一種提高光電跟蹤系統跟蹤精度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光電設備技術領域，更具體地涉及，一種提高搭載于光電穩定平臺的 跟蹤系統的跟蹤精度的方法。
【背景技術】
[0002] 在現有技術中，中國電子科技集團公司第二十走研究所的專利"一種光電跟蹤系 統動態跟蹤精度校準裝置"和"一種光電跟蹤系統動態跟蹤精度校準裝置及方法"，通過由 固體激光器、擴束器、快速傾斜鏡和反射鏡組成的信標光分系統產生信光標到祀板，而且信 標光分系統可W通過光斑模擬多種運動方式和運動速度的目標，該樣對設備的精度測試， 通過高速采集系統對光斑進行采集，采用高速數字圖像處理技術得到較高的測量精度，實 現對光電跟蹤系統動態快速、準確的校正。
[0003] 然而，問題在于，在實際應用中，光電跟蹤系統往往安裝在光電穩定平臺上，整個 跟蹤系統的實際結構與理論上的設計有所差異，各零部件的尺寸誤差、形狀誤差、位置誤差 等因素導致基于理論結構設計的控制方法性能下降，跟蹤精度降低。如何通過數據處理和 系統模型辨識等方式減小誤差，提高整個跟蹤系統的跟蹤精度，該方面研究很少。
【發明內容】
[0004] 本發明提出的提高光電跟蹤系統跟蹤精度的方法是基于正弦掃頻法、譜分析法和 自適應的遺傳算法完成對系統模型的辨識，從而實現提高光電跟蹤系統的跟蹤精度，具體 分W下幾步：
[0005] 步驟一；采集輸出信號
[0006] 本發明采用FIFO技術對光電跟蹤系統輸入激勵信號x(t)進行采樣，采集輸出信 號，x(t)為幅度可調的正弦掃頻信號，在進行信號采集時，對于采樣過程要注意如下原則：
[0007]a、最低頻率應該選擇為光電跟蹤系統的第一個轉折頻率的1/2或者更低；
[000引 b、為了使用后面提到的算法進行數據處理，要求每個頻率點的采集時間必須為激 勵信號周期的整數倍；
[0009]C、信號的采樣頻率要大于光電跟蹤系統各個環節最高諧振頻率的兩倍，W滿足奈 奎斯特采樣定理。
[0010] 步驟二：數據預處理
[0011] 對步驟一中采集的輸出信號，剔除高于5VI|JC(0|的采樣值。為保證信 號的連續性，被剔除點的數據可W用插值的方式來填補，插值的方法為：y(i)=y(i-l) + (y(i-l)-y(i-2))，式中i表示當前采樣點。
[0012] 步驟H;幅度比和相位差計算
[0013] 本發明采用譜分析的方法計算幅度和相位差。
[0014] 步驟一中輸入的激勵信號為x(t)，t表示時間信號，光電跟蹤系統的脈沖反應函 數為g(t)，則對象的輸出量y(t)如下式所示：
[0015]
[0016] 激勵信號x(t)的自相關函數Rx( T )和互相關函數Rxy( T )分別為：
[0017]
式中X為積分變量；
[0018]
式中A為積分變量，下角標xy表示不同激勵信號；
[0019] 對上式兩邊都取傅里葉變換，可得：
[0020]
[0021] 令新的積分變量U = X - A，則得：
[0022]
[0023] 右式前后兩項分別是脈沖反應函數的頻率特性和輸入信號的自功率譜密度，因此 可得：
[0024]
[00幼式中，Sx (jw)為馬（T )的傅里葉變換。
[002引則輸出信號的幅頻特性、相頻特性分別為：
[0027] H = I G (jw)
[0028] =ZG{jw)
[0029] 步驟四：遺傳算法進行模型辨識
[0030] 采用自適應的遺傳算法進行光電跟蹤系統模型的辨識，選取的系統模型采用拉氏 變換法，n階系統模型形式如下所示，
[0031]
[0032] 根據上一步中得到的頻域響應，采用自適應的遺傳算法求取k和ai(i= 1，2,… n)，從而確定系統的傳遞函數。
[0033] 所述的自適應的遺傳算法，指的是在遺傳算法中采用基于復對數頻率響應的適應 度函數，交叉概率和變異概率采取自適應策略。
