一种光电跟踪系统在目标逼近过程中避免像移的方法与流程

本发明属于光电跟踪系统控制领域，具体涉及一种光电跟踪系统在目标逼近过程中减小像移的方法。

背景技术：

像移是指目标像点在相机焦平面上发生相对运动，是一种经常出现在空间相机、航空相机、武器观瞄系统等基于运动载体的光电系统成像过程中的物理现象，会产生拖尾、目标边缘模糊、灰度不真实等问题，降低成像质量。为提高成像质量，科研人员针对不同的应用场景采取了不同的像移补偿方法。李永昌等人针对空间遥感相机，采取了调整相机测摆的方式来抵消卫星运动带来的像移《宽视场遥感相机像移速度模型及补偿策略》，武汉大学学报，2018,43(8):1278-1286.)，付金宝、李开瑞等人针对航空相机采用角反射镜摆动控制系统补偿像移(付金宝等，《基于摩擦前馈的航空相机像移补偿复合控制》，电子测量与仪器学报，2014,06；李开瑞等，《基于图像分析的航空相机像移补偿机构检测方法研究》，光学与光电子技术，2015,05.)张庆生等人针对低空高射武器观瞄系统中的图像抖动问题，采取用与当前图像中目标模板最接近的前一帧图像区域代替当前图像对应区域的方法，对图像进行稳定。(张庆生等，《低空高射武器观瞄系统的图像稳定技术》，光学技术，2002,03)除此之外，还有机械式像移补偿法，集成像移补偿法、数字式像移补偿法(张玉欣等，《像移补偿技术的发展与展望》，中国光学与应用光学，2010,02.)。

光电跟踪系统作为一种高精度的跟踪观测设备，广泛应用于科学研究、航空航天、精密测量等领域。在光电跟踪系统的目标跟踪过程中，相机采集目标图像信息，提取脱靶量发送给位置环控制器，进而控制机架运动，使机架视轴跟随目标视线，最终二者趋于一致。从目标进入光电跟踪系统视场，到目标脱靶量为零，这一过程被称为目标逼近过程。光电跟踪系统在目标逼近过程中，如果机架与目标相对速度过大，也会产生像移现象。原有的光电跟踪系统中，为限制机架视轴与目标视线的相对角速度，通常采用限定位置环控制器输入信号步长的方法，即规定一个固定的步长step，将目标脱靶量δθ小于step时，直接将脱靶量δθ送入位置环控制器，当脱靶量大于step时，将step送入位置环控制器。

本发明提出的光电跟踪系统在目标逼近过程中避免像移的方法是设计一个最优步长像移控制器，实时计算当前时刻最优步长step(t)，将目标脱靶量δθ小于step(t)时，直接将脱靶量δθ送入位置环控制器，当脱靶量大于step(t)时，将step(t)送入位置环控制器。目前公开发表的减小像移的文献中，尚无类似的方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：光电跟踪系统在目标逼近过程中，如果机架与目标相对速度过大，在相机曝光时间内，目标像点在相机焦平面上移动距离较大，降低成像质量，进而影响脱靶量信息的提取。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：设计一个可变步长像移控制器，实时计算位置环控制器输入量的当前时刻最优步长step(t)，当目标脱靶量δθ小于step(t)时，直接将脱靶量δθ送入位置环控制器，当脱靶量大于step(t)时，将step(t)送入位置环控制器。通过调节位置环控制器的输入限制机架视轴与目标视线的相对运动速度，进而减小相机曝光时间内目标像点在相机焦平面上移动的距离，减小像移，提高成像质量。

本发明所采用的控制系统框架如附图1所示：θt为目标视轴角位置，θ为当前机架视轴角位置，δθ为ccd相机检测到的脱靶量，cim为像移控制器，δθp为位置环给定，cp为位置环控制器，ωt为速度环给定，cv为速度环控制器，gv为速度环被控对象，ω为当前机架速度。

本发明一种光电跟踪系统在目标逼近过程中避免像移的方法，采用如下步骤实现：

步骤(1)、在光电跟踪系统控制框架中位置环控制器前面增加一个最优步长像移控制器；

步骤(2)、设m为光电跟踪系统允许的目标在相机焦平面成像位置最大帧间像素差，ts为相机的采样周期，|gp(t)|为位置环控制器当前增益，像移控制器计算当前时刻最优步长

步骤(3)、像移控制器按照当前最优步长step(t)限制位置环控制器输入δθp(t)：目标脱靶量δθ小于step(t)时，直接将脱靶量送入位置环控制器，即δθp(t)＝δθ；当脱靶量大于step(t)时，将step(t)送入位置环控制器，即δθp(t)＝step(t)。

