激光跟瞄系統粗精復合軸協同控制策略優化研究

姜曉明，王旭烽，張偉芳，劉宜罡

(上海機電工程研究所, 上海 201109)

0 引 言

高能激光武器系統的高精度跟蹤瞄準性能是保證激光毀傷效果的關鍵。激光跟瞄系統利用粗跟蹤系統的大視場、大運動行程以及精跟蹤系統的高精度、快速響應的復合軸跟蹤控制來實現精密跟蹤和瞄準。在工程領域，為提高激光跟瞄系統的性能，粗精復合軸控制結構和方法的應用和優化是必要的。

文獻[1-2]探討并給出了激光武器高精度跟蹤瞄準控制技術的一些關鍵問題。文獻[3]給出了高精度跟瞄系統的性能指標需求，分析了激光跟瞄系統中的誤差源。文獻[4]討論了雙探測器復合軸跟蹤控制及其工程應用，詳細探討了探測器視場和帶寬匹配問題。文獻[5]從頻域的角度分析了粗精復合軸跟蹤控制的穩定性。文獻[6]討論了單CCD探測器復合軸跟蹤控制和解耦策略，解決了大視場和高幀頻的矛盾。文獻[7-8]給出了雙探測器復合軸跟蹤控制的仿真結果。

本文討論了復合軸跟蹤控制在工程應用中的一些問題，例如復合軸跟蹤系統中粗精交班的穩定性問題等。本文第一章給出了粗精復合軸跟蹤控制系統的傳統應用；第二章描述了粗精協同跟蹤控制策略，利用雙模式切換策略實現粗精復合軸跟蹤系統在單探測器和雙探測器引導模式下的切換控制；第三章給出了仿真和實驗結果，驗證了方法的有效性；最后給出了本文的結論。

1 粗精復合軸跟蹤控制系統

1.1 粗跟蹤系統

如圖1所示，在激光跟瞄系統中，粗跟蹤系統利用粗探測設備和二維跟蹤轉臺實現對目標的捕獲和粗跟蹤，完成大運動范圍的方位和高低運動，粗跟蹤系統的主要負載為二維跟蹤轉臺和大口徑的發射望遠鏡。粗探測設備固定在二維跟蹤轉臺的高低俯仰運動軸上，隨高低俯仰軸運動。在應用中，為實現粗跟蹤系統向精跟蹤系統的穩定交班，精跟蹤視場一般大于粗跟蹤系統跟蹤精度的3倍[5]。

圖1 激光跟瞄系統結構示意圖Fig.1 Structural diagram of laser tracking and aiming system

為保證跟蹤精度，粗跟蹤系統采用直接驅動方式，例如采用多級永磁同步電機作為驅動機構，從而減小齒輪傳動系統帶來的傳動誤差。粗跟蹤系統采用高分辨率、大視場紅外/可見光電視探測設備實現對目標的圖像跟蹤，在跟蹤過程中通過粗跟蹤電視和粗跟蹤紅外探測融合的方式，提高粗跟蹤系統的抗干擾能力。當電視取差數據有效時，利用電視取差數據進行閉環跟蹤；當紅外取差數據有效時，利用紅外取差數據進行閉環跟蹤；當電視和紅外取差數據同時無效時，則采取記憶跟蹤。設圖像采樣周期為T，則第k個周期得到的圖像處理取差值分別描述為δ(kT)和ε(kT)。

在目標預測過程中，需利用轉臺的實時方位角α(kT)、高低角β(kT)與取差值進行綜合。由于圖像處理需要一定的處理周期，因此圖像處理結果相對于轉臺的角度信息有延遲。以τ為處理周期，在處理過程中，將方位角和高低角人為延遲τ的周期，與取差值進行綜合。在極坐標下，滯后的目標方位角和高低角分別為

(1)

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

1.2 精跟蹤系統

如圖1所示，精跟蹤系統由發射望遠鏡、快速反射鏡(fast steering mirror, FSM)、反射鏡組等構成的探測光路以及精探測設備等組成。通過FSM可以實現跟瞄系統的小范圍精密跟蹤與瞄準。精跟蹤系統在粗跟蹤系統的基礎上改變激光跟瞄系統的發射和跟蹤光軸，其中，跟蹤光軸包括方位和俯仰兩個自由度。通過多組小范圍運動的壓電陶瓷(piezoelectric ceramic transducer，PZT)驅動的FSM，結合小視場可見光探測器實現高精度精密跟蹤，每一組PZT控制原理相似。精探測光路相對于精探測設備產生方位和高低相對運動，導致精探測視場發生旋轉，也稱“像旋”現象。因此，需要將精探測的取差值經過旋轉變換后才能作用到FSM中。“像旋”不是本文主要關心的問題，因此本文后續會省略精跟蹤的“像旋”問題。

