一种基于双光楔红外成像的跟踪控制方法与流程

本发明涉及一种基于双光楔红外成像的跟踪控制方法。

背景技术：

双光楔扫描技术广泛应用于激光扫描工作体制中，技术成熟，但是较少应用于红外成像系统的跟踪控制中。目前常用的位标器结构主要有双框架结构、滚仰式结构等，光学系统随框架一起运动。这种结构的位标器重量偏大，相应的电机需要较大力矩，尺寸偏大，很难实现小型化设计。而双光楔结构设计，可以大大减小产品外形尺寸，且结构简单，满足小型化设计需求的同时，控制方法灵活，偏转角度足够大，可作为未来小型化发展的方向之一。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种双光楔红外成像的跟踪控制方法，步骤如下：s1当光线进入光楔时光线发生折射，设入射光线和出射光线之间形成的夹角为δ；s2计算光轴角。根据两个光楔的滚转传感器码盘测得的位置信息，进行解算，实时计算出光轴角y、光轴角z；s3设探测器测得的目标失调角坐标为dy、dz；s4由光轴角和目标失调角合成视线角sy、sz；s5将视线角sy、sz转换成两个光楔的滚转指令，由dsp实时解算控制器，输出控制量控制电机带动光楔旋转，由码盘实时测得滚转光楔机构的位置信息进行反馈，形成闭环回路。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于双光楔红外成像的跟踪控制系统，

采用双光楔结构的位标器，通过控制双光楔的相对运动和/或同向运动，形成一个偏转的空间光轴角，配合目标失调角用于对空间任意目标的跟踪控制；

通过滚仰坐标解算，获得双光楔的控制信息，用于控制位标器内的光楔旋转；实时测量光楔的位置信息进行反馈，形成闭环回路。

上述的跟踪控制系统，优选的，位标器还包括镜筒、轴承组、电机、码盘；

电机能够带动轴承组并进一步带动双光楔转动，码盘用于测量双光楔的位置，镜筒提供容置空间。

上述的跟踪控制系统，优选的，采用pid控制算法，对双光楔进行反馈控制。

上述的跟踪控制系统，优选的，采用处理器进行闭环解算，获得双光楔的反馈控制信息。

一种基于双光楔红外成像的跟踪控制方法，包括如下步骤：

确定双光楔的实时光轴角；

确定探测器测得的目标失调角；

将所述实时光轴角和目标失调角合成视线角，用于对双光楔进行反馈控制，并对目标进行跟踪。

上述跟踪控制方法，优选的，双光楔能够相对运动和/或同向运动。

上述跟踪控制方法，优选的，根据所述视线角，采用处理器进行闭环解算，获得双光楔的反馈控制信息。

上述跟踪控制方法，优选的，采用码盘测量双光楔的实时位置。

上述跟踪控制方法，优选的，采用pid控制算法，对双光楔进行反馈控制。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在由处理器加载并运行时，使所述处理器执行上述跟踪控制方法。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)位标器结构简单。目前常用的位标器结构主要有双框架结构、滚仰式结构、五轴位标器结构等。这些位标器通常结构复杂，重量偏大，很难实现小型化设计。本发明采用了双光楔式位标器，结构简单，重量轻，满足现代武器小型化设计需求。

(2)传统的框架式机构通常配有复杂的光学组件，用来将目标的辐射光线折反到探测器像平面上，光学组件随框架一起摆动会引起目标像斑旋转，导致控制算法复杂。而双光楔机构本身就是光学组件，不存在光学组件随框架旋转而引起像斑旋转的问题，控制上无需进行复杂的坐标变换、坐标解算等，因此控制算法相对简单。

(3)控制规律经典、灵活。本发明中的双光楔控制器为经典的控制规律，设计简单，调试方便。

附图说明

图1为单光楔光路示意图；

图2为双光楔光路示意图。

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，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

本发明利用基于小型光楔扫描技术进行目标跟踪控制，突破小型复合导引头技术，开展新一代导弹研究，提高空军作战能力，适应未来空战，满足未来复杂战场环境下小型化强对抗作战要求。双光楔结构的位标器，与现有技术相比，具有结构简单，控制规律经典、灵活等优点，且偏转角度足够大，满足产品小型化设计需求的同时，具有足够大的跟踪场。光楔即为折射角α很小的棱镜，当光线进入光楔时光线发生折射，入射角和出射角之间形成一个夹角设为δ。双光楔为折射角均为α的两个光楔以不同的角度放置在一起。当两个光楔平行同向放置时，此时双光楔所产生的偏转角最大为2δ。当其中一个光楔绕中心轴旋转180°时，光线偏转角为0。当两个光楔处于任意位置放置时，所产生的光线偏转角在0～2δ之间。当两光楔相对位置固定后，两光楔同时同向或反向绕中心轴旋转时，将形成一个固定偏转的空间光轴角。通过控制双光楔的相对运动和同向运动，实现对空间任意目标的跟踪控制。位标器的每个光楔组件分别由镜筒、轴承组、电机和一个码盘组成。

