CN111123991B

CN111123991B - 一种基于双光楔红外成像的光轴控制方法

Info

Publication number: CN111123991B
Application number: CN201911230141.1A
Authority: CN
Inventors: 张巍巍; 印剑飞; 武宏程; 陈光山; 仇荣生
Original assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2039-12-04
Also published as: CN111123991A

Abstract

本发明一种双光楔红外成像的光轴控制方法，步骤如下：S1当光线进入光楔时光线发生折射，设入射光线和出射光线之间形成的夹角为δ；S2定义双光楔机构坐标系为虚拟滚仰坐标系；将两个光楔的同向运动产生的效果等效于滚转运动，两个光楔的相对运动产生的效果等效于俯仰运动；S3通过坐标转换，将载机雷达测得的目标坐标或探测器测得的目标失调角坐标变换到双光楔虚拟滚仰系中；S4在双光楔结构位标器中，通过控制两光楔的滚转运动实现光轴的位置控制；由虚拟滚仰系下的坐标指令，进一步转换为两个光楔的滚转指令；S5由DSP实时解算控制器，输出控制量控制电机带动光楔旋转，由码盘实时测得滚转光楔机构的位置信息进行反馈，形成闭环回路。

Description

一种基于双光楔红外成像的光轴控制方法

技术领域

本发明涉及基于双光楔红外成像的光轴控制方法。双光楔系统具有结构简单、偏转角度大等特点。利用双光楔结构控制系统光轴指向。

背景技术

针对未来空战中强环境适应性、强对抗作战任务对导引头提出的高性能需求，需开展双模复合制导总体技术的研究。利用基于小型光楔扫描技术等，突破小型复合导引头技术，开展新一代导弹研究，提高我空军作战能力，适应未来空战，满足未来复杂战场环境下的强对抗作战要求。未来作战的主要模式将是四代机对四代机，为保证在四代机有限的弹舱内装备足够多的武器，导弹需采用小型化设计。双光楔结构的位标器设计，可以大大减小导引头尺寸，且结构简单，控制灵活，偏转角度足够大，可满足小型化设计需求。

目前常用的位标器结构主要有双框架结构、滚仰式结构等，光学系统随框架一起运动。这种结构的位标器重量偏大，很难实现小型化设计。

双光楔扫描技术广泛应用于激光扫描工作体制中，技术成熟，但是较少应用于红外成像系统的光轴控制中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双光楔红外成像的光轴控制方法，能够利用简单的结构及经典控制方法实现导引头光轴的精确控制。

本发明的技术方案是：一种基于双光楔红外成像的光轴控制方法，包括以下步骤：

S1：当光线进入光楔时光线发生折射，设入射光线和出射光线之间形成的夹角为δ；

S2：定义双光楔机构坐标系为虚拟滚仰坐标系；将两个光楔，即光楔Y和光楔Z的同向运动产生的效果等效于滚转运动，两个光楔的相对运动产生的效果等效于俯仰运动；

S3：通过坐标转换，将载机雷达测得的目标坐标或探测器测得的目标失调角坐标变换到双光楔虚拟滚仰系中，作为指令，控制双光楔旋转将光轴指向目标；

S4：在双光楔结构位标器中，通过控制两光楔的滚转运动实现光轴的位置控制；由虚拟滚仰系下的坐标指令，进一步转换为两个光楔的滚转指令；

S5：根据上述步骤解算出的控制指令，由DSP实时解算控制器，输出控制量控制电机带动光楔旋转，由码盘实时测得滚转光楔机构的位置信息进行反馈，形成闭环回路，最终实现光轴的位置控制。