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

精跟蹤系統的控制結構與粗跟蹤系統的控制結構相似，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為壓電陶瓷執行機構，G2為快反鏡FSM。與粗跟蹤系統相比，精探測設備的視場更小，圖像幀頻更高，作為運動執行機構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得到了妥善的解決，因此可以保證精跟蹤系統的響應速度更高，精度更高。除此之外，應該注意的是，精跟蹤系統的探測視場具有小的景深，可以有效地抑制空中復雜背景的影響，換言之，精跟蹤視場內的目標/背景對比度(信噪比)更高。若能將其與粗跟蹤系統相結合，則能夠很好地提高系統的抗干擾性能，后續章節將對此進行討論。

1.3 復合軸跟蹤控制系統

由粗跟蹤系統和精跟蹤系統組成復合軸跟蹤控制系統，利用粗跟蹤系統的大運動范圍以及精跟蹤系統的高動態響應特性和高精度來實現對目標區域或瞄準點的精確跟蹤。以雙探測器復合軸控制系統為例進行說明，激光跟瞄系統中的雙探測器復合軸跟蹤控制結構如圖4所示，LOS1為粗探測軸的視軸指向，粗探測系統以此視軸方向與目標視軸重合為跟蹤目標，視軸輸出為YLOS1；LOS2為精探測軸的視軸指向，精探測系統以此視軸方向與目標視軸方向重合為跟蹤目標，實現復合軸跟蹤后系統總的視軸輸出為YLOS2。圖4中有以下幾點需要說明：粗跟蹤系統的目標截獲以整個目標為特征進行圖像跟蹤，往往以目標圖像的“質心”或者“形心”為圖像跟蹤依據；而精跟蹤系統通常以目標瞄準點或打擊特征點為圖像跟蹤依據，因此兩者的跟蹤特征是不同的。即使兩者的視場中心點在跟蹤前是重合的，在跟蹤過程中，精跟蹤系統相對于粗跟蹤機構也會出現相對偏差。

在上述跟蹤控制結構中，粗跟蹤系統的控制相對獨立，粗跟蹤系統的控制穩定性由自身的穩定性決定。粗跟蹤系統的輸出相當于疊加在精跟蹤系統中的“擾動量”，在精跟蹤系統的視場范圍內，精跟蹤系統的控制穩定性只取決于精跟蹤系統自身。但是，若粗跟蹤系統引起的目標取差值過大，則會導致目標超出精探測系統的視場范圍或PZT的行程范圍，從而導致精跟蹤系統無法正常工作。復合軸跟蹤控制系統的穩定性取決于粗跟蹤系統和精跟蹤系統自身的穩定性，系統工作的穩定性取決于粗精復合軸跟蹤系統的視場匹配和帶寬匹配情況。復合軸跟蹤控制系統的精度最終取決于精跟蹤系統的取差值ef。

盡管復合軸控制系統被廣泛應用，但在激光跟瞄系統的實際應用過程中，發現以下問題：當粗跟蹤系統向精跟蹤系統交班后，粗跟蹤系統發生背景干擾或目標機動會導致目標丟失或目標跟蹤點漂移。當目標在精跟蹤視場中丟失，復合軸跟蹤系統會退出精跟蹤過程，粗跟蹤系統需要重新捕獲目標，精跟蹤所有的作動機構直接“歸零”，重新進行粗精交班控制。若粗跟蹤的目標跟蹤點發生漂移，則會出現精跟蹤系統作動機構運動到極限位置或精跟蹤視場不能捕獲目標，無法實現復合軸跟蹤控制。因此若粗精跟蹤系統不進行協同控制，還是會發生粗精交班不穩定或粗精復合軸跟蹤控制異常的現象。針對上述問題，將在第2章中給出一種粗精復合軸協同跟蹤控制策略，實現兩種工作模式的切換。

