CN119915545B - 基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置及方法，涉及复合轴跟踪控制领域，包括：光源、离轴反射式平行光管、目标模拟快反镜、精探测器、精跟踪快反镜、精跟踪控制器、粗跟踪平台动力学仿真计算机、粗跟踪平台管理单元、平行光管云台机构、主镜和次镜。其方法为利用粗跟踪系统的误差驱动目标模拟快反镜运动，并且将目标经过离轴反射式平行光管耦合至精跟踪系统，精探测器提取得到脱靶量，利用脱靶量精跟踪快反镜完成图像闭环控制，同时精跟踪系统输出卸载量至粗跟踪模拟系统完成粗精两级系统卸载。本发明能够在不具备真实粗跟踪平台的环境下完成精跟踪系统关键功能及性能验证，有效节省测试成本，有利于实际工程应用。

Description

基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及复合轴跟踪控制领域，具体涉及一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置及方法。

背景技术

复合轴跟踪系统是一种由粗精两级子系统组成的动态范围宽、响应速度快的高精度跟踪系统，跟踪精度能达到微弧度级别，其广泛应用于光通信、激光测距和光束稳定等领域。粗跟踪通常由精度较低但运动行程大的二维转台完成，实现对跟踪目标的粗捕获，精跟踪由行程小但带宽高的倾斜镜完成，实现对目标的高精度跟踪。

目前，对于复合轴跟踪系统关键的卸载功能、跟踪精度等的测试验证，需要将两级跟踪系统进行组装，无法在缺少真实粗跟踪平台的情况下完成复合轴跟踪系统的性能测试。然而，很多时候由于场地、时间、成本的限制，很难实现两级跟踪系统联合。

发明内容

为了克服现有复合轴跟踪系统性能测试方法的不足，本发明提供一种不具备真实粗跟踪平台即可完成复合轴性能验证的测试装置及测试方法，能够在不具备真实粗跟踪平台的环境下完成精跟踪系统跟踪精度性能以及卸载功能等验证。测试过程简单方便，无需大量的人力、物力开展粗精两级的组装与调试，缩短了粗精复合轴跟踪系统关键的卸载功能和跟踪精度性能等的测试时间，有效节省了测试成本，非常有利于实际工程应用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置，包括粗跟踪模拟系统、精跟踪系统、光源、离轴反射式平行光管、平行光管云台机构；粗跟踪模拟系统包括粗跟踪平台动力学仿真计算机、粗跟踪平台管理单元、目标模拟快反镜；精跟踪系统包括精探测器、精跟踪快反镜、精跟踪控制器、主镜、次镜；

光源产生的目标经过目标模拟快反镜后至离轴反射式平行光管形成平行光束，平行光束经过精跟踪系统中的主镜、次镜后到达精跟踪快反镜，经精跟踪快反镜反射进入精探测器，精探测器提取图像脱靶量信息；精跟踪控制器与精探测器通过串口相连接收图像脱靶量信息，用于精跟踪快反镜的闭环控制，计算得到的控制量经精跟踪控制器发送至精跟踪快反镜的驱动器以驱动精跟踪快反镜偏转，实现图像闭环控制；精跟踪控制器通过串口将卸载量发送至粗跟踪平台管理单元，粗跟踪平台动力学仿真计算机与粗跟踪平台管理单元通信，粗跟踪平台动力学仿真计算机用于模拟在轨工况；平行光管云台机构控制离轴反射式平行光管移动，测试精跟踪系统输出的卸载量极性。

本发明还提供一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置的性能测试方法，包括以下步骤：

步骤一、形成基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置；

步骤二、进行精跟踪系统向粗跟踪模拟系统发送的卸载量的极性测试；

步骤三、进行粗跟踪模拟系统中目标模拟快反镜电压值极性与量纲测试；

步骤四、完成精跟踪系统输出至粗跟踪模拟系统卸载量的量纲测试；

步骤五、利用基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置开展试验；粗跟踪平台动力学仿真计算机发送粗跟踪误差将目标引导至精跟踪系统视场内，精跟踪快反镜利用脱靶量完成图像闭环，实时向粗跟踪模拟系统输出卸载量，粗跟踪平台动力学仿真计算机根据卸载量进行偏置控制，协同减小误差；考虑在轨使用情况，完成精跟踪系统图像处理、闭环、卸载功能和跟踪精度性能等的验证。

