光電跟蹤儀視頻處理系統(tǒng)頻域特性獲取方法研究

陸培國，劉小強(qiáng)，楊修林，壽少峻，王 虎，梁曉東

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引言

在現(xiàn)代武器控制、靶場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，光電跟蹤儀得到了廣泛應(yīng)用。光電跟蹤儀通過安裝在其跟蹤測(cè)量機(jī)構(gòu)上的光電探測(cè)器（CCD或者熱像儀），獲取目標(biāo)視頻信號(hào)，并輸入給視頻跟蹤器；視頻跟蹤器對(duì)視頻信號(hào)處理解算后獲得目標(biāo)與光軸指向的目指偏差信號(hào)，伺服系統(tǒng)根據(jù)該偏差信號(hào)驅(qū)動(dòng)跟蹤測(cè)量機(jī)構(gòu)，使光軸指向目標(biāo)，完成目標(biāo)跟蹤。本文把對(duì)偏差信號(hào)的采集、解算、傳輸（光電探測(cè)器、視頻跟蹤器、通信）稱為視頻處理系統(tǒng)。圖1為光電跟蹤儀的典型控制系統(tǒng)原理［1-2］。

圖1 光電跟蹤儀典型控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Typical control system schematic diagram of EO tracker

由圖1知光電跟蹤儀控制系統(tǒng)的性能將取決于伺服系統(tǒng)的性能和視頻處理系統(tǒng)的性能。絕大多數(shù)光電跟蹤儀伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在頻域內(nèi)完成的，設(shè)計(jì)過程需要準(zhǔn)確地獲知視頻處理系統(tǒng)的頻域特性參數(shù)，尤其是其相位滯后特性及幅頻特性。

1 視頻處理系統(tǒng)頻域模型及對(duì)跟蹤伺服控制系統(tǒng)性能的影響

理論上視頻處理系統(tǒng)將包括一個(gè)具有有限范圍的比例環(huán)節(jié)Gp（s）＝kv、時(shí)滯環(huán)節(jié)Gτ（s）＝e-τs［3］和采樣保持環(huán)節(jié)，于是視頻處理系統(tǒng)理論數(shù)學(xué)模型可表示為

式中：T為采樣周期（通常是光電探測(cè)器件場(chǎng)頻的倒數(shù)）；kv為視頻處理系統(tǒng)的綜合增益；τ為延遲時(shí)間（為圖像建立、偏差解算、通信傳輸?shù)榷喾N原因形成的滯后時(shí)間）；τ0為跟蹤器采樣保持時(shí)間，一般情況下跟蹤器數(shù)據(jù)刷新頻率的倒數(shù)τ0＝T，該項(xiàng)對(duì)應(yīng)的平均延遲時(shí)間為0.5τ0［4］。

圖2為視頻處理系統(tǒng)理論幅頻特性和相頻特性圖。

圖2 視頻處理系統(tǒng)理論幅頻特性和相頻特性Fig.2 Theoretical amplitude-frequency and phasefrequency characteristics of video processing system

由視頻處理系統(tǒng)的幅相頻特性曲線（圖2）知，理想的視頻處理系統(tǒng)具有如下特性［5］：

1）低通特性。由于幅頻特性幅值隨頻率增大而衰減，說明其是一個(gè)低通濾波器，但與理想低通濾波器不同。頻率為0.434倍ωs處，幅值降為初始值的0.707倍，且截止頻率不止一個(gè)，允許高頻頻譜分量通過，從而造成輸出中存在紋波。

2）相角滯后特性。由視頻處理系統(tǒng)相頻特性可見，其相位滯后與頻率呈線性關(guān)系，隨著頻率的升高，相角滯后加大，滯后角為（0.5τ0＋τ）ω，顯見在時(shí)間上，其輸出比輸入要延遲0.5τ0＋τ。

為了避免視頻處理系統(tǒng)低通特性對(duì)控制特性的影響，要求光電跟蹤系統(tǒng)控制系統(tǒng)的截止頻率遠(yuǎn)小于視頻處理系統(tǒng)的帶寬（0.434ωs），并需要考慮視頻處理系統(tǒng)輸出高頻紋波對(duì)控制系統(tǒng)的影響，另外增益kv作為伺服控制系統(tǒng)的開環(huán)增益的一部分，將影響伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，視頻處理系統(tǒng)的滯后特性，在對(duì)應(yīng)頻率上滯后相位1:1疊加至控制系統(tǒng)，頻率越高影響越嚴(yán)重，該特性將使伺服控制系統(tǒng)相位裕度減小、穩(wěn)定性變差［6-7］。

