姜曉明，王旭烽，張偉芳，劉宜罡

(上海機(jī)電工程研究所, 上海 201109)

0 引 言

高能激光武器系統(tǒng)的高精度跟蹤瞄準(zhǔn)性能是保證激光毀傷效果的關(guān)鍵。激光跟瞄系統(tǒng)利用粗跟蹤系統(tǒng)的大視場(chǎng)、大運(yùn)動(dòng)行程以及精跟蹤系統(tǒng)的高精度、快速響應(yīng)的復(fù)合軸跟蹤控制來(lái)實(shí)現(xiàn)精密跟蹤和瞄準(zhǔn)。在工程領(lǐng)域，為提高激光跟瞄系統(tǒng)的性能，粗精復(fù)合軸控制結(jié)構(gòu)和方法的應(yīng)用和優(yōu)化是必要的。

文獻(xiàn)[1-2]探討并給出了激光武器高精度跟蹤瞄準(zhǔn)控制技術(shù)的一些關(guān)鍵問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]給出了高精度跟瞄系統(tǒng)的性能指標(biāo)需求，分析了激光跟瞄系統(tǒng)中的誤差源。文獻(xiàn)[4]討論了雙探測(cè)器復(fù)合軸跟蹤控制及其工程應(yīng)用，詳細(xì)探討了探測(cè)器視場(chǎng)和帶寬匹配問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]從頻域的角度分析了粗精復(fù)合軸跟蹤控制的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]討論了單CCD探測(cè)器復(fù)合軸跟蹤控制和解耦策略，解決了大視場(chǎng)和高幀頻的矛盾。文獻(xiàn)[7-8]給出了雙探測(cè)器復(fù)合軸跟蹤控制的仿真結(jié)果。

本文討論了復(fù)合軸跟蹤控制在工程應(yīng)用中的一些問(wèn)題，例如復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)中粗精交班的穩(wěn)定性問(wèn)題等。本文第一章給出了粗精復(fù)合軸跟蹤控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)應(yīng)用；第二章描述了粗精協(xié)同跟蹤控制策略，利用雙模式切換策略實(shí)現(xiàn)粗精復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)在單探測(cè)器和雙探測(cè)器引導(dǎo)模式下的切換控制；第三章給出了仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了方法的有效性；最后給出了本文的結(jié)論。

1 粗精復(fù)合軸跟蹤控制系統(tǒng)

1.1 粗跟蹤系統(tǒng)

如圖1所示，在激光跟瞄系統(tǒng)中，粗跟蹤系統(tǒng)利用粗探測(cè)設(shè)備和二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的捕獲和粗跟蹤，完成大運(yùn)動(dòng)范圍的方位和高低運(yùn)動(dòng)，粗跟蹤系統(tǒng)的主要負(fù)載為二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)和大口徑的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡。粗探測(cè)設(shè)備固定在二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的高低俯仰運(yùn)動(dòng)軸上，隨高低俯仰軸運(yùn)動(dòng)。在應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)粗跟蹤系統(tǒng)向精跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定交班，精跟蹤視場(chǎng)一般大于粗跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度的3倍[5]。

圖1 激光跟瞄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of laser tracking and aiming system

為保證跟蹤精度，粗跟蹤系統(tǒng)采用直接驅(qū)動(dòng)方式，例如采用多級(jí)永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而減小齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)的傳動(dòng)誤差。粗跟蹤系統(tǒng)采用高分辨率、大視場(chǎng)紅外/可見(jiàn)光電視探測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的圖像跟蹤，在跟蹤過(guò)程中通過(guò)粗跟蹤電視和粗跟蹤紅外探測(cè)融合的方式，提高粗跟蹤系統(tǒng)的抗干擾能力。當(dāng)電視取差數(shù)據(jù)有效時(shí)，利用電視取差數(shù)據(jù)進(jìn)行閉環(huán)跟蹤；當(dāng)紅外取差數(shù)據(jù)有效時(shí)，利用紅外取差數(shù)據(jù)進(jìn)行閉環(huán)跟蹤；當(dāng)電視和紅外取差數(shù)據(jù)同時(shí)無(wú)效時(shí)，則采取記憶跟蹤。設(shè)圖像采樣周期為T(mén)，則第k個(gè)周期得到的圖像處理取差值分別描述為δ(kT)和ε(kT)。

