一種基于旋轉雙棱鏡的實時閉環跟蹤方法與流程

本發明屬于光電跟蹤領域，涉及一種基于旋轉雙棱鏡的實時閉環跟蹤方法。

背景技術：

光電捕獲跟蹤與瞄準系統以光波為信息載體，具有極高的時域、空域、頻域分辨率和極強的抗電磁干擾能力，在目標探測、激光通信、靶場測量、天文觀測、精確制導、火控瞄準等領域都有日益廣泛的應用。

目前光電捕獲跟蹤與瞄準系統普遍采用萬向架、反射鏡等傳統機械掃描裝置。萬向架可以進行大角度的旋轉，但體積大、動態響應能力差；反射鏡響應速度快、精度高，但偏轉角度較小，對機械誤差較為敏感。

基于旋轉雙棱鏡(Risley棱鏡)的光束控制機構，通過兩個棱鏡同軸獨立旋轉，可實現光束的大角度偏轉。具有結構緊湊、剛度高、響應迅速的特點。非常適合機載、星載等對體積、重量要求較高的場合，并且因為響應迅速，對快速運動目標跟蹤時也具有很大的優勢。

在先技術(參見云茂金、祖繼峰等的專利：CN1256609C與專利：CN2655268)中提出采用該結構進行光束掃描，對基于旋轉雙棱鏡的掃描裝置和掃描算法進行了研究，但所提供的裝置和方法不適用于目標跟蹤。李錦英等在專利CN103631276A提出了一種旋轉雙棱鏡用于目標跟蹤的技術方法，對棱鏡系統參數的精度要求較高。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術的不足，通過脫靶量解耦后控制旋轉雙棱鏡對目標實時閉環跟蹤。可以克服棱鏡系統參數誤差，提高跟蹤精度；并優化棱鏡旋轉方式，避免跟蹤過程中反復旋轉，提高響應速度。

本發明的技術解決方案包括：一種基于旋轉雙棱鏡的實時閉環跟蹤方法，首先組成目標跟蹤裝置的主要部件有第一棱鏡1、第二棱鏡2、第一電機3、第二電機4、第一位置傳感器5、第二位置傳感器6、探測器7、控制器8。其中，兩個棱鏡、兩個電機和探測器為同軸安裝。第一棱鏡1和第二棱鏡2具有相同的頂角和折射率。第一電機3和第二電機4均為環形力矩電機，二者的轉子分別與第一棱鏡和第二棱鏡直接相連，省卻了中間傳動環節，具有響應快、剛度高的特點；第一位置傳感器5測量第一棱鏡1繞轉軸的旋轉角度θ₁，并將θ₁送到控制器8；第二位置傳感器6測量第二棱鏡2繞轉軸的旋轉角度θ₂，并將θ₂送到控制器8；探測器7可以測量得到目標在探測器7上所成像點的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀。控制器8接收第一棱鏡的位置θ₁、第二棱鏡的位置θ₂、探測器7上所成像點的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀，以及外部給定的目標引導數據方位角Θ₁和俯仰角Φ₁；輸出電壓信號V₁至第一電機3，輸出電壓信號V₂至第二電機4，通過探測器閉環，使目標成像始終位于探測器視場中心附近，該實時閉環跟蹤方法的過程如下：

1)外部給定目標引導位置，以方位角Θ₁和俯仰角Φ₁表示。引導誤差需小于探測器7的二分之一視場。

2)根據Θ₁和Φ₁控制第一棱鏡1和第二棱鏡2，使其指向目標位置。此時，由探測器7測量得到目標在探測器上像點的方位角Θ₀、俯仰角Φ₀。

3)像點、目標引導位置以及合成的目標實際位置的投影關系表示在坐標系Oxy中，如圖2所示，其中O點表示探測器中心點，A(Θ₀,Φ₀)表示像點，B(Θ₁,Φ₁)表示目標引導位置，C(Θ₂，Φ₂)表示由A點和B點合成的目標位置(Θ₂表示方位角，Φ₂表示俯仰角)。根據圖2中關系，有：

其中，△Θ表示目標的方位角誤差，△Φ表示目標的俯仰角誤差。

解耦算法如公式(3)所示：

其中，θ₁，θ₂為第一棱鏡1和第二棱鏡2的當前位置；θ₁^*，θ₂^*為第一棱鏡1和第二棱鏡2的需要調整的位置；f(△Θ)表示方位角誤差△Θ對應的棱鏡旋轉量；f(△Φ)表示俯仰角誤差△Φ對應的棱鏡旋轉量。

f(△Θ)和f(△Φ)具體表示如公式(4)和公式(5)所示：

其中，G_Θ(s)和G_Φ(s)表示設計的控制算法，由G_c(s)、K_Θ和K_Φ構成。G_c(s)可按傳統控制器設計方法進行設計；K_Θ表示方位增益，K_Φ表示俯仰增益。

