为改善航空光电载荷用音圈致动快速反射镜的控制性能，提出一种降阶自抗扰控制方法。首先，对快速反射镜(Fast Steering Mirror，FSM)模型进行了分析并获取了模型参数。根据自抗扰 控制理论，设计了FSM的三阶通用自抗扰控制器。将电涡流传感器的测量结果视为已知，提出降阶扩张状态观测器及其对应的自抗扰控制器设计方法。根据控制器带宽设计思想，推导了对于FSM 这 类二阶欠阻尼对象的控制律，并给出了加入扰动补偿量的控制律的具体实现形式。实验结果表明，降阶自抗扰控制能明显改善FSM的位置阶跃响应动态性能，能实现无超调与振荡的阶跃响应，稳态 时间由11.7 ms提升至9.2 ms，同时能够降低FSM对位置斜坡输入跟踪的稳态误差，并改善其速度响应动态过程，像移补偿稳速时间由10.2 ms提升至7.8 ms，提升约24%。降阶自抗扰控制具有实现简 单、运算量小的特点，能够明显提升FSM的动态性能。

提出一种基于扩张状态观测器并引入加速度补偿策略的控制器设计方案, 以实现快速步进/凝视成像机构对控制性能的高要求。首先, 阐述了扩张状态观测器理论, 对其特性进行了详细分析, 并设计了以成像机构为被控对象的三阶线性扩张状态观测器。通过将观测器置于速度内环反馈通道, 设计了基于扩张状态观测器的位置和速度双回路控制器。在此基础上, 利用观测器输出的加速度估计值, 提出加速度补偿策略, 并设计了补偿环节。实验结果表明, 与无加速度补偿环节相比, 引入加速度补偿后, 成像机构每次步进调节时间由76 ms减小到33 ms, 凝视期间的角位置精度由约0.07°减小到0.01°以内, 速度波动减小约2～3倍, 成像机构的控制性能明显改善。控制器设计简单, 需整定参数少, 对于提高同类控制系统性能具有较高的实用价值。

在全景式航空相机摆扫成像过程中,由于机载环境振动隔离不彻底，造成扫描反射镜位置波动，引起视轴的抖动，使图像沿摆扫方向产生扭曲及拖影现象。针对上述问题，建立了飞行速度、高度及目标水平倾角与俯仰轴补偿速度之间的几何模型，分析了外界扰动造成图像扭曲的成因以及俯仰轴补偿精度对图像拖影程度的影响；通过模型建立和参数分析，得出了俯仰轴控制系统的动态和稳态性能指标及稳健性要求；利用实验室动态目标发生器、平行光管模拟相机与景物间的相对运动，对控制系统的精度进行试验验证；振动环境下对外景成像，验证控制系统的抗扰性能。试验结果表明：俯仰轴控制系统的稳速误差小于0.005°/s，几乎可以完全抑制图像拖影现象；系统对7 Hz以下的干扰信号速度补偿残差小于0.1°/s，可以有效补偿干扰造成的图像扭曲现象。

为消除航空相机镜筒在位置控制过程中的超调，本文提出采用跟踪微分器对阶跃输入信号进行处理，通过合理设计过渡过程来实现镜筒位置控制的快速无超调响应。首先，阐述了跟踪微分器理论，分析其工作特性。然后，以90°位置阶跃响应为例，进行了过渡过程设计，并与无过渡过程设计的控制效果进行了比较。实验结果表明，合理设计过渡过程能完全消除镜筒位置响应的超调，同时减小调节时间。在90°阶跃输入时，超调量由24.1%减小为零，同时调节时间缩短28.8%。此外，采用最小二乘法拟合阶跃输入量与过渡过程快速因子的函数关系，控制过程中根据阶跃输入量计算最优过渡过程参数，实现了镜筒位置的全程快速无超调控制。该方法已经在航空相机镜筒中进行了实际应用，取得了良好的效果，有效改善了系统的动态性能。

为深入认识摩擦对航空相机扫描镜系统频率响应特性的影响, 获得更准确描述该系统真实动态的模型, 使用随机相位多正弦信号测量了扫描镜系统的频率响应特性并进行了线性近似参数模型辨识。首先, 介绍扫描镜系统辨识的实验平台与激励信号选择。然后, 使用奇-奇频率随机相位多正弦信号分别测量扫描镜系统在非激励频率处和激励频率处的输出对输入信号幅值的依赖, 从而定量评估摩擦非线性的影响。最后, 基于信号采样均值及噪声采样方差、协方差估计辨识了扫描镜系统线性近似参数模型。实验结果表明, 扫描镜系统的摩擦非线性主要出现在奇频率处, 高于噪声10 dB; 系统的频率响应特性依输入信号幅值不同而各异, 在低于20 rad/s频率区该差别尤为显著。由于摩擦非线性影响, 扫描镜系统需要使用3阶模型描述; 与正弦扫描方法相比, 基于多正弦信号激励获得的参数模型可更好地描述扫描镜系统真实动态特性。得到的结果为控制器的设计奠定了基础。

