光電穩(wěn)定跟蹤平臺跟蹤控制回路性能測試系統(tǒng)

李紅光，姜 旭，石 波，壽少俊，韓 偉，胥青青

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

光電穩(wěn)定跟蹤平臺跟蹤控制回路性能測試系統(tǒng)

李紅光，姜 旭，石 波，壽少俊，韓 偉，胥青青

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

針對光電穩(wěn)定跟蹤平臺跟蹤性能測試?yán)щy的問題，依據(jù)光電產(chǎn)品跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計一套光電平臺跟蹤控制回路性能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)中將運(yùn)動物體放置在平行光管或者凹面反射鏡的焦面處，通過控制物體的運(yùn)動規(guī)律模擬無窮遠(yuǎn)處運(yùn)動目標(biāo)，實現(xiàn)在實驗室內(nèi)對跟蹤角速度、跟蹤角加速度等指標(biāo)的測試。實驗表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測試準(zhǔn)確、方便，測試效率高。

性能測試；自動跟蹤伺服回路；光電穩(wěn)定跟蹤平臺

0 引言

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求武器系統(tǒng)具有打擊高機(jī)動目標(biāo)的能力，作為武器子系統(tǒng)的光電系統(tǒng)需要瞄準(zhǔn)跟蹤這類目標(biāo)。而人工控制光電系統(tǒng)瞄準(zhǔn)高機(jī)動目標(biāo)相對比較困難，尤其是空中目標(biāo)，主要依靠自動跟蹤捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)。因此，跟蹤控制回路的性能必須進(jìn)行各種指標(biāo)的測試。目前，測試跟蹤系統(tǒng)主要有兩種方法[1-2]：（1）利用頻譜儀測試控制回路帶寬或者輸入階躍信號分析輸出信號，這些方式都是從控制學(xué)的角度測試控制回路的性能；（2）在外場試驗中跟蹤遠(yuǎn)處實際的運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行測試，但是該方法需要大量的人力、物力。因此，需設(shè)計一種實驗室內(nèi)測試跟蹤角加速度、平穩(wěn)跟蹤速度等指標(biāo)的測試系統(tǒng)。

本文設(shè)計一種實驗室內(nèi)測試跟蹤控制回路性能指標(biāo)的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用平行光管或者凹面鏡模擬無窮遠(yuǎn)處，在平行光管后端或者凹面鏡前面利用旋轉(zhuǎn)或者移動的靶板模擬遠(yuǎn)處的運(yùn)動目標(biāo)[1，3]，通過控制旋轉(zhuǎn)或者運(yùn)動靶板的運(yùn)動特征，測試出光電穩(wěn)定跟蹤平臺跟蹤回路的跟蹤角加速度、平穩(wěn)跟蹤速度等指標(biāo)。本文首先分析跟蹤控制回路的特點(diǎn)，然后分析測試系統(tǒng)的工作原理，最后根據(jù)實際要求進(jìn)行跟蹤控制回路性能測試系統(tǒng)設(shè)計。

1 光電穩(wěn)定跟蹤平臺跟蹤控制系統(tǒng)

光電穩(wěn)定跟蹤平臺跟蹤系統(tǒng)是一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，主要由視頻自動跟蹤處理器、跟蹤回路控制器和穩(wěn)定回路組成，穩(wěn)定回路包括陀螺、穩(wěn)定回路控制器、被控轉(zhuǎn)臺和電機(jī)等[4]，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。穩(wěn)定控制回路主要隔離載體擾動，保證視頻圖像清晰，是跟蹤回路的基礎(chǔ)。跟蹤回路由視頻跟蹤處理器獲得瞄準(zhǔn)線與目標(biāo)在兩個方向上的像素差，跟蹤回路控制器依據(jù)視場角度信息將像素差值轉(zhuǎn)換為方位俯仰軸向的位置差，并且經(jīng)跟蹤控制算法處理后送給穩(wěn)定回路驅(qū)動光電平臺的瞄準(zhǔn)線瞄準(zhǔn)目標(biāo)。

