一種基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的高精度跟蹤，該裝置包括旋轉(zhuǎn)雙棱鏡跟蹤控制裝置、成像組件、快速反射鏡跟蹤裝置和探測(cè)器，該系統(tǒng)通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)雙棱鏡實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的快速跟蹤，目標(biāo)進(jìn)入成像組件后被成像到探測(cè)器上，根據(jù)目標(biāo)在探測(cè)器上的脫靶量控制快速反射鏡偏轉(zhuǎn)，將目標(biāo)穩(wěn)定閉環(huán)到探測(cè)中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的高精度跟蹤。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電跟蹤領(lǐng)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(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 旋轉(zhuǎn)雙棱鏡結(jié)構(gòu)既適用于激光束的掃描，也可用于快速目標(biāo)的跟蹤。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡 結(jié)構(gòu)（Risley棱鏡）通過(guò)旋轉(zhuǎn)共軸的兩個(gè)楔形棱鏡達(dá)到控制光束偏轉(zhuǎn)的目的，具有結(jié)構(gòu)緊 湊、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。在已有專(zhuān)利（參見(jiàn)云茂金、祖繼峰等的專(zhuān)利：CN1256609C 與專(zhuān)利：CN2655268)中提出采用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行光束掃描，對(duì)基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的掃描裝置和掃 描算法進(jìn)行了研究，杜俊峰等的快速反射鏡專(zhuān)利（CN101482643B)提供一種在小角度范圍 快速跟蹤目標(biāo)的裝置，但其跟蹤區(qū)域非常小。
[0003] -些跟蹤應(yīng)用中要求跟蹤機(jī)構(gòu)能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的全場(chǎng)跟蹤，但實(shí)際的 旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)難以避免地存在指向盲區(qū)。理論上，只有當(dāng)兩棱鏡的頂角、折射系數(shù)完全相 同且理想裝調(diào)時(shí)，組建的系統(tǒng)才可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤的全場(chǎng)覆蓋。而在實(shí)際系統(tǒng)中，棱鏡的結(jié)構(gòu) 參數(shù)、折射系數(shù)不可避免地與標(biāo)稱(chēng)值或理論值存在偏差，并且當(dāng)系統(tǒng)工作在變化的氣候條 件下時(shí)，棱鏡參數(shù)也將隨之改變而產(chǎn)生誤差，同時(shí)棱鏡系統(tǒng)裝配時(shí)，棱鏡、旋轉(zhuǎn)軸傾斜將導(dǎo) 致對(duì)準(zhǔn)誤差；由于這些加工誤差、裝配誤差及熱學(xué)性能變化等因素的影響，兩棱鏡的光束偏 轉(zhuǎn)角難以完全抵消，經(jīng)過(guò)棱鏡偏折后的出射光束不能指向系統(tǒng)中心軸附近的空間區(qū)域，即 產(chǎn)生指向盲區(qū)，如圖1所示。盲區(qū)大小取決于棱鏡的加工精度和裝調(diào)精度，中心軸附近的指 向盲區(qū)范圍可達(dá)幾到幾百微弧度。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡裝置在跟蹤大角度范圍內(nèi)的目標(biāo)時(shí)，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(jí)，很難達(dá)到微弧度，甚至亞微 弧度量級(jí)。
