基于共光路中快反鏡的復合軸控制和回掃補償技術分析

方喜波，喬紅壘

〈系統與設計〉

基于共光路中快反鏡的復合軸控制和回掃補償技術分析

方喜波，喬紅壘

（凱邁（洛陽）測控有限公司，河南 洛陽 471009）

隨著長焦共光路成像組件廣泛應用于光電偵察吊艙，長焦共光路光路中快反鏡在復合軸穩像等方面的技術開發成為必然的趨勢。文章介紹了長焦共光路成像組件的主要組成，基于快反鏡實現復合軸控制與回掃補償控制的策略，其工作時序和關鍵參數分析計算。開發了基于長焦共光路成像組件的快反鏡，一幀圖像時間內同時實現二次穩像和回掃補償的功能。提升了中高空光電偵察吊艙的偵察作用距離、穩像精度和搜索效率。

光電偵察吊艙；快反鏡；復合軸控制；回掃補償

0 引言

隨著國內中高空無人機的快速發展，對光電偵察吊艙偵察距離、穩像精度和偵察效率提出了更高的要求。在光電偵察吊艙內框空間尺寸有限的條件下，對集成的光電成像傳感器空間尺寸提出更高的要求。具有長焦距、攝遠比高和易裝調的特點的同軸折反射式共光路成像組件成為首選。

參考文獻[1-2]較為詳細地論述了光路中入射光線通過45°快反鏡反射后，入射光線和反射光線在方位和俯仰兩個方向的角度關系。參考文獻[3]詳細論述了掃描圖像拼接問題，使用SIFT等算法實現全自動圖像拼接，具有很好的魯棒性和拼接能力。參考文獻[4]論述了反射鏡光路特性和基于半角機構的反射鏡光學穩定原理。參考文獻[5]主要論述了兩種音圈電機驅動型快速控制反射鏡的結構、組成、工作原理和關鍵技術，提出了新型副球面支撐式結構的快反系統機械結構。參考文獻[6]主要論述了兩種波段折返式共光路的設計原理和無色差的處理方法。

文中詳細論述了光電偵察吊艙的陀螺穩定平臺集成帶快反鏡的共光路成像組件，快反鏡轉動軸和平臺陀螺敏感軸全捷聯的結構布局；詳細計算了共光路的45°快反鏡兩維轉動的角度與平臺方位和俯仰轉動的角度解耦合的關系，基于該角度關系利用光路中的快反鏡有效補償一級陀螺整體穩像的殘差的復合軸穩像的關鍵技術；詳細論述和計算了在探測器積分時間內平臺掃描搜索時，快反鏡進行回掃補償清晰成像的關鍵技術；進一步提升了光電偵察吊艙的穩像精度和偵察的效率。

1 系統組成及工作原理

光電轉塔的陀螺穩定平臺內框架承載了雙光共光路成像組件與伺服控制組件等。雙光共光路成像組件采用卡賽格林同軸折反式光學系統[6]，光線經過主反射鏡后，向前反射到次反射鏡上，經次反射鏡向后反射，進入后向光路。在后向光路中，光線先被二維快反鏡向上反射，到達分光棱鏡，分別到達中波紅外探測器成像，和可見光CMOS成像。其中快反鏡通過固定的基座安裝在共光路中，快反鏡的安裝面與內框架方位軸呈45°夾角，從而快反鏡兩個轉動軸與安裝在一級穩定平臺的方位和俯仰方向的陀螺的敏感軸存在一定夾角，為全捷聯式，如圖1所示。

在光電轉塔慣性態下，需要將一級穩定殘余誤差經過坐標轉換解算出快反鏡偏轉的角度，同步及時進行角度補償實現復合軸穩定控制。在光電轉塔掃描搜索狀態下，光路中快反鏡基于積分信號基準時序實現每一視場內的場景回掃補償，使得一個視場內場景圖像在探測器件積分時間內相對于探測器件本身保持靜止，消除掃描搜索時圖像“拖尾”現象，實現凝視回掃補償，保證了掃描搜索時共光路成像組件清晰成像。

為了實現在同一幀圖像內，快反鏡同時進行復合軸控制和回掃補償，以成像光電傳感器的積分時間為基準時序，進行分時段控制。即在探測器積分時間之前進行快反鏡加速，積分時間內進行線性回掃補償，積分時間結束后進行減速、復位歸零；快反鏡回掃補償結束后，同一幀圖像時間內的剩余時間進行采集一級陀螺穩定平臺殘余誤差，經過坐標轉換解算出快反鏡偏轉的角度，同步及時進行角度補償實現復合軸穩定控制，從而在同一幀圖像內快反鏡同時實現了復合軸控制和回掃補償，工作時序如圖2所示。

