動態目標生成技術的研究

王春輝++張立中

摘 要：針對光端機的粗跟蹤精度檢測方案，設計了動態目標生成器，為激光通信用光端機提供動態目標并進行粗跟蹤精度測試。詳細介紹了檢測原理，設計了動態目標生成器的結構，利用有限元分析軟件對關鍵部件進行分析，對精度進行了計算。分析結果表明，該設備可靠性高，能夠提供要求的檢測精度，為光端機的研制提供理論依據。

關鍵詞：動態目標 跟蹤精度 檢測

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0004-02

空間激光通信中，為了實現低功耗，遠距離，高速率的通信，通信光束通常以近衍射極限角發射，非常窄的通信束散角要求光端機的捕獲、跟蹤、瞄準性能高[1]。因此，要求有更高的檢測手段來檢測光端機的精度。本文利用激光通信光端機在接收光信號后也可發射光信號的特點，在動態靶標上安裝了高幀頻數字相機，用光端機返回的信標光在該相機中的脫靶量來評價它的精度，檢測結果更加接近光端機的實際跟蹤精度。

1 動態目標生成器的結構組成

該設備的系統組成如圖1所示，與傳統的光學靶標相比[2]，檢測設備的整體機械結構發生了變化，增加了精密回轉軸系，采用了高精度角度傳感器圓光柵作為反饋元件，使速度更加平穩；平行光管和檢測相機靜止不動，確保了系統的可靠性，提高了動態目標特性的穩定性。

整個檢測系統由底座組件、旋轉臂、平行光管、分光棱鏡、直流力矩電機、回轉軸系、兩塊平面反射鏡、可調光源、兩路可見光激光指示器和檢測相機等組成。

2 動態目標生成器的檢測原理

本檢測系統的檢測原理是激光通信光端機既可以接收來自目標生成器的平行光束，又可以通過自身的光學系統發射通信光，而且經過光學裝調可以保證兩次光路方向平行。動態目標生成器的功能由動目標生成功能和跟蹤精度檢測功能組成。

動目標生成功能原理：進行模擬目標跟蹤時，首先根據需要調整設備與被測試光端機間的距離和反射鏡的角度，使平行光管光軸指示光和旋轉臂回轉軸指示光匯聚到一點，然后調整被測試設備的位置，使光端機的回轉中心與指示光的交匯點重合。啟動力矩電機帶動旋轉臂實現旋轉運動，打開光源后，平行光管發出的信標光經反射鏡反射后，在空間上形成一錐面的運動軌跡，且錐點位于被測試光端機回轉中心的運動目標。

檢測功能原理：被測檢光端機跟蹤動態目標生成器產生的運動目標的同時，開啟自身的發射系統并發出通信光，因為光端機的通信光發射光軸和粗跟蹤接收光軸平行，因此光端機發射的通信光的光路與檢測設備信標光光路平行，經反射鏡2和反射鏡1的反射后，通信光束被平行光管接收，接收到的光束經分光棱鏡折射到CCD相機的探測面上形成光斑，經過圖像處理單元，可以計算光斑的位置。當被測光端機跟蹤誤差為零時，被測光端機發出的激光光軸和檢測設備發出的目標光平行，即與CCD相機的接收光軸平行，相機探測到的光斑應位于相機視場中心O處。當被測端機跟蹤精度不為零時，被測光端機發出的激光光軸與和CCD接收光軸間產生一定角度，光斑在CCD上位置變為A，通過檢測光斑偏離中心O的程度即可檢測光端機的跟蹤精度。

