李繼泉, 龍永福

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光電系統(tǒng)頂層規(guī)劃與總體設計技術綜述

李繼泉1, 龍永福*2

(1. 湖南華南光電(集團)有限責任公司 精密光學車間, 湖南 常德, 415007; 2. 湖南文理學院 物理與電子科學學院, 湖南 常德, 415000)

簡單介紹了國內光電系統(tǒng)現(xiàn)狀, 闡述了光電系統(tǒng)的頂層規(guī)劃和總體設計的主要任務, 從項目管理和總體設計兩個方面簡述了頂層規(guī)劃和總體設計的主要方法、內容及現(xiàn)實意義, 用總體設計的一般原則、基本內容和基本方法與步驟分析了光電系統(tǒng)總體設計思路. 展望了光電技術的發(fā)展趨勢, 并提出了較好的建議和措施.

光電系統(tǒng); 光電技術; 光電總體集成技術

上世紀末和本世紀初的幾場局部戰(zhàn)爭集中地說明了2個事實[1—2]: 一是光電系統(tǒng)能獲取大量的軍事信息, 對戰(zhàn)爭的勝利起到關鍵作用. 二是光電裝備的先進和落后對戰(zhàn)爭的勝敗有一定作用, 因此, 世界各國都不惜投入巨資研制海、陸、空、天平臺中的光電裝備[3—6]. 隨著通信、電子、計算機和控制等技術的發(fā)展, 光電裝備也向多功能、多傳感器, 能對付多目標的復合化、智能化和整體固態(tài)化方向發(fā)展. 這樣的結果將導致光電裝備成為一個集成多學科技術與一體的系統(tǒng)工程[7—9]. 因此, 光電裝備的構成也逐漸復雜化, 研制難度加大, 成本提高, 研制風險也驟然上升.

如何在光電裝備中有效的實現(xiàn)多學科的整合, 保證設計工作的順利開展和設計質量達到預期效果, 這是一項復雜而艱巨的工作. 在光電系統(tǒng)開發(fā)研制過程中有效的開展頂層規(guī)劃和總體設計是一條比較合適的途徑.

1 現(xiàn)狀和面臨的形勢

目前, 國內有關光電公司主要從事大口徑槍用瞄準鏡(具)和地面火炮瞄具的研制工作, 在現(xiàn)代大型的復雜光電產品的設計上起步較晚, 相應的理論基礎和設計經驗的積累不成系統(tǒng). 目前從事總體設計技術的人員隊伍不足, 支撐后續(xù)發(fā)展的后備人員欠缺, 在項目研發(fā)過程中導致系統(tǒng)方案考慮不周. 因此, 開展光電系統(tǒng)頂層規(guī)劃和總體設計方面的工作, 對提高和發(fā)展光電系統(tǒng)總體技術, 推動系統(tǒng)集成能力, 有非常重要的現(xiàn)實意義.

2 頂層規(guī)劃和總體設計的主要任務

在光電系統(tǒng)的頂層規(guī)劃和總體設計工作中有許多系統(tǒng)的工作, 如: 頂層規(guī)劃及總體設計方案的決策[7—9]、系統(tǒng)的精度分析、系統(tǒng)的戰(zhàn)技能力分析、系統(tǒng)的關鍵技術運用及解決情況[10—12]、系統(tǒng)的集成和通訊設計、系統(tǒng)的綜合性能分析、系統(tǒng)電磁兼容性設計[13]、系統(tǒng)的六性設計、防護性能設計和“人、機、環(huán)”及裝飾設計[14—15]等. 面對繁雜的系統(tǒng)頂層規(guī)劃和總體設計技術內容, 按照其各自在系統(tǒng)頂層規(guī)劃和總體設計中的權重位置關系, 分為首要問題、核心問題和全局性關鍵技術3個層次; 按照工作性質可分為項目管理和總體技術研究.

3 系統(tǒng)的總體設計

總體設計始于系統(tǒng)研制方案階段, 并貫穿于裝備研制全過程, 它側重于處理系統(tǒng)全局性的問題.

在方案研制階段, 根據(jù)戰(zhàn)技指標, 分析可行的技術途徑和技術關鍵與難度, 進行總體論證, 對形成的若干總體初步方案進行比較、評價、決策和篩選.