在目標(biāo)預(yù)測(cè)過(guò)程中，需利用轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)時(shí)方位角α(kT)、高低角β(kT)與取差值進(jìn)行綜合。由于圖像處理需要一定的處理周期，因此圖像處理結(jié)果相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)的角度信息有延遲。以τ為處理周期，在處理過(guò)程中，將方位角和高低角人為延遲τ的周期，與取差值進(jìn)行綜合。在極坐標(biāo)下，滯后的目標(biāo)方位角和高低角分別為

(1)

圖2 粗跟蹤控制系統(tǒng)Fig.2 Coarse tracking control system

1.2 精跟蹤系統(tǒng)

如圖1所示，精跟蹤系統(tǒng)由發(fā)射望遠(yuǎn)鏡、快速反射鏡(fast steering mirror, FSM)、反射鏡組等構(gòu)成的探測(cè)光路以及精探測(cè)設(shè)備等組成。通過(guò)FSM可以實(shí)現(xiàn)跟瞄系統(tǒng)的小范圍精密跟蹤與瞄準(zhǔn)。精跟蹤系統(tǒng)在粗跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改變激光跟瞄系統(tǒng)的發(fā)射和跟蹤光軸，其中，跟蹤光軸包括方位和俯仰兩個(gè)自由度。通過(guò)多組小范圍運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷(piezoelectric ceramic transducer，PZT)驅(qū)動(dòng)的FSM，結(jié)合小視場(chǎng)可見(jiàn)光探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高精度精密跟蹤，每一組PZT控制原理相似。精探測(cè)光路相對(duì)于精探測(cè)設(shè)備產(chǎn)生方位和高低相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致精探測(cè)視場(chǎng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，也稱“像旋”現(xiàn)象。因此，需要將精探測(cè)的取差值經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換后才能作用到FSM中?！跋裥辈皇潜疚闹饕P(guān)心的問(wèn)題，因此本文后續(xù)會(huì)省略精跟蹤的“像旋”問(wèn)題。

圖3 精跟蹤控制系統(tǒng)Fig.3 Fine tracking control system

精跟蹤系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)與粗跟蹤系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)相似，如圖3所示。圖3中：Kp2為精跟蹤控制器，Kp3為包括位移反饋控制的PZT控制器，M2為壓電陶瓷執(zhí)行機(jī)構(gòu)，G2為快反鏡FSM。與粗跟蹤系統(tǒng)相比，精探測(cè)設(shè)備的視場(chǎng)更小，圖像幀頻更高，作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓電陶瓷具有上千赫茲的諧振頻率，其滯回、蠕變等非線性特性已經(jīng)得到了妥善的解決，因此可以保證精跟蹤系統(tǒng)的響應(yīng)速度更高，精度更高。除此之外，應(yīng)該注意的是，精跟蹤系統(tǒng)的探測(cè)視場(chǎng)具有小的景深，可以有效地抑制空中復(fù)雜背景的影響，換言之，精跟蹤視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)/背景對(duì)比度(信噪比)更高。若能將其與粗跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，則能夠很好地提高系統(tǒng)的抗干擾性能，后續(xù)章節(jié)將對(duì)此進(jìn)行討論。

1.3 復(fù)合軸跟蹤控制系統(tǒng)

由粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)組成復(fù)合軸跟蹤控制系統(tǒng)，利用粗跟蹤系統(tǒng)的大運(yùn)動(dòng)范圍以及精跟蹤系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和高精度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域或瞄準(zhǔn)點(diǎn)的精確跟蹤。以雙探測(cè)器復(fù)合軸控制系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明，激光跟瞄系統(tǒng)中的雙探測(cè)器復(fù)合軸跟蹤控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，LOS1為粗探測(cè)軸的視軸指向，粗探測(cè)系統(tǒng)以此視軸方向與目標(biāo)視軸重合為跟蹤目標(biāo)，視軸輸出為YLOS1；LOS2為精探測(cè)軸的視軸指向，精探測(cè)系統(tǒng)以此視軸方向與目標(biāo)視軸方向重合為跟蹤目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合軸跟蹤后系統(tǒng)總的視軸輸出為YLOS2。圖4中有以下幾點(diǎn)需要說(shuō)明：粗跟蹤系統(tǒng)的目標(biāo)截獲以整個(gè)目標(biāo)為特征進(jìn)行圖像跟蹤，往往以目標(biāo)圖像的“質(zhì)心”或者“形心”為圖像跟蹤依據(jù)；而精跟蹤系統(tǒng)通常以目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)或打擊特征點(diǎn)為圖像跟蹤依據(jù)，因此兩者的跟蹤特征是不同的。即使兩者的視場(chǎng)中心點(diǎn)在跟蹤前是重合的，在跟蹤過(guò)程中，精跟蹤系統(tǒng)相對(duì)于粗跟蹤機(jī)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)相對(duì)偏差。

在上述跟蹤控制結(jié)構(gòu)中，粗跟蹤系統(tǒng)的控制相對(duì)獨(dú)立，粗跟蹤系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性由自身的穩(wěn)定性決定。粗跟蹤系統(tǒng)的輸出相當(dāng)于疊加在精跟蹤系統(tǒng)中的“擾動(dòng)量”，在精跟蹤系統(tǒng)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，精跟蹤系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性只取決于精跟蹤系統(tǒng)自身。但是，若粗跟蹤系統(tǒng)引起的目標(biāo)取差值過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)超出精探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)范圍或PZT的行程范圍，從而導(dǎo)致精跟蹤系統(tǒng)無(wú)法正常工作。復(fù)合軸跟蹤控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性取決于粗精復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)的視場(chǎng)匹配和帶寬匹配情況。復(fù)合軸跟蹤控制系統(tǒng)的精度最終取決于精跟蹤系統(tǒng)的取差值ef。

盡管復(fù)合軸控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，但在激光跟瞄系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：當(dāng)粗跟蹤系統(tǒng)向精跟蹤系統(tǒng)交班后，粗跟蹤系統(tǒng)發(fā)生背景干擾或目標(biāo)機(jī)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)丟失或目標(biāo)跟蹤點(diǎn)漂移。當(dāng)目標(biāo)在精跟蹤視場(chǎng)中丟失，復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)會(huì)退出精跟蹤過(guò)程，粗跟蹤系統(tǒng)需要重新捕獲目標(biāo)，精跟蹤所有的作動(dòng)機(jī)構(gòu)直接“歸零”，重新進(jìn)行粗精交班控制。若粗跟蹤的目標(biāo)跟蹤點(diǎn)發(fā)生漂移，則會(huì)出現(xiàn)精跟蹤系統(tǒng)作動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到極限位置或精跟蹤視場(chǎng)不能捕獲目標(biāo)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)合軸跟蹤控制。因此若粗精跟蹤系統(tǒng)不進(jìn)行協(xié)同控制，還是會(huì)發(fā)生粗精交班不穩(wěn)定或粗精復(fù)合軸跟蹤控制異常的現(xiàn)象。針對(duì)上述問(wèn)題，將在第2章中給出一種粗精復(fù)合軸協(xié)同跟蹤控制策略，實(shí)現(xiàn)兩種工作模式的切換。

圖4 雙探測(cè)器粗精復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)Fig.4 Dual detectors coarse-fine compound axis tracking system

