CN103837982B - 基于光斑质心计算的目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种基于光斑质心计算的目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方法。通过光斑质心算法求解光斑所在成像平面上的质心坐标，利用该路光束倾斜镜的倾斜控制同光斑移动向量之间的定量关系，求解得出该路光束需要进行的倾斜控制量，通过对倾斜镜的控制将光斑质心移动至成像器件靶点。通过对阵列光束的顺次控制，实现目标在回路中各路光束共靶瞄准。不需要对光路进行精确描述和求解，控制方案简便易行。采用的光斑质心作为性能评价函数，简单方便，耗时短，实时性强，且效果明显。在卫星跟踪、定向能技术等领域有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种光束控制方法，尤其是一种基于光斑质心计算的目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方法。
背景技术
光束的倾斜控制对于稳定光束轴向位置十分重要，在天文观测、激光通信、激光雷达、光学系统的跟踪瞄准以及定向能技术等方面具有重要意义。特别在阵列光束合成系统中，通过对光束倾斜控制可实现多光束共靶瞄准。共靶瞄准对于目标在回路中合成光束的相干性控制有着至关重要的影响。目标在回路相干合成中主要采用SPGD算法对倾斜波前进行优化式控制，当远场各单元光斑总有重叠部分时，算法可以对倾斜误差进行较为有效的校正。但是当各单元光束彼此完全分离时，算法的控制效果大大降低，甚至无法校正倾斜误差。因此目标在回路中的阵列光束共靶瞄准控制技术成为了当前亟待解决的问题。目前国外进行目标在回路实验研究的单位有美国陆军试验室、法国航空航天试验室，但其对光束共靶控制的方法并未进行详细描述。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方法。该方法控制策略简单，空间扫描范围广，性能可靠，耗时较短，实时性强。
本发明的技术解决方案是：
基于光斑质心算法和单元光束控制技术，通过对阵列光束中的倾斜镜的闭环控制，实现阵列光束共靶瞄准。
其特点在于：通过单元光束控制技术，对阵列光束逐个打开，通过光斑质心算法求解光斑所在成像平面上的质心坐标，利用该路光束倾斜镜的倾斜控制同光斑移动向量之间的定量关系，可以求解得出该路光束需要进行的倾斜控制量，进而通过对倾斜镜的控制将光斑质心移动至成像器件靶点。通过对阵列光束的顺次控制，可以实现目标在回路中各路光束共靶瞄准。
本发明实现阵列光束共靶瞄准的实现过程如下：
激光器阵列1输出的出射光通过光束控制器阵列2、倾斜镜阵列3后进入望远镜系统4，出射光经过大气传输至靶目标5，经靶目标反射出来的后向散射光再通过大气传输至成像器件6，成像器件将数据送入光斑质心坐标产生器7，光斑质心坐标产生器经过质心算法求解光斑质心相对于成像器件中心的坐标，倾斜镜控制器8根据求解得到的光斑质心相对于成像器件中心的坐标和倾斜镜的倾斜控制同光斑移动向量之间的定量关系，产生相应的控制信号施加到倾斜镜阵列3上，控制倾斜镜将光斑质心移动至成像器件靶点。由于光斑质心越接近成像器件中心，各路光束越接近理想靶点。通过对系统的闭环控制，使得阵列各光斑质心均位于成像器件中心，实现阵列光束共靶瞄准。
所述回路阵列采用的设备包括激光器阵列1、光束控制器阵列2、倾斜镜阵列3、望远镜系统4、靶目标5、成像器件6、光斑质心坐标产生器7、倾斜镜控制器8，其中，光束控制器阵列2位于激光器阵列1之后，倾斜镜阵列3之前；望远镜系统4位于倾斜镜阵列3之后，靶目标5之前；成像器件6位于靶目标5与光斑质心坐标产生器7之间；光斑质心坐标产生器7位于成像器件与倾斜镜控制器8之间；倾斜镜控制器8连接倾斜镜阵列3。