本发明将双光楔的两路滚转角转换到直角坐标系下，以及将直角系下的视线角转换为双光楔的两路滚转角，实时实现指令的切换。由于机构的角位置传感器码盘敏感到的是光楔的旋转角度，即为两个滚转角，而敏感元件测得的目标失调角是直角坐标系下的角度，坐标转换后能够提高本发明方法的效率。

通过滚仰坐标解算，得出双光楔控制指令信息，由dsp实时解算控制器，输出控制量控制电机带动光楔旋转，由码盘实时测得滚转光楔机构的位置信息进行反馈，形成闭环回路，最终实对目标的跟踪控制。光楔组件的控制器采用经典的pid控制算法，算法简单易实现。

本发明采用一种双光楔结构来实现对目标的跟踪控制，满足产品小型化设计需求，同时位标器结构简单，控制规律经典、灵活。

下面详细说明本发明的具体实施方式。

(1)双光楔原理

折射角α很小的棱镜称为光楔，当光线进入光楔时光线发生折射，入射角和出射角之间的夹角设为δ，则偏转角δ满足下列公式。

δ＝(n-1)α........................................(1)

式中：n——光楔的折射率。

双光楔即为折射角均为δ的两个光楔以不同的角度放置在一起。双光楔结构的入射光线和出射光线之间的夹角由下式获得。

式中：δ——单光楔入射光线和出射光线之间夹角；

x——两光楔之间的夹角，0≤x＜180°；

y——双光楔出射角，0≤y＜2δ。

当两个光楔平行同向放置时，此时双光楔所产生的偏转角最大为2δ。当其中一个光楔绕中心轴旋转180°时，光线偏转角为0。当两个光楔处于任意位置放置时，所产生的光线偏转角在0～2δ之间。

当两光楔相对位置固定后，两光楔同时同向或反向绕中心轴旋转时，将形成一个固定偏转角的空间光轴角。

(2)坐标系定义

当两个光楔同时同向运动时，可实现导引头光轴在空间的圆锥运动，当两个光楔同时反向运动时，可实现导引头光轴的不同张角的运动。因此通过控制两个光楔的相对运动及同向运动，实现光线在空间的不同位置指向，即对不同空间目标的跟踪控制。两个光楔的相对运动等效于对空间目标俯仰方向运动的跟踪控制，两个光楔的同向运动等效于对空间目标滚转方向运动的跟踪控制。

将两个光楔的同向运动产生的效果等效于位标器光轴的滚转运动，两个光楔的相对运动产生的效果等效于位标器光轴的俯仰运动。

弹体坐标系oxbybzb：xb为弹体纵轴，yb为弹体偏航轴，zb为弹体俯仰轴。

(3)光轴角解算

根据两个光楔的位置传感器码盘测得的位置信息进行解算，实时计算出弹体坐标系下的光轴角y、光轴角z。

位置传感器码盘与弹体固连，实时测得光楔相对于弹体的滚转角度信息，获得光楔的滚转角度。根据光楔的滚转角度，计算出目标在空间的方位信息，即通过坐标转换，解算出目标在弹体系下的坐标值光轴角y、光轴角z。计算公式如下。

式中：γ1、γ2——两个光楔的滚转角；

δ——单光楔入射光线和出射光线之间夹角；

gy、gz——光轴角y、光轴角z。

(4)视线角解算

由弹体系下的光轴角和敏感元件测得的目标失调角合成弹体系下的视线角α、β。计算公式如下。

式中：α、β——弹体系下的视线角z、视线角y；

dy、dz——敏感元件测得的目标失调角；

gy、gz——光轴角y、光轴角z。

(5)跟踪控制方法

将视线角α、β作为目标跟踪指令，将其转换成两个光楔的滚转指令，由码盘实时测得两光楔的位置信息进行反馈，形成闭环回路。由dsp实时解算控制器，输出控制量控制电机带动光楔旋转，使光路始终指向目标，实现对目标的跟踪控制。

