专利名称：基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法
技术领域：
本发明属于光束控制领域，具体的涉及一种基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法，用于实现光束实时闭环瞄准目标。
背景技术：
激光瞄准系统在有源跟踪、目标照明以及自由空间通信等诸多领域起着关键作用。但是当光束传输穿过大气时，由于机械振动、大气湍流和跟踪器的局限性以及光学未对准引起的随机误差和偏差，会导致瞄准离轴和到达目标信号的损失。在大多数激光控制系统中，常出现两种瞄准误差，即对准误差(瞄准的静态偏差)和光束抖动(暂时性的随机误差)，如图2所示。上世纪九十年代初，由Lukesh等人提出一种新的估计技术根据目标反射回来的信号强度的统计值估计抖动和视轴误差。该技术只针对光束尺寸大于目标尺寸的情况而开发的，它需要知道光束的轮廓和目标的形状/反射比，如图4所示。该技术已经应用于许多领域，如估计空间目标激光束的光截面和估计目标的形状。本发明即是该技术在激光系统实时瞄准控制中的应用。现有的基于目标反射信号统计的瞄准方法为直接用激光束(高斯光束)照射目标，由于光束抖动的存在，导致光斑在目标平面内不断晃动，则其反射信号的强度也在不断变化，通过对目标反射信号(光通量信号)进行统计分析，能够实时估计出目标相对于光斑统计中心的偏差，并实时调整使激光束中心对准目标。最初该技术是直接对空间目标进行试验，通过分析返回的信号，逐步建立起了统计模型，并从理论上进行了大量的探索，取得了一些突破，现已能够较准确地估计出目标相对光束的统计中心的偏差大小。但是由于高斯光束的对称性，现有的瞄准偏差估计方法只能估计出目标相对光束统计中心的偏差大小，对偏差的方向却无能为力。现有的几种扫描瞄准方法如圆锥扫描，爬山法等，前一种方法是通过先估计出偏差大小，然后以当前光束所在位置为中心，以估计的偏差大小为半径，控制光束在目标平面内做圆周运动。可以预见，当光斑中心出现在目标上时，此时返回信号的强度最强，记录当前角位置，并与圆周运动的起始角位置比较，即可确定目标和光束的相对角位置。但其中没有考虑的一个因素是，试验中大气湍流、机械振动始终存在，因此当光束做规律的锥形扫描时，光束抖动始终伴随左右，会严重影响其扫描效果，而且在有抖动时，每一方向处，光强信号，都必须以统计平均值为准，因此必须通过多次扫描，然后对每一个角位置的回波信号做统计平均，需要很大的目标反射信号样本，而这会影响整个光束闭环控制的实时性。后一种方法是通过光束的随机移动，统计每一角位置处的信号平均值，运用爬山算法，不断重复， 迭代运算，找出目标反射信号强度的梯度上升方向，此方向即为目标相对光束的偏差方向。 同样，由于这种随机的移动没有一定的规律性，且每一位置处的光强信号的平均强度统计都需要大量的信号样本，整个算法的收敛速度无法保证。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法，充分利用了已估计出的瞄准偏差大小，通过一次、最多三次的偏差估计和光束偏转，即可实现光束的自动瞄准控制，使光束统计中心对准目标； 大大减小了所需的数据采集量，缩短了瞄准控制的偏差校正时间，且和偏差估计过程紧密相连，提高了瞄准控制的实时性和准确性。本发明采用的技术方案为基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法，步骤如下第一步，在光束瞄准时，光束瞄准系统驱动快速反射镜使光束指向目标，光束统计中心相对于目标存在偏差b，采集目标反射信号，通过现有的基于目标反射信号的瞄准估计算法估计出目标相对于光束统计中心的偏差大小Id1，并记录下当前光束出射时快速反射镜的偏转方位；第二步，光束瞄准系统根据估计出的偏差大小Id1，控制光束沿瞄准系统的χ轴正半轴偏转；第三步，光束瞄准系统重新采集同样数量的目标反射信号，并估计出偏差大小，记为 t>2 ；第四步，光束瞄准系统判断瞄准状态如果已瞄准，则跳转执行第一步，进行下一轮的光束瞄准控制，实时校准偏差；如果此时的偏差大小1 大于第一步估计出的偏差bi的 1. 