壽少峻，柳井莉，郭新勝

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引言

高精度跟蹤是光電跟蹤設(shè)備的主要性能，載體的擾動則是影響光電跟蹤性能的主要因素之一。抑制載體擾動取決于光電跟蹤控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，工程上常采用擾動隔離度來評價光電跟蹤控制系統(tǒng)對載體擾動的抑制能力［1］。

在系統(tǒng)設(shè)計的虛擬仿真階段，通過建立擾動和控制系統(tǒng)響應(yīng)之間的傳遞函數(shù)，計算控制系統(tǒng)在某類擾動下的響應(yīng)，可以預(yù)估跟蹤系統(tǒng)的擾動隔離度。但在工程實施中一直沒有測試手段來驗證實際響應(yīng)，無法構(gòu)成設(shè)計閉環(huán)［2－3］。本文介紹了工作中實際使用的模擬環(huán)境測試和載體平臺測試方法，并通過對2種方法的測試結(jié)果分析，探討如何測定光電跟蹤系統(tǒng)的擾動隔離度。

1 擾動隔離度的定義和計算

1.1 擾動隔離度的定義

依據(jù)參考文獻［1］的論述，兩軸穩(wěn)定平臺在外界擾動作用下，反電動勢干擾是影響穩(wěn)定精度的主因?；谏鲜鲈?，可以推導(dǎo)出計算系統(tǒng)對此類擾動的響應(yīng)傳遞函數(shù)［1］。在工程上采用擾動隔離度來表征系統(tǒng)的抗擾能力。隔離度的定義：擾動與系統(tǒng)響應(yīng)之比，一般用分貝數(shù)表示。

1.2 擾動隔離度計算實例

以研制的實際光電系統(tǒng)為例。系統(tǒng)采用光纖陀螺速率反饋控制方式，陀螺穩(wěn)定環(huán)路的閉環(huán)帶寬可達到優(yōu)于38Hz。系統(tǒng)的擾動隔離度可依據(jù)參考文獻［1］推導(dǎo)出系統(tǒng)隔離度計算公式如下：

圖1是應(yīng)用上述的計算方法計算出的光電跟蹤系統(tǒng)單軸系的船搖隔離度頻域分布圖，表1是典型頻率點處的船搖隔離度計算表。

圖1 船搖隔離度頻域分布圖Fig.1 Frequency distribution of ship－swaying disturbance isolation

表1 船搖隔離度計算表Table 1 Calculation table of ship－swaying disturbance isolation

2 光電系統(tǒng)隔離度驗證方法

艦載光電跟蹤儀需要具備對載體擾動的高隔離度，以便隔離艦船航行時縱橫搖和光電載體平臺高速運動等擾動，保持瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定［4］。在實際工作中，設(shè)計了兩種試驗：模擬艦船航行環(huán)境的實驗室仿真試驗和載體平臺運動隔離度測試試驗，以此評價系統(tǒng)的隔離擾動能力。

2.1 模擬艦船航行環(huán)境的實驗室仿真試驗

通過艦船航行環(huán)境的實驗室模擬仿真試驗，重點驗證5級海情和9級海情下利用大功率搖擺臺模擬艦船航行時產(chǎn)生的縱搖和橫搖擾動，檢驗光電跟蹤儀在此擾動下跟蹤定點目標(biāo)的能力，如圖2所示。

圖2 模擬艦船航行環(huán)境的實驗室仿真試驗示意圖Fig.2 Emulation experiment in lab to simulate environment of shipping

試驗輸入條件：（a）5級海情擾動頻譜，設(shè)定激勵為：橫搖角，幅值±22.5°，周期5s～10s；縱搖角，幅值±7.5°，周期3s～7s；（b）9級海情擾動頻譜，設(shè)定激勵為：橫搖角，幅值±40°，周期5s～10s；縱搖角，幅值±15°，周期3s～7s。目標(biāo)為高亮度點目標(biāo)（試驗室墻上點亮的電燈作為目標(biāo)，距離約為30m）。光電跟蹤儀跟蹤點目標(biāo)，搖擺臺按照擾動設(shè)置值做正弦運動。系統(tǒng)工作在二階空間位置閉環(huán)。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 隔離度測試結(jié)果Table 2 Result of disturbance isolation test

1）目標(biāo)為非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)作目標(biāo)導(dǎo)致的誤差

