CN108871374A - 一种提高光电跟踪系统中脱靶量延时测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种提高光电跟踪系统中脱靶量延时测量精度的方法，解决了现有运动相移法要求跟踪机构正弦运动周期大于延时时长的限制，同时提高了脱靶量延时的测量精度。该方法首先将模拟目标置于光电跟踪系统的视场中，调节其位置使光电跟踪系统的相机能清晰成像；然后分别控制光电跟踪系统带动其光学镜头及相机做大幅值低频率和小幅值高频率的正弦运动，采用运动相移法测量这两种参数条件下的脱靶量延时，相应分别记为Tc和Ts，综合得到高精度延时为：Tf+Ts×MOD(Tc,Ts)，其中MOD(Tc,Ts)表示Tc/Ts的模值。本发明利用系统自身配置，无需增加额外软硬件，能显著提高延时测量精度，简单易行，可实施性强。

Description

一种提高光电跟踪系统中脱靶量延时测量精度的方法

技术领域

本发明属于光电跟踪技术领域，涉及光电跟踪系统中脱靶量延时的测量方法。

背景技术

随着光电跟踪技术的不断进步及其应用领域的不断扩展，达成应用目的所需的跟踪精度也越来越高。这在空间光通信、激光武器以及靶场光学测量等应用中的体现尤其明显。

高的跟踪精度离不开对目标运动规律的准确预测，而预测的精度依赖于历史时刻对目标位置的测量精度以及预测时间的精度。脱靶量延时精度对两者均有影响，而且是主要影响因素之一。

典型的光电跟踪系统由跟踪机构、光学镜头、相机及电子学单元组成。工作时，电子学单元驱动跟踪机构运动，带动安装于其上的光学镜头及相机指向不同空间的位置，并从相机获取清晰图像。在光电跟踪系统中，目标的位置可由光学视轴中心位置加偏差量得到。光学视轴中心位置由安装在跟踪机构上的角度传感器给出；位置偏差量可由图像脱靶量、光学参数、相机参数计算得出。通常角度传感器的输出更新率高、实时性好，而图像脱靶量由于相机以及图像处理技术的限制，其输出更新率低、实时性差。这样，使用高更新频率的角度值和低更新频率的脱靶量值合成目标空间位置时存在着数据对正的问题，即总希望用于解算空间位置的角度值和脱靶量值为同一时刻采样数据。

工程中以某时刻角度传感器输出的角度值作为基准，定义收到该时刻对应的图像脱靶量的时间为脱靶量延时。脱靶量延时受到相机曝光时长、脱靶量提取算法、通信传输时间等因素的影响。通常采用时间戳法和运动相移法进行测量。

时间戳法是指在角度和脱靶量数据包里分别附加自身的采样时间，通过比对两者的时间差来确定延时。该种测量方法简单，但需要系统具备统一的授时设备。

运动相移法是指在目标静止条件下使跟踪机构做固定频率的正弦运动，实时收集角度值和脱靶量值，事后比对两者的相位差从而得到脱靶量延时。该方法不需要授时设备，应用广泛，但要求正弦运动的周期大于脱靶量延时，否则由于正弦的周期性将不能得出正确的结果。

采用运动相移法测量脱靶量延时时，希望跟踪机构具有高的位置变化率以利于提高测量精度。高的位置变化率对应于正弦运动的大幅值和高频率。实际系统由于驱动能力限制，通常只能实现大幅值低频率和小幅值高频率的正弦运动。仅采用某一种频率的运动相移法测量脱靶量延时时，同样受前文所述的正弦运动周期须大于延时时长的限制。

发明内容

本发明提出了一种提高光电跟踪系统中脱靶量延时测量精度的方法，解决了现有运动相移法要求跟踪机构正弦运动周期大于延时时长的限制，同时提高了脱靶量延时的测量精度。

本发明的技术方案如下：

该方法包括以下环节：

1)将模拟目标置于光电跟踪系统的视场中，调节其位置使光电跟踪系统的相机能清晰成像，然后将模拟目标在该位置固定；

2)控制光电跟踪系统带动其光学镜头及相机做大幅值低频率的正弦运动，正弦运动的周期Tz大于预估的脱靶量延时值，正弦运动的幅值应保证整个测量过程中模拟目标不出视场；由光电跟踪系统的电子学单元实时记录角度和脱靶量数据，并采用运动相移法测量脱靶量延时，记为Tc；

3)控制光电跟踪系统带动其光学镜头及相机做小幅值高频率的正弦运动，正弦运动的周期小于Tc，记为Ts，正弦运动的幅值不大于环节2)中的幅值；由光电跟踪系统的电子学单元实时记录角度和脱靶量数据，并采用运动相移法测量脱靶量延时，记为Tf；

4)综合得到高精度延时为：Tf+Ts×MOD(Tc,Ts)，其中MOD(Tc,Ts)表示Tc/Ts的模值。

需要说明的是，以上环节2)、环节3)旨在限定这两个环节需要依次进行、而不是限定两者的顺序关系，即：可以先进行环节2)再进行环节3)，也可以先进行环节3)再进行环节2)。

环节1)具体可使用平行光管或者其他等效手段模拟目标。

环节3)中，根据跟踪机构的运动能力，可优先考虑使正弦运动的周期Ts尽可能小，再使运动幅值尽可能大，以使测量数据具有高的位置变化率。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过低频正弦运动大致确定了延时时长，并通过高频正弦运动确定了精细的相移时间。相较于仅采用低频正弦运动相移法提高了测量精度，相较于仅采用高频正弦运动相移法能很容易确定延时跨越过了几个运动周期。