9倍则执行第五步；否则跳转执行第六步；第五步，根据第三步估计出的偏差大小Id2反向偏转，即沿光束瞄准系统的χ负半轴方向偏转，然后跳转执行第一步，进行下一轮的瞄准控制；第六步，由第一步知Id1是对瞄准系统初始存在的偏差b的准确估计值，有b ^ ID1 ； 则b1; b2和b组成一个以b，Id1为腰，Id2为底边的等腰三角形；解此三角形，求出Id2与Id1间的夹角，即为1 的方向；第七步，光束瞄准系统以第三步估计的偏差大小Id2和第六步估计出的偏差方向为准偏转光束；第八步，光束瞄准系统重新采集同样数量的目标反射信号，并估计出偏差大小b3;第九步，光束瞄准系统判断瞄准状态如果已校准偏差，则跳转执行第一步；否则，跳转执行第十步；第十步，以第八步估计出的偏差大小1^3，光束瞄准系统控制光束向y轴负半平面相对X轴对称的位置偏转；然后跳转执行第一步，实时检测并校准瞄准偏差。所述第四，九步的校准偏差的过程为如果估计偏差(132或133)小于0. 2个单位，则说明已经校准偏差，实现光束瞄准；否则说明没有校准，执行下一步。所述第六步中Id2的方向求解方法为已知等腰三角形的三条边腰b，ID1，底边ID2 ； 则1 与Id1的夹角可表示是为
权利要求
1.基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法，其特征在于其瞄准实现步骤如下第一步，在光束瞄准时，光束瞄准系统驱动快速反射镜使光束指向目标，光束统计中心相对于目标存在偏差b，采集目标反射信号，通过现有的基于目标反射信号的瞄准估计算法估计出目标相对于光束统计中心的偏差大小b1;并记录下当前光束出射的快速反射镜的偏转方位；第二步，光束瞄准系统根据估计出的偏差大小bi，控制光束沿瞄准系统的χ轴正半轴偏转；第三步，光束瞄准系统重新采集同样数量的目标反射信号，并估计出偏差大小，记为b2 ；第四步，光束瞄准系统判断瞄准状态如果已瞄准，则跳转执行第一步，进行下一轮的光束瞄准控制，实时校准偏差；如果此时的偏差大小b2大于第一步估计出的偏差ID1的1.9 倍则执行第五步；否则跳转执行第六步；第五步，根据第三步估计出的偏差大小1 反向偏转，即沿光束瞄准系统的χ负半轴方向偏转，然后跳转执行第一步，进行下一轮的瞄准控制；第六步，由第一步知1^是对瞄准系统初始存在的偏差b的准确估计值，有b ^b1 ；PJb1, b2和b组成一个以b和Id1为腰，b2为底边的等腰三角形；解此三角形，求出Id2与Id1间的夹角，即为1 的方向；第七步，光束瞄准系统以第三步估计的偏差大小1 和第六步估计出的偏差方向为准偏转光束；第八步，光束瞄准系统重新采集同样数量的目标反射信号，并估计出偏差大小b3; 第九步，光束瞄准系统判断瞄准状态如果已校准偏差，则跳转执行第一步；否则，跳转执行第十步；第十步，以第八步估计出的偏差大小b3，光束瞄准系统控制光束向y轴负半平面相对χ 轴对称的位置偏转；然后跳转执行第一步，实时检测并校准瞄准偏差。
2.根据权利要求1所述的基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法，其特征在于所述第四，九步的校准偏差的过程为如果估计偏差1^2或133小于0.2个单位，所述单位定义为目标的反射截面尺寸d与从光束发射系统到目标的光程L的比值，则说明已经校准偏差，实现光束瞄准；否则说明没有校准，执行下一步。
3.根据权利要求1所述的基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法，其特征在于所述第六步中求出Id2与ID1间的夹角(即为ID2的方向)的方法为已知等腰三角形的三条边腰b，ID1，底边ID2 ；则b2与ID1的夹角可表示为Z(b1 b2> ^arcosi-⑴又由于bi是沿X轴偏转的，则ID2与bi的夹角是ID2与瞄准系统χ轴的夹角，即为ID2的偏转方向。
全文摘要
基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法(1)光束瞄准时，目标相对于光束统计中心存在偏差b，采集目标反射信号，估计偏差大小，记为b1；(2)瞄准系统驱动快反镜使光束沿x正轴偏转b1；(3)采集信号，估计偏差，记为b2；(4)如果已瞄准，执行第1步；如果b2大于b1的1.9倍，执行第5步；否则执行第6步；(5)控制光束沿x轴负轴偏转b2；(6)根据b、b1、b2，求出偏差b2的方向；(7)控制光束沿估计出的方向角偏转b2；(8)采集信号，估计偏差，记为b3；(9)如果已瞄准，则执行第1步；否则执行第10步；(10)控制光束沿y轴负向偏转b3，执行第1步。本发明实现光束的自动瞄准，减小了信号采集量，缩短了偏差校准时间。
文档编号G02B26/10GK102200630SQ20111010069
公开日2011年9月28日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者任戈, 周磊, 谭毅 申请人:中国科学院光电技术研究所