[0004] 目前文獻(xiàn)中有用三個(gè)旋轉(zhuǎn)棱鏡解決跟蹤盲區(qū)的問(wèn)題，但三棱鏡跟蹤裝置中每一個(gè) 棱鏡旋轉(zhuǎn)角度的解有無(wú)窮多個(gè)，控制系統(tǒng)非常復(fù)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(dá)到微弧度量級(jí)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決旋轉(zhuǎn)雙棱鏡用于全視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)快速目 標(biāo)商精度跟蹤的技術(shù)問(wèn)題，提供一種可以用于快速目標(biāo)商精度跟蹤的方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)，其特征在于： 由旋轉(zhuǎn)雙棱鏡組件、成像組、快速反射鏡跟蹤裝置、探測(cè)器和控制器組成；旋轉(zhuǎn)雙棱鏡組件 包括第一棱鏡、第二棱鏡、第一電機(jī)和第二電機(jī)；其中，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的第一 級(jí)跟蹤，快速反射鏡跟蹤裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的第二級(jí)跟蹤。
[0007] 進(jìn)一步的，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的粗跟蹤，快速反射鏡跟蹤裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)目 標(biāo)的精密跟蹤。
[0008] 進(jìn)一步的，所述的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)，其跟蹤工作流程包括以下步 驟：
[0009] 步驟1)、判斷目標(biāo)是否處于棱鏡工作盲區(qū)，在工作盲區(qū)，則執(zhí)行第4步，不在工作 盲區(qū)，則執(zhí)行第2步；
[0010] 步驟2)、根據(jù)目標(biāo)引導(dǎo)數(shù)據(jù)、第一棱鏡的方位角01和第二棱鏡的方位角度0 2由 控制器計(jì)算第一棱鏡和第二棱鏡的轉(zhuǎn)角Λ θ ρ Λ Θ 2 ;
[0011] 步驟3)、控制器根據(jù)第一棱鏡和第二棱鏡的轉(zhuǎn)角Λ θ ρ Λ Θ 2計(jì)算第一電機(jī)和第 二電機(jī)的控制量Vp V2使得第一棱鏡和第二棱鏡分別轉(zhuǎn)動(dòng)Δ Θ i和Δ Θ 2，將目標(biāo)光線偏折 到成像組的視場(chǎng)中心區(qū)域；
[0012] 步驟4)、成像組將目標(biāo)光線成像探測(cè)器上，控制器計(jì)算目標(biāo)的脫靶量Λχ和Ay ;
[0013] 步驟5)、控制器利用目標(biāo)的脫靶量Λ X和Λ y計(jì)算出快速反射鏡跟蹤裝置的控制 量 Vx、Vy ;
[0014] 步驟6)、快速反射鏡跟蹤裝置根據(jù)其控制量Vx、Vy將目標(biāo)穩(wěn)定閉環(huán)到探測(cè)器的視 場(chǎng)中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度閉環(huán)跟蹤。
[0015] 進(jìn)一步的，目標(biāo)引導(dǎo)數(shù)據(jù)包括方位角和俯仰角。
[0016] 本發(fā)明原理在于：
[0017] 系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，首先組成復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)的主要部件有旋轉(zhuǎn)雙棱鏡組 件（包括棱鏡1、棱鏡2、電機(jī)3和電機(jī)4等）、成像組5、快速反射鏡跟蹤裝置6、探測(cè)器7和 控制器8。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的第一級(jí)粗跟蹤，快速反射鏡跟蹤裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的 第二級(jí)精密跟蹤。圖3中最大區(qū)域是旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的跟蹤范圍（±10°?±80° )，中心綠色 區(qū)域是其跟蹤盲區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡無(wú)法跟蹤目標(biāo)；中心白色區(qū)域是探測(cè)器7探測(cè) 范圍，同時(shí)也是快速反射鏡跟蹤裝置6的跟蹤范圍，白色區(qū)域完全覆蓋綠色區(qū)域。
[0018] 完成目標(biāo)的高精度跟蹤過(guò)程如下：
[0019] 1)判斷目標(biāo)位置是否在旋轉(zhuǎn)雙棱鏡盲區(qū)外，如果在盲區(qū)外執(zhí)行第2步，如果在盲 區(qū)內(nèi)執(zhí)行第5步；
[0020] 2)由目標(biāo)的方位角〇t和俯仰角Φ,，計(jì)算使目標(biāo)成像在探測(cè)器的視場(chǎng)中心附近時(shí) 兩個(gè)棱鏡（棱鏡1、棱鏡2)所需要的旋轉(zhuǎn)角度△ θ ρ △ Θ 2 ;
