CN114625179B - 一种旋转双棱镜快速平滑跟踪目标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转双棱镜快速跟踪目标方法，该方法通过将旋转双棱镜非线性问题近似线性化，减小因非线性带来的对目标跟踪能力的影响。其核心在于将系统对目标闭环跟踪的控制器增益设计为以目标俯仰角为自变量的函数，以克服目标在接近旋转双棱镜系统盲区和最大视场附近时导致的棱镜速率大，跟踪能力下降的问题。本发明旋转双棱镜快速跟踪目标方法能够对目标进行快速平滑闭环跟踪。

Description

一种旋转双棱镜快速平滑跟踪目标方法

技术领域

本发明涉及光电跟踪领域，具体涉及一种旋转双棱镜快速平滑跟踪目标方法。

背景技术

在光电跟踪领域通常采用万向架和快反镜作为目标跟踪的执行机构，万向架机构可进行大角度偏转，适用于对运动范围大的目标进行跟踪，但万向架结构体积大，惯性大、动态响应较差。快反镜响应速度快，跟踪精度高，但偏转角度小，不适用于运动范围较大的目标。

旋转双棱镜通过两个棱镜共轴排列独立旋转，具有结构紧凑、指向精度高、体积小，动态性能强、可实现大口径光束大角度偏转等特点，作为目标跟踪的执行机构相对于传统万向架等机构有一定优势。

传统的目标跟踪执行机构万向架和快反镜，其光束指向与机构偏转角度为线性关系，而旋转双棱镜系统光束指向与棱镜旋转角度之间为非线性关系。在先技术(参见李锦英等专利：CN106802672A)提出了旋转双棱镜用于目标实时跟踪的闭环控制方法，但所提出的方法中并不涉及旋转双棱镜系统因非线性带来的目标跟踪能力下降的问题。

发明内容

本发明针对的应用难题是：旋转双棱镜系统中光束指向与棱镜旋转角度之间有着非线性关系，且在目标位于旋转双棱镜系统盲区和最大视场附近，非线性关系增强，棱镜旋转速率增大，导致系统对目标时跟踪动态响应下降，跟踪能力不足。由于非线性因素的存在，采用传统的闭环控制方法，不能实现对目标的快速平滑跟踪。

本发明产生的实际意义为：通过将传统闭环控制器的增益设计为目标俯仰角的自变量函数，以适应目标位于旋转双棱镜系统不同视场位置带来的非线性影响。当非线性增强棱镜速率增大跟踪误差大时，控制器比例增益增大，加快系统动态响应。当非线性影响小棱镜速率变化不大跟踪误差小时，减小控制器比例增益，保证系统的稳态性能。变增益控制器可以使得旋转双棱镜系统局部线性化，实现对目标的快速平滑跟踪。

本发明采用的技术方案为：一种旋转双棱镜快速平滑跟踪目标方法，具体步骤如下：

步骤1)、旋转双棱镜用于目标跟踪执行机构，对目标跟踪时，根据目标引导方位角Θ、俯仰角Φ，采用一阶近轴近似理论反解得到棱镜旋转角度θ₁和θ₂：

其中，δ₁、δ₂为光束依次通过两棱镜后的折射角度，只与两棱镜的折射率n₁、n₂和顶角α₁、α₂有关：

δ₁＝α₁(n₁-1) (3)

δ₂＝α₂(n₂-1) (4)

步骤2)、电机带动两棱镜旋转角度θ₁和θ₂，目标依次通过两棱镜折射后到达图像探测器上，此时图像探测器上存在脱靶量，将脱靶量送入到控制系统中，作为闭环控制器的输入信息。将控制器的比例增益设计为以目标俯仰角为自变量的函数，比例增益分为俯仰角误差比例增益K_E、方位角误差比例增益K_A：

其中，Φ_max为旋转双棱镜系统的视场最大俯仰角，K₁、K₂为固定常数。

步骤3)、将图像探测器脱靶量分解为俯仰角误差ΔΦ₁、方位角误差ΔΘ₁，俯仰角误差和方位角误差作为比例增益控制器的输入信息，经过比例增益控制器后，得到与原始俯仰角误差ΔΦ₁、原始方位角误差ΔΘ₁成比例关系的俯仰角误差ΔΦ、方位角误差ΔΘ：

步骤4)、将俯仰角误差ΔΦ、方位角误差ΔΘ输入到解耦系统中，通过旋转双棱镜系统解耦算法，根据俯仰角和方位角误差解耦得到两棱镜的补偿旋转角度Δθ₁、Δθ₂：

步骤5)、电机带动两棱镜旋转角度Δθ₁、Δθ₂，目标再次通过两棱镜折射后达到视场中心位置，实现对目标的快速实时平滑闭环跟踪。

本发明与现有技术相比的优点为：

(1)本发明能够实现对目标快速平滑闭环跟踪。

(2)本发明提出的变增益控制器能够使得旋转双棱镜系统非线性问题局部线性化，减小目标跟踪误差。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为目标引导方位角和俯引导俯仰角曲线图，其中，图2(a)为目标引导方位角曲线图，图2(b)为目标引导俯仰角曲线图；

