟器的光学系统设计以及像质评价与分析
• 2.4 本章小结
• 3 模拟器光能量传输和利用分析
• 3.1 等效黑体辐射亮度
• 3.2 目标模拟光学系统能量计算
• 3.3 远距离模拟时的能量模型
• 3.4 本章小结
• 4 偏振片组合光能衰减器
• 4.1 两片偏振片组合光衰减器
• 4.2 三片偏振片组合光衰减器
• 4.3 由不同消光比的偏振片组成的光衰减器
• 4.4 偏振片和滤光片组合的光衰减器
• 4.5 用于红外距离模拟的三偏振片组合衰减器
• 4.6 本章小结
• 5 运动与精度分析
• 5.1 可变视场光阑数学模型与分析
• 5.2 偏振衰减运动机构
• 5.3 扫描镜运动机构的电机
• 5.4 本章小结
• 6 模拟系统支撑板可靠性分析
• 6.1 热传导条件下抗切向冲击分析
• 6.2 受迫振动分析
• 6.3 本章小结
• 7 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文