視頻自動跟蹤處理器每一場圖像間隔20ms，視頻圖像的處理時間需在20ms內(nèi)完成，即處理結(jié)果要延時20ms，因此視頻自動跟蹤處理器直接決定了跟蹤回路的帶寬[5]。

圖1 光電穩(wěn)定跟蹤平臺伺服回路簡化模型

利用頻譜分析儀可以測試出跟蹤控制回路的帶寬、相位裕量等控制學(xué)指標(biāo)[6]，但是實際應(yīng)用中光電穩(wěn)定跟蹤平臺系統(tǒng)能夠跟蹤具有怎樣運(yùn)動特性的目標(biāo)并不明確，只有通過外場試驗對實際運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測試才能獲得，這樣需要大量的資源支持。因此，系統(tǒng)跟蹤角速度和跟蹤角加速度等指標(biāo)需要一套實驗室測試系統(tǒng)。

2 平臺跟蹤控制回路性能測試系統(tǒng)原理

光電穩(wěn)定跟蹤平臺主要的工作狀態(tài)為利用小視場搜索、觀察、瞄準(zhǔn)、鎖定、跟蹤遠(yuǎn)距離目標(biāo)，實驗室內(nèi)由于距離太近小視場無法成像，因此測試系統(tǒng)需要模擬遠(yuǎn)處的目標(biāo)，并且要能控制目標(biāo)的運(yùn)動特性，原理框圖如圖2所示。最左側(cè)為光電觀瞄系統(tǒng)小視場光學(xué)鏡頭組件，中間凸透鏡的焦距為f，A點(diǎn)為凸透鏡的焦點(diǎn)，B點(diǎn)為凸透鏡焦平面上的一點(diǎn)，依據(jù)凸透鏡的光學(xué)原理，當(dāng)目標(biāo)位于A點(diǎn)時，經(jīng)過凸透鏡后轉(zhuǎn)換為平行于凸透鏡軸線的平行光，此時光電觀瞄系統(tǒng)CCD小視場瞄準(zhǔn)線要平行于凸透鏡軸線才能瞄準(zhǔn)凸透鏡后面的A點(diǎn)目標(biāo)。

當(dāng)目標(biāo)位于B點(diǎn)時，如圖3所示，依據(jù)凸透鏡的光學(xué)原理，經(jīng)凸透鏡轉(zhuǎn)化為平行于BO的平行光，BO與凸透鏡軸線的夾角為θ，此時光電觀瞄系統(tǒng)要旋轉(zhuǎn)θ角，使CCD小視場瞄準(zhǔn)線平行于BO才能瞄準(zhǔn)凸透鏡后面的B點(diǎn)目標(biāo)。

圖2 光電平臺跟蹤回路測試系統(tǒng)原理框圖一

圖3 光電平臺跟蹤回路測試系統(tǒng)原理框圖二

假設(shè)A點(diǎn)和B點(diǎn)的距離為h，凸透鏡焦距為f，則如果在A點(diǎn)放置一運(yùn)動的目標(biāo)靶，該目標(biāo)靶以速度ν運(yùn)動，則瞄準(zhǔn)凸透鏡后面的目標(biāo)靶光電觀瞄系統(tǒng)必須轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動角度的正切值為當(dāng)光電觀瞄系統(tǒng)處于自動跟蹤工作模式時，視頻跟蹤器鎖定凸透鏡后面的運(yùn)動目標(biāo)靶，當(dāng)目標(biāo)靶以速度νm運(yùn)動時，此時光電觀瞄系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)時轉(zhuǎn)動的角度[2]為當(dāng)取時間t為單位時間時tgθs=光電觀瞄系統(tǒng)的跟蹤角速度為因此，只要控制目標(biāo)靶運(yùn)動速度νm的大小，就可以測試出光電觀瞄系統(tǒng)的平穩(wěn)跟蹤角速度，包括最小平穩(wěn)跟蹤角速度和最大平穩(wěn)跟蹤角速度等指標(biāo)。

