音圈电机驱动的快速反射镜在传统控制方法下具有严重的相位滞后, 限制了其性能。针对这一问题提出了一种完全跟踪控制方法(Perfect Tracking Control, PTC)。首先, 建立音圈快速反射镜系统离散状态空间模型, 构建多速率采样系统, 对长周期采样控制环节设计完全跟踪控制器; 然后, 对短周期环节设计基于离散滑模变结构控制的内回路补偿控制器。新方法实现了音圈快速反射镜对指令的完全跟踪, 并有效补偿了外部扰动、模型不确定性以及机械非线性等因素对系统性能的影响, 保证了系统的鲁棒性。实验结果表明: PTC控制实现了系统工作频带的扩展, 与传统PID控制相比, 系统的阶跃响应调节时间缩短50%, 静态位置波动峰峰值减小50%; 与基于干扰观测器和零相差跟踪控制器的方法相比, 系统的位置稳态误差由1.5%减小到0.05%。采用新方法的音圈快速反射镜对幅值360″的正弦位置指令跟踪的双十带宽达到375 Hz, 有效改善动态性能, 拓展控制带宽。

传统机载光电平台框架结构限制了其载荷比, 采用新型串联球面机构可以解决这一问题但缺少运动学模型作为设计支撑。基于D-H参数法, 建立面向机载光电平台的串联球面机构正、逆运动学模型; 采用MATLAB进行运动学模型的解算, 并与多体动力学分析软件ADAMS进行比对验证模型的正确性; 搭建了实验装置对实际传感器数据进行采集并进行运动学模型验证实验。实验结果表明, 运动学模型在实验装置上的计算值与实测值之间的误差在5%以内且主要来自实验系统的机械加工装调误差和传感器测量误差。建立的模型为基于球面机构的光电平台视轴指向控制等应用研究奠定了基础。

采用陀螺仪直接测量光电平台内部载荷的惯性角速度构建反馈，可以在运动载体上控制视轴惯性角速度，实现稳定成像。陀螺捷联惯性稳定控制能够构建前馈，有效提高系统带宽、减小控制误差，但对陀螺安装位置有要求。本文提出了在陀螺直接反馈的机械安装条件下等价捷联稳定的控制方法，并考虑平台基座约束条件建立了动力学模型。该模型显露了光电平台基座安装刚度引入的 谐振问题。针对被控对象中的一对谐振和反谐振环节，基于稳定的零极点对消设计滤波器消除谐振。综合利用陀螺直接测量的框架惯性角速度和编码器测量的机械框架相对转角构建等价捷联惯性稳 定回路。在等价捷联惯性稳定回路中，采用内回路干扰抑制结合基于逆模型前馈的复合控制方法，有效拓展控制带宽，提高对指令的跟踪精度和对载体姿态晃动的隔离性能。仿真和实验结果表明： 该方法有效抑制了安装基座弹性约束力矩的谐振，且与陀螺直接反馈控制相比性能更优。对幅值为1 (°)/s、频率为1 Hz的典型正弦角速度指令进行跟踪，均方根误差由1.75 (°)/s减小到0.23 (°)/s，在1 Hz处扰动隔离度由18%减小到2%。

针对某高光谱相机选择系留气球作为飞行平台的使用要求，设计了一台钢丝绳传动两轴稳定平台，对系留气球在方位和俯仰方向的姿态变化进行角度补偿。稳定平台的方位和俯仰传动机构均 采用钢丝绳传动，方位轴和俯仰轴的连续驱动力矩分别为93.6 N?m和117 N?m，两轴的最高转速分别为25 (°)/s和20 (°)/s。对稳定平台进行了实验室测试，测试结果表明：稳定平台的传动精 度为5 μrad，传动误差不大于0.7%，方位轴和俯仰轴的开环控制伺服带宽分别为15 Hz和35 Hz，正弦跟踪精度均方根误差值分别为0.004 5和0.004 3。然后进行了外场飞行试验，稳定平台安装在 系留气球底部，俯仰框架上安装35 kg的高光谱相机进行空中对地观测，飞行试验中获取稳定平台陀螺稳定数据，得到方位轴和俯仰轴的稳定精度分别为38.83 μrad(RMS)和37.26 μrad，满足高光 谱相机稳定成像的指标要求。

航空光学成像与测量技术具有高时效、低成本、高分辨、易判读等突出优势。作为一种不可或缺的光学遥感手段得到了广泛地应用。由于受到航空飞行的影响，光学载荷需要在有限的体积、 重量和功耗约束下解决气动力(矩)干扰、振动、温度和气压的急剧变化等问题，从而获得更加清晰的光学影像和更精确的测量结果。面对本领域对航空光学成像与测量的新技术、新方法、新理论的 需求，组织了航空光学成像与测量专题，在精密光学、精密机械、精确控制以及图像处理等方面介绍了一批优秀的研究成果。从理论引领和工程参考价值的角度，推动相关研究的进一步发展。

针对远距离、长焦距、高分辨机载光电成像载荷对提升视轴指向控制精度的迫切需求, 从电流、速度、位置三环控制的基本原理入手, 对电机的力矩控制、干扰的抑制、对延迟的鲁棒性等问题进行了分析。首先, 分析了新型无刷电机电流驱动和控制方法及相应的优缺点。论述了主动抗扰内回路以及速度反馈外回路控制问题, 从算法的角度提高对视轴运动速度的控制性能; 另一方面, 考虑机械结构刚度对控制增益的制约, 从两级控制结构的角度对相应的控制方法进行分析。对目标跟踪控制这一典型位置环控制问题进行了分析, 从时滞反馈控制的角度论述了相应的理论研究进展。最后, 综合当前技术发展趋势给出机载光电载荷视轴指向控制技术的思考和建议。

为了解决传统光电侦察平台外露球形结构增大飞机雷达散射截面的问题,提出一种采取双反射镜绕俯仰轴和方位轴旋转实现大角度扫描的方法,该扫描方式的外露尺寸小,可与载机进行共形设计以保证飞机隐身性能。基于光反射矢量理论,对扫描系统成像特性进行了研究,对双反射镜绕俯仰轴和方位轴旋转所产生的像旋进行了定量分析,得出了像旋角大小和方向与双反射镜旋转角度和方向的确切关系,并以此作为像旋补偿的理论依据,提出一种通过控制消旋棱镜消除像旋的双向控制方法,实现扫描镜与消旋机构的严格协同运动。通过成像实验进行了验证,消除了所产生的像旋,计算可得消旋精度均方根值小于8',实现了较高精度光学消像旋。

航空相机在采用旋转扫描反射镜成像过程中存在像面旋转，会导致图像模糊，成像质量下降，必须采用像旋补偿机构进行补偿。目前，通过人眼观察图像模糊程度和电机同步控制精度评价像旋补偿精度，都不能客观准确评价系统成像质量。为建立航空相机成像质量与像旋补偿系统其他指标之间的直接关系，提出基于极坐标系的动态调制传递函数(MTF)，并提出基于倾斜刃边法与模糊路径法相结合的方法测量航空相机旋转像移动态MTF。设计扇形靶标旋转动态成像实验，利用旋转动态MTF和倾斜刃边法得到图像动态MTF计算值，并基于图像模糊路径测量转台转动时图像动态MTF测量值。实验结果表明，转台以20～300（°）/s匀速转动时，空间频率在旋转动态MTF到达第一个零点频率前，动态MTF计算值和测量值曲线近似重合，验证了旋转动态MTF的正确性；空间频率在小于0.7零点频率范围内，两动态MTF曲线相对误差最大值和均值分别小于6%,2%，进而证明了测量方法的准确性。