一种二维指向机构伺服控制方法及系统与流程

本发明涉及用于搜索和跟踪的光电探测系统中的指向镜控制方法及系统，具体涉及采用测量相机探测成像，并利用图像处理结果结合光学矢量理论进行闭环控制，以驱动指向镜精确指向的技术。

背景技术：

近年来国外发射的许多光学遥感仪器上都采用了指向或扫描装置，且在轨运行状态良好。美国GOES(地球同步环境卫星)系列是地球同步静止轨道的气象卫星。其中采用三轴姿态稳定方式的GOES－I/M上所安装的扫描成像器IMAGER采用摆镜东西扫描方式，它利用两个感应同步器来测量摆镜的机械转角位移，扫描镜的指向驱动采用力矩电机。其工作原理：扫描控制器依据输入指令进行初始化，根据感应同步器测角信号确定扫描镜的角位置，当设定位置与起始位置的角位移被计算出后，驱动电机以10°/s的速率到达设定位置。当东/西电机到位后，北/南电机按照指令开始进行有限转角的扫描运动。在每条扫描线接近结束时，控制系统发出减速命令，使扫描镜准确定位，并有利于它开始回扫。

美国Landsat(陆地卫星)系列是太阳同步轨道资源卫星，Landsat-4、5上的TM(主体测绘仪)是摆扫式的多光谱扫描辐射计，其双向摆动扫描系统由扫描驱动装置、扫描镜(两侧由挠曲枢轴支撑)、扫描角度监测器、扫描控制系统、双页减震器和扫描线校正装置等组成。扫描镜进行穿轨迹方向的来回扫描，正反扫描都能够获取图像数据。

SPOT-5是由法国国家航天研究中心设计的太阳同步轨道地球资源遥感卫星，其载荷中包括两台相同的HRG(高分辨率几何)相机。HRG相机利用指向镜机构获得倾斜视角观测能力，最大侧视角度为27°。SPOT-5卫星遥感系统中的指向镜驱动控制模块(SCM)包括两个部分：一是扫描带选择(Strip-Selection)指向镜驱动机构，执行器采用步进电机；二是电机重聚焦和定位编码器，采用光栅编码器提供控制步进电机所需的位置反馈信号。

我国第一代极轨气象卫星FY-1(风云一号)携带的扫描辐射计采用了45°旋转反射镜扫描方式，扫描反射镜转轴与镜面成45°夹角，且与卫星飞行方向和光学系统光轴方向一致。反射镜绕轴旋转，扫描面和轨道面垂直，从背阳面一侧扫入地球，卫星从北向南飞行时扫描反射镜从西向东扫描，光学瞬时视场接收星下点两侧目标辐射，借助于卫星绕地球的运动，获取地球的二维景象。45°旋转反射镜扫描模式具有观测范围大、可在扫描目标范围外观测到定标源和冷空间使遥感仪器进行飞行中定标、而且尺寸较小等优点。

我国第一代地球同步静止轨道气象卫星FY-2(风云二号)采用自旋稳定方式，其自旋轴垂直于赤道面，自旋转速100r/min。FY-2卫星多通道扫描辐射计的R-C光学系统主光轴垂直于卫星自旋轴，与地球赤道平面平行，星下点指向赤道，依靠卫星自旋和望远镜整体步进来实现对地球的二维扫描。辐射计随卫星自旋从西向东扫描地球，卫星每自旋1周，望远镜自北向南步进一次，步距角140μrad，完成一条线的扫描。每幅地球圆盘图共需扫描2500条线，耗时25min，自北向南扫过20°，完成一幅全球扫描图后，望远镜用2.5min由南向北回到北极限位置。扫描辐射计在主光学系统和后光路之间设置了折镜，望远镜做南北方向步进运动时，折镜也要同时步进。望远镜筒和折镜步进方向相同，因折镜对入射光作二倍角的反射，折镜步进角为望远镜筒步进角的一半。

目前现有的实例中，二维指向镜的控制方法的特点为扫描轨迹为程序预设，只能完成对目标区域的周期扫描，并不能完成对目标的主动搜索与凝视。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：传统的快速扫摆镜控制为周期摆扫式，其指向轨迹确定，不具备凝视跟踪功能。本发明一种基于图像反馈和光学矢量理论的二维指向机构伺服控制方法及系统，即主光路中增加探测相机，并利用成像的快速图像处理结果作为馈源，建立图像伺服闭环回路，对快速扫摆镜进行主动控制，完成调整相机主光轴的指向，达到对成像目标的搜索、凝视跟踪功能。