在工程研制階段, 分解功能和指標, 運用參數(shù)分析、系統(tǒng)數(shù)值仿真和融合技術等方法, 指導組件、部件設計, 側重解決組件、部件之間的接口、人機工程、系統(tǒng)優(yōu)化、六性、預留發(fā)展和可生產性等問題.

在設計定型階段, 組織實施和試驗系統(tǒng)各項性能與功能, 并處理試驗過程中新發(fā)現(xiàn)的問題.

3.1 總體設計的一般原則

總體設計技術是一個探索性、開拓性的創(chuàng)新工程, 是“戰(zhàn)略”性的、方向性的、把握全局性的設計, 因而, 要求在進行總體設計時, 既綜合體現(xiàn)現(xiàn)代科學技術的發(fā)展, 又充分反映我國、相關光電公司的具體情況, 既要技術先進, 又要經濟合理; 既要使用方便, 又要制造、維修方便; 既要性價比合理, 又要可靠性高、工作狀態(tài)穩(wěn)定. 由于總體設計是一項戰(zhàn)略性的工作, 它的優(yōu)劣直接影響到光電系統(tǒng)的性能和使用. 如果總體設計不合理, 很可能在競標中不能勝出或者裝備不多便停止裝備, 開展新系統(tǒng)的研制, 所以在開展多學科融合的總體設計時, 設計者要有創(chuàng)新意識, 要充分運用科學原理和設計理論, 在充分調查研究掌握大量第一手資料的基礎上, 重視科學試驗, 做到理論與實踐緊密結合, 盡力使總體設計技術先進、原理正確、實踐可行、經濟合理, 使產品具有競爭力.

鑒于總體設計要解決的問題既復雜又困難, 且在整個設計過程中需要按照“分析、綜合、評價、決策”的邏輯步驟進行, 因此, 它是結合系統(tǒng)總體結構的動態(tài)和靜態(tài)功能滿足為設計的基本要求, 運用人際工程學原理和動力學分析的手段進行仿真評估, 使之起到承上啟下、總攬全局、分解綜合、匹配協(xié)調和優(yōu)化權衡的作用. 同時, 它應以低成本獲得系統(tǒng)的最佳綜合性能和較高的效費比為追求目標, 研制過程中注重繼承原有成熟技術, 不降低總體下達給光電系統(tǒng)的主要戰(zhàn)技指標要求. 所以, 在系統(tǒng)構成選擇、總體構型與布局和設計參數(shù)確定等方面, 應遵循下列原則:

(1)貫徹落實成套性原則;

(2) 著眼于綜合性能先進性;

(3) 控制新技術比例;

(4) 從全壽命周期考慮;

(5) 標準化、通用化、系列化和組合化;

(6) 符合人機工程學原理規(guī)范和標準;

(7)重視文件編制、試驗設計和軟件管理.

3.2 總體設計的基本內容

現(xiàn)代光電系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng), 總體工作包括系統(tǒng)總體的技術集成和綜合, 必須將各個單元視為一個有機結合的整體, 使整體性能最優(yōu), 費用最小, 周期最短. 因此, 總體工作體現(xiàn)的科學方法就是一項系統(tǒng)工程. 總體設計內容很廣泛, 概括起來有兩個方面: 項目管理和技術分析. 從大致過程來講, 可以概括為: 選擇和確定總體方案、參數(shù)和關鍵技術; 對各個分解單元提出要求并進行技術攻關和協(xié)調; 組織實施各種試驗并分析與評價結果. 主要內容有:

(1) 戰(zhàn)術技術指標的論證與分析;

(2) 項目開發(fā)研究機構的建立;

(3) 系統(tǒng)總體指標分解與確定參數(shù)和接口等;

(4) 光電系統(tǒng)原理設計;

(5) 總體布局與結構設計;

(6) 系統(tǒng)樣機測試與試驗;

(7) 制定規(guī)程和規(guī)范;

(8) 技術成果的總結.

3.3 總體設計的基本方法與步驟

產品設計的新方法、新技術和新原理的應用情況分為3種類型: 創(chuàng)新設計、適應性設計和變型設計. 在總體設計中運用科學的設計方法, 能夠幫助設計人員找出最佳方案、保證設計質量、減少設計師的冒險程度, 使設計師有更多的時間從事創(chuàng)造性的工作. 目前, 國內有關公司主要運用的現(xiàn)代設計方法有: 系統(tǒng)工程學在設計中的應用、優(yōu)化設計(3次設計技術——系統(tǒng)設計、參數(shù)設計和允差設計)、可靠性設計和計算機輔助設計等.