图3为方位角误差比例增益和俯仰角误差比例增益变化曲线图，其中，图3(a)为方位角误差比例增益变化曲线图，图3(b)为俯仰角误差比例增益变化曲线图；

图4为变增益控制与固定增益控制误差对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种旋转双棱镜快速平滑跟踪目标的方法，将旋转双棱镜系统非线性问题局部线性化，增强对目标在旋转双棱镜系统视场盲点和最大俯仰角附近时的跟踪能力，减小跟踪误差，达到在旋转双棱镜的整个视场范围内对目标的快速平滑跟踪。具体为将旋转双棱镜的控制器比例增益设计为以目标俯仰角为自变量的函数，以适应目标在旋转双棱镜系统不同视场位置带来的棱镜旋转速率不同、动态响应能力不同的问题。

参见图1，本发明的一种旋转双棱镜快速平滑跟踪目标方法主要分为以下步骤：

步骤1)、目标引导位置方位角Θ和俯仰角变化参加图2，图2(a)为目标引导方位角变化曲线，图2(b)为目标引导俯仰角变化曲线。根据目标引导位置通过一阶近轴近似理论反解得到棱镜旋转角度θ₁、θ₂：

其中，δ₁、δ₂为光束依次通过两棱镜折射后的偏转角度，根据一阶近轴近似理论，光束通过棱镜后的偏转只与两棱镜的折射率n₁、n₂和顶角α₁、α₂有关：

δ₁＝α₁(n₁-1) (3)

δ₂＝α₂(n₂-1) (4)

本实例中两棱镜顶角都为7.5°，折射率为1.5，旋转双棱镜系统视场范围为0°～7.5°。

步骤2)、电机带动棱镜旋转到角度θ₁、θ₂处，目标通过两棱镜折射后到达图像探测器视场中，此时在探测器上存在目标脱靶量，脱靶量作为控制器输入信息，并将控制器的比例增益设计为以目标引导俯仰角为自变量的函数，具体设计为俯仰角误差比例增益K_E、方位角误差比例增益K_A：

其中，Φ_max为旋转双棱镜系统的视场最大俯仰角，K₁、K₂为固定常数。参见图3，图3(a)为俯仰角误差比例增益K_E、图3(b)方位角误差比例增益K_A的变化曲线图。

步骤3)、将图像探测器上的脱靶量分解为俯仰角误差ΔΦ₁、方位角误差ΔΘ₁，将俯仰角误差和方位角误差作为变增益比例控制器的输入信息，输出结果分别为与原始俯仰角误差ΔΦ₁、原始方位角误差ΔΘ₁成比例关系的俯仰角误差ΔΦ、方位角误差ΔΘ：

步骤4)、将经过变增益比例控制器后的俯仰角误差和方位角误差通过解耦算法，解耦得到棱镜补偿旋转角度度Δθ₁、Δθ₂：

步骤5)、电机再次带动棱镜旋转角度Δθ₁、Δθ₂，目标通过棱镜后到达视场中心位置处，达到对目标的实时快速平滑跟踪。

参见图4为本实例中变增益比例控制器与传统固定增益比例控制器对目标跟踪误差的影响，实验结果表明在目标接近旋转双棱镜系统视场盲区和最大俯仰角附近时，变增益比例控制器的跟踪误差减少至固定增益比例控制器的23％。

Claims (1)

1.一种旋转双棱镜快速平滑跟踪目标方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)、旋转双棱镜系统用于目标跟踪过程中，根据目标引导方位角Θ、俯仰角Φ，通过一阶近轴近似理论方法反解得到棱镜旋转角度，目标通过棱镜折射后到达图像探测器上，此时图像探测器上存在脱靶量，需要根据脱靶量解算出棱镜补偿旋转角度；

步骤2)、在图像闭环中，将图像探测器的脱靶量作为控制器的输入信息，控制器比例增益设计为目标俯仰角的自变量函数，以适应旋转双棱镜系统在跟踪目标时由于目标在不同位置带来的跟踪能力不同的问题，具体分为俯仰角误差比例增益K_E、方位角误差比例增益K_A：

其中，Φ_max为旋转双棱镜系统的最大视场俯仰角，K₁、K₂为固定常数；

步骤3)、将目标脱靶量分解为俯仰角误差ΔΦ₁和方位角误差ΔΘ₁，将俯仰角误差ΔΦ₁和方位角误差ΔΘ₁通过比例增益K_E、K_A后得到与实际俯仰角误差成比例关系的俯仰角误差ΔΦ，与实际方位角成比例关系的方位角误差ΔΘ：

步骤4)、将俯仰角误差ΔΦ、方位角误差ΔΘ传输到解耦系统中，通过解耦算法得到旋转双棱镜系统的补偿旋转角度Δθ₁、Δθ₂：

步骤5)、电机带动棱镜旋转到补偿旋转角度Δθ₁、Δθ₂处，目标再次通过棱镜折射到达视场中心位置，实现对目标的快速平滑跟踪。

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