本发明实现原理：目标逼近过程如图2所示，位置环控制器根据当前时刻目标脱靶量调整机架位置，使目标脱靶量δθ减小到0。在这一过程中，设δθ在图像x轴和y轴方向的分量分别为δθx_o、δθy_o，δθx(δts)、δθy(δts)为目标每个采样周期在图像x轴和y轴方向移动的距离，如果δθx(δts)、δθy(δts)不超过固定步长m，则目标的像移在容许范围内，不影响成像质量；否则，目标的像移超出容许范围，会降低成像质量，进而影响目标脱靶量的提取。本发明在系统控制框图中位置环控制器的前面增加一个像移控制器，保证目标在曝光时间内的像移不超过m个像素，即:

为保证公式(1)的实现，首先由控制器输入δθp到ccd相机采集到的目标脱靶量δθ开环传递函数gp_open为：

上式中，e^-τs为ccd采样延迟。实际系统中，速度环带宽远高于位置环增益，所以在位置环的工作带宽内，速度环可以等效为一个增益为1的放大器，因此公式(2)可以简化为：

输入δθp的阶跃响应δθi(t)为：

上式中l^-1表示拉式逆变换。

设位置环采样周期为ts，ccd曝光周期也为ts，确保图像清晰的条件为曝光时间内像移不超过m个像素：

|δθi(nts)-δθi[(n-1)ts]|≤δ(nts)m,(i＝x,y)(5)

变换为复频域即：

为保证在图像清晰的情况下，目标尽快的接近图像中心，设计像移控制器cim使δθp(s)＝cim[δθ(s)]：

回到时域，将函数δθp(t)＝cim[δθ(t)]设计为一个限幅函数，其限幅值为step，表达式为：

根据上式，|δθ(t)|＞step时(6)式可以变为：

实际系统中，为保证位置环的相位裕度，控制器采用惯性环节代替积分环节：

所以开环状态下，cp在幅值为step的阶跃响应为速度环给定ωt：

机架的角速度ωt随时间变化的曲线如附图3所示，可以看出，即使位置环给定为幅值固定的阶跃信号，ωt仍然会随时间t增长，其下限为step·kp，上限为step大小与像移的关系如图4所示。如果step＞m/tskp，则无论如何不能避免像移问题；如果是否存在像移问题是随时间变化的；如果则可以避免像移问题，但是响应会非常慢。实际系统中，考虑响应的快速性要求，step的设置会尽量大。为保证ωt(t)≤m/ts，设计时变最优步长step(t)应使：

上式中|gp(t)|为位置环实时增益，表达式为

像移控制器的实现采用先求取当前时刻最优步长step(t)，再按照最优步长限制计算位置环控制器输入δθp(t)的顺序进行，其具体实现的程序框架如附图5所示。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明提出的方法针对光电跟踪系统在目标逼近过程中的像移现象，而以往的像移控制方法只针对运动载体相机的像移现象。

2、本发明提出的方法根据位置环控制器的实时增益调整其输入信号的限定步长，可以实现步长的最优化，最大限度的实现快速性和最小像移的要求。

附图说明

图1为光电跟踪系统控制框架示意图；

图2为目标逼近过程示意图；

图3为位置环控制器cp输入幅值为step的阶跃信号时，输出ωt变化；

图4为step的大小与像移的关系示意图；

图5为最优步长像移控制器程序流程图；

图6为本发明实施例中目标逼近过程仿真实验结果。

具体实施方式

以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

某型光电跟踪系统的位置环控制器采样周期ts＝0.02s，保证图像清晰的最小像移为m＝3pix。可以分解出kp＝12、ki＝29.4、a＝0.04。分别采用不含像移控制器、最优步长像移控制器、以及固定步长像移控制器这三种控制结构，对比目标逼近过程中的阶跃响应，其中固定步长像移控制器的表达式如下：

本发明提出的方法按如下步骤实施：

步骤(1)、在光电跟踪系统控制框架中位置环控制器前面增加一个最优步长像移控制器；

步骤(2)、最优步长像移控制器计算当前时刻最优步长

步骤(3)、像移控制器按照当前最优步长step(t)限制位置环控制器输入δθp(t)：

针对幅值为128pixl(像素值)的阶跃信号，仿真实验结果如附图6所示，无像移控制器的系统首次到达给定的时间为0.18秒，超调11％，脱靶量最大帧间差31pixl，显然像移现象比较严重。采用最优步长像移控制器的系统首次到达给定的时间为0.84秒，超调7％，脱靶量最大帧间差3pixl，像移在控制范围内。采用固定步长像移控制器的系统首次到达给定的时间为0.98秒，超调19.5％，脱靶量最大帧间差4pixl，存在轻度像移现象。

实验结果表明：本发明提出的光电跟踪系统在目标逼近过程中避免像移的方法，可以在保证像移在指定范围内的情况下，快速性良好，而且超调也比其他两种方法低。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。