所述步骤(3)中的转换公式为：

式中：α——弹体系下的偏航角；

β——弹体系下的俯仰角；

θ1——虚拟滚仰系下的俯仰角；

γ1——虚拟滚仰系下的滚转角。

所述步骤(4)中的转换公式如下：

p1、p2——两路光楔的滚转指令。

所述步骤(5)中每个光楔组件的控制器采用经典的PID控制算法，具体如下公式：

式中：

Y_y、Y_z——控制器输出信号Y和Z；

K_py、K_pz——光楔Y、光楔Z比例控制器增益；

K_iy、K_iz——光楔Y、光楔Z积分控制器系数；

K_dy、K_dz——光楔Y、光楔Z微分控制器系数；

U_y、U_z——光楔Y、光楔Z控制指令；

U_ym、U_zm——光楔Y、光楔Z对应的码盘反馈值；

s——PID控制算法中的微分环节，

——PID控制算法中的积分环节。

本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：

(1)位标器结构简单。目前常用的位标器结构主要有双框架结构、滚仰式结构、五轴位标器结构等。这些位标器通常结构复杂，重量偏大，很难实现小型化设计。本发明采用了双光楔式位标器，结构简单，重量轻，满足现代武器小型化设计需求。

(2)双光楔机构设计简单，工艺技术成熟，便于工程实现。现有的其他类型位标器结构，由于结构复杂，工艺性较差。

(3)控制规律经典、灵活。本发明中的双光楔控制器为经典的控制规律，设计简单，调试方便。

附图说明

图1为单光楔光路示意图；

图2为双光楔光路示意图。

具体实施方式

本发明利用基于小型光楔扫描技术控制光轴指向，突破小型复合导引头技术，开展新一代导弹研究，提高空军作战能力，适应未来空战，满足未来复杂战场环境下小型化强对抗作战要求。双光楔结构的位标器，与现有技术相比，具有结构简单，控制规律经典、灵活等优点，且偏转角度足够大，满足产品小型化设计需求的同时，具有足够大的跟踪场。光楔即为折射角α很小的棱镜，当光线进入光楔时光线发生折射，入射角和出射角之间形成一个夹角设为δ。双光楔为折射角均为α的两个光楔以不同的角度放置在一起。当两个光楔平行同向放置时，此时双光楔所产生的偏转角最大为2δ。当其中一个光楔绕中心轴旋转180°时，光线偏转角为0。当两个光楔处于任意位置放置时，所产生的光线偏转角在0～2δ之间。当两光楔相对位置固定后，两光楔同时同向或反向绕中心轴旋转时，将形成一个固定偏转的空间光轴角。通过控制双光楔的相对运动和同向运动，实现光轴的空间任意指向。根据双光楔的这一原理，可将双光楔结构的位标器控制等效于导引头光轴的俯仰位置控制及滚转位置控制。位标器的每个光楔组件分别由镜筒、轴承组、电机和一个码盘组成。通过滚仰坐标解算，得出双光楔控制指令信息，由DSP实时解算控制器，输出控制量控制电机带动光楔旋转，由码盘实时测得滚转光楔机构的位置信息进行反馈，形成闭环回路，最终实现光轴的位置控制。光楔组件的控制器采用经典的PID控制算法，算法简单易实现。

本发明采用一种双光楔结构来实现光轴的指向控制，满足产品小型化设计需求，同时位标器结构简单，控制规律经典、灵活。

下面详细说明本发明的具体实施方式。

(1)双光楔原理

折射角α很小的棱镜称为光楔，当光线进入光楔时光线发生折射，入射角和出射角之间的夹角设为δ，则偏转角δ满足下列公式。

δ＝(n-1)α…………………………………(1)

式中：n——光楔的折射率。

双光楔即为折射角均为δ的两个光楔以不同的角度放置在一起。双光楔结构的入射光线和出射光线之间的夹角由下式获得。

式中：δ——单光楔入射光线和出射光线之间夹角；

x——两光楔之间的夹角，0≤x＜180°；

y——双光楔出射角，0≤y＜2δ。

当两个光楔平行同向放置时，此时双光楔所产生的偏转角最大为2δ。当其中一个光楔绕中心轴旋转180°时，光线偏转角为0。当两个光楔处于任意位置放置时，所产生的光线偏转角在0～2δ之间。

