[發明專利]一種基于旋轉雙棱鏡的復合軸跟蹤系統

有效

• 申請號: 201410370054.7
• 申請日: 2014-07-30
• 公開（公告）號: CN104122900B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 彭起;李錦英;王中科;任戈;陳科;付承毓
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,賈玉忠

技術領域

本發明屬于光電跟蹤領域，涉及一種光電跟蹤裝置與控制方法，具體涉及一種基于旋轉雙棱鏡的復合軸跟蹤系統。

背景技術

旋轉雙棱鏡結構既適用于激光束的掃描，也可用于快速目標的跟蹤。旋轉雙棱鏡結構(Risley棱鏡)通過旋轉共軸的兩個楔形棱鏡達到控制光束偏轉的目的，具有結構緊湊、轉動慣量低、響應迅速的特點。在已有專利(參見云茂金、祖繼峰等的專利：CN1256609C與專利：CN2655268)中提出采用該結構進行光束掃描，對基于旋轉雙棱鏡的掃描裝置和掃描算法進行了研究，杜俊峰等的快速反射鏡專利(CN101482643B)提供一種在小角度范圍快速跟蹤目標的裝置，但其跟蹤區域非常小。

一些跟蹤應用中要求跟蹤機構能夠在一定范圍內實現目標的全場跟蹤，但實際的旋轉雙棱鏡系統難以避免地存在指向盲區。理論上，只有當兩棱鏡的頂角、折射系數完全相同且理想裝調時，組建的系統才可實現目標跟蹤的全場覆蓋。而在實際系統中，棱鏡的結構參數、折射系數不可避免地與標稱值或理論值存在偏差，并且當系統工作在變化的氣候條件下時，棱鏡參數也將隨之改變而產生誤差，同時棱鏡系統裝配時，棱鏡、旋轉軸傾斜將導致對準誤差；由于這些加工誤差、裝配誤差及熱學性能變化等因素的影響，兩棱鏡的光束偏轉角難以完全抵消，經過棱鏡偏折后的出射光束不能指向系統中心軸附近的空間區域，即產生指向盲區，如圖1所示。盲區大小取決于棱鏡的加工精度和裝調精度，中心軸附近的指向盲區范圍可達幾到幾百微弧度。旋轉雙棱鏡裝置在跟蹤大角度范圍內的目標時，其跟蹤精度受到位置傳感器精度等的限制，其精度往往在毫弧度量級，很難達到微弧度，甚至亞微弧度量級。

目前文獻中有用三個旋轉棱鏡解決跟蹤盲區的問題，但三棱鏡跟蹤裝置中每一個棱鏡旋轉角度的解有無窮多個，控制系統非常復雜，并且跟蹤精度也非常有限，跟蹤精度約0.1毫弧度，很難達到微弧度量級。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，解決旋轉雙棱鏡用于全視場區域內快速目標高精度跟蹤的技術問題，提供一種可以用于快速目標高精度跟蹤的方法。

本發明的技術解決方案是：一種基于旋轉雙棱鏡的復合軸跟蹤系統，其特征在于：由旋轉雙棱鏡組件、成像組、快速反射鏡跟蹤裝置、探測器和控制器組成；旋轉雙棱鏡組件包括第一棱鏡、第二棱鏡、第一電機和第二電機；其中，旋轉雙棱鏡實現對運動目標的第一級跟蹤，快速反射鏡跟蹤裝置實現對目標的第二級跟蹤。

進一步的，旋轉雙棱鏡實現對運動目標的粗跟蹤，快速反射鏡跟蹤裝置實現對目標的精密跟蹤。

進一步的，所述的旋轉雙棱鏡的復合軸跟蹤系統，其跟蹤工作流程包括以下步驟：

步驟1)、判斷目標是否處于棱鏡工作盲區，在工作盲區，則執行第4步，不在工作盲區，則執行第2步；

步驟2)、根據目標引導數據、第一棱鏡的方位角θ₁和第二棱鏡的方位角度θ₂由控制器計算第一棱鏡和第二棱鏡的轉角Δθ₁，Δθ₂；

步驟3)、控制器根據第一棱鏡和第二棱鏡的轉角Δθ₁、Δθ₂計算第一電機和第二電機的控制量V₁，V₂使得第一棱鏡和第二棱鏡分別轉動Δθ₁和Δθ₂，將目標光線偏折到成像組的視場中心區域；

步驟4)、成像組將目標光線成像探測器上，控制器計算目標的脫靶量Δx和Δy；

步驟5)、控制器利用目標的脫靶量Δx和Δy計算出快速反射鏡跟蹤裝置的控制量V_x、V_y；

步驟6)、快速反射鏡跟蹤裝置根據其控制量V_x、V_y將目標穩定閉環到探測器的視場中心，從而實現對目標的高精度閉環跟蹤。

進一步的，目標引導數據包括方位角和俯仰角。

本發明原理在于：

系統組成框圖如圖2所示，首先組成復合軸跟蹤系統的主要部件有旋轉雙棱鏡組件(包括棱鏡1、棱鏡2、電機3和電機4等)、成像組5、快速反射鏡跟蹤裝置6、探測器7和控制器8。旋轉雙棱鏡實現對運動目標的第一級粗跟蹤，快速反射鏡跟蹤裝置實現對目標的第二級精密跟蹤。圖3中最大區域是旋轉雙棱鏡的跟蹤范圍(±10°～±80°)，中心綠色區域是其跟蹤盲區，在此區域內，旋轉雙棱鏡無法跟蹤目標；中心白色區域是探測器7探測范圍，同時也是快速反射鏡跟蹤裝置6的跟蹤范圍，白色區域完全覆蓋綠色區域。