一种基于旋转双棱镜的实时闭环跟踪方法与流程

本发明属于光电跟踪领域，涉及一种基于旋转双棱镜的实时闭环跟踪方法。

背景技术：

光电捕获跟踪与瞄准系统以光波为信息载体，具有极高的时域、空域、频域分辨率和极强的抗电磁干扰能力，在目标探测、激光通信、靶场测量、天文观测、精确制导、火控瞄准等领域都有日益广泛的应用。

目前光电捕获跟踪与瞄准系统普遍采用万向架、反射镜等传统机械扫描装置。万向架可以进行大角度的旋转，但体积大、动态响应能力差；反射镜响应速度快、精度高，但偏转角度较小，对机械误差较为敏感。

基于旋转双棱镜(Risley棱镜)的光束控制机构，通过两个棱镜同轴独立旋转，可实现光束的大角度偏转。具有结构紧凑、刚度高、响应迅速的特点。非常适合机载、星载等对体积、重量要求较高的场合，并且因为响应迅速，对快速运动目标跟踪时也具有很大的优势。

在先技术(参见云茂金、祖继峰等的专利：CN1256609C与专利：CN2655268)中提出采用该结构进行光束扫描，对基于旋转双棱镜的扫描装置和扫描算法进行了研究，但所提供的装置和方法不适用于目标跟踪。李锦英等在专利CN103631276A提出了一种旋转双棱镜用于目标跟踪的技术方法，对棱镜系统参数的精度要求较高。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，通过脱靶量解耦后控制旋转双棱镜对目标实时闭环跟踪。可以克服棱镜系统参数误差，提高跟踪精度；并优化棱镜旋转方式，避免跟踪过程中反复旋转，提高响应速度。

本发明的技术解决方案包括：一种基于旋转双棱镜的实时闭环跟踪方法，首先组成目标跟踪装置的主要部件有第一棱镜1、第二棱镜2、第一电机3、第二电机4、第一位置传感器5、第二位置传感器6、探测器7、控制器8。其中，两个棱镜、两个电机和探测器为同轴安装。第一棱镜1和第二棱镜2具有相同的顶角和折射率。第一电机3和第二电机4均为环形力矩电机，二者的转子分别与第一棱镜和第二棱镜直接相连，省却了中间传动环节，具有响应快、刚度高的特点；第一位置传感器5测量第一棱镜1绕转轴的旋转角度θ₁，并将θ₁送到控制器8；第二位置传感器6测量第二棱镜2绕转轴的旋转角度θ₂，并将θ₂送到控制器8；探测器7可以测量得到目标在探测器7上所成像点的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀。控制器8接收第一棱镜的位置θ₁、第二棱镜的位置θ₂、探测器7上所成像点的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀，以及外部给定的目标引导数据方位角Θ₁和俯仰角Φ₁；输出电压信号V₁至第一电机3，输出电压信号V₂至第二电机4，通过探测器闭环，使目标成像始终位于探测器视场中心附近，该实时闭环跟踪方法的过程如下：

1)外部给定目标引导位置，以方位角Θ₁和俯仰角Φ₁表示。引导误差需小于探测器7的二分之一视场。

2)根据Θ₁和Φ₁控制第一棱镜1和第二棱镜2，使其指向目标位置。此时，由探测器7测量得到目标在探测器上像点的方位角Θ₀、俯仰角Φ₀。

3)像点、目标引导位置以及合成的目标实际位置的投影关系表示在坐标系Oxy中，如图2所示，其中O点表示探测器中心点，A(Θ₀,Φ₀)表示像点，B(Θ₁,Φ₁)表示目标引导位置，C(Θ₂，Φ₂)表示由A点和B点合成的目标位置(Θ₂表示方位角，Φ₂表示俯仰角)。根据图2中关系，有：

其中，△Θ表示目标的方位角误差，△Φ表示目标的俯仰角误差。

解耦算法如公式(3)所示：

其中，θ₁，θ₂为第一棱镜1和第二棱镜2的当前位置；θ₁^*，θ₂^*为第一棱镜1和第二棱镜2的需要调整的位置；f(△Θ)表示方位角误差△Θ对应的棱镜旋转量；f(△Φ)表示俯仰角误差△Φ对应的棱镜旋转量。

f(△Θ)和f(△Φ)具体表示如公式(4)和公式(5)所示：

其中，G_Θ(s)和G_Φ(s)表示设计的控制算法，由G_c(s)、K_Θ和K_Φ构成。G_c(s)可按传统控制器设计方法进行设计；K_Θ表示方位增益，K_Φ表示俯仰增益。

