基于共光路中快反鏡的復(fù)合軸控制和回掃補(bǔ)償技術(shù)分析

方喜波，喬紅壘

〈系統(tǒng)與設(shè)計(jì)〉

基于共光路中快反鏡的復(fù)合軸控制和回掃補(bǔ)償技術(shù)分析

方喜波，喬紅壘

（凱邁（洛陽(yáng)）測(cè)控有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009）

隨著長(zhǎng)焦共光路成像組件廣泛應(yīng)用于光電偵察吊艙，長(zhǎng)焦共光路光路中快反鏡在復(fù)合軸穩(wěn)像等方面的技術(shù)開(kāi)發(fā)成為必然的趨勢(shì)。文章介紹了長(zhǎng)焦共光路成像組件的主要組成，基于快反鏡實(shí)現(xiàn)復(fù)合軸控制與回掃補(bǔ)償控制的策略，其工作時(shí)序和關(guān)鍵參數(shù)分析計(jì)算。開(kāi)發(fā)了基于長(zhǎng)焦共光路成像組件的快反鏡，一幀圖像時(shí)間內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)二次穩(wěn)像和回掃補(bǔ)償?shù)墓δ?。提升了中高空光電偵察吊艙的偵察作用距離、穩(wěn)像精度和搜索效率。

光電偵察吊艙；快反鏡；復(fù)合軸控制；回掃補(bǔ)償

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)中高空無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展，對(duì)光電偵察吊艙偵察距離、穩(wěn)像精度和偵察效率提出了更高的要求。在光電偵察吊艙內(nèi)框空間尺寸有限的條件下，對(duì)集成的光電成像傳感器空間尺寸提出更高的要求。具有長(zhǎng)焦距、攝遠(yuǎn)比高和易裝調(diào)的特點(diǎn)的同軸折反射式共光路成像組件成為首選。

參考文獻(xiàn)[1-2]較為詳細(xì)地論述了光路中入射光線通過(guò)45°快反鏡反射后，入射光線和反射光線在方位和俯仰兩個(gè)方向的角度關(guān)系。參考文獻(xiàn)[3]詳細(xì)論述了掃描圖像拼接問(wèn)題，使用SIFT等算法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)圖像拼接，具有很好的魯棒性和拼接能力。參考文獻(xiàn)[4]論述了反射鏡光路特性和基于半角機(jī)構(gòu)的反射鏡光學(xué)穩(wěn)定原理。參考文獻(xiàn)[5]主要論述了兩種音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)型快速控制反射鏡的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，提出了新型副球面支撐式結(jié)構(gòu)的快反系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[6]主要論述了兩種波段折返式共光路的設(shè)計(jì)原理和無(wú)色差的處理方法。

文中詳細(xì)論述了光電偵察吊艙的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)集成帶快反鏡的共光路成像組件，快反鏡轉(zhuǎn)動(dòng)軸和平臺(tái)陀螺敏感軸全捷聯(lián)的結(jié)構(gòu)布局；詳細(xì)計(jì)算了共光路的45°快反鏡兩維轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與平臺(tái)方位和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)的角度解耦合的關(guān)系，基于該角度關(guān)系利用光路中的快反鏡有效補(bǔ)償一級(jí)陀螺整體穩(wěn)像的殘差的復(fù)合軸穩(wěn)像的關(guān)鍵技術(shù)；詳細(xì)論述和計(jì)算了在探測(cè)器積分時(shí)間內(nèi)平臺(tái)掃描搜索時(shí)，快反鏡進(jìn)行回掃補(bǔ)償清晰成像的關(guān)鍵技術(shù)；進(jìn)一步提升了光電偵察吊艙的穩(wěn)像精度和偵察的效率。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

光電轉(zhuǎn)塔的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框架承載了雙光共光路成像組件與伺服控制組件等。雙光共光路成像組件采用卡賽格林同軸折反式光學(xué)系統(tǒng)[6]，光線經(jīng)過(guò)主反射鏡后，向前反射到次反射鏡上，經(jīng)次反射鏡向后反射，進(jìn)入后向光路。在后向光路中，光線先被二維快反鏡向上反射，到達(dá)分光棱鏡，分別到達(dá)中波紅外探測(cè)器成像，和可見(jiàn)光CMOS成像。其中快反鏡通過(guò)固定的基座安裝在共光路中，快反鏡的安裝面與內(nèi)框架方位軸呈45°夾角，從而快反鏡兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與安裝在一級(jí)穩(wěn)定平臺(tái)的方位和俯仰方向的陀螺的敏感軸存在一定夾角，為全捷聯(lián)式，如圖1所示。