有益效果：

本发明提出了一种不需要粗跟踪平台的复合轴跟踪系统关键的卸载功能和跟踪精度性能的测试验证方法，该方法利用大行程的目标模拟快反镜代替粗跟踪平台，联合粗跟踪平台动力学仿真计算机模拟复杂的在轨工况，能够在不具备粗跟踪平台的环境下，验证粗精复合轴系统的图像闭环、卸载功能及跟踪精度性能指标，测试过程简单方便，无需大量的人力、物力开展粗精两级系统的组装与调试，缩短了粗精复合轴跟踪系统关键的卸载功能和跟踪精度性能等的测试时间，有效节省了测试成本，非常有利于实际工程应用。

附图说明

图1为本发明的基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置的示意图。

图2为粗跟踪模拟系统进行卸载控制前后精跟踪快反镜控制量对比图。

其中，附图标记为：A为粗跟踪模拟系统；B为精跟踪系统；1为粗跟踪平台动力学仿真计算机；2为粗跟踪平台管理单元；3为光源；4为目标模拟快反镜；5为离轴反射式平行光管；6为平行光管云台机构；7为主镜；8为次镜；9为精跟踪快反镜；10为精探测器；11为精跟踪控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。以下结合附图和具体实施方式说明本发明，本领域的技术人员可根据本说明书揭示的内容了解本发明的功效及优点。

如图1所示，本发明提供一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置，主要包括粗跟踪模拟系统A和精跟踪系统B。其中，粗跟踪模拟系统A包含粗跟踪平台动力学仿真计算机1、粗跟踪平台管理单元2和目标模拟快反镜4。精跟踪系统B包含精探测器10、精跟踪快反镜9、精跟踪控制器11、主镜7和次镜8。此外，基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置还包括光源3、离轴反射式平行光管5和平行光管云台机构6。

其中，光源3产生的目标经过目标模拟快反镜4后至离轴反射式平行光管5获得平行光束，平行光束经过精跟踪系统B中光机组合的主镜7、次镜8后到达精跟踪快反镜9，经精跟踪快反镜9反射进入精探测器10，精探测器10提取图像脱靶量信息。精跟踪控制器11与精探测器10通过串口相连，接收图像脱靶量，用于精跟踪快反镜9的闭环控制，计算得到的控制量经精跟踪控制器11发送至精跟踪快反镜9驱动器以驱动精跟踪快反镜9偏转，实现图像闭环控制。精跟踪控制器11通过串口将卸载量发送至粗跟踪平台管理单元2，粗跟踪平台动力学仿真计算机1与粗跟踪平台管理单元2通信，粗跟踪平台动力学仿真计算机1用于模拟在轨工况。平行光管云台机构6与离轴反射式平行光管5采取刚性连接，其可控制离轴反射式平行光管5移动，测试精跟踪系统B输出的卸载量极性。

优选的，利用粗跟踪误差驱动目标模拟快反镜4，可模拟真实粗跟踪平台的运动，实现在不具备真实粗跟踪平台的情况下完成精跟踪系统图像处理、闭环、卸载功能和跟踪精度性能等验证。

