CN113534427A - 一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台及工作方法，本发明的跟踪平台通过设置有三层快速反射镜固定架，并且在，每层快速反射镜固定架上设置有五个快速反射镜，每个快速反射镜通过电机独立驱动，每个快速反射镜均连接光学成像系统，光学成像系统控制电机，本装置能够实现360°全方位的目标快速搜索，还能够对视场内的多个运动目标进行持续跟踪与实时识别，有效解决视场和作用距离不能同时最优化的问题，大幅度提升目标跟踪的伺服能力，单台装置的任务效能接近或达到多台传统光电预警装置组网后的效能，大幅度精简人员和装备数量。

Description

一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台及工作方法
技术领域
本发明属于光学预警平台领域，具体涉及一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台及工作方法。
背景技术
光学探测相比于雷达探测具有被动式测量的特性，其抗电磁干扰能力强，战时隐蔽性好，不受低俯仰跟踪盲区的限制。可以从时间、空间、光谱等不同维度获取更丰富和更直观的目标信息，通过高清成像、目标轨迹与姿态、目标三维构建、目标辐射特性等技术与方法，实现目标行为意图的精准预测。因此，光学探测在预警反导体系中一直发挥着不可替代的作用。
光学预警系统通常包括目标搜索-目标捕获-目标跟踪-目标识别定位等关键过程。众所周知，远距离、大视场条件下的光学系统可以最大限度缩短目标搜索和目标捕获时间，同时，对目标的持续稳定跟踪又是保证目标实时识别与定位的前提与基础。
传统光学预警平台通常是一个基于光电经纬仪结构的系统，包含垂直轴和水平轴的两轴伺服随动机构。作为光学预警应用，存在一些制约其功效的瓶颈。
首先，光电经纬仪搭载的光学载荷一旦确定，系统的光学作用距离和光学视场也随之确定，为了获得理想的作用距离，光学载荷通常需要是长焦距系统，其对应的光学视场会很小；大视场光学系统的作用距离又会非常有限。因此，这两个光学关键指标不能同时达到最优。
其次，各类制导武器突防时通常伴随伪装干扰在内的多个虚假目标，对光学预警提出多层防御的要求。如果能够对多目标的特征并行提取，第一时间内锁定真实目标的概率会显著提高，就间接实现了多层防御的效果。因此，要求光学预警系统具备针对高速、大机动的多目标甚至群目标的持续跟踪能力。
光电经纬仪本身大转动惯量以及存在间隙与摩擦的结构特点，一方面使其伺服响应和跟踪精度无法满足高速、机动目标捕获与跟踪的要求，尤其是对于超声速飞行器和变轨的末制导武器基本不具备捕获和持续跟踪能力。另一方面即便视场进入多个运动目标，也只能通过选择，对某一单目标进行持续跟踪。
发明内容
本发明的目的在于克服现有光学跟踪装置在光学预警应用中存在的瓶颈，提供一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台及工作方法。
为了达到上述目的，一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台，包括三层快速反射镜固定架，每层快速反射镜固定架上设置有五个快速反射镜，每层快速反射镜固定架上相邻的快速反射镜之间的夹角为72°，每个快速反射镜均连接光学成像系统，光学成像系统连接电机，每个快速反射镜通过电机独立驱动。
快速反射镜固定架为圆盘，尺寸为Ф1100mm×900mm。
相邻层的相邻快速反射镜之间的夹角为24°。
快速反射镜采用45°快速反射镜。
快速反射镜上设置有音圈电机，快速反射镜通过音圈电机驱动。
每层快速反射镜固定架间固定连接。
一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台的工作方法，包括以下步骤：
S1，通过高频摆扫的快速反射镜在预先规划的各自视场内进行目标搜索，当发现空间目标后执行S2；
S2，快速反射镜持续将空间目标的视频信息发送至光学成像系统，光学成像系统控制电机驱动快速反射镜转动，使空间目标置于快速反射镜内，直至当前快速反射镜达到最大转动角度，执行S3；
S3，光学成像系统控制空间目标运动方向的下一个快速反射镜执行S2，直至完成空间目标的跟踪。
当不同层的快速反射镜同时发现空间目标时，光学成像系统同时控制不同层的快速反射镜对空间目标进行跟踪。
与现有技术相比，本发明的跟踪平台通过设置有三层快速反射镜固定架，并且在，每层快速反射镜固定架上设置有五个快速反射镜，每个快速反射镜通过电机独立驱动，每个快速反射镜均连接光学成像系统，光学成像系统控制电机，本装置能够实现360°全方位的目标快速搜索，还能够对视场内的多个运动目标进行持续跟踪与实时识别，有效解决视场和作用距离不能同时最优化的问题，大幅度提升目标跟踪的伺服能力，单台装置的任务效能接近或达到多台传统光电预警装置组网后的效能，大幅度精简人员和装备数量。
进一步的，本发明采用了音圈电机高响应致动器，能够实现光束超高精度、超快响应的控制。
本发明的方法首先通过既定程序下的高频摆扫在预先规划的各自视场内进行目标搜索，发现目标后即转入目标跟踪环节，当运动目标出离当前控制单元所覆盖的视场范围时，即会进入相邻控制单元的作用范围，由后者负责接管任务，并依此类推。本发明采用快速小型化的快速反射镜，具有轻量化、高响应的特点，一方面实现高速、机动目标可靠捕获，大幅度提高目标的跟踪精度和成像质量。另一方面每个独立的快速反射镜之间同时并行工作，通过系统级的规划、调度与控制，实现360°全方位视场内多个目标的同时跟踪与识别。
附图说明
图1为本发明平台布局图；
图2为本发明的结构示意图；