在光電轉(zhuǎn)塔慣性態(tài)下，需要將一級(jí)穩(wěn)定殘余誤差經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換解算出快反鏡偏轉(zhuǎn)的角度，同步及時(shí)進(jìn)行角度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)復(fù)合軸穩(wěn)定控制。在光電轉(zhuǎn)塔掃描搜索狀態(tài)下，光路中快反鏡基于積分信號(hào)基準(zhǔn)時(shí)序?qū)崿F(xiàn)每一視場(chǎng)內(nèi)的場(chǎng)景回掃補(bǔ)償，使得一個(gè)視場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)景圖像在探測(cè)器件積分時(shí)間內(nèi)相對(duì)于探測(cè)器件本身保持靜止，消除掃描搜索時(shí)圖像“拖尾”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)凝視回掃補(bǔ)償，保證了掃描搜索時(shí)共光路成像組件清晰成像。

為了實(shí)現(xiàn)在同一幀圖像內(nèi)，快反鏡同時(shí)進(jìn)行復(fù)合軸控制和回掃補(bǔ)償，以成像光電傳感器的積分時(shí)間為基準(zhǔn)時(shí)序，進(jìn)行分時(shí)段控制。即在探測(cè)器積分時(shí)間之前進(jìn)行快反鏡加速，積分時(shí)間內(nèi)進(jìn)行線性回掃補(bǔ)償，積分時(shí)間結(jié)束后進(jìn)行減速、復(fù)位歸零；快反鏡回掃補(bǔ)償結(jié)束后，同一幀圖像時(shí)間內(nèi)的剩余時(shí)間進(jìn)行采集一級(jí)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)殘余誤差，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換解算出快反鏡偏轉(zhuǎn)的角度，同步及時(shí)進(jìn)行角度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)復(fù)合軸穩(wěn)定控制，從而在同一幀圖像內(nèi)快反鏡同時(shí)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合軸控制和回掃補(bǔ)償，工作時(shí)序如圖2所示。

1.1 復(fù)合軸穩(wěn)像原理分析

在慣性狀態(tài)下，對(duì)傳統(tǒng)的兩軸四框架結(jié)構(gòu)形式的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行一級(jí)穩(wěn)定。一級(jí)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的方位和俯仰兩個(gè)穩(wěn)定軸，每個(gè)軸裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和角速率陀螺傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的初步隔離。通過(guò)安置在需要精確穩(wěn)定的光學(xué)通道中的快反鏡，對(duì)敏感一級(jí)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)復(fù)合軸穩(wěn)像。

具體實(shí)現(xiàn)策略是實(shí)時(shí)采集一級(jí)平臺(tái)的陀螺殘差值并進(jìn)行積分，按照對(duì)應(yīng)角度關(guān)系控制快反鏡在方位和俯仰兩個(gè)方向進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)；充分利用快反鏡高帶寬和高分辨率的特點(diǎn)，使得快反鏡與一級(jí)穩(wěn)定平臺(tái)作同步角度補(bǔ)償，相對(duì)一級(jí)穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行第二級(jí)精確穩(wěn)定，控制原理框圖如圖3所示[2]。

圖1 集成共光路成像組件的兩軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)框圖

圖2 快反鏡（FSM）在一幀圖像時(shí)間內(nèi)同時(shí)進(jìn)行復(fù)合軸控制和回掃補(bǔ)償時(shí)序框圖

圖3 快反鏡（FSM）復(fù)合軸穩(wěn)像的基本原理框圖

圖3中：為輸入角速度；()為慣性校正函數(shù)；()為電機(jī)傳遞函數(shù)；()為負(fù)載傳遞函數(shù)；gyro為陀螺；1為光電平臺(tái)指向角度；2為快反鏡角度；LOS為傳感器視軸指向角度；為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；為光學(xué)系數(shù)；FSM為快反鏡角度。