本发明利用系统自身配置，无需增加额外软硬件，能显著提高延时测量精度，简单易行，可实施性强。

附图说明

图1为运动相移法的测量配置图。其中：101——跟踪机构，102——光学镜头；103——相机；104——电子学单元；105——平行光管。

图2为本发明的流程图。

图3为综合得到高精度延时的原理示意图，其中(a)为大幅值低频率的正弦运动相移法测量原理，(b)为小幅值高频率的正弦运动相移法测量原理。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明提出基于运动相移法使跟踪机构分别做大幅值低频率和小幅值高频率运动，并将两者测量结果进行综合，得到更高的延时测量精度。

首先对运动相移法作简要说明：

图1为运动相移法的具体配置情况。其中，跟踪机构101、光学镜头102、相机103和电子学单元104为待测量光电跟踪系统固有的配置。测量前须将待测光电跟踪系统与基座固连，保证其在做正弦运动时不发生整体晃动；将用于目标模拟的平行光管105静置于光学镜头102的视场中，通过调节距离及其他参数使平行光管105中的模拟目标在相机103上清晰成像。测量时通过电子学单元104驱动跟踪机构101做正弦运动，并完成对角度传感器、相机图像的采集，对脱靶量的提取以及实时数据的保存。事后通过比对角度值和脱靶量值即可获得脱靶量延时值。

如图2所示，本发明提高光电跟踪系统脱靶量延时测量精度的方法，包括如下步骤：

S1-使用平行光管或者其他等效手段模拟目标，将其静置于光电跟踪系统的相机视场中，调节位置使之清晰成像；

S2-控制跟踪机构带动光学镜头及相机做大幅值低频率的正弦运动，其正弦运动的周期Tz大于预估的脱靶量延时值，正弦运动的幅值应保证整个测量过程中目标不出相机视场；由电子学单元实时记录角度和脱靶量数据，并采用运动相移法测量脱靶量延时记为Tc；

S3-控制跟踪机构带动光学镜头及相机做小幅值高频率的正弦运动，其正弦运动的周期小于Tc记为Ts(并且根据机构的运动能力尽可能小，即频率尽可能高)，正弦运动的幅值应保证整个测量过程中目标不出相机视场(并且在Ts尽可能小的前提下可使幅值尽可能大)；由电子学单元实时记录角度和脱靶量数据，并采用运动相移法测量脱靶量延时Tf；

需要说明的是，以上步骤S2、S3并无先后顺序要求，即可以先进行大幅值低频率的正弦运动再进行小幅值高频率的正弦运动，也可以先进行小幅值高频率的正弦运动再进行大幅值低频率的正弦运动。

S4-综合得到高精度延时为：Tf+Ts×MOD(Tc,Ts)。其中MOD(Tc,Ts)表示Tc/Ts的模值。

图3为综合得到高精度延时的算法原理示意图。其中，图3(a)为使跟踪机构101做大幅值低频率的正弦运动时，由电子学单元104记录的角度值和解算出的位置偏差量；图3(b)为使跟踪机构101做小幅值高频率的正弦运动时，由电子学单元104记录的角度值和解算出的位置偏差量。使用软件对图3(a)中的两组数据进行拟合插值以及移位处理，得到角度值和位置偏差量相邻两个峰-峰值之间的时间差，即为该模式下的脱靶量延时，记为Tc。图3(b)的处理方法同图3(a)，得到该模式下的脱靶量延时，记为Tf。图3(a)所示的正弦运动(由角度值体现)周期记为Tz。图3(b)所示的正弦运动周期记为Ts。由于系统的脱靶量延时是由系统固有特性决定的，因此跟踪机构101做大幅值低频率和做小幅值高频率的正弦运动时，测量得到的脱靶量延时理论上相等。即Tc、Tf和Ts之间存在关系：Tc≈N×Ts+Tf(N为Tc/Ts的模值)。由于Ts根据系统机构的运动能力尽可能小，使用运动相移法测出的Tf的精度较高，很好地弥补了跟踪机构101做大幅值低频率时辨识出的Tc误差较大的缺陷。综合两次测得的结果，最终计算得出系统的脱靶量延时为：Tf+Ts×MOD(Tc,Ts)，其中：MOD(Tc,Ts)表示Tc/Ts的模值。

Claims (3)

1.一种提高光电跟踪系统中脱靶量延时测量精度的方法，其特征在于，包括以下环节：

1)将模拟目标置于光电跟踪系统的视场中，调节其位置使光电跟踪系统的相机能清晰成像，然后将模拟目标在该位置固定；

2)控制光电跟踪系统带动其光学镜头及相机做大幅值低频率的正弦运动，正弦运动的周期Tz大于预估的脱靶量延时值，正弦运动的幅值应保证整个测量过程中模拟目标不出视场；由光电跟踪系统的电子学单元实时记录角度和脱靶量数据，并采用运动相移法测量脱靶量延时，记为Tc；

3)控制光电跟踪系统带动其光学镜头及相机做小幅值高频率的正弦运动，正弦运动的周期小于Tc，记为Ts，正弦运动的幅值不大于环节2)中的幅值；由光电跟踪系统的电子学单元实时记录角度和脱靶量数据，并采用运动相移法测量脱靶量延时，记为Tf；

4)综合得到高精度延时为：Tf+Ts×MOD(Tc,Ts)，其中MOD(Tc,Ts)表示Tc/Ts的模值。

2.根据权利要求1所述的提高光电跟踪系统中脱靶量延时测量精度的方法，其特征在于：环节1)使用平行光管模拟目标。

3.根据权利要求1所述的提高光电跟踪系统中脱靶量延时测量精度的方法，其特征在于：环节3)中，根据跟踪机构的运动能力，优先考虑使正弦运动的周期Ts尽可能小，再使运动幅值尽可能大，以使测量数据具有高的位置变化率。