CN104122900A - 一种基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统，可以实现对快速运动目标的高精度跟踪，该装置包括旋转双棱镜跟踪控制装置、成像组件、快速反射镜跟踪装置和探测器，该系统通过控制旋转双棱镜实现运动目标的快速跟踪，目标进入成像组件后被成像到探测器上，根据目标在探测器上的脱靶量控制快速反射镜偏转，将目标稳定闭环到探测中心，从而实现对快速运动目标的高精度跟踪。

Description

一种基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统

技术领域

本发明属于光电跟踪领域，涉及一种光电跟踪装置与控制方法，具体涉及一种基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统。

背景技术

旋转双棱镜结构既适用于激光束的扫描，也可用于快速目标的跟踪。旋转双棱镜结构(Risley棱镜)通过旋转共轴的两个楔形棱镜达到控制光束偏转的目的，具有结构紧凑、转动惯量低、响应迅速的特点。在已有专利(参见云茂金、祖继峰等的专利：CN1256609C与专利：CN2655268)中提出采用该结构进行光束扫描，对基于旋转双棱镜的扫描装置和扫描算法进行了研究，杜俊峰等的快速反射镜专利(CN101482643B)提供一种在小角度范围快速跟踪目标的装置，但其跟踪区域非常小。

一些跟踪应用中要求跟踪机构能够在一定范围内实现目标的全场跟踪，但实际的旋转双棱镜系统难以避免地存在指向盲区。理论上，只有当两棱镜的顶角、折射系数完全相同且理想装调时，组建的系统才可实现目标跟踪的全场覆盖。而在实际系统中，棱镜的结构参数、折射系数不可避免地与标称值或理论值存在偏差，并且当系统工作在变化的气候条件下时，棱镜参数也将随之改变而产生误差，同时棱镜系统装配时，棱镜、旋转轴倾斜将导致对准误差；由于这些加工误差、装配误差及热学性能变化等因素的影响，两棱镜的光束偏转角难以完全抵消，经过棱镜偏折后的出射光束不能指向系统中心轴附近的空间区域，即产生指向盲区，如图1所示。盲区大小取决于棱镜的加工精度和装调精度，中心轴附近的指向盲区范围可达几到几百微弧度。旋转双棱镜装置在跟踪大角度范围内的目标时，其跟踪精度受到位置传感器精度等的限制，其精度往往在毫弧度量级，很难达到微弧度，甚至亚微弧度量级。

目前文献中有用三个旋转棱镜解决跟踪盲区的问题，但三棱镜跟踪装置中每一个棱镜旋转角度的解有无穷多个，控制系统非常复杂，并且跟踪精度也非常有限，跟踪精度约0.1毫弧度，很难达到微弧度量级。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，解决旋转双棱镜用于全视场区域内快速目标高精度跟踪的技术问题，提供一种可以用于快速目标高精度跟踪的方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统，其特征在于：由旋转双棱镜组件、成像组、快速反射镜跟踪装置、探测器和控制器组成；旋转双棱镜组件包括第一棱镜、第二棱镜、第一电机和第二电机；其中，旋转双棱镜实现对运动目标的第一级跟踪，快速反射镜跟踪装置实现对目标的第二级跟踪。

进一步的，旋转双棱镜实现对运动目标的粗跟踪，快速反射镜跟踪装置实现对目标的精密跟踪。

进一步的，所述的旋转双棱镜的复合轴跟踪系统，其跟踪工作流程包括以下步骤：

步骤1)、判断目标是否处于棱镜工作盲区，在工作盲区，则执行第4步，不在工作盲区，则执行第2步；

步骤2)、根据目标引导数据、第一棱镜的方位角θ₁和第二棱镜的方位角度θ₂由控制器计算第一棱镜和第二棱镜的转角Δθ₁，Δθ₂；

步骤3)、控制器根据第一棱镜和第二棱镜的转角Δθ₁、Δθ₂计算第一电机和第二电机的控制量V₁，V₂使得第一棱镜和第二棱镜分别转动Δθ₁和Δθ₂，将目标光线偏折到成像组的视场中心区域；

步骤4)、成像组将目标光线成像探测器上，控制器计算目标的脱靶量Δx和Δy；

步骤5)、控制器利用目标的脱靶量Δx和Δy计算出快速反射镜跟踪装置的控制量V_x、V_y；

步骤6)、快速反射镜跟踪装置根据其控制量V_x、V_y将目标稳定闭环到探测器的视场中心，从而实现对目标的高精度闭环跟踪。

进一步的，目标引导数据包括方位角和俯仰角。

本发明原理在于：

系统组成框图如图2所示，首先组成复合轴跟踪系统的主要部件有旋转双棱镜组件(包括棱镜1、棱镜2、电机3和电机4等)、成像组5、快速反射镜跟踪装置6、探测器7和控制器8。旋转双棱镜实现对运动目标的第一级粗跟踪，快速反射镜跟踪装置实现对目标的第二级精密跟踪。图3中最大区域是旋转双棱镜的跟踪范围(±10°～±80°)，中心绿色区域是其跟踪盲区，在此区域内，旋转双棱镜无法跟踪目标；中心白色区域是探测器7探测范围，同时也是快速反射镜跟踪装置6的跟踪范围，白色区域完全覆盖绿色区域。

