飛機(jī)共形光學(xué)窗口像差和瞄視誤差的靜態(tài)校正技術(shù)研究.pdf

1、飛機(jī)共形光學(xué)窗口不同于傳統(tǒng)的球面或平面窗口，能夠滿足飛機(jī)的外形輪廓要求，進(jìn)而提升飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能，并增強(qiáng)飛機(jī)隱身效果，將在未來飛機(jī)上發(fā)揮重要作用。但是，共形光學(xué)窗口因其特殊面形及常相對(duì)其后掃描成像系統(tǒng)傾斜，在光學(xué)系統(tǒng)中引入了隨觀察視角變化而改變的動(dòng)態(tài)像差和動(dòng)態(tài)瞄視誤差，給共形光學(xué)設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。共形光學(xué)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于需要同時(shí)校正共形光學(xué)窗口引入的動(dòng)態(tài)像差和動(dòng)態(tài)瞄視誤差。共形光學(xué)窗口像差和瞄視誤差的動(dòng)態(tài)特性使人們更容易想到利用動(dòng)態(tài)校正途

2、徑實(shí)現(xiàn)窗口像差和瞄視誤差校正，如利用動(dòng)態(tài)校正器校正動(dòng)態(tài)像差及在控制系統(tǒng)中加入角度補(bǔ)償環(huán)節(jié)校正動(dòng)態(tài)瞄視誤差。但動(dòng)態(tài)校正途徑降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。靜態(tài)校正途徑是利用靜態(tài)的光學(xué)校正元件實(shí)現(xiàn)共形光學(xué)窗口動(dòng)態(tài)像差和動(dòng)態(tài)瞄視誤差校正，其具有簡(jiǎn)單，穩(wěn)定和低成本的優(yōu)點(diǎn)。本論文針對(duì)目前無有效可行的飛機(jī)共形光學(xué)窗口像差和瞄視誤差靜態(tài)校正途徑，開展了飛機(jī)共形光學(xué)窗口像差和瞄視誤差的靜態(tài)校正技術(shù)研究，探索了能夠?qū)崿F(xiàn)共形光學(xué)窗口動(dòng)態(tài)像差和動(dòng)態(tài)

3、瞄視誤差同時(shí)校正的靜態(tài)光學(xué)途徑。主要內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　(1)在研究共形窗口光學(xué)特征及共形窗口光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了共形窗口光學(xué)系統(tǒng)模型。研究了澤尼克多項(xiàng)式與像差的關(guān)系，并基于澤尼克多項(xiàng)式分析了共形光學(xué)窗口的像差特性。基于矢量像差理論研究了離軸光學(xué)系統(tǒng)和面對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)的矢量像差特性，進(jìn)而分析了共形光學(xué)窗口的矢量像差特性。分析結(jié)果表明，共形光學(xué)窗口引入了大量像散，像散場(chǎng)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離像面導(dǎo)致像面上全視場(chǎng)范圍內(nèi)像散呈常量分布，但

4、其量值和方向隨觀察視角變化而改變。
　　(2)分析了共形光學(xué)窗口引入瞄視誤差的原因，建立了共形窗口光學(xué)系統(tǒng)瞄視誤差模型。并根據(jù)該模型對(duì)共形光學(xué)窗口引入的動(dòng)態(tài)瞄視誤差進(jìn)行了計(jì)算分析。分析結(jié)果表明共形光學(xué)窗口引入了可觀的瞄視誤差并且瞄視誤差隨觀察視角增大而增大。提出了用靜態(tài)的傾斜或偏心光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)共形光學(xué)窗口動(dòng)態(tài)瞄視誤差校正。闡明了該靜態(tài)校正途徑的原理，并依據(jù)該原理給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，靜態(tài)的傾斜或偏心光學(xué)元件能夠有效地校正共

5、形光學(xué)窗口引入的動(dòng)態(tài)瞄視誤差。并且該靜態(tài)校正途徑也有利于共形光學(xué)窗口非對(duì)稱像差的校正。
　　(3)提出了用傾斜的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)共形光學(xué)窗口動(dòng)態(tài)像差和動(dòng)態(tài)瞄視誤差校正，并且傾斜的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱校正元件固定在共形光學(xué)窗口后面，不隨觀察視角變化而改變位置和方位。在研究非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面形光學(xué)特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)共形光學(xué)窗口引入的主要像差即像散，提出了用傾斜的雙曲率面光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)共形光學(xué)窗口動(dòng)態(tài)像差和動(dòng)態(tài)瞄視誤差校正。闡明了該靜態(tài)校正途徑的原

6、理，并依據(jù)該原理設(shè)計(jì)了傾斜的雙曲率面校正元件，實(shí)現(xiàn)了共形光學(xué)窗口動(dòng)態(tài)像散和動(dòng)態(tài)瞄視誤差的同時(shí)校正。為了使校正器適用于更為復(fù)雜的像差校正，提出了用傾斜的自由曲面光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)共形光學(xué)窗口動(dòng)態(tài)像差和動(dòng)態(tài)瞄視誤差校正。闡明了該靜態(tài)校正途徑的原理，并依據(jù)該原理設(shè)計(jì)了傾斜的自由曲面校正元件，使系統(tǒng)在各觀察視角均達(dá)到衍射極限像質(zhì)且校正了動(dòng)態(tài)瞄視誤差。
　　(4)提出了用傾斜偏心的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)共形光學(xué)窗口動(dòng)態(tài)像差和動(dòng)態(tài)瞄視誤差校正，并且傾

7、斜偏心的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱校正元件固定在共形光學(xué)窗口后面，不隨觀察視角變化而改變位置和方位。闡明了該靜態(tài)校正途徑的原理并依據(jù)該原理設(shè)計(jì)了傾斜偏心的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱校正元件。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，傾斜偏心的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)元件能夠同時(shí)校正共形光學(xué)窗口引入的動(dòng)態(tài)像差和動(dòng)態(tài)瞄視誤差。
　　(5)從理論上證明了共形光學(xué)窗口內(nèi)表面可以用于校正0°觀察視角共形光學(xué)窗口引入的非對(duì)稱像差，進(jìn)而提出了用共形光學(xué)窗口內(nèi)表面和傾斜固定校正器實(shí)現(xiàn)共形光學(xué)窗口動(dòng)態(tài)像差和動(dòng)態(tài)瞄視誤差校正