所述激光器阵列1为共靶瞄准的各路激光的激光源构成的阵列，激光器的个数根据实际需求而定。激光器种类不限，可以是气体激光器、半导体激光器、固体激光器、光纤激光器等各种类型激光源；
所述光束控制器阵列2为与激光器数目相同的光束控制器组成，主要用来控制各路激光的发射与关闭；
所述倾斜镜阵列3用来控制激光束波前倾斜，每个倾斜镜都是电压驱动型的可控元件，可以大范围扫描，扩展空间调节范围；
所述的望远镜系统4为准直扩束系统，聚焦位置为靶目标5；
所述的靶目标5为实际应用的瞄准目标，可以是角锥棱镜、平面反射镜、散射目标等各类目标；
所述的成像器件6种类不限，可以是CCD、CMOS相机、红外热像仪等成像器件；
所述的光斑质心坐标产生器7经过相应的计算，获得光斑质心相对于成像器件中心的坐标，其种类不限，可以是计算机、自行设计的数字处理电路等；
所述的倾斜镜控制器8类型不限，可以是计算机、集成电路等能够执行该算法控制的相关设备和器件。
所述倾斜镜控制器8产生控制信号的过程为：
通过利用光束控制器得到每路光束到达成像器件的光斑信息，对于成像器件传送的图像信息，利用光斑质心算法求解得出第i路光束对应的光斑质心坐标如下：
其中为：成像面上某一点的横向坐标，为：该点的纵向坐标，为：该点的光强归一化值，为：成像面横向取样间隔，为：成像面纵向取样间隔，为：第i路光束在成像器件上所成光斑的质心横坐标，为：第i路光束在成像器件上所成光斑的质心纵坐标。
已知成像器件中心位置坐标（x0,y0）,故可得光斑质心移动向量为：
根据大气传输距离为L可以计算得出，第i路光束的倾斜镜x、y方向上的控制量分别为：
其中为：倾斜镜中控制光束横向坐标变化的两压电陶瓷之间的距离，为：倾斜镜中控制光束纵向坐标变化的两压电陶瓷之间的距离，如图3所示。
再根据倾斜镜的制动材料的电压特性，求解得出产生上述控制量所需的电压，将求解得出的电压信号施加在第i路光束的倾斜镜之上，便可将第i路聚焦到靶面中心。同理，可将阵列光束光斑控制在理想靶点，实现阵列光束共靶瞄准。
采用本发明可以达到以下技术效果：
1、本发明提供了一种目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方案，不需要对光路进行精确描述和求解，控制方案简便易行。
2、本发明提供的阵列光束共靶瞄准控制方法，利用倾斜镜对光束偏转进行控制，倾斜镜的扫描带宽很大，可对空间进行有效控制的范围广。
3、本发明提供的阵列光束共靶瞄准控制方法，采用的光斑质心作为性能评价函数，简单方便，耗时短，实时性强，且效果明显。
4、本发明提供的阵列光束共靶瞄准控制方法，空间扫描范围广，实时性强，控制方法简便，能够很好的实现目标在回路中阵列光束的共靶瞄准，在卫星跟踪、定向能技术等领域中有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图，
图2为成像器件上观察到的阵列光束共靶控制示意图，
图3为倾斜镜示意图。
具体实施方式
如图1所示，整个系统包括激光器阵列1、光束控制器阵列2、倾斜镜阵列3、望远镜系统4、靶目标5、成像器件6、光斑质心坐标产生器7、倾斜镜控制器8。激光器阵列1输出的光通过光束控制器阵列2、倾斜镜阵列3后进入望远镜系统4，出射光经过大气传输至靶目标5，经靶目标反射的后向散射光再通过大气传输至成像器件6，成像器件数据送入光斑质心坐标产生器7，斑质心坐标产生器7利用数字图像处理技术，经过质心算法求解光斑质心相对于成像器件中心的坐标，倾斜镜控制器8根据光斑质心坐标和倾斜镜的倾斜控制同光斑移动向量之间的定量关系，产生相应的控制信号施加到倾斜镜阵列3上，控制倾斜镜将光斑质心移动至成像器件靶点。由于光斑质心越接近成像器件中心，各路光束越接近理想靶点。通过对系统的闭环控制，使得阵列各光斑质心均位于成像器件中心，实现阵列光束共靶瞄准。
Claims (6)