假設(shè)目標(biāo)點(diǎn)以凸透鏡的焦點(diǎn)A為圓心，在凸透鏡的焦平面內(nèi)，做半徑為R的圓周運(yùn)動，運(yùn)動周期為T，運(yùn)動角速度如圖4所示。

圖4 目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡示意圖

此時，以A點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，則目標(biāo)點(diǎn)B的坐標(biāo)方程為

則B點(diǎn)在兩個坐標(biāo)軸上的運(yùn)動速度方程為

因此，依據(jù)上面的結(jié)論，此時光電觀瞄系統(tǒng)的跟蹤角速度方程為

對式（3）等式的兩側(cè)求正切后再對時間t求導(dǎo)，得到光電觀瞄系統(tǒng)的跟蹤角加速度方程為

因此依據(jù)上述公式，當(dāng)目標(biāo)勻速做圓周運(yùn)動時，運(yùn)動周期T一定時，可以求出光電觀瞄系統(tǒng)的最大跟蹤角速度為

光電觀瞄系統(tǒng)兩個軸向的最大角加速度大小一致，只是達(dá)到最大值的時刻不同，這樣就可以測試出光電觀瞄系統(tǒng)的最大跟蹤角加速度。

3 平臺跟蹤回路性能測試系統(tǒng)設(shè)計及實驗

光電觀瞄系統(tǒng)是多頻譜的觀察、瞄準(zhǔn)、跟蹤系統(tǒng)，傳感器組包括可見光、激光等，普通的平行光管前端凸透鏡一般無法通過所有頻段的光，因此實際設(shè)計中選用大尺寸凹面鏡代替平行光管，如圖5所示。

圖5 光電平臺跟蹤回路測試系統(tǒng)示意圖

圖5中最右側(cè)為凹面反射鏡，在其軸線上焦點(diǎn)處放置一面小反射鏡，其法線與凹面反射鏡軸線的夾角為45°，目標(biāo)靶面放置在另一側(cè)與法線夾角為45°的位置，光電觀瞄系統(tǒng)位于最左側(cè)，且瞄準(zhǔn)線平行于凹面鏡的軸線。示意圖中紅色虛線表示整個設(shè)備的外殼，起到隔離雜光和支撐的作用，運(yùn)動靶先通過平面反射鏡進(jìn)行反射，然后再經(jīng)過凹面反射鏡反射后轉(zhuǎn)換為平行光進(jìn)入光電成像系統(tǒng)后成像。

運(yùn)動靶包括兩種，一種是直線運(yùn)動靶裝置，測試光電觀瞄系統(tǒng)的跟蹤速度指標(biāo)；另一種是圓形靶裝置，測試光電觀瞄系統(tǒng)的跟蹤加速度指標(biāo)。直線運(yùn)動靶裝置包括運(yùn)動控制板和運(yùn)動裝置，如圖6所示。運(yùn)動裝置的軌道一端安裝帶有減速齒輪組的高速電機(jī)，另一側(cè)安裝有傳動軸承，運(yùn)動軌道上安裝有滾動輪，在該滾動輪中心軸上固定十字靶。電機(jī)旋轉(zhuǎn)通過電機(jī)軸上的動力輪帶動鋼帶運(yùn)動，鋼帶通過傳動輪后兩端固定在十字靶的兩端，在運(yùn)動軌道的兩端安裝有換向開關(guān)，當(dāng)十字靶運(yùn)動到該位置時，換向開關(guān)把換向信號傳給控制電路，改變高速電機(jī)的運(yùn)動方向，控制電路改變高速電機(jī)兩端的電壓控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制十字靶的速度。

圖6 直線靶結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)測試時，將運(yùn)動靶放置在測試系統(tǒng)靶位的中心位置。假設(shè)地面目標(biāo)以時速70km/h移動，距離光電產(chǎn)品1km，如圖7所示。此時的目標(biāo)每秒種運(yùn)動19.444 4 m，光電轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)動角度為θ，由于該等腰三角形的一邊遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外兩個邊，因此即運(yùn)動角的正切值近似等于運(yùn)動距離與目標(biāo)距離的比值。設(shè)此時的運(yùn)動角速度為ω，則此時目標(biāo)移動的角速度ω為1.114°/s，該速度為實際系統(tǒng)要求的最大跟蹤角速度，最小跟蹤角速度為0.02°/s，焦距為1.6m。依據(jù)公式當(dāng)測試最大跟蹤角速度時運(yùn)動十字靶的運(yùn)動速度為0.0311m/s，測試最小跟蹤角速度時十字靶運(yùn)動速度為0.5585mm/s。