3 精度分析

根據系統的檢測原理，檢測設備本身的總體精度滿足一定的量級，才能確保檢測結果的準確性。本文所設計的檢測系統中，誤差主要由二部分組成，分別是：

（1）動態目標生成器旋轉臂受重力作用產生的變形。

（2）反射鏡及鏡座的變形。

以上的因素中，兩部分的誤差值是互不影響的，所以可以單獨分析。

3.1 旋轉臂的變形分析

在檢測過程中，動態目標生成器沿固定方向勻速旋轉，所以認為靜態變形和動態變形情況相同[3]。利用分析軟件可得。

由圖4和圖5可以看出，變形量根據旋轉臂位置的不同而發生相應的變化。在水平位置時它的最大變形數值為0.01254 mm；當旋轉臂處于豎直方向時最大變形數值為0.009656 mm。

根據反射鏡的反射原理，從平行光管出射的光束經過旋轉臂頂端鏡面反射后，出射角誤差會變大，誤差值為旋轉臂變形產生角度誤差值的2倍，設為旋轉臂在水平位置時變形產生的角度偏差，為旋轉臂在豎直位置時變形產生的角度偏差。根據反射鏡到旋轉臂的旋轉中心距離為800 mm，進行計算誤差、的大小：

（1）

（2）

取旋轉臂在水平位置時的誤差，則旋轉臂變形所引起的最大角度誤差數值為：

（3）

3.2 反射鏡座變形分析

鏡座與支座回轉軸、反射鏡與鏡座之間用螺釘連接，導致鏡座受到力的作用產生變形。

利用分析軟件得到反射鏡座的變形圖。

從圖6所示的變形圖可得，最大變形量發生在鏡座的下端，由分析結果看出，最大變形量為0.0004994 mm，鏡座框架的長度為265 mm，支撐點在反射鏡長軸的中點，通過計算得到反射鏡座變形引起的最大角度誤差為：

（4）

3.3 系統總體精度分析

檢測系統的單項誤差計算數值分別是：

（1）旋轉臂的變形產生的誤差為。

（2）反射鏡鏡座受力變形產生的誤差為。

以上各誤差之間是互不影響的，利用均方根法計算得：

（5）

檢測系統自身的精度為6.55″，化成弧度制為31.5，本文中被檢光端機的粗跟蹤精度為120，檢測系統的精度滿足要求。

4 結語

本文設計了光端機的粗跟蹤精度檢測系統的結構，并且介紹了檢測原理，主要分析旋轉臂變形、反射鏡變形對檢測設備本身精度的影響，經過計算得出系統的總體精度數值，結果表明誤差滿足系統的檢測精度要求。

參考文獻

[1] 姜會林，佟首峰.空間激光通信技術與系統[M].北京：國防工業出版社，2010.

[2] 牟吉元，孟立新，張立中.激光通信光端機粗跟蹤性能檢測方法研究[J].長春理工大學學報：自然科學版，2012，35（2）：130-133.

[3] 關志軍.新型動態靶標的研究[D].長春：長春光學與精密機械物理研究所，2005.endprint

摘 要：針對光端機的粗跟蹤精度檢測方案，設計了動態目標生成器，為激光通信用光端機提供動態目標并進行粗跟蹤精度測試。詳細介紹了檢測原理，設計了動態目標生成器的結構，利用有限元分析軟件對關鍵部件進行分析，對精度進行了計算。分析結果表明，該設備可靠性高，能夠提供要求的檢測精度，為光端機的研制提供理論依據。

關鍵詞：動態目標 跟蹤精度 檢測

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0004-02

空間激光通信中，為了實現低功耗，遠距離，高速率的通信，通信光束通常以近衍射極限角發射，非常窄的通信束散角要求光端機的捕獲、跟蹤、瞄準性能高[1]。因此，要求有更高的檢測手段來檢測光端機的精度。本文利用激光通信光端機在接收光信號后也可發射光信號的特點，在動態靶標上安裝了高幀頻數字相機，用光端機返回的信標光在該相機中的脫靶量來評價它的精度，檢測結果更加接近光端機的實際跟蹤精度。

1 動態目標生成器的結構組成

該設備的系統組成如圖1所示，與傳統的光學靶標相比[2]，檢測設備的整體機械結構發生了變化，增加了精密回轉軸系，采用了高精度角度傳感器圓光柵作為反饋元件，使速度更加平穩；平行光管和檢測相機靜止不動，確保了系統的可靠性，提高了動態目標特性的穩定性。