1.2 快反鏡角度反向回掃控制分析

在光電轉(zhuǎn)塔方位或俯仰掃描搜索狀態(tài)下，穩(wěn)定平臺(tái)處于慣性態(tài)，并依據(jù)收到的掃描指令速度值和掃描幅值進(jìn)行連續(xù)掃描。以共光路集成的紅外探測(cè)器的積分信號(hào)為基準(zhǔn)時(shí)序，快反鏡進(jìn)行反向回掃控制，分別進(jìn)行加速、掃描補(bǔ)償、減速、復(fù)位歸零，消除平臺(tái)掃描搜索時(shí)圖像產(chǎn)生的“拖尾”現(xiàn)象。后端圖像處理接收到伺服控制發(fā)送的標(biāo)識(shí)后進(jìn)行圖像采集、存儲(chǔ)和圖像拼接等處理。其工作時(shí)序如圖4所示。

2 關(guān)鍵參數(shù)分析

2.1 捷聯(lián)式快反鏡角度解析

由于共光路成像組件中快反鏡的動(dòng)作機(jī)構(gòu)軸上沒(méi)有安裝陀螺，且其轉(zhuǎn)動(dòng)軸與一級(jí)穩(wěn)定平臺(tái)的陀螺的敏感軸不平行，因而為全捷聯(lián)方式?？旆寸R的二級(jí)穩(wěn)定需要將一級(jí)穩(wěn)定殘余誤差經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換解算出其偏轉(zhuǎn)的角度，實(shí)現(xiàn)復(fù)合軸穩(wěn)定控制。快反鏡的建立坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)換過(guò)程如下所示[1]。

[]s為光電轉(zhuǎn)塔光軸指向坐標(biāo)系；

[]k為快反鏡（FSM）框架坐標(biāo)系；

[]m為快反鏡（FSM）鏡面坐標(biāo)系；

[]v為光電成像傳感器成像坐標(biāo)系。

其示意圖如圖5所示。

圖4 快反鏡（FSM）回掃補(bǔ)償時(shí)序示意圖

圖5 共光路成像組件坐標(biāo)系簡(jiǎn)化圖

光電轉(zhuǎn)塔光線指向坐標(biāo)系下有：

1）入射光線

2）快反鏡的法線

3）反射矩陣

4）反射光線

5）反射光線在光電成像傳感器成像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

6）快反鏡方位方向的偏角

7）快反鏡俯仰方向的偏角：

8）同時(shí)考慮到快反鏡在共光路光路中安裝位置存在一定的光學(xué)放大系數(shù)，那么快反鏡偏轉(zhuǎn)角度與光軸指向偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系為：

式中：、為光電轉(zhuǎn)塔視軸的方位角度和俯仰角度；、為快反鏡偏轉(zhuǎn)的方位角度和俯仰角度。

2.2 快反鏡復(fù)合軸控制解析

在陀螺穩(wěn)定平臺(tái)慣性狀態(tài)下，分別對(duì)一級(jí)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的方位和俯仰軸的陀螺殘差進(jìn)行積分，按照上述(8)式偏轉(zhuǎn)的角度大小關(guān)系進(jìn)行快速同步調(diào)整，同時(shí)需要考慮快反鏡轉(zhuǎn)動(dòng)方向和一級(jí)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向關(guān)系來(lái)決定同步偏轉(zhuǎn)角度的正負(fù)值。

光電轉(zhuǎn)塔在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了兩軸搖擺穩(wěn)定精度測(cè)試。試驗(yàn)條件為3m的平行光管，直徑為0.1mm的光點(diǎn)；兩軸電動(dòng)搖擺臺(tái)以0.5Hz、5°兩軸復(fù)合搖擺，光電總調(diào)儀實(shí)時(shí)采集光電轉(zhuǎn)塔工作在慣性狀態(tài)下可見(jiàn)光的成像光點(diǎn)，進(jìn)行穩(wěn)定精度測(cè)試。測(cè)得一級(jí)穩(wěn)定方位精度為18.9mrad，快反鏡參與穩(wěn)定二級(jí)方位軸穩(wěn)定精度為5.5mrad；一級(jí)穩(wěn)定俯仰精度為22.2mrad，快反鏡參與穩(wěn)定二級(jí)俯仰軸穩(wěn)定精度為4.3mrad，穩(wěn)定精度提升了4～5倍，如圖7所示。