当两光楔相对位置固定后，两光楔同时同向或反向绕中心轴旋转时，将形成一个固定偏转角的空间光轴角。

(2)坐标系定义

当两个光楔同时同向运动时，可实现导引头光轴在空间的圆锥运动，当两个光楔同时反向运动时，可实现导引头光轴的不同张角的运动。因此通过控制两个光楔的相对运动及同向运动，实现出射光线在空间的不同位置，即光轴角的不同空间指向。两个光楔的相对运动及同向等效于导引头光轴的俯仰位置控制及滚转位置控制。因此，将双光楔机构定义为虚拟滚仰坐标系机构。

将两个光楔的同向运动产生的效果等效于滚转运动，两个光楔的相对运动产生的效果等效于俯仰运动。

(3)坐标转换

导引头根据机载雷达测出的目标位置，解算出其相对于弹体的滚转角和俯仰角，控制光轴指向目标位置。机载雷达测出的目标位置为直角系下的俯仰、偏航预定角，需通过坐标转换，变换到双光楔虚拟滚仰系中，控制双光楔旋转，达到光轴的指向控制。在导引头跟踪目标过程中，同样把探测器测得的直角系下的目标失调角转换为目标位置坐标，控制双光楔旋转将光轴指向目标。

因此首先需要进行由直角系到双光楔虚拟滚仰系的指令转换。转换公式为：

式中：α——弹体系下的偏航角；

β——弹体系下的俯仰角；

θ1——虚拟滚仰系下的俯仰角；

γ1——虚拟滚仰系下的滚转角。

(4)指令的形成

在双光楔结构位标器中，通过控制两光楔的滚转运动实现光轴的位置控制。由虚拟滚仰系下的坐标指令，进一步转换为两个光楔的滚转指令，转换公式如下：

式中：

α、β——直角坐标系下的指令；

p1、p2——两路光楔的滚转指令。

(5)光轴控制方法

导引头位标器由两组滚转机构构成，两组滚转机构均固定在弹体上，沿弹轴方向排列。每个滚转机构均由一个镜筒、一组轴承组、一个电机和一个码盘组成。码盘用于实时测得滚转机构的位置信息。DSP实时解算控制器，控制电机带动光楔旋转，实现光轴位置控制。每个滚转机构带动一个光楔绕中心轴旋转。通过两个光楔的同向和相对运动，实现光轴在空间的任意指向。

当两个光楔处于任意夹角时，所产生的出射光线偏转角在0～2δ之间。如果此时双光楔同时绕中心轴旋转，那么出射光线将在空间扫描出一个有张角的圆锥面。根据双光楔的这一原理，可将双光楔结构的导引头光轴控制等效于光轴的俯仰位置控制及滚转位置控制。

通过滚仰坐标解算，得出双光楔控制指令，由DSP实时解算控制器，输出控制量控制电机带动光楔旋转，由码盘实时测得滚转光楔机构的位置信息进行反馈，形成闭环回路，最终实现光轴的位置控制。光楔组件的控制器采用经典的PID控制算法，算法简单易实现。

本发明是一种基于双光楔红外成像的光轴控制方法，具体步骤如下：

1)双光楔设计

产品在设计中采用折射率相同、折射棱角相等的两块光楔组成的光楔组作为位标器的光学系统。双光楔组不仅具有单光楔的特性，而且通过控制两个光楔的相对运动及同步运动，可实现光轴在空间的不同指向。

如附图1所示，单光楔对光线具有折射作用，不同的材料折射角不同。当单光楔绕中心轴以一定的速度旋转一周时，出射光线在空间扫描出一个张角为δ的圆锥面。

在产品实际应用中，由于光学镜片都具有色差，所以采用组合光楔的方式来减小色差对系统的影响。光楔1、2分别是由两个光楔组成的光楔对，每个光楔对固连，作为一个单光楔使用。