整個檢測系統由底座組件、旋轉臂、平行光管、分光棱鏡、直流力矩電機、回轉軸系、兩塊平面反射鏡、可調光源、兩路可見光激光指示器和檢測相機等組成。

2 動態目標生成器的檢測原理

本檢測系統的檢測原理是激光通信光端機既可以接收來自目標生成器的平行光束，又可以通過自身的光學系統發射通信光，而且經過光學裝調可以保證兩次光路方向平行。動態目標生成器的功能由動目標生成功能和跟蹤精度檢測功能組成。

動目標生成功能原理：進行模擬目標跟蹤時，首先根據需要調整設備與被測試光端機間的距離和反射鏡的角度，使平行光管光軸指示光和旋轉臂回轉軸指示光匯聚到一點，然后調整被測試設備的位置，使光端機的回轉中心與指示光的交匯點重合。啟動力矩電機帶動旋轉臂實現旋轉運動，打開光源后，平行光管發出的信標光經反射鏡反射后，在空間上形成一錐面的運動軌跡，且錐點位于被測試光端機回轉中心的運動目標。

檢測功能原理：被測檢光端機跟蹤動態目標生成器產生的運動目標的同時，開啟自身的發射系統并發出通信光，因為光端機的通信光發射光軸和粗跟蹤接收光軸平行，因此光端機發射的通信光的光路與檢測設備信標光光路平行，經反射鏡2和反射鏡1的反射后，通信光束被平行光管接收，接收到的光束經分光棱鏡折射到CCD相機的探測面上形成光斑，經過圖像處理單元，可以計算光斑的位置。當被測光端機跟蹤誤差為零時，被測光端機發出的激光光軸和檢測設備發出的目標光平行，即與CCD相機的接收光軸平行，相機探測到的光斑應位于相機視場中心O處。當被測端機跟蹤精度不為零時，被測光端機發出的激光光軸與和CCD接收光軸間產生一定角度，光斑在CCD上位置變為A，通過檢測光斑偏離中心O的程度即可檢測光端機的跟蹤精度。

3 精度分析

根據系統的檢測原理，檢測設備本身的總體精度滿足一定的量級，才能確保檢測結果的準確性。本文所設計的檢測系統中，誤差主要由二部分組成，分別是：

（1）動態目標生成器旋轉臂受重力作用產生的變形。

（2）反射鏡及鏡座的變形。

以上的因素中，兩部分的誤差值是互不影響的，所以可以單獨分析。

3.1 旋轉臂的變形分析

在檢測過程中，動態目標生成器沿固定方向勻速旋轉，所以認為靜態變形和動態變形情況相同[3]。利用分析軟件可得。

由圖4和圖5可以看出，變形量根據旋轉臂位置的不同而發生相應的變化。在水平位置時它的最大變形數值為0.01254 mm；當旋轉臂處于豎直方向時最大變形數值為0.009656 mm。

根據反射鏡的反射原理，從平行光管出射的光束經過旋轉臂頂端鏡面反射后，出射角誤差會變大，誤差值為旋轉臂變形產生角度誤差值的2倍，設為旋轉臂在水平位置時變形產生的角度偏差，為旋轉臂在豎直位置時變形產生的角度偏差。根據反射鏡到旋轉臂的旋轉中心距離為800 mm，進行計算誤差、的大小：

（1）

（2）

取旋轉臂在水平位置時的誤差，則旋轉臂變形所引起的最大角度誤差數值為：

（3）

3.2 反射鏡座變形分析

鏡座與支座回轉軸、反射鏡與鏡座之間用螺釘連接，導致鏡座受到力的作用產生變形。

利用分析軟件得到反射鏡座的變形圖。

從圖6所示的變形圖可得，最大變形量發生在鏡座的下端，由分析結果看出，最大變形量為0.0004994 mm，鏡座框架的長度為265 mm，支撐點在反射鏡長軸的中點，通過計算得到反射鏡座變形引起的最大角度誤差為：

