專利名稱：基于目標反射信號的光束瞄準系統(tǒng)中三角掃描偏差校準方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光束控制領(lǐng)域，具體的涉及一種基于目標反射信號的光束瞄準系統(tǒng)中三角掃描偏差校準方法，用于實現(xiàn)光束實時閉環(huán)瞄準目標。
背景技術(shù)：
激光瞄準系統(tǒng)在有源跟蹤、目標照明以及自由空間通信等諸多領(lǐng)域起著關(guān)鍵作用。但是當光束傳輸穿過大氣時，由于機械振動、大氣湍流和跟蹤器的局限性以及光學(xué)未對準引起的隨機誤差和偏差，會導(dǎo)致瞄準離軸和到達目標信號的損失。在大多數(shù)激光控制系統(tǒng)中，常出現(xiàn)兩種瞄準誤差，即對準誤差(瞄準的靜態(tài)偏差)和光束抖動(暫時性的隨機誤差)，如圖2所示。上世紀九十年代初，由Lukesh等人提出一種新的估計技術(shù)根據(jù)目標反射回來的信號強度的統(tǒng)計值估計抖動和視軸誤差。該技術(shù)只針對光束尺寸大于目標尺寸的情況而開發(fā)的，它需要知道光束的輪廓和目標的形狀/反射比，如圖4所示。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如估計空間目標激光束的光截面和估計目標的形狀。本發(fā)明即是該技術(shù)在激光系統(tǒng)實時瞄準控制中的應(yīng)用。現(xiàn)有的基于目標反射信號統(tǒng)計的瞄準方法為直接用激光束(高斯光束)照射目標，由于光束抖動的存在，導(dǎo)致光斑在目標平面內(nèi)不斷晃動，則其反射信號的強度也在不斷變化，通過對目標反射信號(光通量信號)進行統(tǒng)計分析，能夠?qū)崟r估計出目標相對于光斑統(tǒng)計中心的偏差，并實時調(diào)整使激光束中心對準目標。最初該技術(shù)是直接對空間目標進行試驗，通過分析返回的信號，逐步建立起了統(tǒng)計模型，并從理論上進行了大量的探索，取得了一些突破，現(xiàn)已能夠較準確地估計出目標相對光束的統(tǒng)計中心的偏差大小。但是由于高斯光束的對稱性，現(xiàn)有的瞄準偏差估計方法只能估計出目標相對光束統(tǒng)計中心的偏差大小，對偏差的方向卻無能為力?，F(xiàn)有的幾種掃描瞄準方法如圓錐掃描，爬山法等，前一種方法是通過先估計出偏差大小，然后以當前光束所在位置為中心，以估計的偏差大小為半徑，控制光束在目標平面內(nèi)做圓周運動?？梢灶A(yù)見，當光斑中心出現(xiàn)在目標上時，此時返回信號的強度最強，記錄當前角位置，并與圓周運動的起始角位置比較，即可確定目標和光束的相對角位置。但其中沒有考慮的一個因素是，試驗中大氣湍流、機械振動始終存在，因此當光束做規(guī)律的錐形掃描時，光束抖動始終伴隨左右，會嚴重影響其掃描效果，而且在有抖動時，每一方向處，光強信號，都必須以統(tǒng)計平均值為準，因此必須通過多次掃描，然后對每一個角位置的回波信號做統(tǒng)計平均，需要很大的目標反射信號樣本，而這會影響整個光束閉環(huán)控制的實時性。后一種方法是通過光束的隨機移動，統(tǒng)計每一角位置處的信號平均值，運用爬山算法，不斷重復(fù)， 迭代運算，找出目標反射信號強度的梯度上升方向，此方向即為目標相對光束的偏差方向。 同樣，由于這種隨機的移動沒有一定的規(guī)律性，且每一位置處的光強信號的平均強度統(tǒng)計都需要大量的信號樣本，整個算法的收斂速度無法保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于目標反射信號的光束瞄準系統(tǒng)中三角掃描偏差校準方法，充分利用了已估計出的瞄準偏差大小，通過一次、最多三次的偏差估計和光束偏轉(zhuǎn)，即可實現(xiàn)光束的自動瞄準控制，使光束統(tǒng)計中心對準目標； 大大減小了所需的數(shù)據(jù)采集量，縮短了瞄準控制的偏差校正時間，且和偏差估計過程緊密相連，提高了瞄準控制的實時性和準確性。