圖4 雙探測器粗精復合軸跟蹤系統Fig.4 Dual detectors coarse-fine compound axis tracking system

2 粗精復合軸協同控制策略優化

2.1 粗精復合軸協同控制結構

在傳統復合軸控制系統的基礎上，在粗跟蹤系統中增加兩路協同控制信號和一路切換開關，一路是精探測設備的輸出經過光學變換系數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經過變換系數作用在粗跟蹤回路上，如圖5所示。在目標捕獲過程中，粗跟蹤切換開關切到模式1，粗精跟蹤相對獨立運動，粗跟蹤系統利用粗探測設備的取差信號進行粗跟蹤；當粗跟蹤精度滿足要求時，目標出現在精跟蹤系統的視場上，精跟蹤系統經過對焦后，將提取目標特征瞄準點(瞄準區域)，并進行精跟蹤。在提取目標特征點后，粗跟蹤系統的跟蹤點與精跟蹤系統的跟蹤點不同，會導致FSM移動到接近極限的位置，影響精跟蹤系統的掃描范圍。此外，由于粗跟蹤系統的視場較大，若粗探測設備發生背景干擾等，將導致目標在粗跟蹤系統的視場中丟失，從而精跟蹤系統會退出跟蹤過程，進行“歸零”操作。

粗跟蹤系統需要重新開始進行目標捕獲，系統的反應時間顯著增長。此時，粗跟蹤切換開關切到模式2，采用精跟蹤引導粗跟蹤的單探測器工作模式。在該工作模式中，粗跟蹤系統將利用精跟蹤得到的取差信息以及架位信息等綜合目標信息進行粗跟蹤。精跟蹤系統的視場更小，分辨率高，景深小，目標背景對比度更好，因此有更好的抗干擾性能。若精跟蹤系統發生目標瞄準點丟失的情況，則切換開關切換回模式1，重新進行粗跟蹤，并進行粗精復合軸跟蹤控制。粗精復合軸協同控制過程如圖5。

圖5 粗精協同控制系統Fig.5 Coarse-fine compound axis cooperative control system

結合上面的控制策略，對系統的跟蹤穩定性進行分析。當切換開關切換到模式1時，粗跟蹤系統和精跟蹤系統利用各自的探測器進行閉環跟蹤控制，粗跟蹤系統和精跟蹤系統的穩定性是獨立的，如第1章所述。當切換開關切換到模式2時，粗跟蹤系統和精跟蹤系統同時利用精跟蹤系統探測器的信息進行閉環控制。此時復合軸跟蹤控制結構等效為圖6。圖6中，為了便于描述，省略了實際工程應用中的共軸跟蹤控制結構，Kp1仍為粗跟蹤控制器，Kp2仍為精跟蹤控制器，Gv1為粗跟蹤系統的速度閉環控制系統，Gv2為精跟蹤系統的位置閉環控制系統。當精跟蹤系統丟失目標后，重新切換至模式1，粗跟蹤系統重新進行引導，重新進行粗跟蹤系統向精跟蹤系統的交班，當滿足交班條件后，切換開關切換到模式2。

圖6 粗精復合軸協同控制模式2結構框圖Fig.6 Block diagram of compound axis cooperative control mode 2

2.2 粗精協同跟蹤控制的穩定性

對粗精協同跟蹤控制系統的穩定性進行簡要分析。若將交叉解耦控制器Kc1忽略，則系統總的視軸輸出Ylos2為

(2)

式中：R1為目標參考輸入。

由式(2)可以得出以下結論：系統的穩定性由粗跟蹤系統和精跟蹤系統的穩定性決定，即如果粗跟蹤和精跟蹤系統都是穩定的，則粗精協同控制系統也是穩定的。當加入解耦控制器Kc1后，系統輸出總的視軸輸出Ylos2為

(3)

由式(3)可知，當Kc1=1時，粗精協同控制系統可以完全解耦。此時，精跟蹤系統相對于粗跟蹤系統的偏差值為

Ylos2-Ylos1=

(4)

盡管系統本身是穩定的，但由于精跟蹤系統的帶寬較寬，可以達到上百赫茲的響應頻率，而粗跟蹤系統的帶寬較窄，因此精跟蹤系統的輸出容易激發粗跟蹤系統的機械諧振，產生運動噪聲。為了不激發粗跟蹤系統的諧振頻率，將Kc1設計成帶比例增益的低通濾波器的形式，比例增益確保系統的穩定，并對粗精協同控制系統的相對運動行程有衰減作用，增大了精跟蹤系統的可調整范圍，低通濾波器的帶寬介于粗跟蹤系統和精跟蹤系統的帶寬之間。