优选的，利用粗跟踪平台动力学仿真计算机1对在轨不同复杂工况进行模拟。

优选的，所使用的目标模拟快反镜4是音圈电机驱动的快反镜，具有偏转角度大的特点，因此可用于模拟动态范围宽的粗跟踪平台。

优选的，利用平行光管云台机构6令离轴反射式平行光管在水平、垂直方向移动，可测试精跟踪系统B输出的卸载量极性，以及验证成像平面与测量坐标系是否存在像旋。

优选的，在成像平面与测量坐标系是存在像旋的情况下，需对卸载量解旋后再发送至粗跟踪模拟系统A，解旋后才能输出正确的极性。旋转关系如下：

；

其中，为成像平面与测量坐标系存在的固定的旋转角度，和分别为解旋前的方位卸载量和俯仰卸载量；和分别为解旋后输出至粗跟踪模拟系统的方位卸载量和俯仰卸载量。

本发明还提供一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置的性能测试方法，包括以下步骤：

步骤一、按图1布局并连接性能测试装置；

步骤二、进行精跟踪系统B向粗跟踪模拟系统A发送的卸载量的极性测试。通过平行光管云台机构6控制离轴反射式平行光管5移动，依次单方向在水平、垂直方向偏转平行光管的光轴，对极性单方向进行测试，验证成像是否存在旋转。若存在旋转，则算出来旋转角度后，根据上文所述的旋转公式进行解旋。按照预定方向转动离轴反射式平行光管，测试精跟踪系统输出给粗跟踪模拟系统的方位卸载量和俯仰卸载量极性与拟定的协议是否一致。进行极性标定，使卸载量的极性与协议一致。

步骤三、进行粗跟踪模拟系统A中的目标模拟快反镜4电压值的极性与量纲标定。

首先，完成粗跟踪平台动力学仿真计算机1与粗跟踪平台管理单元2、粗跟踪平台管理单元2与目标模拟快反镜4之间的通信测试。完成对目标模拟快反镜4的电压值极性与量纲的标定，使得目标模拟快反镜4能够按照粗跟踪平台动力学仿真计算机1输出的方位角和俯仰角，控制目标偏转到精跟踪系统B的像平面期望的像素点位置。此外，精调光路，使偏转角度范围满足要求。

步骤四、完成精跟踪系统B输出至粗跟踪模拟系统A的卸载量的量纲测试。

精跟踪快反镜9为开环和闭环两种状态下，粗跟踪平台动力学仿真计算机1发送方位角和俯仰角控制目标模拟快反镜4运动，模拟粗跟踪平台偏转一个角度；对精跟踪系统输出的方位卸载量和俯仰卸载量（即解旋后输出至粗跟踪模拟系统的方位卸载量和俯仰卸载量）进行标定，使得和。

步骤五、利用图1的性能测试装置开展试验。

首先，粗跟踪平台动力学仿真计算机1发送方位角给目标模拟快反镜4，令目标偏出视场外，再发送比方位角小的偏置角度模拟粗跟踪误差，将目标引导至精跟踪系统视场内。一旦脱靶量有效，精跟踪快反镜9自主完成图像闭环，实时向粗跟踪模拟系统A输出卸载量。方位角，偏置角度。

若粗跟踪模拟系统A开启卸载模式，粗跟踪平台动力学仿真计算机1根据卸载量进行偏置控制，协同减小跟踪误差。图2显示了开启卸载前后的精跟踪快反镜的控制量的变化。由于初始时，跟踪误差大，精跟踪快反镜闭环控制量达到饱和阈值32000，其为纯数值，16个数相当于0.9微弧度。粗跟踪模拟系统开启卸载模式后，控制量显著减小，维持在0附近，说明粗跟踪模拟系统成功卸载精跟踪系统，目标跟踪范围和跟踪精度增加。同时，利用粗跟踪平台动力学仿真计算机1发送偏置模拟目标进入视场→目标出视场→目标重新进入视场，可完成精跟踪系统图像处理、闭环关键功能验证。

对于多孔径（多个精跟踪快反镜的多维系统）以及三级甚至多级复合光电跟踪系统，本发明提出的方法依然适用，亦在保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置，其特征在于，包括粗跟踪模拟系统、精跟踪系统、光源、离轴反射式平行光管、平行光管云台机构；粗跟踪模拟系统包括粗跟踪平台动力学仿真计算机、粗跟踪平台管理单元、目标模拟快反镜；精跟踪系统包括精探测器、精跟踪快反镜、精跟踪控制器、主镜、次镜；

光源产生的目标经过目标模拟快反镜后至离轴反射式平行光管形成平行光束，平行光束经过精跟踪系统中的主镜、次镜后到达精跟踪快反镜，经精跟踪快反镜反射进入精探测器，精探测器提取图像脱靶量信息；精跟踪控制器与精探测器通过串口相连接收图像脱靶量信息，用于精跟踪快反镜的闭环控制，计算得到的控制量经精跟踪控制器发送至精跟踪快反镜的驱动器以驱动精跟踪快反镜偏转，实现图像闭环控制；精跟踪控制器通过串口将卸载量发送至粗跟踪平台管理单元，粗跟踪平台动力学仿真计算机与粗跟踪平台管理单元通信，粗跟踪平台动力学仿真计算机用于模拟在轨工况；平行光管云台机构控制离轴反射式平行光管移动，测试精跟踪系统输出的卸载量极性。