2 目前視頻處理系統(tǒng)頻域特性獲取方法存在的問題

由上分析可知，在理論上可以對(duì)視頻處理系統(tǒng)的kv和帶寬進(jìn)行估計(jì)，其中kv為靜態(tài)下輸出與輸入的比值，帶寬的計(jì)算以視頻處理系統(tǒng)的采樣頻率為基準(zhǔn)，例如采用場(chǎng)頻率為50Hz的光電探測(cè)器，則視頻處理系統(tǒng)的采樣頻率ωs＝2×π×50 rad／s，采樣保持滯后時(shí)間0.5τ0＝10ms，帶寬fb＝0.434ωs／2π＝21.75Hz。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，視頻處理系統(tǒng)中包含對(duì)視頻處理的算法，視頻處理算法將對(duì)視頻處理器帶寬產(chǎn)生影響，使理論值與實(shí)際值產(chǎn)生偏差［8-9］。

對(duì)τ的估算較為復(fù)雜，τ包含了前端光電探測(cè)器光信號(hào)轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)（光電轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)移、存儲(chǔ)）時(shí)間、視頻跟蹤器單元對(duì)視頻的處理時(shí)間及信號(hào)傳輸時(shí)間等，涉及多個(gè)專業(yè)，估算準(zhǔn)確度較差。時(shí)域測(cè)試方法是通過示波器讀取光電探測(cè)器視頻信號(hào)輸出時(shí)刻與控制系統(tǒng)收到偏差信號(hào)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，該方法其存在一個(gè)明顯缺陷，該測(cè)試時(shí)間中不包含光信號(hào)轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)的時(shí)間。

3 一種視頻處理系統(tǒng)頻域特性測(cè)試方法

時(shí)域測(cè)試方法遇到的主要問題是目標(biāo)初次出現(xiàn)在光電探測(cè)器靶面上的時(shí)刻不能獲得，并無法估計(jì)出視頻處理算法對(duì)帶寬的影響，由傳遞函數(shù)的定義知，上述所有參數(shù)都可以通過目標(biāo)在一定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行正弦運(yùn)動(dòng)，光電探測(cè)器及視頻處理系統(tǒng)對(duì)其實(shí)時(shí)采集，伺服控制系統(tǒng)收到目指偏差的相位和幅值，與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的相位、幅值進(jìn)行比較，從而得到實(shí)測(cè)0.5τ0＋τ、kv、ωb。

該方法在工程實(shí)踐中存在如下問題：需要建立一個(gè)合作目標(biāo)，其本身的正弦運(yùn)動(dòng)能夠使目標(biāo)在光電探測(cè)器靶面上的成像形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，且該正弦波的頻率、幅值、相位能夠?qū)崟r(shí)被采集。很明顯，該法工程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，代價(jià)較大。反過來考慮，是否可以讓光電探測(cè)器靶面運(yùn)動(dòng)而目標(biāo)靜止，且現(xiàn)實(shí)中可操作呢？由運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性決定，該方法原理上是可行的。從可操作性來講，靶面正弦運(yùn)動(dòng)可以通過光電跟蹤儀的正弦運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，而光電跟蹤儀的正弦運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，可見該方法現(xiàn)實(shí)可操作。采用該方法時(shí)，其頻域特性將是目指偏差的幅值、相位與靶面運(yùn)動(dòng)軌跡的幅值與相位的比較。

使用頻響分析儀的視頻處理系統(tǒng)頻域特性方法（可對(duì)兩組正弦波的幅值、相位進(jìn)行比較，并給出結(jié)果）步驟如下。圖3為該測(cè)試方法典型連接圖。

圖3 頻域特性測(cè)試方法設(shè)備典型連接圖Fig.3 Equipment typical connection diagram of frequencydomain characteristics test method

1）設(shè)定靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)。點(diǎn)目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)：可被光電跟蹤儀穩(wěn)定捕獲而不易被周圍環(huán)境干擾，記目指偏差為零時(shí)的光軸位置為β0。

