航空相机光机热分析与热控技术研究
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摘要
航空相机作为高效获取地面信息的一种重要设备，在军用和民用领域得到广泛应用。随着应用的深入，各领域对航空摄影图片的分辨力要求越来越高，如何提高航空相机的成像质量成为研究人员所面临的重要课题之一。在航空相机所处的复杂多变的环境中，温度扰动是影响其成像质量的关键因素。因此研究不同温度场分布对光学系统的影响、设计合理可靠的热控系统对于航空相机获取高分辨力的地面图像和提高使用效率具有重要意义。
结合航空相机的结构和环境特点，运用光机热集成分析方法和热光学灵敏度分析方法，分析了温度水平变化和温差对航空相机成像质量造成的影响，从而确定了航空相机能高分辨力成像的温度指标。根据航空相机的实际温度分布进行了初步热控设计，并以此为基础设计了试验航空相机，为了改善被动热控效果，着重设计了框架隔热结构。
为了研究航空相机的热学特性，以试验航空相机为物理原型建立了其热网络数学模型。利用模型分析了光学系统的漏热路径和漏热率，并根据分析结果对光学系统的加热回路和加热功率进行了优化设计。分析了光学系统温度对模型中的不确定性热网络参数的灵敏度，确定了关键热网络参数及其最佳取值范围，并以此为依据对被动热控设计进行了优化。
对试验航空相机进行了瞬态热试验，利用试验数据修正了热网络模型的结构。运用误差分析技术对试验数据的可靠程度进行了评估。探讨了最小二乘法、蒙特卡洛法和遗传算法在热网络模型参数修正中的应用，肯定了遗传算法的优势。
通过对航空相机光学系统热惯性的分析，提出了飞行工况和低温工况下光学系统的热控策略，对热控系统进行了优化设计，并利用热网络模型进行热控仿真。设计了航空相机热控试验系统，利用试验航空相机进行热控试验。试验结果表明所设计的热控系统在飞行工况下将光学系统温度控制在20℃±2℃范围内，低温工况下将光学系统温度在一个小时内从-55℃提升到-20℃，并将温差控制在温度指标范围内。由此证明了热网络分析的有效性和热控设计的合理性。
As an important equipment to efficiently acquire ground information，the aerialcamera is widely used in military and civil field. With the in-depth application, theresolution of aerial photograph is required to be higher, which is why that how toimprove the imaging quality of the aerial camera becomes one of the importantsubjects for engineers. In most of the environment factors, temperature disturbance isthe major one to influence the imaging quality. Therefore, studying the effects ofdifferent kinds of temperature distributions on the optical system and designing areasonable and reliable thermal control system are significant to acquire highresolution ground images and raise efficiency of the camera.
Combining with the structural and environmental characteristics of the aerialcamera, the effects of the different temperature levels and gradients on the imagequality are analyzed using the integrated thermal/structural/optical (TSO) techniqueand the thermal-optical sensitivity analysis method. Accordingly, the temperatureindex for high resolution images is determined. In response to the actual temperaturedistribution of the aerial camera, the preliminary thermal control system is designed,based on which, the experimental aerial camera is framed and the insulation structureis especially designed for improving the impact of passive thermal control.
For researching on the thermal characteristics of the aerial camera, the thermalnetwork mathematical model of the experimental aerial camera is set up. The heatdissipation of optical system is analyzed through the model, according to which, theheating loops and heating power are optimized. The sensitivities of optical systemtemperature to the uncertain thermal network parameters are studied, and the keyparameters with the optimal ranges are settled down, based on which, the passivethermal control is optimized.
The transient thermal experiments are carried out, and the construction of thethermal network model is corrected using the experiment data. The reliability ofexperiment results are evaluated by error analysis technique. The applications ofleast-squares procedure, Monte Carlo method and genetic algorithms in thecorrection of thermal network parameters are discussed, and the advantage of geneticalgorithms is affirmed.
The thermal control strategies of flying condition and low-temperature condition are presented through the analysis of the optical system thermal inertia.The thermal control system is optimized, and the simulation is processed with thethermal network model. The thermal control experiment system is designed and theexperiment is carried out using the experiment aerial camera. The experiment resultsshow that the temperature of optical system is controlled at18.5℃~20.5℃underflying condition, and the temperature rises from-55℃to-20℃within one hourunder low-temperature condition, and the temperature gradient holds within theindex. The experiment results indicate the availability of the thermal networkanalysis and the rationality of the thermal control design.