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為基于目標反射信號的光束瞄準系統(tǒng)中三角掃描偏差校準方法，步驟如下第一步，在光束瞄準時，光束瞄準系統(tǒng)驅(qū)動快速反射鏡使光束指向目標，光束統(tǒng)計中心相對于目標存在偏差b，采集目標反射信號，通過現(xiàn)有的基于目標反射信號的瞄準估計算法估計出目標相對于光束統(tǒng)計中心的偏差大小Id1，并記錄下當前光束出射時快速反射鏡的偏轉(zhuǎn)方位；第二步，光束瞄準系統(tǒng)根據(jù)估計出的偏差大小Id1，控制光束沿瞄準系統(tǒng)的χ軸正半軸偏轉(zhuǎn)；第三步，光束瞄準系統(tǒng)重新采集同樣數(shù)量的目標反射信號，并估計出偏差大小，記為 t>2 ；第四步，光束瞄準系統(tǒng)判斷瞄準狀態(tài)如果已瞄準，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第一步，進行下一輪的光束瞄準控制，實時校準偏差；如果此時的偏差大小1 大于第一步估計出的偏差bi的 1. 9倍則執(zhí)行第五步；否則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第六步；第五步，根據(jù)第三步估計出的偏差大小Id2反向偏轉(zhuǎn)，即沿光束瞄準系統(tǒng)的χ負半軸方向偏轉(zhuǎn)，然后跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第一步，進行下一輪的瞄準控制；第六步，由第一步知Id1是對瞄準系統(tǒng)初始存在的偏差b的準確估計值，有b ^ ID1 ； 則b1; b2和b組成一個以b，Id1為腰，Id2為底邊的等腰三角形；解此三角形，求出Id2與Id1間的夾角，即為1 的方向；第七步，光束瞄準系統(tǒng)以第三步估計的偏差大小Id2和第六步估計出的偏差方向為準偏轉(zhuǎn)光束；第八步，光束瞄準系統(tǒng)重新采集同樣數(shù)量的目標反射信號，并估計出偏差大小b3;第九步，光束瞄準系統(tǒng)判斷瞄準狀態(tài)如果已校準偏差，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第一步；否則，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第十步；第十步，以第八步估計出的偏差大小1^3，光束瞄準系統(tǒng)控制光束向y軸負半平面相對X軸對稱的位置偏轉(zhuǎn)；然后跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第一步，實時檢測并校準瞄準偏差。所述第四，九步的校準偏差的過程為如果估計偏差(132或133)小于0. 2個單位，則說明已經(jīng)校準偏差，實現(xiàn)光束瞄準；否則說明沒有校準，執(zhí)行下一步。所述第六步中Id2的方向求解方法為已知等腰三角形的三條邊腰b，ID1，底邊ID2 ； 則1 與Id1的夾角可表示是為
權(quán)利要求
1.基于目標反射信號的光束瞄準系統(tǒng)中三角掃描偏差校準方法，其特征在于其瞄準實現(xiàn)步驟如下第一步，在光束瞄準時，光束瞄準系統(tǒng)驅(qū)動快速反射鏡使光束指向目標，光束統(tǒng)計中心相對于目標存在偏差b，采集目標反射信號，通過現(xiàn)有的基于目標反射信號的瞄準估計算法估計出目標相對于光束統(tǒng)計中心的偏差大小b1;并記錄下當前光束出射的快速反射鏡的偏轉(zhuǎn)方位；第二步，光束瞄準系統(tǒng)根據(jù)估計出的偏差大小bi，控制光束沿瞄準系統(tǒng)的χ軸正半軸偏轉(zhuǎn)；第三步，光束瞄準系統(tǒng)重新采集同樣數(shù)量的目標反射信號，并估計出偏差大小，記為b2 ；第四步，光束瞄準系統(tǒng)判斷瞄準狀態(tài)如果已瞄準，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第一步，進行下一輪的光束瞄準控制，實時校準偏差；如果此時的偏差大小b2大于第一步估計出的偏差I(lǐng)D1的1.9 