2）連接頻響分析儀。其原則為伺服控制系統(tǒng)能夠通過AD采集頻響分析儀的發(fā)生信號(hào)gen及把實(shí)時(shí)靶面位置信號(hào)和視頻運(yùn)算單元輸出的偏差信號(hào)通過DA分別送入頻響分析儀的ch2和ch1。

3）設(shè)置頻響分析儀，設(shè)置項(xiàng)見表1。

表1 頻響分析儀設(shè)置表Table 1 Setting of frequency response analyzer

頻率分析儀的設(shè)置原則如下：

1）掃頻范圍的極小值fmin≤0.5Hz，fmax≥ωb／2π，fmax同時(shí)不大于速度環(huán)路帶寬；

2）掃頻點(diǎn)數(shù)n適當(dāng)取大一些，一般大于100即可；

3）掃頻幅值A(chǔ)的取值要保證速度環(huán)在頻率分析儀輸出跟蹤掃頻信號(hào)gen時(shí)，靶面在運(yùn)動(dòng)過程中點(diǎn)目標(biāo)不出光電探測(cè)器視場(chǎng)，假設(shè)光電探測(cè)器全視場(chǎng)為κ，為了保證速度環(huán)在跟蹤掃頻信號(hào)gen時(shí)目標(biāo)不脫離視場(chǎng)，光電跟蹤儀位置信號(hào)需在±κ／2范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，假設(shè)運(yùn)動(dòng)頻率為f，則速度信號(hào)為（κ／2sin（2πft））＝κπfcos（2πft），即速度環(huán)跟蹤的幅值為κπf，因?yàn)橄到y(tǒng)需滿足（fmin，fmax）頻率范圍內(nèi)目標(biāo)都不脫離視場(chǎng)，所以跟蹤掃頻信號(hào)gen的幅值需滿足A＜κπfmin；

4）光電跟蹤儀通過控制系統(tǒng)速度環(huán)路跟蹤頻響分析儀輸出gen，驅(qū)動(dòng)靶面在相應(yīng)方向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)讀取光軸該方向上運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)位置β1，把光軸與目標(biāo)指向之間的位置偏差輸出給ch1，靶面的運(yùn)動(dòng)量β1-β0輸出ch2；

5）啟動(dòng)頻響分析儀，記錄頻響分析儀在各掃頻點(diǎn)上輸出的頻率及對(duì)應(yīng)幅、相頻數(shù)據(jù)。

6）數(shù)據(jù)處理。

a）讀取相比起點(diǎn)頻率幅值下降3dB處的頻率點(diǎn)為fb，ωb＝2π×fb；

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)以某型50Hz采樣頻率的CCD器件為光電探測(cè)器，對(duì)視頻進(jìn)行運(yùn)算獲得偏差，偏差經(jīng)過CAN總線發(fā)送給數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)，數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)經(jīng)CPCI總線傳送給伺服控制系統(tǒng)。表2為部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果。

表2 部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果Table 2 Part of measured data and test results

5 結(jié)論

本文分析了視頻處理系統(tǒng)頻域特性理論模型及對(duì)光電跟蹤控制系統(tǒng)的影響，并提供了一種頻域測(cè)試方法，為跟蹤控制系統(tǒng)提供了頻域設(shè)計(jì)參數(shù)。該測(cè)試方法已在幾型光電跟蹤儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看出：

1）實(shí)測(cè)帶寬為19.45Hz，其對(duì)應(yīng)的理論估算帶寬為0.434×50Hz＝21.7Hz，視頻處理系統(tǒng)實(shí)際帶寬略小于理論估計(jì)帶寬。由于理論模型認(rèn)為視頻處理算法為理想算法，僅產(chǎn)生時(shí)間滯后，不影響視頻處理系統(tǒng)帶寬，而在實(shí)際的測(cè)試方法包含了視頻處理算法對(duì)帶寬的影響，所以兩者之間存在一定差異；在光電跟蹤儀設(shè)計(jì)分析中采用實(shí)測(cè)帶寬，光電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)定性等得到提高。

2）以本次測(cè)量為例，由視頻生成過程、采樣保持、運(yùn)算、傳輸?shù)仍斐傻臏髸r(shí)間τ＋0.5τ0＝40.57ms。

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