结合航空相机的结构和环境特点，运用光机热集成分析方法和热光学灵敏度分析方法，分析了温度水平变化和温差对航空相机成像质量造成的影响，从而确定了航空相机能高分辨力成像的温度指标。根据航空相机的实际温度分布进行了初步热控设计，并以此为基础设计了试验航空相机，为了改善被动热控效果，着重设计了框架隔热结构。
为了研究航空相机的热学特性，以试验航空相机为物理原型建立了其热网络数学模型。利用模型分析了光学系统的漏热路径和漏热率，并根据分析结果对光学系统的加热回路和加热功率进行了优化设计。分析了光学系统温度对模型中的不确定性热网络参数的灵敏度，确定了关键热网络参数及其最佳取值范围，并以此为依据对被动热控设计进行了优化。
对试验航空相机进行了瞬态热试验，利用试验数据修正了热网络模型的结构。运用误差分析技术对试验数据的可靠程度进行了评估。探讨了最小二乘法、蒙特卡洛法和遗传算法在热网络模型参数修正中的应用，肯定了遗传算法的优势。
通过对航空相机光学系统热惯性的分析，提出了飞行工况和低温工况下光学系统的热控策略，对热控系统进行了优化设计，并利用热网络模型进行热控仿真。设计了航空相机热控试验系统，利用试验航空相机进行热控试验。试验结果表明所设计的热控系统在飞行工况下将光学系统温度控制在20℃±2℃范围内，低温工况下将光学系统温度在一个小时内从-55℃提升到-20℃，并将温差控制在温度指标范围内。由此证明了热网络分析的有效性和热控设计的合理性。
As an important equipment to efficiently acquire ground information，the aerialcamera is widely used in military and civil field. With the in-depth application, theresolution of aerial photograph is required to be higher, which is why that how toimprove the imaging quality of the aerial camera becomes one of the importantsubjects for engineers. In most of the environment factors, temperature disturbance isthe major one to influence the imaging quality. Therefore, studying the effects ofdifferent kinds of temperature distributions on the optical system and designing areasonable and reliable thermal control system are significant to acquire highresolution ground images and raise efficiency of the camera.
Combining with the structural and environmental characteristics of the aerialcamera, the effects of the different temperature levels and gradients on the imagequality are analyzed using the integrated thermal/structural/optical (TSO) techniqueand the thermal-optical sensitivity analysis method. Accordingly, the temperatureindex for high resolution images is determined. In response to the actual temperaturedistribution of the aerial camera, the preliminary thermal control system is designed,based on which, the experimental aerial camera is framed and the insulation structureis especially designed for improving the impact of passive thermal control.
For researching on the thermal characteristics of the aerial camera, the thermalnetwork mathematical model of the experimental aerial camera is set up. The heatdissipation of optical system is analyzed through the model, according to which, theheating loops and heating power are optimized. The sensitivities of optical systemtemperature to the uncertain thermal network parameters are studied, and the keyparameters with the optimal ranges are settled down, based on which, the passivethermal control is optimized.
The transient thermal experiments are carried out, and the construction of thethermal network model is corrected using the experiment data. The reliability ofexperiment results are evaluated by error analysis technique. The applications ofleast-squares procedure, Monte Carlo method and genetic algorithms in thecorrection of thermal network parameters are discussed, and the advantage of geneticalgorithms is affirmed.
The thermal control strategies of flying condition and low-temperature condition are presented through the analysis of the optical system thermal inertia.The thermal control system is optimized, and the simulation is processed with thethermal network model. The thermal control experiment system is designed and theexperiment is carried out using the experiment aerial camera. The experiment resultsshow that the temperature of optical system is controlled at18.5℃~20.5℃underflying condition, and the temperature rises from-55℃to-20℃within one hourunder low-temperature condition, and the temperature gradient holds within theindex. The experiment results indicate the availability of the thermal networkanalysis and the rationality of the thermal control design.
引文
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