[0021] 3)控制器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)（電機(jī)3、電機(jī)4)將兩個(gè)棱鏡分別旋轉(zhuǎn)到所需的位置，將 目標(biāo)初步引導(dǎo)到探測(cè)器的視場(chǎng)中心附近；
[0022] 4)根據(jù)探測(cè)器上目標(biāo)的脫靶量控制快速反射鏡跟蹤裝置，將目標(biāo)穩(wěn)定閉環(huán)到探測(cè) 器中心；
[0023] 5)如果目標(biāo)位置在旋轉(zhuǎn)雙棱鏡盲區(qū)內(nèi)，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡控制量不變，直接根據(jù)目標(biāo)在 探測(cè)器上的脫靶量控制快速反射鏡跟蹤裝置，將目標(biāo)穩(wěn)定閉環(huán)到探測(cè)器中心。
[0024] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0025] 1)、本發(fā)明提出的"基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)"與"傳統(tǒng)的框架式跟蹤架 復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)"相比，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、響應(yīng)非常迅速，并且控制帶寬很 1?，能實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的快速1?精度跟蹤；
[0026] 2)、本發(fā)明提出的"基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)"與普通的"旋轉(zhuǎn)雙棱鏡跟 蹤系統(tǒng)"相比，其跟蹤精度很高，并且沒(méi)有跟蹤盲區(qū)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為棱鏡跟蹤裝置的視場(chǎng)分布示意圖；
[0028] 圖2為旋轉(zhuǎn)雙棱鏡復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)的組成原理示意圖；1為棱鏡，2為棱鏡，3為電 機(jī)，4為電機(jī)，5為成像組，6為快速反射鏡跟蹤裝置，7為探測(cè)器，8為控制器；
[0029] 圖3為旋轉(zhuǎn)雙棱鏡復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)的視場(chǎng)分布示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0031] 首先結(jié)合圖2介紹基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)。組成該系統(tǒng)的主要部件有 棱鏡1、棱鏡2、電機(jī)3、電機(jī)4、成像組5、快速反射鏡跟蹤裝置6、探測(cè)器7、控制器8。
[0032] 其中棱鏡1和棱鏡2相同，都是消色差棱鏡（可工作在可見(jiàn)光、中波和長(zhǎng)波紅外波 段），棱鏡1和棱鏡2組合后的光線偏折角度范圍約±10°?±80°，其盲區(qū)約±0.1°? ±1.0°。
[0033] 電機(jī)3和電機(jī)4為力矩電機(jī)，二者的轉(zhuǎn)子分別與第一棱鏡和第二棱鏡直接相連，可 360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，具有響應(yīng)快、剛度高的特點(diǎn)，直接快速驅(qū)動(dòng)棱鏡1和棱鏡2到指定方位角。
[0034] 成像組5將棱鏡1與棱鏡2偏折后的目標(biāo)光線成像到探測(cè)器7,探測(cè)器視場(chǎng)較小， 約為（±0.2°?±1.5° )，其視場(chǎng)角大于棱鏡盲區(qū)，探測(cè)脫7的靶量用于控制快速反射鏡 跟蹤裝置6?？焖俜瓷溏R跟蹤裝置6 (可參考專(zhuān)利CN101482643B或PI公司相關(guān)FSM產(chǎn)品） 可提供兩維小角度偏轉(zhuǎn)，快速跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其偏轉(zhuǎn)角度與探測(cè)器7的視場(chǎng)相匹配，根據(jù)控 制器8所給控制量將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)閉環(huán)到探測(cè)器7的視場(chǎng)中心，其閉環(huán)精度約0. 1?3 μ rad。
[0035] 由于探測(cè)器本身視場(chǎng)有限（±0.2°?±1.5° )，需要給定目標(biāo)位置的引導(dǎo)數(shù)據(jù) 后，按以下步驟完成目標(biāo)的高精度跟蹤過(guò)程：
[0036] 1)判斷目標(biāo)是否處于棱鏡工作盲區(qū)，在工作盲區(qū)，則執(zhí)行第4步，不在工作盲區(qū)， 則執(zhí)行第2步；