[0034] 所述的基于復對數頻率響應的適應度函數，是在擬合頻域數據時，構造適應度函 數如下：
[00巧]
[0036] 式中
[0037]n-擬合的頻域點數
[0038] ? 第i個頻率點的角頻率 [003引H-輸出信號的幅頻
[0040]
[0041] 式中，fm"是種群中適應度值的最大值；fwg是每代種群適應度值的平均值；f'是 要進行交叉的兩個個體中適應度值較大的；f是當前個體的適應度值；該里取Pel= 0. 9,Pc2 =0. 6。
[0042] 設定自適應變異概率如下：
[004引 Pm=Pmi-PmiXn/N
[0044] 式中，n為進化代數；N為進化的總代數；Pmi取0. 1。
[0045] 步驟五；替換系統模型
[0046] 通過第四步對光電跟蹤系統模型的辨識，得到實際的光電跟蹤系統模型，在跟蹤 系統的結構設計過程中，用戶將得到的實際系統模型替換原來的系統模型，可W提高光電 跟蹤系統的跟蹤精度。
[0047] 本發明最終產生的效果是；設計了一種提高光電跟蹤系統跟蹤精度的方法，采用 正弦掃頻法和自適應的遺傳算法；進行掃頻采樣時，采用了FIFO技術，可W在windows系統 下實時采集，保證了數據的完整性；用遺傳算法進行系統模型辨識時，采用自適應的方式， 早期不會陷入局部最優，后期不會收斂過慢，搜索緩慢時加大變異概率，變為隨機搜索，從 而實現了遺傳算法的快速收斂，保證了全局最優。采用頻域的方法完成了對光電跟蹤系統 模型的辨化得到了真實的系統模型，解決了光電穩定平臺對光電跟蹤系統跟蹤精度的影 響的問題，提局了光電跟蹤系統跟蹤精度。
[0048] 本發明的各個方面將通過下文中的具體實施例的說明而更加清晰。
【附圖說明】
[0049] 圖1是本發明的測試系統結構圖；
[0050] 圖2是本發明的系統辨識實現流程圖；
[0051] 圖3是本發明的系統模型的辨識結果幅頻特性圖；
[0052] 圖4是本發明的系統模型的辨識結果相頻特性圖；
[0053] 圖5是本發明的系統模型的負反饋機制圖。
【具體實施方式】
[0054] 圖1示出了本實例采用的測試系統構成圖。
[0055] 圖2示出了本實例采用正弦掃頻法、譜分析法和自適應的遺傳算法，完成對光電 跟蹤系統模型的辨識的過程，具體分W下幾個步驟：
[0056] 步驟一；采集輸出信號
[0057] 選擇頻率0.mz到1曲Z、幅度可調的正弦波信號作為激勵信號，旋變解算寫時鐘 最高可設置為10曲Z，是最高頻率的10倍，滿足數據采集的完備性要求。采用掃頻法獲得光 電跟蹤系統的頻率響應數據。
[0058] 所述的正弦掃頻法是將正弦波作為穩定平臺的控制輸入，并且采集對應的輸出信 息，獲取序列輸入的輸出序列信息，作為系統辨識的輸出依據。根據輸出結果，繪制頻率響 應的幅頻特性曲線和計算系統帶寬，識別被測系統的零點、極點，根據零極點個數建立系 統模型，通過數據擬合，計算系統模型的未知參數，最終完成系統模型的辨識。
[0059] 步驟二：數據預處理
[0060] 數據預處理主要的功能是剔除粗大誤差和穩態截取。由于不可避免的系統干擾的 存化測量結果中的某些點的實際值嚴重偏離實際值，所W將口限設置為5V%的I，剔除高 于5V^|x(〇|的采樣值。為保證信號的連續性，被剔除點的數據可W用插值的方式來填補。 插值的方法為；y(i) =y(i-l) + (y(i-l)-y(i-2))。
[0061] 步驟H;幅度比和相位差計算
[0062] 本實例采用譜估計方法進行擬合，所述的譜估計法用于對正弦掃頻法獲取的數據 計算幅度和相位差。使用頻域法測量系統傳遞函數，關鍵要獲得3個重要信息；輸入信號與 輸出信號的頻率、幅度和相位差，該是繪制頻率響應特性曲線W及辨識模型的基礎。
[0063] 對步驟一中輸入的激勵信號為x(t)，光電跟