其中，1、快速反射镜固定架，2、快速反射镜，1-1、第一层第一反射镜，1-2、第一层第二反射镜，1-3、第一层第三反射镜，1-4、第一层第四反射镜，1-5、第一层第五反射镜，2-1、第二层第一反射镜，3-1、第三层第一反射镜，4-1、第一层快速反射镜固定架，4-2、第二层快速反射镜固定架，4-3、第三层快速反射镜固定架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台，包括三层快速反射镜固定架1，每层快速反射镜固定架1上设置有五个快速反射镜2，每个快速反射镜2均连接光学成像系统，光学成像系统连接电机，每个快速反射镜2通过电机独立驱动。每层快速反射镜固定架1间固定连接。
优选的，快速反射镜固定架1为圆盘，尺寸为Ф1100mm×900mm。
优选的，每层快速反射镜固定架1上相邻的快速反射镜之间的夹角为72°，相邻层的相邻快速反射镜之间的夹角为24°。
优选的，快速反射镜2采用45°快速反射镜。
优选的，快速反射镜2上设置有音圈电机，快速反射镜通过音圈电机驱动。
本发明配置15个反射镜，共三层，每层5个，形成一个5×3的快速反射镜阵列。每层配有反射镜运功平台，接收器，快速反射镜。单层之间快速反射镜夹角为72°，单层相邻快速反射镜有1/2重叠视场，可实现像元的精密处理。三层快速反射镜相邻反射镜之间夹角为24°，总有效视场为450°，可实现目标在跟踪视场中的不间断示踪，确保对目标的跟踪精度。
整个系统可以等效看作是由多个快速反射镜单元动态拼接所构成的一个光电阵列。快速反射镜是一种工作在光源或接收器与目标之间用于调整和稳定光学系统视轴或光束指向的新一代光机电系统。快速反射镜结构通常采用柔顺机构，是一种无摩擦、无间隙依靠材料弹性变形产生类似铰链运动的结构，具有体积紧凑和高谐振的特性，结合音圈电机高响应致动器，可以实现光束超高精度、超快响应的控制。本新型结构跟踪平台利用快速反射镜小型化、轻量化、高响应等特征，一方面实现高速、机动目标可靠捕获，大幅度提高目标的跟踪精度和成像质量。另一方面每个独立的快速反射镜之间同时并行工作，通过系统级的规划、调度与控制，进一步实现360°全方位视场内多个目标的同时跟踪与识别。
一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台的工作方法，包括以下步骤：
S1，通过高频摆扫的快速反射镜2在预先规划的各自视场内进行目标搜索，当发现空间目标后执行S2；
S2，快速反射镜2持续将空间目标的视频信息发送至光学成像系统，光学成像系统控制电机驱动快速反射镜2转动，使空间目标置于快速反射镜内，直至当前快速反射镜2达到最大转动角度，执行S3；
S3，光学成像系统控制空间目标运动方向的下一个快速反射镜2执行S2，直至完成空间目标的跟踪。
当不同层的快速反射镜2同时发现空间目标时，光学成像系统同时控制不同层的快速反射镜2对空间目标进行跟踪。
本发明的布设方法如下：
1、通过光学载荷设计参数，分析与计算出单个快速反射镜单元最优的作用视场，以此确定实现360°目标跟踪所需要的快速反射镜单元的数量。将多个快速反射镜单元和映射的光学载荷按照固定相位，等间隔均匀布设在多层圆柱形结构体上。第一层快速反射镜固定架4-1上设置有第一层第一反射镜1-1、第一层第二反射镜1-2、第一层第三反射镜1-3、第一层第四反射镜1-4、和第一层第五反射镜1-5，第二层快速反射镜固定架4-2上设置有第二层第一反射镜2-1等五个快速反射镜，第三层快速反射镜固定架4-3上设置有第三层第一反射镜3-1等五个快速反射镜。
2、快速反射镜的口径与后端光学载荷的有效通光口径有关。光学载荷的通光口径越大，物方扫描的快速反射镜的口径也要越大。采用45°反射时，快速反射镜的口径至少是光学系统通光口径的
Figure BDA0003163256180000061
倍。
3、快速反射镜的致动器选择，需要根据响应带宽和偏转范围等技术指标来确定。针对大口径、大摆幅的要求，通常选用音圈电机驱动。
4、快速反射镜谐振频率ωr决定控制带宽，快速反射镜谐振频率ωr的大小由无阻尼自然频率ωn和阻尼比ξ决定，要想大幅度增加快速反射镜谐振频率ωr的值要增加ωn的值。基于音圈电机控制的快速反射镜开环传递函数可以表示如下公式：
Figure BDA0003163256180000062
其中，B为音圈电机磁场强度，l为线圈长度，d为线圈直径，R为线圈电阻，s为传递函数因子；
Figure BDA0003163256180000063
要使ωn增大，可以通过减小镜架、镜片和线圈总共的转动惯量J或者增大柔性铰链架的扭力弹性K系数方法。
5、快速反射镜反射率、面型等参数的确定，需要根据后端光学探测器工作波段确定。一般要求在探测器响应波段内，反射率≥98％；表面面型PV≤λ/4。
本发明是通过快速反射镜物方扫描，将空间目标引入后端的光学系统内部。为了保证系统作用距离和多目标跟踪处理能力，这里不采用共口径分光和分时处理等方法，一个快速反射镜单元唯一映射一个独立的光学载荷。独立光学载荷的设计与传统的光学系统并没有区别，只需考虑多个光学系统在圆柱形结构体内部的优化布局问题，在此不作为重点详述。
根据需求确定光学载荷主要技术指标。以此作为设计输入。
光学载荷主要技术参数如下：
焦距:100mm；
有效通光口径：50mm；
F数：F2；
视场角：5.5°×4.4°；
探测器：中波制冷型红外热像仪；
分辨率：640×512；
像元大小：15μm；
选用音圈电机致动的单轴快速反射镜。
快速反射镜主要指标参数如下：
扫描角度范围：±10°；
反射镜口径：Ф120mm；
最大行程到位时间：≤10ms；
反射率：3～5μm谱段反射率≥98％；
本跟踪平台可实现方位360°×俯仰10°视场内15个目标的快速捕获与跟踪。根据不同的目标特性，系统作用距离20Km～150Km。
增大光学载荷口径和焦距固然可以提高光学作用距离，但需要增加快速反射镜和光学载荷的数量以及增大快速反射镜口径，系统的体积、重量、成本会随之增加；同时，快速反射镜口径变大会引起结构惯量加大，造成控制带宽和跟踪性能下降。因此，本新型平台设计过程中需要根据实际任务需求并结合多种因素综合考虑。