1.1 復合軸穩像原理分析

在慣性狀態下，對傳統的兩軸四框架結構形式的陀螺穩定平臺進行一級穩定。一級陀螺穩定平臺的方位和俯仰兩個穩定軸，每個軸裝有驅動電機和角速率陀螺傳感器，能夠實現對擾動的初步隔離。通過安置在需要精確穩定的光學通道中的快反鏡，對敏感一級陀螺穩定平臺的運動誤差進行補償，實現復合軸穩像。

具體實現策略是實時采集一級平臺的陀螺殘差值并進行積分，按照對應角度關系控制快反鏡在方位和俯仰兩個方向進行角度偏轉；充分利用快反鏡高帶寬和高分辨率的特點，使得快反鏡與一級穩定平臺作同步角度補償，相對一級穩定平臺進行第二級精確穩定，控制原理框圖如圖3所示[2]。

圖1 集成共光路成像組件的兩軸陀螺穩定平臺框圖

圖2 快反鏡（FSM）在一幀圖像時間內同時進行復合軸控制和回掃補償時序框圖

圖3 快反鏡（FSM）復合軸穩像的基本原理框圖

圖3中：為輸入角速度；()為慣性校正函數；()為電機傳遞函數；()為負載傳遞函數；gyro為陀螺；1為光電平臺指向角度；2為快反鏡角度；LOS為傳感器視軸指向角度；為坐標轉換；為光學系數；FSM為快反鏡角度。

1.2 快反鏡角度反向回掃控制分析

在光電轉塔方位或俯仰掃描搜索狀態下，穩定平臺處于慣性態，并依據收到的掃描指令速度值和掃描幅值進行連續掃描。以共光路集成的紅外探測器的積分信號為基準時序，快反鏡進行反向回掃控制，分別進行加速、掃描補償、減速、復位歸零，消除平臺掃描搜索時圖像產生的“拖尾”現象。后端圖像處理接收到伺服控制發送的標識后進行圖像采集、存儲和圖像拼接等處理。其工作時序如圖4所示。

2 關鍵參數分析

2.1 捷聯式快反鏡角度解析

由于共光路成像組件中快反鏡的動作機構軸上沒有安裝陀螺，且其轉動軸與一級穩定平臺的陀螺的敏感軸不平行，因而為全捷聯方式?？旆寸R的二級穩定需要將一級穩定殘余誤差經過坐標轉換解算出其偏轉的角度，實現復合軸穩定控制。快反鏡的建立坐標系和轉換過程如下所示[1]。

[]s為光電轉塔光軸指向坐標系；

[]k為快反鏡（FSM）框架坐標系；

[]m為快反鏡（FSM）鏡面坐標系；

[]v為光電成像傳感器成像坐標系。

其示意圖如圖5所示。

圖4 快反鏡（FSM）回掃補償時序示意圖

圖5 共光路成像組件坐標系簡化圖

光電轉塔光線指向坐標系下有：

1）入射光線

2）快反鏡的法線

3）反射矩陣

4）反射光線

5）反射光線在光電成像傳感器成像坐標系下的坐標為：

6）快反鏡方位方向的偏角

7）快反鏡俯仰方向的偏角：

8）同時考慮到快反鏡在共光路光路中安裝位置存在一定的光學放大系數，那么快反鏡偏轉角度與光軸指向偏轉角度的關系為：

式中：、為光電轉塔視軸的方位角度和俯仰角度；、為快反鏡偏轉的方位角度和俯仰角度。

2.2 快反鏡復合軸控制解析

在陀螺穩定平臺慣性狀態下，分別對一級陀螺穩定平臺的方位和俯仰軸的陀螺殘差進行積分，按照上述(8)式偏轉的角度大小關系進行快速同步調整，同時需要考慮快反鏡轉動方向和一級陀螺穩定平臺轉動方向關系來決定同步偏轉角度的正負值。

光電轉塔在實驗室進行了兩軸搖擺穩定精度測試。試驗條件為3m的平行光管，直徑為0.1mm的光點；兩軸電動搖擺臺以0.5Hz、5°兩軸復合搖擺，光電總調儀實時采集光電轉塔工作在慣性狀態下可見光的成像光點，進行穩定精度測試。測得一級穩定方位精度為18.9mrad，快反鏡參與穩定二級方位軸穩定精度為5.5mrad；一級穩定俯仰精度為22.2mrad，快反鏡參與穩定二級俯仰軸穩定精度為4.3mrad，穩定精度提升了4～5倍，如圖7所示。

2.3 快反鏡回掃補償解析

在掃描搜索狀態下，光電轉塔按照預定的搜索方式分別進行方位和俯仰方向掃描。光電轉塔最大掃描的角速度大小應根據共光路成像組件內成像光電傳感器的視場、成像光電傳感器的幀頻、成像光電傳感器探測器的積分時間和快反鏡線性角速度的性能分析計算來確定。

由于系統中1K中波紅外探測積分時間遠大于可見光的曝光時間，從而以共光路成像組件中波紅外進行分析。設定共光路成像組件中波紅外視場為1.6°×1.2°，幀頻為25Hz，探測器積分時間為12 ms，光學放大系數為6倍進行分析，快反鏡線性補償的角度最大為51°/s，從而分析光電轉塔最大的旋轉角速度。