本发明技术解决方案：一种基于图像反馈和光学矢量理论的二维指向机构伺服控制方法，实现步骤如下：

步骤一、利用光学系统的角度关系和光学反射矢量的基本理论，建立快速扫摆镜的方位轴、俯仰轴与成像光轴的指向特性方程；

步骤二、利用步骤一所得的指向特性方程，结合摆镜到焦平面的焦距f、像元尺寸d等信息建立指向镜转角到出射光轴视线角的映射关系；

步骤三、将指向镜转角到出射光轴视线角的映射关系结合控制理论，设计指向控制律，调节指向控制系统的传递函数特性，使系统稳定。

所述步骤一中，利用光学系统的角度关系和光学反射矢量的基本理论，建立快速扫摆镜的方位轴、俯仰轴与成像光轴的指向特性方程如下：

I₀′为系统视轴方向，I₀为入射光线，R为反射矩阵，G₁₀为旋转辅助矩阵。为视轴方位角，θ为俯仰角。

所述步骤二中，建立指向镜转角到视线角的映射关系如下：

α为二维指向镜方位轴转角，β为二维指向镜俯仰轴转角，Δ₁与Δ₂为无穷小量，K₁、K₂为指向镜转角到视线角的线性增益。

所述步骤三中，设计指向控制律，调节系统的传递函数特性具体如下：

G_cl为指向控制率传递函数，G_c为PID控制器，G_p为二维指向机构模型，G_v为内环速度反馈控制器，K₁、K₂为线性增益。

一种基于图像反馈和光学矢量理论的二维指向机构伺服控制系统，包括主成像相机、测量相机、快速图像处理器、指向控制器、D/A转换、指向镜驱动器、二维指向镜7和主镜头；成像目标光束由主镜头进入，经相同的光路后，进入主成像相机和测量相机，利用测量相机的图像数据，在快速图像处理器中对图像进行实时处理，在指向控制器中进行计算，生成二维指向镜的驱动信息，并对二维指向镜进行角度伺服，控制光路指向，测量相机的采集得到新的图像数据，在快速图像处理器中对图像进行实时处理，形成闭环控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)利用探测相机成像的图像处理结果作为馈源，可对快速扫摆镜进行闭环控制，完成对成像目标的高精度光轴指向，提高了遥感相机的成像效率。