式中：α、β——弹体系下的视线角z、视线角y；

p1、p2——两路光楔的滚转指令。

本发明是一种基于双光楔红外成像的跟踪控制方法，具体步骤如下：

1)双光楔设计

产品在设计中采用折射率相同、折射棱角相等的两块光楔组成的光楔组作为位标器的光学系统。双光楔组不仅具有单光楔的特性，而且通过控制两个光楔的相对运动及同步运动，可实现空间目标的跟踪控制。

如附图1所示，单光楔对光线具有折射作用，不同的材料折射角不同。当单光楔绕中心轴以一定的速度旋转一周时，出射光线在空间扫描出一个张角为δ的圆锥面。

在产品实际应用中，由于光学镜片都具有色差，所以采用组合光楔的方式来减小色差对系统的影响。光楔1、2分别是由两个光楔组成的光楔对，每个光楔对固连，作为一个单光楔使用。

如附图2(a)所示，当两个光楔平行同向放置时，即两个光楔的位置夹角为0度时，此时双光楔所产生的出射光线偏转角为最大2δ；如附图2(b)所示，其中一个光楔绕中心轴旋转180°，即两个光楔的位置夹角为180°时，出射光线偏转角为0；如附图2(c)所示，当两个光楔处于任意夹角放置时，即两个光楔的夹角为0～180°时，则所产生的出射光线偏转角在0～2δ之间。如果双光楔同时绕中心轴旋转，那么出射光线将在空间扫描出一个张角在0～2δ之间的圆锥面。

2)跟踪控制

通过上述分析可知，可通过控制两个光楔的相对运动及同向运动，实现导引头视线在空间的不同位置，即空间目标的跟踪控制。为实现跟踪控制，分以下两个步骤实施：

(a)坐标解算

导引头探测器实时测得目标在探测平面的位置，得到目标坐标信息，根据目标坐标和导引头光轴角，获得目标相对于弹体的视线角，将此视线角作为双光楔位标器的控制指令，控制光楔旋转，使导引头跟踪目标。

探测器测得的目标坐标是直角系下的两个坐标值，而双光楔位置传感器测得的是两个滚转位置值，因此需通过坐标解算，变换到统一的弹体直角坐标系中。

坐标系定义：

弹体坐标系oxbybzb：xb为弹体纵轴，yb为弹体偏航轴，zb为弹体俯仰轴。

双光楔坐标系oxgygzg：xg轴与弹体纵轴重合。双光楔位置为初始零位时，如附图2(b)所示，此时光线出射角为0。当两个光楔有相对运动时，光轴指向相对零位出现了偏角，此时的光轴指向定义为双光楔俯仰轴zg。当两个光楔同向运动时，光轴将绕着零位位置做旋转运动，此时的光轴指向定义为双光楔滚转轴yg。

由两个位置传感器码盘分别测得两光楔的滚转角γ1、γ2，将γ1、γ2换算到双光楔坐标系下的俯仰角和滚转角。即：

式中：γ1、γ2——两个光楔的滚转角；

δ——单光楔入射光线和出射光线之间夹角；

γs、θs——双光楔坐标系下的滚转角和俯仰角。

将双光楔坐标系下的俯仰角和滚转角通过坐标变换，转换到弹体系，得到弹体系下的光轴角y和光轴角z。

式中：γs、θs——双光楔坐标系下的滚转角和俯仰角；

gy、gz——光轴角y、光轴角z。

将弹体系下的光轴角与探测器测得的目标坐标合成，形成弹体系下的视线角，做为双光楔的控制指令。

式中：α、β——弹体系下的视线角z、视线角y；

dy、dz——探测器测得的目标坐标；

gy、gz——光轴角y、光轴角z。

视线角α、β为弹体系下的直角坐标，不能直接作为光楔的控制指令，需通过坐标转换，变换到双光楔坐标系下，即：

式中：α、β——弹体系下的视线角z、视线角y；

p1、p2——两路光楔的滚转指令。

(b)双光楔控制方法设计

位标器每个光楔组件分别由镜筒、轴承组、电机和码盘组成。根据上述步骤解算出的控制指令，由dsp实时解算控制器，输出控制量控制电机带动光楔旋转，由码盘实时测得滚转光楔机构的位置信息进行反馈，形成闭环回路，最终实现对目标的跟踪控制。

每个光楔组件的控制器采用经典的pid控制算法。具体见下列公式。

式中：

yy、yz——控制器输出信号y和z；

kpy、kpz——y通道、z通道比例控制器增益；

kiy、kiz——y通道、z通道积分控制器系数；

kdy、kdz——y通道、z通道微分控制器系数；

uy、uz——y通道、z通道控制指令；

uym、uzm——y通道、z通道对应的码盘反馈值；

s——pid控制算法中的微分环节，——pid控制算法中的积分环节。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。