4)通过控制器8控制第一电机3和第二电机4运动，使其带动第一棱镜1和第二棱镜2旋转到位置θ₁^*、θ₂^*，目标将被锁定在探测器7的视场中心。

进一步的，通过方位角误差和俯仰角误差的解耦算法，解决脱靶量与棱镜旋转位置之间的强耦合关系，确定两个棱镜需要旋转到的新位置θ₁^*、θ₂^*，从而实现对目标的闭环跟踪。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明通过探测器脱靶量对目标进行闭环跟踪，克服了棱镜系统的参数误差，跟踪精度更高；并且通过解耦算法，使棱镜的转动方式更加优化，不需要反复转动，跟踪过程更加平滑、迅速。

附图说明

图1为本发明的装置结构图；

图2为像点、目标引导位置以及合成的目标实际位置的投影关系；

图3为探测器上的成像曲线；

图4为跟踪误差收敛曲线；

图5为棱镜位置修正曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

首先结合图1介绍基于旋转双棱镜的跟踪装置。组成目标跟踪装置的主要部件有第一棱镜1、第二棱镜2、第一电机3、第二电机4、第一位置传感器5、第二位置传感器6、探测器7、控制器8。

其中第一棱镜1和第二棱镜2的顶角为7.5°，折射率为1.5；

第一电机3和第二电机4均为环形力矩电机，二者的转子分别与第一棱镜和第二棱镜直接相连，省却了中间传动环节，具有响应快、刚度高的特点；

第一位置传感器5、第二位置传感器6为圆光栅，具有精度高、重量轻的优点；第一位置传感器5测量第一棱镜1绕转轴的旋转角度θ₁，并将θ₁送到控制器8；第二位置传感器6测量第二棱镜2绕转轴的旋转角度θ₂，并将θ₂送到控制器8；

探测器7的本身视场设为0.5°，可以测量得到目标在探测器7上所成像点的方位角Θ和俯仰角Φ；

控制器8接收第一棱镜的位置θ₁、第二棱镜的位置θ₂、探测器7上所成像点的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀，以及外部给定的目标引导数据方位角Θ₁和俯仰角Φ₁；输出电压信号V₁至第一电机3，输出电压信号V₂至第二电机4。

完成目标跟踪的过程如下：

1)外部给定目标引导位置，方位角Θ₁＝127.93^°和俯仰角Φ₁＝1.27^°表示。

2)根据Θ₁和Φ₁控制第一棱镜1和第二棱镜2，使其指向目标位置。此时，由探测器7测量得到目标在探测器上所成像点的方位角Θ₀、俯仰角Φ₀。

3)像点、目标引导位置以及合成的目标实际位置的投影关系表示在坐标系Oxy中，如图2所示，其中O点表示探测器中心点，A(Θ₀,Φ₀)表示像点，B(Θ₁,Φ₁)表示目标引导位置，C(Θ₂，Φ₂)表示由A点和B点合成的目标位置(Θ₂表示方位角，Φ₂表示俯仰角)。根据图2中关系，有：

其中，△Θ表示目标的方位角误差，△Φ表示目标的俯仰角误差。

解耦算法如公式(3)所示：

其中，θ₁，θ₂为第一棱镜1和第二棱镜2的当前位置；θ₁^*，θ₂^*为第一棱镜1和第二棱镜2的需要调整的位置；f(△Θ)表示方位角误差△Θ对应的棱镜旋转量；f(△Φ)表示俯仰角误差△Φ对应的棱镜旋转量。

f(△Θ)和f(△Φ)具体表示如公式(4)和公式(5)所示：

其中，G_Θ(s)和G_Φ(s)表示设计的控制算法，由G_c(s)、K_Θ和K_Φ构成。G_c(s)设计为PI控制器，K_Θ＝2，K_Φ＝50。

4)通过控制器8控制第一电机3和第二电机4运动，使其带动第一棱镜1和第二棱镜2旋转到位置θ₁^*、θ₂^*，目标将被锁定在探测器7的视场中心。

闭环过程如图3-图5所示。图3为探测器上的成像曲线；图4为跟踪误差收敛曲线；图5为棱镜位置修正曲线。可以看出，初始跟踪误差为15.36″，闭环之后，跟踪误差减小为0.26″。第一棱镜1和第二棱镜2的位置修正量分别修正了0.2°和0.1°。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。