(2)通过结合光学矢量反射理论设计伺服控制律，消除了电机转角和光轴指向之间的非线性关系，以提高控制的针对性，有利于提高快速扫摆镜的指向精度和成像系统的稳定性。

附图说明

图1为基于图像反馈和光学矢量理论的二维指向控制图；

图2为参考坐标系；

图3为入射光线经二维指向镜反射后到焦面成像的光路结构图；

图4、图5为固定外环转角，然后内环进行摆动后视轴俯仰角的变化曲线和固定内环转角，然后外环进行摆动后视轴方位角变化关系；

图6为固定俯仰轴转动方位轴时焦面上的扫描轨迹和固定方位轴转动俯仰轴时焦面上的扫描轨迹；

图7为位置回路结构框图；

图8为图像回路结构框图；

图9为一类图像闭环的系统波特图；

图10为一类图像闭环系统的阶跃响应曲线。

具体实施方式

本发明包括一种光学系统，其组成为主光学镜头、主成像相机1、测量相机2、快速图像处理器3、指向控制器4、指向镜驱动器6和二维指向镜7等组成。系统组成如图1所示。

本发明具体实施步骤如下：

步骤1：建立如图1所示的光学系统，测量相机2的成像光轴与主成像相机1的成像光轴相同或光路关系确定。光学参数确定，包括二维指向镜7倾斜角度、成像焦距等参数。

步骤2：利用参考坐标系见图2的角度关系和光学反射矢量的基本理论，建立快速扫摆镜的方位轴、俯仰轴与成像光轴的指向特性方程。

方程的计算方法如下：

N代表镜面法线单位矢量，A代表入射矢量，A′代表反射矢量，像矢量和入射矢量的线性变换关系可以表示为A′＝R·A，R为反射矩阵

其中，N_x、N_y和N_z分别为平面镜法线矢量在基准坐标系内的投影。

矢量A绕转轴单位矢量P转动一角度θ成为矢量A′，写成矩阵形式A′＝S_p,θ·A，其中S_p,θ代表绕矢量P转θ的转动矩阵。

在参考坐标系下，入射光线矢量A₀经二维指向镜反射后的像矢量为A₀′，根据光学反射矢量理论得到二者的变换关系为

由前面的推导可知，指向镜绕Z0轴转动α角，且绕Y0轴旋转β角度的旋转矩阵为

G₁₀＝S_Z0,α·S_Y0,β

这里方位轴矢量P_z＝[0 0 1]′，俯仰轴矢量P_y＝[0 1 0]′，代入公式可得

步骤3：建立指向镜转角到视线角的映射关系，入射光线经二维指向镜反射后到焦面成像的光路结构图见图3，方法如下：

指向镜同时绕Z0轴和Y0轴旋转时，若初始位置指向镜法线矢量与X0轴的夹角为β₀，则法线矢量为，旋转方向定义为绕Y0轴向上偏转为正方向。

N₀＝(cosβ₀,0,sinβ₀)

零位时水平出射光线与X0轴夹角为γ₀，由此出射矢量表示为

O₀＝[cosγ₀ -sinγ₀ 0]

由反射矢量定理可以得出零位时入射光线矢量

I₀＝R^-1·O₀

假定在入射光线I₀的作用下，指向镜同时绕俯仰轴和方位轴旋转α和β角度，则由指向镜反射的单位出射像矢量为I₀′，像矢量方向即为系统视轴方向，通过计算可得

如果将视轴方位角定义为视轴在水平面投影与X0轴的夹角，俯仰角θ定义为视轴与水平面OX0Y0的夹角，则指向镜光轴视线角与电机转角之间的关系表示为

如果定义摆镜到焦平面的焦距为f，像元尺寸为d则入射光线矢量在像平面投影下的脱靶量为

上式可以整理为

u,v分别为方位轴何俯仰轴的控制量。

可以看出在在视场角范围很小时，摆镜视轴变化量和焦面脱靶量成线性关系，即

图4和5分别给出了固定外环转角，然后内环进行摆动后视轴俯仰角的变化曲线和固定内环转角，然后外环进行摆动后视轴方位角变化关系。

图6给出了固定俯仰轴转动方位轴时焦面上的扫描轨迹和固定方位轴转动俯仰轴时焦面上的扫描轨迹，从图中我们可以看出出射光轴视线角与电机转角间具有一定的线性关系，可表示为

Δ₁与Δ₂是无限小量。

步骤4：设计指向控制器；

指向镜单轴的开环传递函数：

式中，J为系统折算到电机轴上的总的转动惯量；θ为电机输出轴的转角，单位rad；K_n为挠性枢轴扭转刚度，单位N·m·A^-1；K_m为电机电流力矩系数，单位N·m·A^-1,L为电机电枢的等效电感，单位H；R为电机电枢的等效电阻，单位Ω；E为输入电压，单位V，K_b为反电动势系数，单位V·s·rad^-1。

图7给出了位置回路结构框图，位置回路以接收的太阳矢量角解算的电机方位轴和俯仰轴电机转角作为输入信号，通过控制器驱动音圈电机实现指向控制。图中，G_p为二维指向机构模型，G_c为PID控制器，G_v为内环速度反馈控制器。闭环传递函数为

图8给出图像回路框图，图像回路以焦平面脱靶量作为给定输入，通过控制器驱动电机转动保证焦面的脱靶量收敛到零点，控制结构中假设电机转角到光轴指向的映射关系为线性的，直接通过焦面脱靶量去控制电机转动，减少了计算求解的难度，更容易实现。

精跟踪系统传递函数为

式中，E为电机输入电压，U为输出光轴在焦面的脱靶量，ω为电机轴转角，θ为输出光轴指向

闭环传递函数为

整定参数，调节系统的传递函数特性，使系统稳定；优化参数使系统的性能达到性能指标要求。图9和图10给出了一类图像闭环的系统波特图和阶跃响应曲线。

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。