通常設計過程主要分為以下幾個步驟:

(1) 概念設計.

確認設計的系統(tǒng)是需要實現(xiàn)的功能, 通過審查功能的過程中, 使系統(tǒng)的技術條件變得愈加清晰可見, 隨后, 對提出來的設計概念的優(yōu)缺點進行評估和權衡. 這時, 為了使設計的變量之間找到平衡, 常常需要對個別變量進行折中分析, 這有助于發(fā)現(xiàn)所要求的技術參數(shù)之間存在的矛盾和不相容性. 為了評價和比較, 并最終確定最佳方案, 可以對絕大多數(shù)認為可行的設計概念準備一份概念性的布局圖, 作為初始詳細設計的一種起點.

(2) 技術性能要求和設計約束.

對設計過程中最終要的兩項輸入就是技術性能指標和確定施加的約束. 前者是闡述用戶的技術要求, 表明成品必須做成什么樣, 正常運行的合格程度, 而后者是確定實際的限制. 例如: 尺寸、重量、布局、使用環(huán)境及影響光、機和電接口關系的資源消耗.

如果已經確定了所有的技術條件和界面接口要求, 接下來就是進行第一次設計評審. 在評審期間, 專家們會對文件的完整性和適合程度提出審查意見, 只有在批準之后才可以繼續(xù)開展工作, 進入初步設計階段.

(3) 初步設計.

在確定了系統(tǒng)的技術要求和約束以及一種或者多種設計概念后, 就從理想化設計階段進入初始設計階段. 在設計階段, 總體設計人員通過與光學設計、機械設計和電氣設計等主管設計師共同協(xié)作, 力爭確定一個大概的裝配方案, 一旦完成研制后, 完全有可能滿足系統(tǒng)的設計目的和要求. 總體設計人員必須組織各個主管設計師對設計方案分類挑選, 詳細地查對細節(jié), 分析數(shù)據(jù), 遇到問題還必須想出新的對策. 當確定了幾個關鍵的問題而將方案確定后, 就真正地要開始初始設計工作了.

(4) 設計分析和計算機建模[16].

到了設計這個階段, 系統(tǒng)中所有主要零件的材料和電子元器件的規(guī)格都要被選定, 至少暫時被確定下來, 所以就可以分析該設計在預測環(huán)境中的性能. 如果這些分析暴露初始設計具有明顯的不足, 就應該仔細地評估并決定是否重新設計. 與結構有關的分析通常使用有限元分析方法來完成, 光學通常使用光學設計分析軟件ZEMAX進行, 熱環(huán)境使用性使用熱分析軟件Flomerics進行等.

(5) 誤差預估和公差.

為了獲得系統(tǒng)的精度, 必須對影響系統(tǒng)精度的各項誤差進行分析, 找出影響精度的主要因素加以控制, 設法減少對系統(tǒng)精度的影響. 造成誤差的因素是多方面的, 必須綜合考慮. 誤差預估與分析的過程在方案制定階段就開始考慮, 首先從原理誤差(理論誤差、方案誤差、技術原理誤差、機構原理誤差、零件誤差和電路控制系統(tǒng)的原理誤差等)進行, 其次是制造誤差(盡可能把3個基面統(tǒng)一起來), 最后是運行誤差(由變形和磨損等引起). 總的原則為: 在保證系統(tǒng)有足夠優(yōu)良性能的同時, 為光學零件、機械零件、電氣控制和組裝件規(guī)定最寬松的公差范圍.

一般來說, 寬松的公差范圍意味著低的生產成本, 因而可以使用便宜的加工工藝, 檢驗的次數(shù)也可以減少. 在一定意義上也減少了裝配過程中的人力資源; 另外, 寬松的公差會使零件具有更大的可調節(jié)性, 在裝配期間有比較大的兼容性. 當然, 這些因素可能會使成品的性能降低. 為確定哪一個公差可以放松哪一個公差應當嚴緊, 設計過程有時會忽略的一種折中, 就是在靈敏度分析和預測過程中增加了時間和人力的投資. 這些成本不會在生產中得到補償, 除非產量非常大, 如果是小批量生產, 讓公差嚴些, 并且在分析步驟之前, 就將公差確定下來, 這可能會有利于降低成本, 同時, 在設計中, 應當讓調整環(huán)節(jié)最少.