2 粗精復(fù)合軸協(xié)同控制策略優(yōu)化

2.1 粗精復(fù)合軸協(xié)同控制結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)復(fù)合軸控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在粗跟蹤系統(tǒng)中增加兩路協(xié)同控制信號(hào)和一路切換開(kāi)關(guān)，一路是精探測(cè)設(shè)備的輸出經(jīng)過(guò)光學(xué)變換系數(shù)λ作用到粗跟蹤回路上，另一路是精跟蹤快反鏡的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)變換系數(shù)作用在粗跟蹤回路上，如圖5所示。在目標(biāo)捕獲過(guò)程中，粗跟蹤切換開(kāi)關(guān)切到模式1，粗精跟蹤相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，粗跟蹤系統(tǒng)利用粗探測(cè)設(shè)備的取差信號(hào)進(jìn)行粗跟蹤；當(dāng)粗跟蹤精度滿足要求時(shí)，目標(biāo)出現(xiàn)在精跟蹤系統(tǒng)的視場(chǎng)上，精跟蹤系統(tǒng)經(jīng)過(guò)對(duì)焦后，將提取目標(biāo)特征瞄準(zhǔn)點(diǎn)(瞄準(zhǔn)區(qū)域)，并進(jìn)行精跟蹤。在提取目標(biāo)特征點(diǎn)后，粗跟蹤系統(tǒng)的跟蹤點(diǎn)與精跟蹤系統(tǒng)的跟蹤點(diǎn)不同，會(huì)導(dǎo)致FSM移動(dòng)到接近極限的位置，影響精跟蹤系統(tǒng)的掃描范圍。此外，由于粗跟蹤系統(tǒng)的視場(chǎng)較大，若粗探測(cè)設(shè)備發(fā)生背景干擾等，將導(dǎo)致目標(biāo)在粗跟蹤系統(tǒng)的視場(chǎng)中丟失，從而精跟蹤系統(tǒng)會(huì)退出跟蹤過(guò)程，進(jìn)行“歸零”操作。

粗跟蹤系統(tǒng)需要重新開(kāi)始進(jìn)行目標(biāo)捕獲，系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間顯著增長(zhǎng)。此時(shí)，粗跟蹤切換開(kāi)關(guān)切到模式2，采用精跟蹤引導(dǎo)粗跟蹤的單探測(cè)器工作模式。在該工作模式中，粗跟蹤系統(tǒng)將利用精跟蹤得到的取差信息以及架位信息等綜合目標(biāo)信息進(jìn)行粗跟蹤。精跟蹤系統(tǒng)的視場(chǎng)更小，分辨率高，景深小，目標(biāo)背景對(duì)比度更好，因此有更好的抗干擾性能。若精跟蹤系統(tǒng)發(fā)生目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)丟失的情況，則切換開(kāi)關(guān)切換回模式1，重新進(jìn)行粗跟蹤，并進(jìn)行粗精復(fù)合軸跟蹤控制。粗精復(fù)合軸協(xié)同控制過(guò)程如圖5。

圖5 粗精協(xié)同控制系統(tǒng)Fig.5 Coarse-fine compound axis cooperative control system

結(jié)合上面的控制策略，對(duì)系統(tǒng)的跟蹤穩(wěn)定性進(jìn)行分析。當(dāng)切換開(kāi)關(guān)切換到模式1時(shí)，粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)利用各自的探測(cè)器進(jìn)行閉環(huán)跟蹤控制，粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性是獨(dú)立的，如第1章所述。當(dāng)切換開(kāi)關(guān)切換到模式2時(shí)，粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)同時(shí)利用精跟蹤系統(tǒng)探測(cè)器的信息進(jìn)行閉環(huán)控制。此時(shí)復(fù)合軸跟蹤控制結(jié)構(gòu)等效為圖6。圖6中，為了便于描述，省略了實(shí)際工程應(yīng)用中的共軸跟蹤控制結(jié)構(gòu)，Kp1仍為粗跟蹤控制器，Kp2仍為精跟蹤控制器，Gv1為粗跟蹤系統(tǒng)的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，Gv2為精跟蹤系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)精跟蹤系統(tǒng)丟失目標(biāo)后，重新切換至模式1，粗跟蹤系統(tǒng)重新進(jìn)行引導(dǎo)，重新進(jìn)行粗跟蹤系統(tǒng)向精跟蹤系統(tǒng)的交班，當(dāng)滿足交班條件后，切換開(kāi)關(guān)切換到模式2。

