光電穩定跟蹤平臺跟蹤控制回路性能測試系統

李紅光，姜 旭，石 波，壽少俊，韓 偉，胥青青

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

光電穩定跟蹤平臺跟蹤控制回路性能測試系統

李紅光，姜 旭，石 波，壽少俊，韓 偉，胥青青

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

針對光電穩定跟蹤平臺跟蹤性能測試困難的問題，依據光電產品跟蹤系統的特點，設計一套光電平臺跟蹤控制回路性能測試系統。該系統中將運動物體放置在平行光管或者凹面反射鏡的焦面處，通過控制物體的運動規律模擬無窮遠處運動目標，實現在實驗室內對跟蹤角速度、跟蹤角加速度等指標的測試。實驗表明該系統結構簡單，測試準確、方便，測試效率高。

性能測試；自動跟蹤伺服回路；光電穩定跟蹤平臺

0 引言

隨著科技的發展，現代戰爭要求武器系統具有打擊高機動目標的能力，作為武器子系統的光電系統需要瞄準跟蹤這類目標。而人工控制光電系統瞄準高機動目標相對比較困難，尤其是空中目標，主要依靠自動跟蹤捕獲、跟蹤和瞄準。因此，跟蹤控制回路的性能必須進行各種指標的測試。目前，測試跟蹤系統主要有兩種方法[1-2]：（1）利用頻譜儀測試控制回路帶寬或者輸入階躍信號分析輸出信號，這些方式都是從控制學的角度測試控制回路的性能；（2）在外場試驗中跟蹤遠處實際的運動目標進行測試，但是該方法需要大量的人力、物力。因此，需設計一種實驗室內測試跟蹤角加速度、平穩跟蹤速度等指標的測試系統。

本文設計一種實驗室內測試跟蹤控制回路性能指標的測試系統，該系統利用平行光管或者凹面鏡模擬無窮遠處，在平行光管后端或者凹面鏡前面利用旋轉或者移動的靶板模擬遠處的運動目標[1，3]，通過控制旋轉或者運動靶板的運動特征，測試出光電穩定跟蹤平臺跟蹤回路的跟蹤角加速度、平穩跟蹤速度等指標。本文首先分析跟蹤控制回路的特點，然后分析測試系統的工作原理，最后根據實際要求進行跟蹤控制回路性能測試系統設計。

1 光電穩定跟蹤平臺跟蹤控制系統

光電穩定跟蹤平臺跟蹤系統是一套復雜的控制系統，主要由視頻自動跟蹤處理器、跟蹤回路控制器和穩定回路組成，穩定回路包括陀螺、穩定回路控制器、被控轉臺和電機等[4]，結構框圖如圖1所示。穩定控制回路主要隔離載體擾動，保證視頻圖像清晰，是跟蹤回路的基礎。跟蹤回路由視頻跟蹤處理器獲得瞄準線與目標在兩個方向上的像素差，跟蹤回路控制器依據視場角度信息將像素差值轉換為方位俯仰軸向的位置差，并且經跟蹤控制算法處理后送給穩定回路驅動光電平臺的瞄準線瞄準目標。

視頻自動跟蹤處理器每一場圖像間隔20ms，視頻圖像的處理時間需在20ms內完成，即處理結果要延時20ms，因此視頻自動跟蹤處理器直接決定了跟蹤回路的帶寬[5]。

圖1 光電穩定跟蹤平臺伺服回路簡化模型

利用頻譜分析儀可以測試出跟蹤控制回路的帶寬、相位裕量等控制學指標[6]，但是實際應用中光電穩定跟蹤平臺系統能夠跟蹤具有怎樣運動特性的目標并不明確，只有通過外場試驗對實際運動目標進行跟蹤測試才能獲得，這樣需要大量的資源支持。因此，系統跟蹤角速度和跟蹤角加速度等指標需要一套實驗室測試系統。

2 平臺跟蹤控制回路性能測試系統原理

光電穩定跟蹤平臺主要的工作狀態為利用小視場搜索、觀察、瞄準、鎖定、跟蹤遠距離目標，實驗室內由于距離太近小視場無法成像，因此測試系統需要模擬遠處的目標，并且要能控制目標的運動特性，原理框圖如圖2所示。最左側為光電觀瞄系統小視場光學鏡頭組件，中間凸透鏡的焦距為f，A點為凸透鏡的焦點，B點為凸透鏡焦平面上的一點，依據凸透鏡的光學原理，當目標位于A點時，經過凸透鏡后轉換為平行于凸透鏡軸線的平行光，此時光電觀瞄系統CCD小視場瞄準線要平行于凸透鏡軸線才能瞄準凸透鏡后面的A點目標。