在實驗時設(shè)備擺幅過大，無法使用平行光管設(shè)置無窮遠點目標(biāo)；只能用點亮的電燈充當(dāng)目標(biāo)，并非標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)作目標(biāo)，在視頻上形成的圖像亮度不均勻且形狀不規(guī)則。導(dǎo)致視頻跟蹤器在每幀圖像中判別目標(biāo)中心的位置并不一致，而在光斑形成范圍內(nèi)波動，形成誤差。此誤差可視為隨機誤差，且作為指令輸入到空間位置閉環(huán)中，控制系統(tǒng)無法抑制，導(dǎo)致擾動隔離度降低。

2）CCD離軸安裝方式導(dǎo)致的誤差

CCD在系統(tǒng)中安裝位置與系統(tǒng)回轉(zhuǎn)中心有一段距離，約為150mm，如圖3所示。在跟蹤非無窮遠目標(biāo)時，會產(chǎn)生圖中所示的偏差角α，而且此偏差角隨著回轉(zhuǎn)中心的運動而變化，此項偏差被空間位置閉環(huán)包含，受到一定程度抑制，但依舊會加大跟蹤誤差，導(dǎo)致擾動隔離度下降［5－6］。

圖3 CCD離軸安裝方式示意圖Fig.3 Off－axis installation of CCD

3）系統(tǒng)回轉(zhuǎn)中心移動導(dǎo)致誤差加大

圖4 回轉(zhuǎn)中心移動方位角變化示意圖Fig.4 Azimuth of act of gyration center

控制系統(tǒng)的坐標(biāo)原點為方位軸和俯仰軸的交匯點（系統(tǒng)回轉(zhuǎn)中心），在搖擺臺旋轉(zhuǎn)中心的上方。試驗時，系統(tǒng)回轉(zhuǎn)中心是在一定范圍內(nèi)運動的。圖4所示為回轉(zhuǎn)中心在方位向的運動范圍，運動區(qū)間為A、B兩點之間?；剞D(zhuǎn)中心的運動軌跡包含了角運動和線位移。AB連線可視為回轉(zhuǎn)中心的線位移，對應(yīng)的線位移速度隨不同位置改變，同時此線位移速度是陀螺無法感應(yīng)的，陀螺穩(wěn)定環(huán)也無法校正，僅依賴于空間位置閉環(huán)的校正能力。此項誤差也會導(dǎo)致擾動隔離度下降［7－10］。

綜上所述，要精確測試隔離度，協(xié)作目標(biāo)非常重要。但是由于試驗過程中系統(tǒng)回轉(zhuǎn)中心運動范圍過大，無法構(gòu)建無窮遠目標(biāo)，只能以此方法定性分析。由試驗數(shù)據(jù)可知：跟蹤誤差的極限值依舊可以滿足系統(tǒng)跟蹤精度要求。在改善協(xié)作目標(biāo)的條件下，測試的隔離度有望提升。

2.2 載體平臺運動隔離度測試試驗

光電跟蹤儀安裝在一個可以高速旋轉(zhuǎn)的平臺上。載體平臺高速運動時，光電跟蹤儀跟蹤遠距離目標(biāo)，測量跟蹤誤差并計算擾動隔離度，具體方法如圖5所示。將光電跟蹤儀穩(wěn)定跟蹤遠處目標(biāo)（2km左右），然后使平臺作各種運動，記錄光電跟蹤儀的跟蹤誤差。利用公式計算隔離度。平臺運動分別為：30°、60°、90°調(diào)轉(zhuǎn)角度，小正弦運動，大正弦運動和等速運動等。

圖5 載體平臺運動隔離度測試試驗示意圖Fig.5 Disturbance isolation test for platform movement

紀(jì)錄載體平臺每一種運動模式下的光電跟蹤誤差數(shù)據(jù)，以大正弦運動的實測數(shù)據(jù)為例，平臺擾動導(dǎo)致的光電架位數(shù)據(jù)變化如圖6所示。圖中運動模式可分為3種；起始段、穩(wěn)定段和截止段。在截止段和起始段中，光電系統(tǒng)的架位數(shù)據(jù)變化不規(guī)則；穩(wěn)定段的數(shù)據(jù)可清晰分辨出系統(tǒng)擾動為記錄的光電方位向跟蹤誤差數(shù)據(jù)如圖7所示。