以某型大面阵彩色电荷耦合器件(CCD)航测相机为研究对象，通过分析其成像过程的各个环节，提出引起相机成像非均匀性的各个因素，并根据分析结果提出光学系统引起的照度差异是导致相机成像非均匀性的主要原因。通过实验室内辐射定标的方法，完成相机暗电流噪声、成像非均匀程度及像元响应度的检测。非均匀性度量结果表明，图像中各彩色像元成像非均匀性均比较严重，尤其是红色像元达到17%，必须予以校正。响应度检测结果显示，相机R、G、B颜色通道各个像元的响应度在工作谱段范围内均呈线性变化趋势，但中心区域像元响应度明显高于边缘区域。通过分析各像元点响应特性的分布规律，提出基于辐射响应特性的非均匀性校正方法，获取各像素点的反演辐射亮度并依据反演辐射亮度的变化，分区域选取进行校正曲线拟合的像素集合。利用最小二乘法获得拟合校正曲线，并对大面阵彩色CCD航测相机的地面成像图像进行了非均匀性校正，其校正效果优于传统的两点校正法。非均匀性度量结果表明，校正后积分球图像的非均匀性降低到4.3%以下，其中红色通道像元非均匀性降低到1.79%，可满足工程实践要求。

以大面阵彩色CCD航测相机为研究对象，分析其成像过程，提出了影响相机辐射响应特性的各个因素，并以此为基础，建立了辐射响应特性模型。分别在暗场和使用积分球的条件下进行了辐射响应标定实验，通过组合更改输入辐亮度、曝光时间和CCD增益等因素对相机的辐射响应特性进行测量和分析。结果表明，相机R、G、B颜色通道随输入辐亮度变化的辐射响应特性并不相同，但在工作谱段范围内均呈线性变化趋势。采用最小二乘法对辐射标定数据进行拟合，一次多项式拟合结果的决定系数R2值均可达到0.999以上。当输入辐亮度不变时，相机输出图像灰度值随曝光时间或CCD增益的变化呈线性变化趋势，从而为其它工作条件下辐射响应特性曲线的推演奠定了理论基础。将相机辐射响应标定结果应用于相机调光功能，成像结果表明，获得的图像亮度适中，图像平均灰度值满足调光要求。

在航空相机镜筒速度内环设计了自抗扰控制器，以减小镜筒内偏心凸轮机构的运动对镜筒的扰动。采用扩张状态观测器对扰动进行实时估计，并生成扰动补偿量抵消扰动的影响。首先，分析了凸轮机构的运动对镜筒扰动的特点。然后，建立了镜筒的数学模型，基于带宽的单参数化设计思想设计了扩张状态观测器及带扰动补偿的控制律，设计了镜筒位置控制器。最后，在镜筒上对控制器的抗扰动性能进行了验证，并与目前航空相机常用的一阶平方滞后超前校正法进行了比较。结果表明，采用自抗扰控制能将凸轮机构对镜筒的扰动偏差减小为传统方法的50%左右。在提高系统抗扰动性能的同时，控制器增益减小约2个数量级，大大降低了对控制器增益的要求，提高了系统的稳定性，对改善航空相机控制系统的抗扰动性能及降低控制器设计难度具有较高的实用价值。

采用内置微控制器的液晶显示模块及机械触点式金属键盘, 设计了一种航测相机的人机交互系统。系统采用DSP和FPGA协同控制的模式, 实现了同液晶显示模块及键盘的软、硬件接口设计。详细描述了系统任务要求、软硬件设计思路及在设计过程中着重考虑的问题。针对液晶屏“雪花”现象产生的原因进行了分析并提出了相应的解决方案, 介绍了使用自定义字库进行相机工作信息显示的方法。地面试验及飞行试验表明: 系统工作可靠, 可视性和可操作性强, 满足系统使用要求, 为人机交互系统的设计提供了可借鉴的方案。

为消除飞机姿态角速度变化对摆扫式航空相机反射镜组件进行前向像移补偿时的扰动，设计了线性自抗扰控制器(LADRC)，研究了角速度扰动与力矩扰动的等效关系和扰动估计及补偿方法。首先，分析了飞机姿态角速度扰动对像移补偿的影响；然后，建立了有力矩扰动作用时反射镜系统的数学模型，设计了用于扰动观测与估计的线性扩张状态观测器及带扰动补偿环节的控制律。最后，在反射镜组件上对LADRC的控制性能进行了实验，并与目前航空相机常用的滞后超前校正进行了比较。实验结果表明，与滞后超前校正相比，施加同样的扰动，线性自抗扰控制的扰动残差在1.4%以内，减小了75%左右，稳速精度达到0.25%，提高了扫描反射镜的稳速性能和鲁棒性。