[0037] 2)根據(jù)目標(biāo)引導(dǎo)數(shù)據(jù)（方位角Θ t和俯仰角Φ t)、棱鏡1的方位角Θ i和棱鏡2的 方位角度Θ 2由控制器8計(jì)算棱鏡1和棱鏡2的轉(zhuǎn)角Λ θ ρ Λ Θ 2 ;
[0038] 3)控制器8根據(jù)棱鏡1和棱鏡2的轉(zhuǎn)角Λ θ ρ Λ Θ 2計(jì)算電機(jī)3和電機(jī)4的控制 量％、％，使得棱鏡1和棱鏡2分別轉(zhuǎn)動(dòng)Λ Θ i和Λ Θ 2，將目標(biāo)光線偏折到成像組5的視場(chǎng) 中心區(qū)域，棱鏡組的跟蹤精度約5?30";
[0039] 4)成像組5將目標(biāo)光線成像探測(cè)器7上，控制器8計(jì)算出目標(biāo)的脫靶量Λχ和 Δγ ；
[0040] 5)控制器8利用目標(biāo)的脫靶量和計(jì)算出快速反射鏡跟蹤裝置6的控制量Vx、V y ;
[0041] 6)快速反射鏡跟蹤裝置6根據(jù)其控制量Vx、Vy將目標(biāo)穩(wěn)定閉環(huán)到探測(cè)器7的視場(chǎng) 中心，快速反射鏡跟蹤裝置6的跟蹤精度約0. 1?3 μ rad。
[0042] 總之，基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)利用棱鏡跟蹤裝置和快速反射鏡跟蹤裝 置實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的大角度范圍高精度跟蹤。
[0043] 以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭示的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：由旋轉(zhuǎn)雙棱鏡組件、成像組 (5)、快速反射鏡跟蹤裝置（6)、探測(cè)器（7)和控制器（8)組成；旋轉(zhuǎn)雙棱鏡組件包括第一棱 鏡（1)、第二棱鏡（2)、第一電機(jī)（3)和第二電機(jī)（4);其中，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的 第一級(jí)跟蹤，快速反射鏡跟蹤裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的第二級(jí)跟蹤。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：旋轉(zhuǎn)雙棱 鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的粗跟蹤，快速反射鏡跟蹤裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精密跟蹤。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：其跟蹤工 作流程包括以下步驟： 步驟1)、判斷目標(biāo)是否處于棱鏡工作盲區(qū)，在工作盲區(qū)，則執(zhí)行第4步，不在工作盲區(qū)， 則執(zhí)行第2步； 步驟2)、根據(jù)目標(biāo)引導(dǎo)數(shù)據(jù)、第一棱鏡（1)的方位角和第二棱鏡（2)的方位角度 Θ 2由控制器⑶計(jì)算第一棱鏡（1)和第二棱鏡（2)的轉(zhuǎn)角Λ θ ρ Λ Θ 2 ; 步驟3)、控制器（8)根據(jù)第一棱鏡（1)和第二棱鏡（2)的轉(zhuǎn)角Λ θ ρ Λ Θ 2計(jì)算第一 電機(jī)（3)和第二電機(jī)（4)的控制量￥1，％使得第一棱鏡（1)和第二棱鏡（2)分別轉(zhuǎn)動(dòng)Λ Θ i 和Λ θ2，將目標(biāo)光線偏折到成像組（5)的視場(chǎng)中心區(qū)域； 步驟4)、成像組（5)將目標(biāo)光線成像探測(cè)器（7)上，控制器（8)計(jì)算目標(biāo)的脫靶量Λχ 和Ay ; 步驟5)、控制器（8)利用目標(biāo)的脫靶量Λχ和Ay計(jì)算出快速反射鏡跟蹤裝置（6)的 控制量Vx、Vy; 步驟6)、快速反射鏡跟蹤裝置（6)根據(jù)其控制量Vx、Vy將目標(biāo)穩(wěn)定閉環(huán)到探測(cè)器（7) 的視場(chǎng)中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度閉環(huán)跟蹤。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：目標(biāo)引導(dǎo) 數(shù)據(jù)包括方位角和俯仰角。
【文檔編號(hào)】G05D3/12GK104122900SQ201410370054
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】彭起, 李錦英, 王中科, 任戈, 陳科, 付承毓 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所