2.如权利要求1所述的一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置，其特征在于，利用粗跟踪误差驱动目标模拟快反镜模拟真实粗跟踪平台的运动，实现在不具备真实粗跟踪平台的情况下完成精跟踪系统的图像处理、闭环、卸载功能和跟踪精度性能的验证。

3.如权利要求1所述的一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置，其特征在于，利用粗跟踪平台动力学仿真计算机对在轨不同复杂工况进行模拟。

4.如权利要求1所述的一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置，其特征在于，所述目标模拟快反镜是音圈电机驱动的快反镜，用于模拟动态范围宽的粗跟踪平台。

5.如权利要求1所述的一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置，其特征在于，利用平行光管云台机构令离轴反射式平行光管在水平、垂直方向移动，测试精跟踪系统输出的卸载量极性，验证成像平面与测量坐标系是否存在像旋。

6.如权利要求5所述的一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置，其特征在于，在成像平面与测量坐标系是存在像旋的情况下，对卸载量解旋后再发送至粗跟踪模拟系统，解旋后输出正确的卸载量；旋转关系如下：

；

其中，为成像平面与测量坐标系存在的固定的旋转角度，和分别为解旋前的方位卸载量和俯仰卸载量；和分别为解旋后输出至粗跟踪模拟系统的方位卸载量和俯仰卸载量。

7.根据权利要求1所述的一种基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置的性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、形成基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置；

步骤二、进行精跟踪系统向粗跟踪模拟系统发送的卸载量的极性测试；

步骤三、进行粗跟踪模拟系统中目标模拟快反镜电压值极性与量纲测试；

步骤四、完成精跟踪系统输出至粗跟踪模拟系统卸载量的量纲测试；

步骤五、利用基于粗跟踪误差驱动的精跟踪系统的性能测试装置开展试验；粗跟踪平台动力学仿真计算机发送粗跟踪误差将目标引导至精跟踪系统的视场内，精跟踪快反镜利用脱靶量完成图像闭环，实时向粗跟踪模拟系统输出卸载量，粗跟踪平台动力学仿真计算机根据卸载量进行偏置控制，协同减小误差；考虑在轨使用情况，完成精跟踪系统的图像处理、闭环、卸载功能和跟踪精度性能的验证。

8.根据权利要求7所述的性能测试方法，其特征在于，所述步骤二包括：通过平行光管云台机构控制离轴反射式平行光管移动，依次单方向在水平、垂直方向偏转平行光管，进行极性测试，验证成像是否存在旋转；若存在旋转，则算出旋转角度后，根据下式进行解旋：

；

其中，为成像平面与测量坐标系存在的固定的旋转角度，和分别为解旋前的方位卸载量和俯仰卸载量；和分别为解旋后输出至粗跟踪模拟系统的方位卸载量和俯仰卸载量；

按照预定方向转动离轴反射式平行光管，测试精跟踪系统输出给粗跟踪模拟系统的方位卸载量和俯仰卸载量极性与协议是否一致，并最终保证卸载量的极性与协议一致。

9.根据权利要求8所述的性能测试方法，其特征在于，所述步骤三包括：首先，完成粗跟踪平台动力学仿真计算机与粗跟踪平台管理单元、粗跟踪平台管理单元与目标模拟快反镜之间的通信测试；完成目标模拟快反镜电压值的极性与量纲的标定，使得目标模拟快反镜按照粗跟踪平台动力学仿真计算机输出的方位角和俯仰角控制目标偏转至精跟踪系统像平面期望的像素点位置。

10.根据权利要求9所述的性能测试方法，其特征在于，所述步骤四包括：在精跟踪快反镜为开环及闭环两种状态下，粗跟踪平台动力学仿真计算机发送方位角和俯仰角控制目标模拟快反镜运动，模拟粗跟踪误差；对解旋后输出至粗跟踪模拟系统的方位卸载量和俯仰卸载量进行标定，使得和。