（4）

3.3 系統總體精度分析

檢測系統的單項誤差計算數值分別是：

（1）旋轉臂的變形產生的誤差為。

（2）反射鏡鏡座受力變形產生的誤差為。

以上各誤差之間是互不影響的，利用均方根法計算得：

（5）

檢測系統自身的精度為6.55″，化成弧度制為31.5，本文中被檢光端機的粗跟蹤精度為120，檢測系統的精度滿足要求。

4 結語

本文設計了光端機的粗跟蹤精度檢測系統的結構，并且介紹了檢測原理，主要分析旋轉臂變形、反射鏡變形對檢測設備本身精度的影響，經過計算得出系統的總體精度數值，結果表明誤差滿足系統的檢測精度要求。

參考文獻

[1] 姜會林，佟首峰.空間激光通信技術與系統[M].北京：國防工業出版社，2010.

[2] 牟吉元，孟立新，張立中.激光通信光端機粗跟蹤性能檢測方法研究[J].長春理工大學學報：自然科學版，2012，35（2）：130-133.

[3] 關志軍.新型動態靶標的研究[D].長春：長春光學與精密機械物理研究所，2005.endprint

摘 要：針對光端機的粗跟蹤精度檢測方案，設計了動態目標生成器，為激光通信用光端機提供動態目標并進行粗跟蹤精度測試。詳細介紹了檢測原理，設計了動態目標生成器的結構，利用有限元分析軟件對關鍵部件進行分析，對精度進行了計算。分析結果表明，該設備可靠性高，能夠提供要求的檢測精度，為光端機的研制提供理論依據。

關鍵詞：動態目標 跟蹤精度 檢測

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0004-02

空間激光通信中，為了實現低功耗，遠距離，高速率的通信，通信光束通常以近衍射極限角發射，非常窄的通信束散角要求光端機的捕獲、跟蹤、瞄準性能高[1]。因此，要求有更高的檢測手段來檢測光端機的精度。本文利用激光通信光端機在接收光信號后也可發射光信號的特點，在動態靶標上安裝了高幀頻數字相機，用光端機返回的信標光在該相機中的脫靶量來評價它的精度，檢測結果更加接近光端機的實際跟蹤精度。

1 動態目標生成器的結構組成

該設備的系統組成如圖1所示，與傳統的光學靶標相比[2]，檢測設備的整體機械結構發生了變化，增加了精密回轉軸系，采用了高精度角度傳感器圓光柵作為反饋元件，使速度更加平穩；平行光管和檢測相機靜止不動，確保了系統的可靠性，提高了動態目標特性的穩定性。

整個檢測系統由底座組件、旋轉臂、平行光管、分光棱鏡、直流力矩電機、回轉軸系、兩塊平面反射鏡、可調光源、兩路可見光激光指示器和檢測相機等組成。

2 動態目標生成器的檢測原理

本檢測系統的檢測原理是激光通信光端機既可以接收來自目標生成器的平行光束，又可以通過自身的光學系統發射通信光，而且經過光學裝調可以保證兩次光路方向平行。動態目標生成器的功能由動目標生成功能和跟蹤精度檢測功能組成。

動目標生成功能原理：進行模擬目標跟蹤時，首先根據需要調整設備與被測試光端機間的距離和反射鏡的角度，使平行光管光軸指示光和旋轉臂回轉軸指示光匯聚到一點，然后調整被測試設備的位置，使光端機的回轉中心與指示光的交匯點重合。啟動力矩電機帶動旋轉臂實現旋轉運動，打開光源后，平行光管發出的信標光經反射鏡反射后，在空間上形成一錐面的運動軌跡，且錐點位于被測試光端機回轉中心的運動目標。