圖6 粗精復(fù)合軸協(xié)同控制模式2結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of compound axis cooperative control mode 2

2.2 粗精協(xié)同跟蹤控制的穩(wěn)定性

對(duì)粗精協(xié)同跟蹤控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。若將交叉解耦控制器Kc1忽略，則系統(tǒng)總的視軸輸出Ylos2為

(2)

式中：R1為目標(biāo)參考輸入。

由式(2)可以得出以下結(jié)論：系統(tǒng)的穩(wěn)定性由粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性決定，即如果粗跟蹤和精跟蹤系統(tǒng)都是穩(wěn)定的，則粗精協(xié)同控制系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。當(dāng)加入解耦控制器Kc1后，系統(tǒng)輸出總的視軸輸出Ylos2為

(3)

由式(3)可知，當(dāng)Kc1=1時(shí)，粗精協(xié)同控制系統(tǒng)可以完全解耦。此時(shí)，精跟蹤系統(tǒng)相對(duì)于粗跟蹤系統(tǒng)的偏差值為

Ylos2-Ylos1=

(4)

盡管系統(tǒng)本身是穩(wěn)定的，但由于精跟蹤系統(tǒng)的帶寬較寬，可以達(dá)到上百赫茲的響應(yīng)頻率，而粗跟蹤系統(tǒng)的帶寬較窄，因此精跟蹤系統(tǒng)的輸出容易激發(fā)粗跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械諧振，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)噪聲。為了不激發(fā)粗跟蹤系統(tǒng)的諧振頻率，將Kc1設(shè)計(jì)成帶比例增益的低通濾波器的形式，比例增益確保系統(tǒng)的穩(wěn)定，并對(duì)粗精協(xié)同控制系統(tǒng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)行程有衰減作用，增大了精跟蹤系統(tǒng)的可調(diào)整范圍，低通濾波器的帶寬介于粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)的帶寬之間。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 仿真結(jié)果

第2章給出了粗精復(fù)合軸協(xié)同控制優(yōu)化策略，該控制策略可以在兩種粗精復(fù)合軸控制模式下進(jìn)行切換。通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證激光跟瞄系統(tǒng)粗精復(fù)合軸跟蹤控制方法的有效性。根據(jù)第2章中描述的方法得到粗跟蹤系統(tǒng)的跟蹤誤差曲線，如圖7所示。圖7中，data1代表工作模式1下復(fù)合軸跟蹤控制的仿真結(jié)果，data2代表工作模式2下復(fù)合軸跟蹤控制的仿真結(jié)果。當(dāng)復(fù)合軸跟蹤控制從模式1切換到模式2時(shí)，粗跟蹤系統(tǒng)的跟蹤誤差從0.9 mrad 減小到0.3 mrad。

圖7 粗跟蹤控制誤差Fig.7 Coarse tracking control error

圖8中，data1給出了協(xié)同控制在工作模式1下精跟蹤系統(tǒng)的跟蹤誤差；data2給出了協(xié)同控制在工作模式2下精跟蹤系統(tǒng)的跟蹤誤差。在穩(wěn)定跟蹤過(guò)程中，當(dāng)復(fù)合軸跟蹤控制從工作模式1切換到工作模式2時(shí)，精跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度從3 μrad降低至1 μrad。

圖8 精跟蹤控制誤差Fig.8 Fine tracking control error

圖9 精跟蹤相對(duì)運(yùn)動(dòng)行程Fig.9 Relative motion distance of the fine tracking system

