CN101718998A - 基于二维转镜的星载目标跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维转镜的星载目标跟踪系统及方法，该装置包括二维转镜、成像系统和控制电子学部分，二维转镜可以实现二维指向；控制电子学实现成像驱动、目标识别提取以及二维转镜控制。目标入射光经二维转镜反射进入成像望远镜，由成像探测器实现光电转换，经目标识别位置提取运算获得目标位置信息以控制二维转镜指向目标实现跟踪。本发明结构简单、在对平台产生较小扰动前提下易于实现大口径光学探测与跟踪，可用于空间或空地激光通信终端、量子通信终端实现链路建立，也可应用于空间平台实现对感兴趣目标的跟踪。

Description

基于二维转镜的星载目标跟踪系统及方法

技术领域

本专利涉及光电仪器技术，具体指一种基于二维转镜的星载目标跟踪系统及方法，它可用于空间平台之上实现对感兴趣目标的跟踪。

背景技术

在光电跟踪技术领域，光电跟踪系统主要采用二维转台机构带动望远镜系统实现跟踪，具有跟踪范围广等特点，如日本OICETS卫星光通信计划采用的二维转台机构实现跟踪(参考文献：Takashi Jono，Masahiro Toyoda等人发表的Acquisition，tracking and pointing system of OICETS for free spacelaser communication)。由于其转动部件包括望远镜系统和支撑结构等，转动惯量大。对于空间使用的转台结构跟踪系统转动惯量大，当跟踪速度快时需要采用消角动量措施，系统复杂。对于小角度范围内的目标跟踪系统，转台跟踪方式系统复杂、设计成本高。

发明内容

基于上述问题，本发明提出一种基于二维转镜的空间目标跟踪系统及方法，相对基于转台的跟踪系统，在达到相同大口径光学和相同跟踪速度情况下，本装置产生角动量小。

本发明的装置包括二维转镜1、成像系统2、控制电子学3三部分，二维转镜1和成像系统2固定于底板4之上，两个部件的光轴在同一直线上。控制电子学3连接成像系统2和二维转镜1。二维转镜由平面镜及其支撑1-1、俯仰电机1-2、俯仰测角传感器1-3、俯仰轴系1-4、方位电机1-5、方位测角传感器1-6和方位轴系1-7组成，可以实现二维转动指向。成像系统2包括成像光学望远镜和成像探测器组件，固定于底板4之上。控制电子学3包括成像探测器驱动部分和二维转镜驱动控制部分。本发明工作时目标信号光通过二维转镜1反射进入成像系统2，成像系统2光学部分收集信号光成像于系统探测器之上，控制电子学3驱动成像探测器组件获得目标图像，进一步进行目标识别、位置信息提取，并根据目标位置信息根据一定算法控制二维转镜指向，实现跟踪。本发明可用于空间或空地光通信终端实现链路建立，也可应用于空间平台实现对感兴趣目标的跟踪。

本发明有如下有益效果：

1.本发明采用二维转镜实现跟踪指向，相对于转台实现跟踪的装置在相同光学口径相同跟踪速度情况下产生角动量小。

2.本发明装置相对于转台实现跟踪的装置在相同光学口径相同跟踪速度情况下转动部件质量、惯量小，易于实现高精度控制。

附图说明

图1空间基于二维转镜的目标跟踪装置示意图。

图2二维转镜组成示意图。

图3控制电子学流程图。

图4实施装置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

本发明的空间基于二维转镜的目标跟踪装置如图1所示，二维转镜1和成像系统2固定于底板4之上，两个部件的光轴在同一直线上。控制电子学3连接成像系统2和二维转镜1。如图2所示，二维转镜由平面镜及其支撑1-1、俯仰电机1-2、俯仰测角传感器1-3、俯仰轴系1-4、方位电机1-5、方位测角传感器1-6和方位轴系1-7组成，可以实现二维转动指向。根据二维转镜的转动方向可有三种实施方式，如图1所示，定义竖直方向为X轴，水平方向为Y轴，Z轴与X、Y轴成右手定则关系，二维转镜平面镜平面上与Z轴垂直方向为Q轴。

第一种实施方法是绕X轴和绕Z轴实现二维跟踪，第二种实施方法是绕Y轴和绕Z轴实现二维跟踪，第三种实施方法是绕Q轴和绕Z轴实现二维跟踪。定义二维转镜机械转动角度绕Q轴或X轴或Y轴转动β(方位)，然后绕z轴转动α(俯仰)，光线扫描角度对应为β′(方位)和α′(俯仰)，则绕X轴和绕Z轴时对应角度相互关系为下式表示，

$\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}^{\′}=\arctan \frac{\sin 2\mathrm{\α}}{-\cos \mathrm{\β}\·\cos 2\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\β}}^{\′}=\mathrm{\β}\end{array}$

