光电系统仿真技术发展分析

光电系统仿真技术发展分析

摘 要：随着MBSE等正向研发设计理念逐渐为大家所了解，仿真技术作为一种重要的验证手段，已经越来多地应用到产品设计阶段。光电系统是光学、机械、电子等多种学科高度集成的复杂系统，各种单学科仿真技术、多学科联合仿真技术以及系统仿真技术也渐渐地应用到光电系统的设计中。本文系统的梳理了光电系统仿真技术体系，分析了各项仿真技术的特点、发展方向，对光电系统仿真的深入发展给出了具体建议。

关 键 词：光电系统仿真、单学科仿真、多学科仿真、系统性能仿真、MBSE 0 引言

仿真是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称为模拟。随着技术的进步，各种仿真技术在光电系统设计中得到广泛应用，例如采用有限元分析软件对光电系统的结构频率、振动响应、温度分布进行仿真。由于光电系统是光机电高度集成的复杂系统，涉及光学、机械、控制、电气、图像等大量学科领域，现阶段的仿真技术仍不能满足光电系统设计分析的需要，不能全面地仿真分析光电系统的性能。

本文着眼于光电系统仿真技术的发展与应用，对光电系统仿真技术进行了系统的梳理，介绍了各项仿真技术的概念、内涵、国内外应用现状，给出了仿真技术应用与提升的建议。

1 光电系统仿真技术体系

光电系统涉及的专业极为广泛，要完整全面地仿真光电系统的作战使用性能，涉及到大量的仿真分析技术，还需要在各单项仿真技术基础上开展多学科联合仿真，完成系统集成仿真。光电系统仿真分析技术体系可以按照复杂程度进行归纳，如表1和图1所示。

表1 光电系统仿真技术体系

分类 专业 相关仿真技术

单学科仿真 目标特性 目标红外辐射特性仿真、目标激光特性仿真、目标可见光特性仿真、大气传输仿真、视景仿真

光学 光学仿真

机械（结力学仿真、热仿真、气动仿真、多体动力学仿构） 真、电磁隐身仿真

控制 MATLAB控制仿真

图像处理 图像仿真

电气 ＥＭＣ电磁兼容仿真、电磁屏蔽仿真、

电路 电路仿真、成像电路仿真

软件（主控软件） 软件测试

多学科联合仿真 光学-机械 光机联合仿真（光-机-热集成仿真）、杂散光仿真

机械-控制 机电联合仿真

机械-目标特性 基于CFD的红外辐射特性仿真

其他 可靠性仿真

系统仿真 系统仿真 系统性能仿真、系统功能仿真（光电模拟器）

图1 光电系统仿真技术体系

在上述仿真技术中，单学科仿真技术已经相对成熟。多学科联合仿真技术，虽然技术路线较为清晰，也有一些商用软件能够实现部分功能，但是在光电系统方面工程化应用还不够成熟，有待深入研究。对于系统仿真，技术方向较为明确，但是技术路线尚不明确，国内外也少有相关研究报道。下面分别对各项仿真技术进行分析。

2 单学科仿真技术

光电系统涉及的单学科仿真技术较多，下面按照光电系统的专业对各项仿真技术进行分析。

2.1 目标特性仿真技术

2.1.1 目标特性仿真基本概念

狭义的目标特性，仅特指目标自身的特有的性质。广义的目标特性，还包括括场景特性和大气传输特性。

对光电系统来说，目标特性仿真包括目标红外特性仿真、目标激光特性仿真、目标可见光特性仿真、视景仿真（可见光、红外）、大气传输仿真等。其中，目标红外特性是最为关注的。

2.1.2 国内外研究应用情况

近20多年来美国、法国、加拿大、英国等国家已经系统地建立了对各种目标和背景环境及干扰的红外辐射特性的建模、仿真方法，并开发了多种专用软件和商用软件，例如CAMEO-SIM、MuSES、McCavity、CHAMP、DIRSIG、ShipIR/NTCS、SE-WORKBENCH、JRM、Vega等目标与场景的红外辐射特性建模与仿真软件。

国内主要是在国外的红外辐射特性建模与仿真软件基础上开展应用研究，主要研究研究单位有：

a）南京理工大学，侧重于地面装甲车辆、地物、末敏弹、卫星等的目标特性建模；

b）哈尔滨工业大学侧重于空中目标、空间目标、舰船目标等类型目标的红外特性建模及成像进行了研究；

c）南京航空航天大学侧重于发动机的红外辐射建模进行了大量而深入的研究；

d）西安电子科技大学和北京理工大学着重对红外场景仿真和红外仿真进行了研究。

2.1.3 发展方向

目标特性仿真技术体系较为明晰，其发展的重点是解决工程应用中的几个基础问题：

1）建立、健全目标与场景的材质数据库；

2）结合测试提高温度场仿真数据的置信度；

3）建立、健全大气特性数据库。

2.2 光学仿真

光学仿真，是在光学系统设计过程中，借助相关光学设计/仿真软件，对光学系统的性能（如传函、弥散斑）进行仿真。

2.2.1 研究应用情况 光学仿真技术已相对成熟，欧美国家开发有大量的光学系统设计分析软件，其中主要有大型通用光学设计软件CODEV和Zemax，杂散光分析软件Trace Pro和SPEOS。

2.2.2 发展方向

单纯的光学仿真已经较为成熟，正朝着多学科联合仿真的方向发展，主要技术包括光机联合仿真、杂散光仿真、成像仿真等。

2.3 机械专业相关仿真技术

2.3.1 基本概念

传统意义上机械专业的仿真技术主要指力学仿真技术，着重关注机械结构的强度、频率响应、疲劳寿命等。

对于光电系统来说，机械专业（结构专业）实际上不仅承担了机械设计，还需要承担气动设计、环控设计、隐身设计等工作。因此，机械专业相关的仿真技术包括力学仿真、热仿真、气动仿真、多体动力学仿真、电磁隐身仿真等多项仿真技术。