完成目标的高精度跟踪过程如下：

1)判断目标位置是否在旋转双棱镜盲区外，如果在盲区外执行第2步，如果在盲区内执行第5步；

2)由目标的方位角Θ_t和俯仰角Φ_t，计算使目标成像在探测器的视场中心附近时两个棱镜(棱镜1、棱镜2)所需要的旋转角度Δθ₁、Δθ₂；

3)控制器驱动两个电机(电机3、电机4)将两个棱镜分别旋转到所需的位置，将目标初步引导到探测器的视场中心附近；

4)根据探测器上目标的脱靶量控制快速反射镜跟踪装置，将目标稳定闭环到探测器中心；

5)如果目标位置在旋转双棱镜盲区内，旋转双棱镜控制量不变，直接根据目标在探测器上的脱靶量控制快速反射镜跟踪装置，将目标稳定闭环到探测器中心。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)、本发明提出的“基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统”与“传统的框架式跟踪架复合轴跟踪系统”相比，其结构紧凑、体积小、转动惯量低、响应非常迅速，并且控制带宽很高，能实现对运动目标的快速高精度跟踪；

2)、本发明提出的“基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统”与普通的“旋转双棱镜跟踪系统”相比，其跟踪精度很高，并且没有跟踪盲区。

附图说明

图1为棱镜跟踪装置的视场分布示意图；

图2为旋转双棱镜复合轴跟踪系统的组成原理示意图；1为棱镜，2为棱镜，3为电机，4为电机，5为成像组，6为快速反射镜跟踪装置，7为探测器，8为控制器；

图3为旋转双棱镜复合轴跟踪系统的视场分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

首先结合图2介绍基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统。组成该系统的主要部件有棱镜1、棱镜2、电机3、电机4、成像组5、快速反射镜跟踪装置6、探测器7、控制器8。

其中棱镜1和棱镜2相同，都是消色差棱镜(可工作在可见光、中波和长波红外波段)，棱镜1和棱镜2组合后的光线偏折角度范围约±10°～±80°，其盲区约±0.1°～±1.0°。

电机3和电机4为力矩电机，二者的转子分别与第一棱镜和第二棱镜直接相连，可360°连续旋转，具有响应快、刚度高的特点，直接快速驱动棱镜1和棱镜2到指定方位角。

成像组5将棱镜1与棱镜2偏折后的目标光线成像到探测器7，探测器视场较小，约为(±0.2°～±1.5°)，其视场角大于棱镜盲区，探测脱7的靶量用于控制快速反射镜跟踪装置6。快速反射镜跟踪装置6(可参考专利CN101482643B或PI公司相关FSM产品)可提供两维小角度偏转，快速跟踪运动目标，其偏转角度与探测器7的视场相匹配，根据控制器8所给控制量将运动目标闭环到探测器7的视场中心，其闭环精度约0.1～3μrad。

由于探测器本身视场有限(±0.2°～±1.5°)，需要给定目标位置的引导数据后，按以下步骤完成目标的高精度跟踪过程：

1)判断目标是否处于棱镜工作盲区，在工作盲区，则执行第4步，不在工作盲区，则执行第2步；

2)根据目标引导数据(方位角Θ_t和俯仰角Φ_t)、棱镜1的方位角θ₁和棱镜2的方位角度θ₂由控制器8计算棱镜1和棱镜2的转角Δθ₁、Δθ₂；

3)控制器8根据棱镜1和棱镜2的转角Δθ₁、Δθ₂计算电机3和电机4的控制量V₁、V₂，使得棱镜1和棱镜2分别转动Δθ₁和Δθ₂，将目标光线偏折到成像组5的视场中心区域，棱镜组的跟踪精度约5～30″；

4)成像组5将目标光线成像探测器7上，控制器8计算出目标的脱靶量Δx和Δy；

5)控制器8利用目标的脱靶量和计算出快速反射镜跟踪装置6的控制量V_x、V_y；

6)快速反射镜跟踪装置6根据其控制量V_x、V_y将目标稳定闭环到探测器7的视场中心，快速反射镜跟踪装置6的跟踪精度约0.1～3μrad。

总之，基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统利用棱镜跟踪装置和快速反射镜跟踪装置实现了对运动目标的大角度范围高精度跟踪。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (4)

1.一种基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统，其特征在于：由旋转双棱镜组件、成像组(5)、快速反射镜跟踪装置(6)、探测器(7)和控制器(8)组成；旋转双棱镜组件包括第一棱镜(1)、第二棱镜(2)、第一电机(3)和第二电机(4)；其中，旋转双棱镜实现对运动目标的第一级跟踪，快速反射镜跟踪装置实现对目标的第二级跟踪。

2.根据权利要求1所述的基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统，其特征在于：旋转双棱镜实现对运动目标的粗跟踪，快速反射镜跟踪装置实现对目标的精密跟踪。

3.根据权利要求1所述的基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统，其特征在于：其跟踪工作流程包括以下步骤：

步骤1)、判断目标是否处于棱镜工作盲区，在工作盲区，则执行第4步，不在工作盲区，则执行第2步；

步骤2)、根据目标引导数据、第一棱镜(1)的方位角θ₁和第二棱镜(2)的方位角度θ₂由控制器(8)计算第一棱镜(1)和第二棱镜(2)的转角Δθ₁，Δθ₂；

步骤3)、控制器(8)根据第一棱镜(1)和第二棱镜(2)的转角Δθ₁、Δθ₂计算第一电机(3)和第二电机(4)的控制量V₁，V₂使得第一棱镜(1)和第二棱镜(2)分别转动Δθ₁和Δθ₂，将目标光线偏折到成像组(5)的视场中心区域；

步骤4)、成像组(5)将目标光线成像探测器(7)上，控制器(8)计算目标的脱靶量Δx和Δy；

步骤5)、控制器(8)利用目标的脱靶量Δx和Δy计算出快速反射镜跟踪装置(6)的控制量V_x、V_y；

步骤6)、快速反射镜跟踪装置(6)根据其控制量V_x、V_y将目标稳定闭环到探测器(7)的视场中心，从而实现对目标的高精度闭环跟踪。

4.根据权利要求3所述的基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系统，其特征在于：目标引导数据包括方位角和俯仰角。