2.3 快反鏡回掃補(bǔ)償解析

在掃描搜索狀態(tài)下，光電轉(zhuǎn)塔按照預(yù)定的搜索方式分別進(jìn)行方位和俯仰方向掃描。光電轉(zhuǎn)塔最大掃描的角速度大小應(yīng)根據(jù)共光路成像組件內(nèi)成像光電傳感器的視場(chǎng)、成像光電傳感器的幀頻、成像光電傳感器探測(cè)器的積分時(shí)間和快反鏡線性角速度的性能分析計(jì)算來(lái)確定。

由于系統(tǒng)中1K中波紅外探測(cè)積分時(shí)間遠(yuǎn)大于可見(jiàn)光的曝光時(shí)間，從而以共光路成像組件中波紅外進(jìn)行分析。設(shè)定共光路成像組件中波紅外視場(chǎng)為1.6°×1.2°，幀頻為25Hz，探測(cè)器積分時(shí)間為12 ms，光學(xué)放大系數(shù)為6倍進(jìn)行分析，快反鏡線性補(bǔ)償?shù)慕嵌茸畲鬄?1°/s，從而分析光電轉(zhuǎn)塔最大的旋轉(zhuǎn)角速度。

在紅外探測(cè)器積分時(shí)間內(nèi)，光電轉(zhuǎn)塔方位旋轉(zhuǎn)的角速度為12°/s時(shí)，掃描的角度范圍為0.144°?？旆寸R方位補(bǔ)償?shù)慕嵌葹?.144°×6×1/1.414＝0.611°，補(bǔ)償?shù)慕撬俣葹?.611°/0.012＝51°/s。（由于每次掃描的角度范圍遠(yuǎn)小于單視場(chǎng)的角度范圍，所以不考慮單視場(chǎng)大小的因素。）

同理，在紅外探測(cè)器積分時(shí)間內(nèi)，光電轉(zhuǎn)塔俯仰掃描速度為17°/s時(shí)，掃描的角度范圍為0.204°?？旆寸R俯仰補(bǔ)償?shù)慕嵌葹?.204°×6×1/2＝0.612°，補(bǔ)償?shù)慕撬俣葹?.612°×0.012＝51°/s。

試驗(yàn)得出平臺(tái)方位以12.8°/s速度掃描快反鏡反向回掃開(kāi)/關(guān)時(shí)中波紅外圖像效果，如圖8所示。

3 結(jié)論

在光電偵察吊艙共光路成像組件中快反鏡旋轉(zhuǎn)軸與一級(jí)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)安裝的陀螺敏感軸全捷聯(lián)的情況下，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了在一幀圖像時(shí)間內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合軸控制和回掃補(bǔ)償控制的功能。重點(diǎn)分析了快反鏡實(shí)現(xiàn)復(fù)合軸穩(wěn)像角度解耦坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過(guò)程，相應(yīng)的回掃補(bǔ)償?shù)墓ぷ鲿r(shí)序，中波紅外探測(cè)器積分時(shí)間內(nèi)快反鏡回掃補(bǔ)償角速度計(jì)算。該關(guān)鍵技術(shù)已在某工程產(chǎn)品中得到充分驗(yàn)證，且效果良好。結(jié)果證明，利用共光路成像組件中快反鏡在一幀圖像時(shí)間內(nèi)有效實(shí)現(xiàn)了高精度復(fù)合軸穩(wěn)像和回掃補(bǔ)償清晰成像。

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Analysis of Composite Axis Control and Flyback Compensation Technology Based on Fast Reflector in Common Optical Patch

FANG Xibo，QIAO Honglei

(CAMA (LuoYang) Measurements & Controls Co. Ltd., Louyang 471009, China)

Telephoto common optical path imaging components are widely used in photoelectric reconnaissance pods, and the technical development of telephoto common optical path fast mirrors for composite axis image stabilization has become an inevitable trend. This study introduced the main components of telephoto common optical path imaging components. We realized the composite axis control and flyback compensation control strategy based on a fast mirror and analyzed and calculated its working timing and key parameters. We developed a fast mirror based on a telephoto common optical path imaging device, and simultaneously realized secondary image stabilization and flyback compensation within one frame of the image. We improved the reconnaissance range, image stabilization accuracy, and the search effect of medium- and high-altitude photoelectric reconnaissance pods.

optoelectronic reconnaissance pod, FSM, composite axis control, sweep-back compensation

TH703

A

1001-8891(2023)11-1230-06

2021-09-03；

2021-10-12.

方喜波（1978-），男，湖北新洲人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧t外成像、光電系統(tǒng)等。E-mail:fangxbRWW@163.com。