如附图2(a)所示，当两个光楔平行同向放置时，即两个光楔的位置夹角为0度时，此时双光楔所产生的出射光线偏转角为最大2δ。如果双光楔同时绕中心轴旋转，那么出射光线将在空间扫描出一个张角为2δ的圆锥面；如附图2(b)所示，其中一个光楔绕中心轴旋转180°，即两个光楔的位置夹角为180°时，出射光线偏转角为0；如附图2(c)所示，当两个光楔处于任意夹角放置时，即两个光楔的夹角为0～180°时，则所产生的出射光线偏转角在0～2δ之间。如果双光楔同时绕中心轴旋转，那么出射光线将在空间扫描出一个张角在0～2δ之间的圆锥面。

2)光轴控制

通过上述分析可知，可通过控制两个光楔的相对运动及同向运动，实现出射光线在空间的不同位置，即光轴角的空间指向，等效于导引头光轴的俯仰位置控制及滚转位置控制。因此，为实现光轴角的控制，分以下两个步骤实施：

(a)坐标解算

在导引头捕获目标之前，根据机载雷达测出的目标位置，解算出导引头相对于弹体的滚转角和俯仰角，控制光轴指向目标位置。机载雷达测出的目标位置为直角系下的俯仰、偏航预定角，需通过坐标转换，变换到双光楔虚拟滚仰系中，控制双光楔旋转，达到光轴的指向控制。在导引头跟踪目标过程中，可同样把探测器测得的目标失调角转换为目标位置坐标，控制双光楔旋转将光轴指向目标。

因此首先需要进行由直角系到双光楔虚拟滚仰系的指令转换。

坐标系定义：

弹体坐标系OX_BY_BZ_B：X_B为弹体纵轴，Y_B为弹体偏航轴，Z_B为弹体俯仰轴。

虚拟滚仰坐标系OX_GY_GZ_G：X_G轴与弹体纵轴重合。双光楔位置为初始零位时，如附图2(b)所示，此时光线出射角为0。当两个光楔有相对运动时，光轴指向相对零位出现了偏角，此时的光轴指向定义为虚拟俯仰轴Z_G。当两个光楔同向运动时，光轴将绕着零位位置做旋转运动，此时的光轴指向定义为虚拟滚转轴Y_G。

弹体坐标系绕OY_B和OZ_B轴分别转动α、β后，OX_B轴方向上单位向量在原弹体坐标系中的分量为：

弹体坐标系绕OX_B和OZ_B轴分别转动γ1、θ1，此时OX_B轴方向上单位向量在原弹体坐标系中的分量为：

对于同一个目标，在弹体坐标系下坐标是一定的。所以在上述两种坐标系下，经过反向转动变换到弹体系后，有：

由此可得俯仰、滚转指令为：

式中：α——弹体系下的偏航角；

β——弹体系下的俯仰角；

θ1——虚拟滚仰系下的俯仰角；

γ1——虚拟滚仰系下的滚转角。

得到虚拟滚仰系下的滚转角和俯仰角指令后，进一步转换为两个光楔的滚转指令，转换公式如下：

式中：

p1、p2——两路光楔的滚转指令。

(b)双光楔控制方法设计

位标器每个光楔组件分别由镜筒、轴承组、电机和一个码盘组成。根据上述步骤解算出的控制指令，由DSP实时解算控制器，输出控制量控制电机带动光楔旋转，由码盘实时测得滚转光楔机构的位置信息进行反馈，形成闭环回路，最终实现光轴的位置控制。

每个光楔组件的控制器采用经典的PID控制算法。具体见公式7。

式中：

Y_y、Y_z——控制器输出信号Y和Z；

K_py、K_pz——光楔Y、Z比例控制器增益；

K_iy、K_iz——光楔Y、Z积分控制器系数；

K_dy、K_dz——光楔Y、Z微分控制器系数；

U_y、U_z——光楔Y、Z控制指令；

U_ym、U_zm——光楔Y、Z对应的码盘反馈值；

s——PID控制算法中的微分环节，

——PID控制算法中的积分环节。