當目標位于B點時，如圖3所示，依據凸透鏡的光學原理，經凸透鏡轉化為平行于BO的平行光，BO與凸透鏡軸線的夾角為θ，此時光電觀瞄系統要旋轉θ角，使CCD小視場瞄準線平行于BO才能瞄準凸透鏡后面的B點目標。

圖2 光電平臺跟蹤回路測試系統原理框圖一

圖3 光電平臺跟蹤回路測試系統原理框圖二

假設A點和B點的距離為h，凸透鏡焦距為f，則如果在A點放置一運動的目標靶，該目標靶以速度ν運動，則瞄準凸透鏡后面的目標靶光電觀瞄系統必須轉動，且轉動角度的正切值為當光電觀瞄系統處于自動跟蹤工作模式時，視頻跟蹤器鎖定凸透鏡后面的運動目標靶，當目標靶以速度νm運動時，此時光電觀瞄系統跟蹤目標時轉動的角度[2]為當取時間t為單位時間時tgθs=光電觀瞄系統的跟蹤角速度為因此，只要控制目標靶運動速度νm的大小，就可以測試出光電觀瞄系統的平穩跟蹤角速度，包括最小平穩跟蹤角速度和最大平穩跟蹤角速度等指標。

假設目標點以凸透鏡的焦點A為圓心，在凸透鏡的焦平面內，做半徑為R的圓周運動，運動周期為T，運動角速度如圖4所示。

圖4 目標點的運動軌跡示意圖

此時，以A點為坐標系原點建立坐標系，則目標點B的坐標方程為

則B點在兩個坐標軸上的運動速度方程為

因此，依據上面的結論，此時光電觀瞄系統的跟蹤角速度方程為

對式（3）等式的兩側求正切后再對時間t求導，得到光電觀瞄系統的跟蹤角加速度方程為

因此依據上述公式，當目標勻速做圓周運動時，運動周期T一定時，可以求出光電觀瞄系統的最大跟蹤角速度為

光電觀瞄系統兩個軸向的最大角加速度大小一致，只是達到最大值的時刻不同，這樣就可以測試出光電觀瞄系統的最大跟蹤角加速度。

3 平臺跟蹤回路性能測試系統設計及實驗

光電觀瞄系統是多頻譜的觀察、瞄準、跟蹤系統，傳感器組包括可見光、激光等，普通的平行光管前端凸透鏡一般無法通過所有頻段的光，因此實際設計中選用大尺寸凹面鏡代替平行光管，如圖5所示。

圖5 光電平臺跟蹤回路測試系統示意圖

圖5中最右側為凹面反射鏡，在其軸線上焦點處放置一面小反射鏡，其法線與凹面反射鏡軸線的夾角為45°，目標靶面放置在另一側與法線夾角為45°的位置，光電觀瞄系統位于最左側，且瞄準線平行于凹面鏡的軸線。示意圖中紅色虛線表示整個設備的外殼，起到隔離雜光和支撐的作用，運動靶先通過平面反射鏡進行反射，然后再經過凹面反射鏡反射后轉換為平行光進入光電成像系統后成像。

運動靶包括兩種，一種是直線運動靶裝置，測試光電觀瞄系統的跟蹤速度指標；另一種是圓形靶裝置，測試光電觀瞄系統的跟蹤加速度指標。直線運動靶裝置包括運動控制板和運動裝置，如圖6所示。運動裝置的軌道一端安裝帶有減速齒輪組的高速電機，另一側安裝有傳動軸承，運動軌道上安裝有滾動輪，在該滾動輪中心軸上固定十字靶。電機旋轉通過電機軸上的動力輪帶動鋼帶運動，鋼帶通過傳動輪后兩端固定在十字靶的兩端，在運動軌道的兩端安裝有換向開關，當十字靶運動到該位置時，換向開關把換向信號傳給控制電路，改變高速電機的運動方向，控制電路改變高速電機兩端的電壓控制電機的轉速，從而控制十字靶的速度。

圖6 直線靶結構示意圖

當進行系統測試時，將運動靶放置在測試系統靶位的中心位置。假設地面目標以時速70km/h移動，距離光電產品1km，如圖7所示。此時的目標每秒種運動19.444 4 m，光電轉塔轉動角度為θ，由于該等腰三角形的一邊遠遠小于另外兩個邊，因此即運動角的正切值近似等于運動距離與目標距離的比值。設此時的運動角速度為ω，則此時目標移動的角速度ω為1.114°/s，該速度為實際系統要求的最大跟蹤角速度，最小跟蹤角速度為0.02°/s，焦距為1.6m。依據公式當測試最大跟蹤角速度時運動十字靶的運動速度為0.0311m/s，測試最小跟蹤角速度時十字靶運動速度為0.5585mm/s。