2.3.2 国内外研究应用情况

国内外相关仿真技术已经高度成熟，商用软件层出不穷。力学仿真软件有MSC.Nastran、NX.Nastran、Abaqus、ANSYS、RADIOSS、Marc、Samcef等；热仿真软件有Icepak、CFdesign（Autodesk Simulation CFD）、6SigmaDC、FloTHERM、Thermal Desktop等；气动仿真软件有Fluent、CFX、CFdesign（Autodesk Simulation CFD）；多体动力学仿真软件有Recdyn、Msc.ADAMS；电磁隐身仿真软件有FEKO。

国内外对于这些仿真技术的应用研究文献也浩瀚如烟海，几乎所有发表的文献中都采用了这些仿真技术对产品的设计进行分析验证。

2.3.3 发展方向 由于机械专业与光学、控制等专业关联度高，力学仿真、热仿真、多体动力学仿真等技术主要往光机联合仿真、机电联合仿真的方向发展。

力学仿真技术、热仿真技术的另一个重要发展方向是仿真建模与修正技术研究，提高仿真结果精度。

2.4 控制系统仿真技术

控制系统仿真主要指对控制系统进行建模，仿真得到控制系统的性能。

2.4.1 国内外研究应用情况

由于控制系统较为复杂，控制专业的研究重点是如何提高控制系统的抗扰动能力，其主要研究方向包括：自适应控制、陷波滤波器、参数辨识等。控制专业对控制系统仿真技术的投入相对较少，对机电联合仿真等技术有一定的研究。

国内外控制系统仿真大多主要是借助Simulink软件开展建模仿真，采用Dspace进行半实物仿真。

2.4.2 发展方向

控制仿真技术的发展方向将从单纯地提高控制系统抗扰动能力向着综合考虑扰动、被控对象、环境、控制器的方向发展，其关键是机电联合仿真技术。

2.5 其他专业仿真技术

光电系统涉及的专业还包括图像处理、主控软件、电气、电路等。

其中，图像处理和主控软件属于软件专业，从某种意义上来说，软件测试也是一种仿真技术。目前国内外软件测试技术发展成熟。

电气专业和电路设计专业，国内外相对成熟，有各种专业的仿真软件，例如电路设计软件有mentor、protel。

3 多学科仿真技术 多学科联合仿真技术是联合多种学科的仿真技术，综合考虑多种因素之间的相互影响，得到更为全面且接近实际的结果。对于光电系统来说，最重要的多学科联合仿真技术是光机联合仿真技术、机电联合仿真技术。

3.1 光机联合仿真技术

光机联合仿真也叫做光机热集成仿真，将热仿真、气动仿真、力学仿真等机械（结构）专业仿真技术与光学仿真技术相结合，综合考虑结构、温度、光学系统的相互作用，对光学系统性能进行评估。

3.1.1 光机联合仿真的基本原理

结构、温度、光学系统之间的相互作用主要包括：

a）光学系统内的温度变化（温度升降、温度梯度），将导致光学材料折射率发生变化；

b）由于热胀冷缩，光电系统内的温度变化（温度升降、温度梯度），将引起结构零件、光学元件发生变形，导致光学元件的位置、面形发生变化；

c）由于重力、装配应力、振动、冲击、压力等机械（力学）载荷的作用下，结构与光学元件变形，导致光学元件的位置、面形发生变化，或者产生应力双折射效应。

光机联合仿真需要在力学仿真、热仿真、光学仿真的基础上，完成数据转换、传递工作，其分析流程如图2所示。

图2 光机联合仿真流程

3.1.2 国内外研究应用情况

数据转换、传递是光机联合仿真的核心，国外开发了光机集成分析和测试软件SigFit、PC Fringe软件。在仿真平台方面，开发有一体化光机热集成仿真平台STOP，能够快速评估光学系统的性能。

光机联合仿真应用于光学性能分析，主要包括成像性能仿真、光轴分析、光学无热化设计等。

3.1.3 发展方向

光机联合仿真目前在工程化应用方面开展不够深入，相关研究报道较少。需要着重在光学无热化设计、光轴分析、成像仿真等方面进行研究。

3.2 机电联合仿真技术

机电联合仿真技术是综合应用多体动力学仿真技术和控制仿真技术，考虑结构、控制之间的相互作用，仿真得到伺服稳定平台的控制性能。

3.2.1 机电联合仿真基本原理 在光电系统中，一方面，结构（轴系）是控制系统的被控对象；另一方面，结构（基座）也是控制系统的载体，会将各种扰动传递到控制系统中。因此，结构特性与控制系统间存在强烈的相互耦合作用。

在一般的控制系统仿真框图如图3所示，不考虑结构、控制之间的相互耦合作用，将被控对象简化为刚体。

图3 一般的控制系统框图

机电联合仿真的控制系统框图如图4所示，考虑了被控对象结构柔性对控制系统的影响，能够得到相对更接近实际的结果。对比图3和图4可知，改进了被控对象的描述。

图4 机电联合仿真控制系统框图

机电联合仿真的关键是获取被控对象的传函，其技术方案是通过结构有限元获取结构模态信息，然后通过多体动力学仿真（如Adams、Recurdyn）获取传函，导入控制系统仿真软件MATLAB中。

3.2.2 国内外研究应用情况

国内外机电联合仿真技术主要应用于汽车、航空、航天等行业，例如汽车各复杂机构在复杂路面等条件下零部件载荷预测和强度校核；微重力等空间环境条件下航天器复杂机构运动规律的仿真。

3.2.3 发展方向