4)通過控制器8控制第一電機3和第二電機4運動，使其帶動第一棱鏡1和第二棱鏡2旋轉到位置θ₁^*、θ₂^*，目標將被鎖定在探測器7的視場中心。

進一步的，通過方位角誤差和俯仰角誤差的解耦算法，解決脫靶量與棱鏡旋轉位置之間的強耦合關系，確定兩個棱鏡需要旋轉到的新位置θ₁^*、θ₂^*，從而實現對目標的閉環跟蹤。

本發明與現有技術相比的優點在于：

本發明通過探測器脫靶量對目標進行閉環跟蹤，克服了棱鏡系統的參數誤差，跟蹤精度更高；并且通過解耦算法，使棱鏡的轉動方式更加優化，不需要反復轉動，跟蹤過程更加平滑、迅速。

附圖說明

圖1為本發明的裝置結構圖；

圖2為像點、目標引導位置以及合成的目標實際位置的投影關系；

圖3為探測器上的成像曲線；

圖4為跟蹤誤差收斂曲線；

圖5為棱鏡位置修正曲線。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

首先結合圖1介紹基于旋轉雙棱鏡的跟蹤裝置。組成目標跟蹤裝置的主要部件有第一棱鏡1、第二棱鏡2、第一電機3、第二電機4、第一位置傳感器5、第二位置傳感器6、探測器7、控制器8。

其中第一棱鏡1和第二棱鏡2的頂角為7.5°，折射率為1.5；

第一電機3和第二電機4均為環形力矩電機，二者的轉子分別與第一棱鏡和第二棱鏡直接相連，省卻了中間傳動環節，具有響應快、剛度高的特點；

第一位置傳感器5、第二位置傳感器6為圓光柵，具有精度高、重量輕的優點；第一位置傳感器5測量第一棱鏡1繞轉軸的旋轉角度θ₁，并將θ₁送到控制器8；第二位置傳感器6測量第二棱鏡2繞轉軸的旋轉角度θ₂，并將θ₂送到控制器8；

探測器7的本身視場設為0.5°，可以測量得到目標在探測器7上所成像點的方位角Θ和俯仰角Φ；

控制器8接收第一棱鏡的位置θ₁、第二棱鏡的位置θ₂、探測器7上所成像點的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀，以及外部給定的目標引導數據方位角Θ₁和俯仰角Φ₁；輸出電壓信號V₁至第一電機3，輸出電壓信號V₂至第二電機4。

完成目標跟蹤的過程如下：

1)外部給定目標引導位置，方位角Θ₁＝127.93^°和俯仰角Φ₁＝1.27^°表示。

2)根據Θ₁和Φ₁控制第一棱鏡1和第二棱鏡2，使其指向目標位置。此時，由探測器7測量得到目標在探測器上所成像點的方位角Θ₀、俯仰角Φ₀。

3)像點、目標引導位置以及合成的目標實際位置的投影關系表示在坐標系Oxy中，如圖2所示，其中O點表示探測器中心點，A(Θ₀,Φ₀)表示像點，B(Θ₁,Φ₁)表示目標引導位置，C(Θ₂，Φ₂)表示由A點和B點合成的目標位置(Θ₂表示方位角，Φ₂表示俯仰角)。根據圖2中關系，有：

其中，△Θ表示目標的方位角誤差，△Φ表示目標的俯仰角誤差。

解耦算法如公式(3)所示：

其中，θ₁，θ₂為第一棱鏡1和第二棱鏡2的當前位置；θ₁^*，θ₂^*為第一棱鏡1和第二棱鏡2的需要調整的位置；f(△Θ)表示方位角誤差△Θ對應的棱鏡旋轉量；f(△Φ)表示俯仰角誤差△Φ對應的棱鏡旋轉量。

f(△Θ)和f(△Φ)具體表示如公式(4)和公式(5)所示：

其中，G_Θ(s)和G_Φ(s)表示設計的控制算法，由G_c(s)、K_Θ和K_Φ構成。G_c(s)設計為PI控制器，K_Θ＝2，K_Φ＝50。

4)通過控制器8控制第一電機3和第二電機4運動，使其帶動第一棱鏡1和第二棱鏡2旋轉到位置θ₁^*、θ₂^*，目標將被鎖定在探測器7的視場中心。

閉環過程如圖3-圖5所示。圖3為探測器上的成像曲線；圖4為跟蹤誤差收斂曲線；圖5為棱鏡位置修正曲線。可以看出，初始跟蹤誤差為15.36″，閉環之后，跟蹤誤差減小為0.26″。第一棱鏡1和第二棱鏡2的位置修正量分別修正了0.2°和0.1°。

以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭示的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內。