圖7 光電產品跟蹤角速度示意圖

圓形靶裝置主要由高速電機和運動盤組成，如圖8所示，高速電機安裝在支架上，運動盤中心安裝

在高速電機的轉動軸上，其半徑小于測試系統中靶面開孔的半徑，運動盤最外側某位置放置一發光二極管、打碼開關和紐扣電池，打碼開關控制二極管是否工作，通過串聯一定阻值的電阻控制二極管的亮度。

系統測試時將該裝置放置在靶面中心位置，利用可調穩壓電壓控制高速電機的轉速。系統要求的最大跟蹤角加速度為30°/s2，依據式（5）計算此時運動盤的運動周期為4.6s。如果光電平臺能夠穩定的跟蹤目標點，則說明系統滿足最大跟蹤角加速度為30°/s2的指標要求。

圖8 圓形靶結構示意圖

無論光電系統的跟蹤角速度測試還是跟蹤角加速度測試，都需要將測試時小視場CCD的視頻記錄下來，然后通過單幀視頻播放分析跟蹤目標和光軸十字之間的像素誤差x[7-9]，得到跟蹤誤差值的σ值。

4 結束語

本文設計的跟蹤控制回路性能指標的測試系統利用凹面反射鏡模擬無窮遠處，在凹面反射鏡焦平面位置放置平面反射鏡，平面反射鏡的另一側利用旋轉或者移動靶板模擬遠處的運動目標，通過控制旋轉或者運動靶板的運動特征完成測試。通過實際測試表明，該系統可以在實驗室內完成對光電穩定跟蹤平臺跟蹤回路的跟蹤角加速度、平穩跟蹤速度等指標的測試，測試精度高，測試過程簡單，易于操作，提高了產品自動跟蹤回路的調試和測試效率，避免了試驗外場對光電觀瞄系統跟蹤回路性能進行測試工作，提高了工作效率。

[1]劉正云，蘇建剛，等.瞄準線穩定精度的室內測試技術[J].光學精密工程，1999，7（5）：95-99.

[2]耿延洛，王合龍，周洪武.機載光電探測跟蹤系統總體精度分析方法研究[J].電光與控制，2004，11（2）：18～20.

[3]朱華征，范大鵬，馬東璽，等.動載體光電成像系統視軸穩定精度研究[J].應用光學，2009，30（4）：537-541.

[4]紀明.多頻譜光電綜合系統高精度穩定技術研究[J].應用光學，1996（3）：55-60.

[5]黃一，呂經芳，盧廣山.機載光電跟瞄平臺穩定與跟蹤控制方法研究[J].飛規設計，2003（3）：38-42.

[6]段志姣，王宇.機載光電系統穩定精度測試方法研究[J].光學與光電技術，2008，6（3）：53-56.

[7]秦嘉，盧志剛，李勇，等.坦克火控系統穩定精度圖像測試分析方法[J].火力與指揮控制，2009（10）：175-179.

[8]劉正云.PSD用于穩像儀穩像精度測試方法探討[J].應用光學，1995（1）：50-52.

[9]張瓅，秦開宇.實時頻譜分析儀中CCDF測量功能的實現[J].中國測試技術，2007，33（1）：40-42.

Testing system for control loop tracked by photoelectric stabilization and tracking platform

LI Hong-guang，JIANG Xu，SHI Bo，SHOU Shao-jun，HAN Wei，XU Qing-qing
（Xi’an Institue of Applied Optics，Xi’an 710065，China）

Aiming at the problem that it is difficult to test the track performance of photoelectric stabilization and tracking platform，the authors designed a testing system to test the performance ofcontrolloop track ofphotoelectric stabilization and tracking platform according to the characteristic of photoelectricity tracking system.In this system，the moving object is placed on the focus of parallel light pipe or concave reflector，and be controlled by moving rule to simulate moving target infinitude far.The system can test performances such as tracking angle velocity and tracking angle acceleration.The experimentalresultsindicate thistesting system issimple，efficient，and convenient.

performance testing;servo loop of automatic track;photoelectric stabilization and tracking platform

O212.6；TP872；TP752.2；TP273

：A

：1674-5124（2014）01-0133-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.033

2013-01-16；

：2013-03-19

李紅光（1983-），男，山東巨野縣人，博士研究生，主要從事光電觀瞄系統和先進伺服控制等技術的研究。