3 仿真和實驗結果

3.1 仿真結果

第2章給出了粗精復合軸協同控制優化策略，該控制策略可以在兩種粗精復合軸控制模式下進行切換。通過仿真來驗證激光跟瞄系統粗精復合軸跟蹤控制方法的有效性。根據第2章中描述的方法得到粗跟蹤系統的跟蹤誤差曲線，如圖7所示。圖7中，data1代表工作模式1下復合軸跟蹤控制的仿真結果，data2代表工作模式2下復合軸跟蹤控制的仿真結果。當復合軸跟蹤控制從模式1切換到模式2時，粗跟蹤系統的跟蹤誤差從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給出了協同控制在工作模式1下精跟蹤系統的跟蹤誤差；data2給出了協同控制在工作模式2下精跟蹤系統的跟蹤誤差。在穩定跟蹤過程中，當復合軸跟蹤控制從工作模式1切換到工作模式2時，精跟蹤系統的跟蹤精度從3 μrad降低至1 μrad。

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

圖9 精跟蹤相對運動行程Fig.9 Relative motion distance of the fine tracking system

圖9給出了精跟蹤系統和粗跟蹤系統相對運動位移，該位移代表了FSM的行程。FSM的有效行程小于1～2 mrad 。當復合軸協同跟蹤控制從模式1切換至模式2時，精跟蹤系統的相對運動行程從0.9 mrad 降低至0.3 mrad，這意味著精跟蹤系統具有更大的可調整范圍，提高了精跟蹤系統的抗干擾性能。

3.2 實驗結果

通過實驗來驗證激光跟瞄系統的粗精復合軸協同控制方法，實驗系統的控制結構如圖1所示，包含一個兩自由度運動轉臺和兩自由度運動FSM。兩自由度運動轉臺具備方位360°、高低70°的運動行程，兩自由度FSM的運動行程為毫弧度量級，相對應的是粗精跟蹤系統具有不同視場范圍、不同分辨率的圖像跟蹤設備。在實驗過程中，將無人機作為典型的跟蹤目標。

激光跟瞄系統的跟蹤圖像如圖10～11所示，粗精跟蹤系統有不同的瞄準點或瞄準區域。圖10給出了粗跟蹤系統的跟蹤圖像，為點目標跟蹤，跟蹤點為無人機的圖像質心；圖11給出了精跟蹤系統的跟蹤圖像，為面目標跟蹤，跟蹤區域為無人機尾部機翼。當粗精復合軸協同控制處于模式1時，為雙探測器跟蹤模式，粗跟蹤系統利用粗跟蹤探測器捕獲目標。當目標進入精跟蹤探測器(此時粗跟蹤偏差小于1 mrad)時，選擇目標特征區域，進行粗精復合軸跟蹤控制(此時精跟蹤偏差小于10 μrad)，將跟蹤控制模式切換至工作模式2。在工作模式2中，粗跟蹤系統利用精跟蹤的綜合目標信息進行跟蹤。精跟蹤的目標綜合信息能夠抑制背景的影響，克服粗跟蹤系統抗干擾能力差的缺陷，即使粗跟蹤系統丟失目標，仍然能夠完成有效的跟蹤，保證精跟蹤的特征跟蹤區域位于精跟蹤的視場中心。在工作模式2中，精跟蹤系統引導粗跟蹤系統進行跟蹤，為單探測器工作模式，在實驗過程中得到了充分的驗證。

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 結束語

為了保證激光跟瞄系統的跟蹤精度、響應速度和抗干擾性能，引入粗精復合軸協同控制策略，使粗精復合軸跟蹤控制在兩種工作模式下進行切換。一種工作模式為雙探測器粗精復合軸跟蹤控制，此時粗精復合軸運動相對獨立；另一種為單探測器復合軸跟蹤控制，引入解耦控制器，此時精跟蹤系統引導粗跟蹤系統進行粗精復合軸跟蹤控制。不同工作模式的切換充分利用了精跟蹤系統的快速運動響應、高分辨率以及粗跟蹤系統大運動行程的優點。仿真和實驗結果驗證了方法的有效性。