Claims (8)

1.一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台，其特征在于，包括三层快速反射镜固定架(1)，每层快速反射镜固定架(1)上设置有五个快速反射镜(2)，每层快速反射镜固定架(1)上相邻的快速反射镜之间的夹角为72°，每个快速反射镜(2)均连接光学成像系统，光学成像系统连接电机，每个快速反射镜(2)通过电机独立驱动。
2.根据权利要求1所述的一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台，其特征在于，快速反射镜固定架(1)为圆盘，尺寸为Ф1100mm×900mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台，其特征在于，相邻层的相邻快速反射镜之间的夹角为24°。
4.根据权利要求1所述的一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台，其特征在于，快速反射镜(2)采用45°快速反射镜。
5.根据权利要求1所述的一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台，其特征在于，快速反射镜(2)上设置有音圈电机，快速反射镜(2)通过音圈电机驱动。
6.根据权利要求1所述的一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台，其特征在于，每层快速反射镜固定架(1)间固定连接。
7.权利要求1所述的一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过高频摆扫的快速反射镜(2)在预先规划的各自视场内进行目标搜索，当发现空间目标后执行S2；
S2，快速反射镜(2)持续将空间目标的视频信息发送至光学成像系统，光学成像系统控制电机驱动快速反射镜(2)转动，使空间目标置于快速反射镜内，直至当前快速反射镜(2)达到最大转动角度，执行S3；
S3，光学成像系统控制空间目标运动方向的下一个快速反射镜(2)执行S2，直至完成空间目标的跟踪。
8.权利要求7所述的一种基于快速反射镜阵列的光学预警跟踪平台的工作方法，其特征在于，当不同层的快速反射镜(2)同时发现空间目标时，光学成像系统同时控制不同层的快速反射镜(2)对空间目标进行跟踪。
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Effective date of registration: 20221031

Address after: No. 116, Jinsong 1st Road, Shibei District, Qingdao, Shandong 266035

Applicant after: Qingdao Junrong Huitong Photoelectric Technology Co.,Ltd.

Address before: Room 202, floor 2, building 10, zone 2, No. 188, South Fourth Ring West Road, Fengtai District, Beijing 100070

Applicant before: Beijing Huakong Yixin Technology Co.,Ltd.