在紅外探測器積分時間內，光電轉塔方位旋轉的角速度為12°/s時，掃描的角度范圍為0.144°?？旆寸R方位補償的角度為0.144°×6×1/1.414＝0.611°，補償的角速度為0.611°/0.012＝51°/s。（由于每次掃描的角度范圍遠小于單視場的角度范圍，所以不考慮單視場大小的因素。）

同理，在紅外探測器積分時間內，光電轉塔俯仰掃描速度為17°/s時，掃描的角度范圍為0.204°。快反鏡俯仰補償的角度為0.204°×6×1/2＝0.612°，補償的角速度為0.612°×0.012＝51°/s。

試驗得出平臺方位以12.8°/s速度掃描快反鏡反向回掃開/關時中波紅外圖像效果，如圖8所示。

3 結論

在光電偵察吊艙共光路成像組件中快反鏡旋轉軸與一級陀螺穩定平臺安裝的陀螺敏感軸全捷聯的情況下，創新實現了在一幀圖像時間內同時實現了復合軸控制和回掃補償控制的功能。重點分析了快反鏡實現復合軸穩像角度解耦坐標系轉換過程，相應的回掃補償的工作時序，中波紅外探測器積分時間內快反鏡回掃補償角速度計算。該關鍵技術已在某工程產品中得到充分驗證，且效果良好。結果證明，利用共光路成像組件中快反鏡在一幀圖像時間內有效實現了高精度復合軸穩像和回掃補償清晰成像。

[1] 宋江鵬, 孫廣利, 周荻, 等. 反射鏡光電平臺視軸穩定技術研究[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(6): 1904-1911. SONG Jiangpeng, SUN Guangli, ZHOU Di, et al. Research on visual axis stabilization technology of mirror photoelectric platform[J].2015, 44(6): 1904-1911.

[2] 彭樹萍, 陳濤, 劉廷霞, 等. 激光發射系統快速反射鏡的光線反射過程[J]. 光學·精密工程, 2015, 32(2): 378-386. PENG Shuping, CHEN Tao, LIU Tingxia, et al. The process of light reflection of the fast mirror of the laser emission system[J]., 2015, 32(2): 378-386.

[3] 華燁. 圖像拼接系統算法研究及實現[D]. 成都: 四川大學, 2007: 1-108. HUA Ye. Research and Implementation of Image Stitching System Algorithm[D]. Chengdu: Sichuan University, 2007: 1-108.

[4] 洪華杰, 王學武, 翁干飛. 光電偵察裝備中的反射鏡穩定技術[J]. 應用光學, 2011, 32(4): 591-597. HONG Huajie, WANG Xuewu, WENG Ganfei. Mirror stabilization technology in optoelectronic reconnaissance equipment[J]., 2011, 32(4): 591-597.

[5] 徐新行, 王兵, 莊昕宇, 等. 音圈電機驅動型快速控制反射鏡機械結構研究[J]. 長春理工大學學報: 自然科學版, 2011, 34(1): 49-52.

[5] XU Xinhang, WANG Bing, ZHUANG Xinyu, et al. Research on the mechanical structure of voice coil motor-driven fast control mirror[J].: Natural Science Edition, 2011, 34(1): 49-52.

[6] 項建勝, 潘國慶, 孟衛華. 一種激光與紅外復合光學系統設計[J]. 激光與紅外, 2018, 48(1): 104-108. XIANG Jiansheng, PAN Guoqing, MENG Weihua. A laser and infrared composite optical system design[J]., 2018, 48(1): 104-108.

Analysis of Composite Axis Control and Flyback Compensation Technology Based on Fast Reflector in Common Optical Patch

FANG Xibo，QIAO Honglei

(CAMA (LuoYang) Measurements & Controls Co. Ltd., Louyang 471009, China)

Telephoto common optical path imaging components are widely used in photoelectric reconnaissance pods, and the technical development of telephoto common optical path fast mirrors for composite axis image stabilization has become an inevitable trend. This study introduced the main components of telephoto common optical path imaging components. We realized the composite axis control and flyback compensation control strategy based on a fast mirror and analyzed and calculated its working timing and key parameters. We developed a fast mirror based on a telephoto common optical path imaging device, and simultaneously realized secondary image stabilization and flyback compensation within one frame of the image. We improved the reconnaissance range, image stabilization accuracy, and the search effect of medium- and high-altitude photoelectric reconnaissance pods.

optoelectronic reconnaissance pod, FSM, composite axis control, sweep-back compensation

TH703

A

1001-8891(2023)11-1230-06

2021-09-03；

2021-10-12.

方喜波（1978-），男，湖北新洲人，碩士，高級工程師，主要研究方向為紅外成像、光電系統等。E-mail:fangxbRWW@163.com。