绕Y轴和绕Z轴时对应角度相互关系为下式表示，

${\mathrm{\α}}^{\′}=\arctan \frac{\sin 2\mathrm{\α}\·{\cos }^2\mathrm{\β}+{\sin }^2\mathrm{\β}}{-\cos \mathrm{\β}\·\cos 2\mathrm{\α}}$

${\mathrm{\β}}^{\′}=\arctan \frac{-\frac{1}{2}\sin 2\mathrm{\β}\·\sin 2\mathrm{\α}+\cos \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\β}}{-\cos \mathrm{\β}\·\cos 2\mathrm{\α}}$

绕Q轴和绕Z轴时对应角度相互关系为下式表示，

${\mathrm{\α}}^{\′}=\arctan \frac{\sin 2\mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\β}+{\cos }^2\mathrm{\α}\·{\sin }^2\mathrm{\β}}{{\cos }^2\mathrm{\α}\·{\sin }^2\mathrm{\β}-\cos \mathrm{\α}}$

${\mathrm{\β}}^{\′}=\arctan \frac{\frac{\sqrt{2}}{2}\sin 2\mathrm{\β}\·{\cos }^2\mathrm{\α}-\frac{\sqrt{2}}{2}\sin 2\mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}}{{\cos }^2\mathrm{\α}\·{\sin }^2\mathrm{\β}-\cos \mathrm{\α}}$

如图1和图4所示是一个具体实施装置三维图，采用绕Y轴和绕Z轴实现二维跟踪结构，转动范围俯仰方位各±15°。平面镜采用长轴为360mm短轴为210mm的椭圆平面镜长轴方向各削去20mm长度以减小惯量，俯仰电机1-2和方位电机1-3采用力矩电机直接驱动，俯仰测角传感器1-3和方位俯仰测角传感器1-6采用双通道感应同步器，测角分辨率小于1角秒，精度达5角秒，用于高精度跟踪，测角传感器一方面作为位置反馈实现转镜的高精度定位指向，另一方面测出角度信息后通过一定算法例如差分算法获得转动速度信息反馈入控制电子学实现速度闭环控制，提高系统定位控制精度。成像系统2包括成像光学望远镜和成像探测器组件，固定于底板4之上。光学望远镜口径200mm，主镜采用卡赛格林光学结构，视场2×2°，焦距为300mm，探测器采用面阵CCD探测器，控制电子学3包括成像探测器驱动部分和二维转镜驱动控制部分。控制电子学3工作流程图如图3所示。控制电子学3驱动成像探测器组件获得目标图像，进一步进行目标识别、位置信息提取，并根据目标位置信息根据一定算法生成二维转镜指向控制命令，并将命令转换成驱动控制信号输入二维转镜执行电机。二维转镜指向控制可采用电流环、速度环、位置环三闭环控制实现高精度跟踪，电流信息由电子学采集电机相电流获得，速度信息由位置传感器输出角度信息后根据一定算法例如差分算法获得，位置信息由电子学根据成像目标图像分析处理获得。

Claims (2)

1.一种基于二维转镜的星载目标跟踪系统，包括二维转镜(1)、成像系统(2)和控制电子学部分(3)，其特征在于：

所述的二维转镜(1)由平面镜及其支撑(1-1)、俯仰电机(1-2)、俯仰测角传感器(1-3)、俯仰轴系(1-4)、方位电机(1-5)、方位测角传感器(1-6)和方位轴系(1-7)组成，可以实现二维转动指向；

所述的平面镜及其支撑(1-1)用于将目标入射光反射进入成像系统(2)，并可以被控制指向；

所述的俯仰电机(1-2)和方位电机(1-5)可以驱动轴系带动平面镜转动，实现对平面镜的指向控制；

所述的俯仰测角传感器(1-3)和方位测角传感器(1-6)采用双通道感应同步器，可以获得转轴的位置，用于实现对转镜指向的位置闭环反馈；

所说的成像系统(2)包括成像光学望远镜和成像探测器组件；

所说的控制电子学(3)包括成像探测器驱动部分和二维转镜驱动控制部分。

2.一种如权利要求1所述的目标跟踪系统的目标跟踪方法，其特征在于：所述的二维转镜(1)有三种跟踪方法，第一种方法是二维转镜(1)绕X轴和绕Z轴实现二维跟踪，第二种方法是二维转镜(1)绕Y轴和绕Z轴实现二维跟踪，第三种方法是二维转镜(1)绕Q轴和绕Z轴实现二维跟踪，其中竖直方向为X轴，水平方向为Y轴，Z轴与X、Y轴成右手定则关系，二维转镜(1)平面镜初始位置平面上与Z轴垂直方向为Q轴。

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