1.基于光斑质心计算的目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方法，通过对阵列光束中的倾斜镜的闭环控制，实现阵列光束共靶瞄准，其特征在于,采用光斑质心算法求解光斑所在成像平面上的质心坐标，利用该路光束倾斜镜的倾斜控制同光斑移动向量之间的定量关系，求解得出该路光束需要进行的倾斜控制量，进而对倾斜镜进行控制将光斑质心移动至成像器件靶点,对阵列光束顺次控制，实现目标在回路中各路光束共靶瞄准；
实现过程如下：
激光器阵列（1）输出的出射光通过光束控制器阵列（2）、倾斜镜阵列（3）后进入望远镜系统（4），出射光经过大气传输至靶目标（5），经靶目标反射出来的后向散射光再通过大气传输至成像器件（6），成像器件将数据送入光斑质心坐标产生器（7），光斑质心坐标产生器经过求解光斑质心相对于成像器件中心的坐标，倾斜镜控制器（8）根据求解得到的光斑质心相对于成像器件中心的坐标和倾斜镜的倾斜控制同光斑移动向量之间的定量关系，产生控制信号施加到倾斜镜阵列（3）上，控制倾斜镜将光斑质心移动至成像器件靶点。
2.根据权利要求1所述的基于光斑质心计算的目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方法，其特征在于，所述倾斜镜控制器（8）产生控制信号的过程为：
通过利用光束控制器得到每路光束到达成像器件的光斑信息，对于成像器件传送的图像信息，利用光斑质心算法求解得出第i路光束对应的光斑质心坐标如下：
其中为：成像面上某一点的横坐标，为：该点的纵坐标，为：该点的光强归一化值，为：成像面横向取样间隔，为：成像面纵向取样间隔，为：第i路光束在成像器件上所成光斑的质心横坐标，为：第i路光束在成像器件上所成光斑的质心纵坐标；
已知成像器件中心位置坐标（x0,y0）,得光斑质心移动向量为：
根据大气传输距离为L计算得出，第i路光束的倾斜镜x、y方向上的控制量分别为：
其中为：倾斜镜中控制光束横向坐标变化的两压电陶瓷之间的距离，为：倾斜镜中控制光束纵向坐标变化的两压电陶瓷之间的距离；
再根据倾斜镜的制动材料的电压特性，求解得出产生上述控制量所需的电压，将求解得出的电压信号施加在第i路光束的倾斜镜之上，便将第i路聚焦到靶面中心。
3.根据权利要求1所述的基于光斑质心计算的目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方法，其特征在于，所述回路阵列采用的设备包括激光器阵列（1）、光束控制器阵列（2）、倾斜镜阵列（3）、望远镜系统（4）、靶目标（5）、成像器件（6）、光斑质心坐标产生器（7）、倾斜镜控制器（8），其中，光束控制器阵列（2）位于激光器阵列（1）之后，倾斜镜阵列（3）之前；望远镜系统（4）位于倾斜镜阵列（3）之后，靶目标（5）之前；成像器件（6）位于靶目标（5）与光斑质心坐标产生器（7）之间；光斑质心坐标产生器（7）位于成像器件与倾斜镜控制器（8）之间；倾斜镜控制器（8）连接倾斜镜阵列（3）。
4.根据权利要求1所述的基于光斑质心计算的目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方法，其特征在于，所述光束控制器阵列（2）为与激光器数目相同的光束控制器组成。
5.根据权利要求1所述的基于光斑质心计算的目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方法，其特征在于，所述倾斜镜阵列（3）采用电压驱动型的元件。
6.根据权利要求1所述的基于光斑质心计算的目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方法，其特征在于，所述的望远镜系统（4）为准直扩束系统，聚焦位置为靶目标（5）。
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