圖9給出了精跟蹤系統(tǒng)和粗跟蹤系統(tǒng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移，該位移代表了FSM的行程。FSM的有效行程小于1～2 mrad 。當(dāng)復(fù)合軸協(xié)同跟蹤控制從模式1切換至模式2時(shí)，精跟蹤系統(tǒng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)行程從0.9 mrad 降低至0.3 mrad，這意味著精跟蹤系統(tǒng)具有更大的可調(diào)整范圍，提高了精跟蹤系統(tǒng)的抗干擾性能。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證激光跟瞄系統(tǒng)的粗精復(fù)合軸協(xié)同控制方法，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含一個(gè)兩自由度運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和兩自由度運(yùn)動(dòng)FSM。兩自由度運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)具備方位360°、高低70°的運(yùn)動(dòng)行程，兩自由度FSM的運(yùn)動(dòng)行程為毫弧度量級(jí)，相對(duì)應(yīng)的是粗精跟蹤系統(tǒng)具有不同視場(chǎng)范圍、不同分辨率的圖像跟蹤設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將無(wú)人機(jī)作為典型的跟蹤目標(biāo)。

激光跟瞄系統(tǒng)的跟蹤圖像如圖10～11所示，粗精跟蹤系統(tǒng)有不同的瞄準(zhǔn)點(diǎn)或瞄準(zhǔn)區(qū)域。圖10給出了粗跟蹤系統(tǒng)的跟蹤圖像，為點(diǎn)目標(biāo)跟蹤，跟蹤點(diǎn)為無(wú)人機(jī)的圖像質(zhì)心；圖11給出了精跟蹤系統(tǒng)的跟蹤圖像，為面目標(biāo)跟蹤，跟蹤區(qū)域?yàn)闊o(wú)人機(jī)尾部機(jī)翼。當(dāng)粗精復(fù)合軸協(xié)同控制處于模式1時(shí)，為雙探測(cè)器跟蹤模式，粗跟蹤系統(tǒng)利用粗跟蹤探測(cè)器捕獲目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入精跟蹤探測(cè)器(此時(shí)粗跟蹤偏差小于1 mrad)時(shí)，選擇目標(biāo)特征區(qū)域，進(jìn)行粗精復(fù)合軸跟蹤控制(此時(shí)精跟蹤偏差小于10 μrad)，將跟蹤控制模式切換至工作模式2。在工作模式2中，粗跟蹤系統(tǒng)利用精跟蹤的綜合目標(biāo)信息進(jìn)行跟蹤。精跟蹤的目標(biāo)綜合信息能夠抑制背景的影響，克服粗跟蹤系統(tǒng)抗干擾能力差的缺陷，即使粗跟蹤系統(tǒng)丟失目標(biāo)，仍然能夠完成有效的跟蹤，保證精跟蹤的特征跟蹤區(qū)域位于精跟蹤的視場(chǎng)中心。在工作模式2中，精跟蹤系統(tǒng)引導(dǎo)粗跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤，為單探測(cè)器工作模式，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到了充分的驗(yàn)證。

圖10 粗跟蹤圖像Fig.10 The coarse tracking image

圖11 精跟蹤圖像Fig.11 The fine tracking image

4 結(jié)束語(yǔ)

為了保證激光跟瞄系統(tǒng)的跟蹤精度、響應(yīng)速度和抗干擾性能，引入粗精復(fù)合軸協(xié)同控制策略，使粗精復(fù)合軸跟蹤控制在兩種工作模式下進(jìn)行切換。一種工作模式為雙探測(cè)器粗精復(fù)合軸跟蹤控制，此時(shí)粗精復(fù)合軸運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立；另一種為單探測(cè)器復(fù)合軸跟蹤控制，引入解耦控制器，此時(shí)精跟蹤系統(tǒng)引導(dǎo)粗跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行粗精復(fù)合軸跟蹤控制。不同工作模式的切換充分利用了精跟蹤系統(tǒng)的快速運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、高分辨率以及粗跟蹤系統(tǒng)大運(yùn)動(dòng)行程的優(yōu)點(diǎn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。