倍則執(zhí)行第五步；否則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第六步；第五步，根據(jù)第三步估計出的偏差大小1 反向偏轉(zhuǎn)，即沿光束瞄準系統(tǒng)的χ負半軸方向偏轉(zhuǎn)，然后跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第一步，進行下一輪的瞄準控制；第六步，由第一步知1^是對瞄準系統(tǒng)初始存在的偏差b的準確估計值，有b ^b1 ；PJb1, b2和b組成一個以b和Id1為腰，b2為底邊的等腰三角形；解此三角形，求出Id2與Id1間的夾角，即為1 的方向；第七步，光束瞄準系統(tǒng)以第三步估計的偏差大小1 和第六步估計出的偏差方向為準偏轉(zhuǎn)光束；第八步，光束瞄準系統(tǒng)重新采集同樣數(shù)量的目標反射信號，并估計出偏差大小b3; 第九步，光束瞄準系統(tǒng)判斷瞄準狀態(tài)如果已校準偏差，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第一步；否則，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第十步；第十步，以第八步估計出的偏差大小b3，光束瞄準系統(tǒng)控制光束向y軸負半平面相對χ 軸對稱的位置偏轉(zhuǎn)；然后跳轉(zhuǎn)執(zhí)行第一步，實時檢測并校準瞄準偏差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于目標反射信號的光束瞄準系統(tǒng)中三角掃描偏差校準方法，其特征在于所述第四，九步的校準偏差的過程為如果估計偏差1^2或133小于0.2個單位，所述單位定義為目標的反射截面尺寸d與從光束發(fā)射系統(tǒng)到目標的光程L的比值，則說明已經(jīng)校準偏差，實現(xiàn)光束瞄準；否則說明沒有校準，執(zhí)行下一步。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于目標反射信號的光束瞄準系統(tǒng)中三角掃描偏差校準方法，其特征在于所述第六步中求出Id2與ID1間的夾角(即為ID2的方向)的方法為已知等腰三角形的三條邊腰b，ID1，底邊ID2 ；則b2與ID1的夾角可表示為Z(b1 b2> ^arcosi-⑴又由于bi是沿X軸偏轉(zhuǎn)的，則ID2與bi的夾角是ID2與瞄準系統(tǒng)χ軸的夾角，即為ID2的偏轉(zhuǎn)方向。
全文摘要
基于目標反射信號的光束瞄準系統(tǒng)中三角掃描偏差校準方法(1)光束瞄準時，目標相對于光束統(tǒng)計中心存在偏差b，采集目標反射信號，估計偏差大小，記為b1；(2)瞄準系統(tǒng)驅(qū)動快反鏡使光束沿x正軸偏轉(zhuǎn)b1；(3)采集信號，估計偏差，記為b2；(4)如果已瞄準，執(zhí)行第1步；如果b2大于b1的1.9倍，執(zhí)行第5步；否則執(zhí)行第6步；(5)控制光束沿x軸負軸偏轉(zhuǎn)b2；(6)根據(jù)b、b1、b2，求出偏差b2的方向；(7)控制光束沿估計出的方向角偏轉(zhuǎn)b2；(8)采集信號，估計偏差，記為b3；(9)如果已瞄準，則執(zhí)行第1步；否則執(zhí)行第10步；(10)控制光束沿y軸負向偏轉(zhuǎn)b3，執(zhí)行第1步。本發(fā)明實現(xiàn)光束的自動瞄準，減小了信號采集量，縮短了偏差校準時間。
文檔編號G02B26/10GK102200630SQ20111010069
公開日2011年9月28日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者任戈, 周磊, 譚毅 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所