在外加擾動的穩(wěn)定段提取誤差最大值0.18mrad，可計算出隔離度為80.156dB。略小于理論計算值82.6dB?？紤]到光電系統(tǒng)在載體平臺上安裝位置偏置（圖5）和目標(biāo)并非無窮遠等因素會加大跟蹤誤差，此項結(jié)果可以反映系統(tǒng)的實際擾動隔離能力。

圖6 實測平臺擾動時的光電架位數(shù)據(jù)Fig.6 Actual position data of optical system on disturbed platform

圖7 實測平臺擾動時光電方位向跟蹤誤差Fig.7 Actual azimuth tracking error of optical system on disturbed platform

2.3 試驗數(shù)據(jù)進一步分析

改變上述誤差數(shù)據(jù)的比例尺，與擾動數(shù)據(jù)顯示在圖8中，可以分析擾動和誤差之間的相位關(guān)系。

圖8 擾動和誤差之間的相位關(guān)系Fig.8 Phase relationship between disturbance and error

從2條曲線的圖形上分析，誤差的最大值一般都出現(xiàn)在擾動運動的拐點處。這也說明了空間二階位置閉環(huán)的特點。誤差隨著擾動的角加速度而變化。由此可見，在空間二階位置閉環(huán)控制模式下，對擾動的隔離控制方式為：依靠速度穩(wěn)定環(huán)抵消擾動大角度運動，而由二階位置閉環(huán)來消除殘差。

3 結(jié)論

本文所述的試驗方法可以評價系統(tǒng)的擾動隔離度，完成系統(tǒng)設(shè)計到集成后控制性能評價階段的閉環(huán)設(shè)計。但是，擾動隔離度畢竟是建立在全頻域的性能指標(biāo)，若想將測量范圍延伸到中頻域甚至更高頻域，試驗方法還需要進一步改進。綜合前文所述，以下幾點可為以后的工作提供參考：

1）試驗需要考慮的約束條件。

對于集成后的光電跟蹤系統(tǒng)，在試驗中需要考慮的約束條件非常多。文中就對協(xié)作目標(biāo)的形式、視軸與轉(zhuǎn)軸安裝偏差和系統(tǒng)回轉(zhuǎn)中心移動等因素進行討論。實際過程中還存在諸如視頻跟蹤器的輸出精度、試驗轉(zhuǎn)臺位置輸出精度和采樣頻率等因素，也可能對最終結(jié)果產(chǎn)生影響。

2）協(xié)作目標(biāo)是關(guān)鍵

對于光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度測試，協(xié)作目標(biāo)是非常關(guān)鍵的因素。跟蹤目標(biāo)的成像品質(zhì)不好，視頻跟蹤器輸出的目標(biāo)質(zhì)心就會產(chǎn)生波動，直接影響跟蹤效果；目標(biāo)距離會導(dǎo)致視軸與轉(zhuǎn)軸安裝偏差和系統(tǒng)回轉(zhuǎn)中心移動等因素對跟蹤結(jié)果產(chǎn)生影響。最佳協(xié)作目標(biāo)依然是利用平行光管和點光源構(gòu)成。

3）試驗方式不僅僅對低頻擾動有效

文中所有的試驗數(shù)據(jù)都是在低頻域獲得的，其主要原因在于試驗的光電跟蹤儀質(zhì)量較大，作為擾動源的轉(zhuǎn)臺無法提供足夠的輸出功率，不能產(chǎn)生規(guī)范性的中高頻擾動信號。如果對于不同的光電系統(tǒng)選取合適的轉(zhuǎn)臺，試驗頻域可以擴展。

4）追求高隔離度能力的控制模式展望

從試驗數(shù)據(jù)可知，雙環(huán)路控制模式隔離擾動的關(guān)鍵點是速度環(huán)路的快速響應(yīng)能力，即帶寬足夠大。但是，光電跟蹤儀通常設(shè)置速度環(huán)路帶寬時，由于協(xié)調(diào)過程中的系統(tǒng)超調(diào)問題，不能追求極限帶寬。在某些需要高隔離度的應(yīng)用場合，例如艦載光電跟蹤設(shè)備跟蹤近區(qū)水面漂浮物或者岸上固定目標(biāo)時，建議采用多?？刂频姆绞?，即預(yù)先設(shè)置速度環(huán)路的極限帶寬控制參數(shù)（高隔離度控制模式）備用，在鎖定目標(biāo)后通過模式切換轉(zhuǎn)入高隔離度控制模式，以便得到更高的系統(tǒng)擾動隔離度，提升跟蹤效果。

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