圖7 光電產(chǎn)品跟蹤角速度示意圖

圓形靶裝置主要由高速電機(jī)和運(yùn)動盤組成，如圖8所示，高速電機(jī)安裝在支架上，運(yùn)動盤中心安裝

在高速電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸上，其半徑小于測試系統(tǒng)中靶面開孔的半徑，運(yùn)動盤最外側(cè)某位置放置一發(fā)光二極管、打碼開關(guān)和紐扣電池，打碼開關(guān)控制二極管是否工作，通過串聯(lián)一定阻值的電阻控制二極管的亮度。

系統(tǒng)測試時將該裝置放置在靶面中心位置，利用可調(diào)穩(wěn)壓電壓控制高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)要求的最大跟蹤角加速度為30°/s2，依據(jù)式（5）計算此時運(yùn)動盤的運(yùn)動周期為4.6s。如果光電平臺能夠穩(wěn)定的跟蹤目標(biāo)點(diǎn)，則說明系統(tǒng)滿足最大跟蹤角加速度為30°/s2的指標(biāo)要求。

圖8 圓形靶結(jié)構(gòu)示意圖

無論光電系統(tǒng)的跟蹤角速度測試還是跟蹤角加速度測試，都需要將測試時小視場CCD的視頻記錄下來，然后通過單幀視頻播放分析跟蹤目標(biāo)和光軸十字之間的像素誤差x[7-9]，得到跟蹤誤差值的σ值。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的跟蹤控制回路性能指標(biāo)的測試系統(tǒng)利用凹面反射鏡模擬無窮遠(yuǎn)處，在凹面反射鏡焦平面位置放置平面反射鏡，平面反射鏡的另一側(cè)利用旋轉(zhuǎn)或者移動靶板模擬遠(yuǎn)處的運(yùn)動目標(biāo)，通過控制旋轉(zhuǎn)或者運(yùn)動靶板的運(yùn)動特征完成測試。通過實際測試表明，該系統(tǒng)可以在實驗室內(nèi)完成對光電穩(wěn)定跟蹤平臺跟蹤回路的跟蹤角加速度、平穩(wěn)跟蹤速度等指標(biāo)的測試，測試精度高，測試過程簡單，易于操作，提高了產(chǎn)品自動跟蹤回路的調(diào)試和測試效率，避免了試驗外場對光電觀瞄系統(tǒng)跟蹤回路性能進(jìn)行測試工作，提高了工作效率。

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Testing system for control loop tracked by photoelectric stabilization and tracking platform

LI Hong-guang，JIANG Xu，SHI Bo，SHOU Shao-jun，HAN Wei，XU Qing-qing
（Xi’an Institue of Applied Optics，Xi’an 710065，China）

Aiming at the problem that it is difficult to test the track performance of photoelectric stabilization and tracking platform，the authors designed a testing system to test the performance ofcontrolloop track ofphotoelectric stabilization and tracking platform according to the characteristic of photoelectricity tracking system.In this system，the moving object is placed on the focus of parallel light pipe or concave reflector，and be controlled by moving rule to simulate moving target infinitude far.The system can test performances such as tracking angle velocity and tracking angle acceleration.The experimentalresultsindicate thistesting system issimple，efficient，and convenient.

performance testing;servo loop of automatic track;photoelectric stabilization and tracking platform

O212.6；TP872；TP752.2；TP273

：A

：1674-5124（2014）01-0133-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.033

2013-01-16；

：2013-03-19

李紅光（1983-），男，山東巨野縣人，博士研究生，主要從事光電觀瞄系統(tǒng)和先進(jìn)伺服控制等技術(shù)的研究。