檢測功能原理：被測檢光端機跟蹤動態目標生成器產生的運動目標的同時，開啟自身的發射系統并發出通信光，因為光端機的通信光發射光軸和粗跟蹤接收光軸平行，因此光端機發射的通信光的光路與檢測設備信標光光路平行，經反射鏡2和反射鏡1的反射后，通信光束被平行光管接收，接收到的光束經分光棱鏡折射到CCD相機的探測面上形成光斑，經過圖像處理單元，可以計算光斑的位置。當被測光端機跟蹤誤差為零時，被測光端機發出的激光光軸和檢測設備發出的目標光平行，即與CCD相機的接收光軸平行，相機探測到的光斑應位于相機視場中心O處。當被測端機跟蹤精度不為零時，被測光端機發出的激光光軸與和CCD接收光軸間產生一定角度，光斑在CCD上位置變為A，通過檢測光斑偏離中心O的程度即可檢測光端機的跟蹤精度。

3 精度分析

根據系統的檢測原理，檢測設備本身的總體精度滿足一定的量級，才能確保檢測結果的準確性。本文所設計的檢測系統中，誤差主要由二部分組成，分別是：

（1）動態目標生成器旋轉臂受重力作用產生的變形。

（2）反射鏡及鏡座的變形。

以上的因素中，兩部分的誤差值是互不影響的，所以可以單獨分析。

3.1 旋轉臂的變形分析

在檢測過程中，動態目標生成器沿固定方向勻速旋轉，所以認為靜態變形和動態變形情況相同[3]。利用分析軟件可得。

由圖4和圖5可以看出，變形量根據旋轉臂位置的不同而發生相應的變化。在水平位置時它的最大變形數值為0.01254 mm；當旋轉臂處于豎直方向時最大變形數值為0.009656 mm。

根據反射鏡的反射原理，從平行光管出射的光束經過旋轉臂頂端鏡面反射后，出射角誤差會變大，誤差值為旋轉臂變形產生角度誤差值的2倍，設為旋轉臂在水平位置時變形產生的角度偏差，為旋轉臂在豎直位置時變形產生的角度偏差。根據反射鏡到旋轉臂的旋轉中心距離為800 mm，進行計算誤差、的大小：

（1）

（2）

取旋轉臂在水平位置時的誤差，則旋轉臂變形所引起的最大角度誤差數值為：

（3）

3.2 反射鏡座變形分析

鏡座與支座回轉軸、反射鏡與鏡座之間用螺釘連接，導致鏡座受到力的作用產生變形。

利用分析軟件得到反射鏡座的變形圖。

從圖6所示的變形圖可得，最大變形量發生在鏡座的下端，由分析結果看出，最大變形量為0.0004994 mm，鏡座框架的長度為265 mm，支撐點在反射鏡長軸的中點，通過計算得到反射鏡座變形引起的最大角度誤差為：

（4）

3.3 系統總體精度分析

檢測系統的單項誤差計算數值分別是：

（1）旋轉臂的變形產生的誤差為。

（2）反射鏡鏡座受力變形產生的誤差為。

以上各誤差之間是互不影響的，利用均方根法計算得：

（5）

檢測系統自身的精度為6.55″，化成弧度制為31.5，本文中被檢光端機的粗跟蹤精度為120，檢測系統的精度滿足要求。

4 結語

本文設計了光端機的粗跟蹤精度檢測系統的結構，并且介紹了檢測原理，主要分析旋轉臂變形、反射鏡變形對檢測設備本身精度的影響，經過計算得出系統的總體精度數值，結果表明誤差滿足系統的檢測精度要求。

參考文獻

[1] 姜會林，佟首峰.空間激光通信技術與系統[M].北京：國防工業出版社，2010.

[2] 牟吉元，孟立新，張立中.激光通信光端機粗跟蹤性能檢測方法研究[J].長春理工大學學報：自然科學版，2012，35（2）：130-133.

[3] 關志軍.新型動態靶標的研究[D].長春：長春光學與精密機械物理研究所，2005.endprint