(6) 最終設計.

一旦通過分析或者建模使初始設計得到確認, 就要開始設計、校對、審查、按照要求修訂和批準所完成的詳細設計.

(7) 設計審查.

設計過程中一個重要方面就是設計審查. 一般來講, 一個項目都需要4次的技術審查. 在設計進展過程中的關鍵點安排審查:

① 設計開始之前的設計輸入審查;

② 概念設計和初始設計之后的初始設計審查;

③ 詳細的技術設計之后的嚴格設計審查;

④ 首臺樣機完成后的各項指標的審查.

這些審查的目的就是為了降低新產品或者改進后的產品風險. 每次審查都把各個相關學科的專家聚集在一起, 通過不同角度審查, 使產品達到最優(yōu)化.

(8) 光電系統(tǒng)制造.

(9) 系統(tǒng)評估.

(10) 編制設計文件.

4 光電技術的發(fā)展趨勢

未來的光電系統(tǒng)將向傳感器更多、體積更小、作用距離更遠、重量更輕、耐用性更好和性價比更高的方向發(fā)展; 光電傳感器同時也向共光路和一體化方向發(fā)展. 在圖像處理方面, 將廣泛的應用高幀頻、多目標跟蹤、自動識別和圖像拼接等技術, 例如: 采用多光譜和超光譜成像技術能充分揭示出目標物的光譜反射特征, 其光譜分辨率較單譜段圖像豐富得多, 信息量也較單光譜圖像多. 這些圖像經過計算機分析和處理, 會大大提高目標的識別能力.

5 建議和措施

目前, 國內有關光電公司光電系統(tǒng)的發(fā)展面臨著一些制約因素, 主要有:

(1) 基礎支撐薄弱.

與國際先進制造技術相比, 在光學、機械和電氣方面均有不同程度的差距. 加工設備和工藝手段不足, 嚴重制約了國內光電公司的壯大和發(fā)展.

(2) 缺乏頂層設計.

在先進光電系統(tǒng)平臺設計構建過程中, 可能由于缺乏高水平光電專家參與, 無法將光電系統(tǒng)自頂層設計進行合理的構思和設計, 從而影響了光電系統(tǒng)整體的性能優(yōu)勢.

針對目前國內相關光電公司的發(fā)展形勢, 主要有以下幾點建議:

①開展多光譜成像技術研究, 分析國家裝備戰(zhàn)略的發(fā)展趨勢, 爭取用于陸航和特種作戰(zhàn);

②對現(xiàn)有的光電轉臺進行合理組合、改裝和改進, 使其能夠滿足多種作戰(zhàn)體系的需要;

③開發(fā)各類校準、校正設備和模擬訓練平臺, 搶占后勤保障資源;

④大力開展反恐處突設備的研制, 尤其是在武警裝備研究領域, 參與裝備研究所戰(zhàn)略、戰(zhàn)術任務及作戰(zhàn)模式的系統(tǒng)論證, 得到作戰(zhàn)體系及所需裝備詳細需求.

6 結束語

光電系統(tǒng)的總體設計是一個牽扯多學科系統(tǒng)工程, 是把握全局性和方向性的設計, 同時, 也需要多種專業(yè)技術人員的大力支持和配合; 各專業(yè)技術的大力發(fā)展, 必將有力促進總體技術的前進.

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Summarizing on the top planning of photoelectric system and integer integrated technology

LI JiQuan1, LONG YongFu2

(1. Shop of Elaborate Optics, Hunan Southern China Photoelectric (Group) Co., Ltd. Changde 415007, China; 2. College of Physics and Electronics, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

This paper briefly introduces the current status of the domestic optoelectronic system, illustrates the main task of the top planning and overall design of the photoelectric system, sketches its method, main content and practical significance from the two aspects of the project management and the overall design, analyses its overall design idea by the general principles of the overall design, basic contents and basic methods and steps, prospects the development trend of the optoelectronic technology and puts forward some better suggestions and measures.

optoelectronic system; optoelectronic technology; optoelectronic integer integrated technology

TN 20

1672-6146(2014)02-0086-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.02.019

通訊作者e-mail: yongfulong@163.com.

2014-05-12

湖南文理學院重點學科建設項目-無線電物理; 湖南省重點實驗室“光電信息集成與光學制造技術”; 湖南省光電信息技術校企聯(lián)合人才培養(yǎng)基地.

(責任編校:劉曉霞)