液固結(jié)合高碳高釩系高速鋼結(jié)構(gòu)鋼雙金屬?gòu)?fù)合材料的基礎(chǔ)研究

1、第五章 光電經(jīng)緯儀捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn) ATP (Acquisition, tracking, positioning) 5.1 概述 5.2 捕獲的根本問(wèn)題 5.3 跟蹤系統(tǒng)的根本問(wèn)題 5.4 瞄準(zhǔn)的根本問(wèn)題 5.5 捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)的切換問(wèn)題 5.6 提高跟蹤瞄準(zhǔn)精度的根本途徑 5.7 光電傳感器 5.8 高精度控制技術(shù)5.1 概述戰(zhàn)術(shù)激光武器：要求跟蹤瞄準(zhǔn)精度約為幾角秒；戰(zhàn)略激光武器：要求的精度在十分之一或百分之一角秒以下。要實(shí)現(xiàn)上述要求，不僅要提高單臺(tái)武器的捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)性能，而且有一個(gè)監(jiān)視跟蹤引導(dǎo)網(wǎng)。 單臺(tái)設(shè)備的捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)5.2捕獲的根本問(wèn)題六章回放捕獲是轉(zhuǎn)入跟蹤的前提 對(duì)捕獲提

2、出的要求主要有捕獲距離、捕獲視場(chǎng)范圍、捕獲時(shí)間、捕獲目標(biāo)的光學(xué)性以及背景特性等。 影響目標(biāo)捕獲的主要因素是大氣擾動(dòng)、背景輻射及干擾、目標(biāo)輻射或反射特性以及傳感器靈敏度噪聲、系統(tǒng)參數(shù)性能等。 采用多種捕獲手段：針對(duì)不同目標(biāo)以及同一目標(biāo)不同階段的運(yùn)動(dòng)特性、特理特性多傳感器數(shù)據(jù)融合：目標(biāo)較遠(yuǎn)、信噪比較低時(shí)，多個(gè)傳感器信息綜合出信噪比較高的信息 一 跟蹤精度和響應(yīng)速度 是跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵二 跟蹤系統(tǒng)和誤差源三 跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、頻帶和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度 1、等效正弦和精度檢驗(yàn)點(diǎn) 2、 擾動(dòng)、噪聲與系統(tǒng)頻帶 3、結(jié)構(gòu)諧振特性與系統(tǒng)頻帶 4、采樣頻率與系統(tǒng)頻帶 5、電機(jī)加速能力與頻帶 5.3 跟蹤系統(tǒng)的根本問(wèn)題

3、頻域上系統(tǒng)開(kāi)環(huán)幅頻特性：動(dòng)態(tài)響應(yīng)不僅表示捕獲跟蹤目標(biāo)的快速性開(kāi)環(huán)截止頻率高，而且表示系統(tǒng)克服動(dòng)態(tài)滯后誤差及抑制擾動(dòng)或抖動(dòng)的能力低頻放大倍數(shù)高，其實(shí)質(zhì)就是頻帶寬、穩(wěn)定性好。時(shí)域上系統(tǒng)的階躍響應(yīng)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)好就是有優(yōu)良的過(guò)渡特性，即上升快、超調(diào)小。所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)、頻帶與精度是密切相關(guān)的。 1、等效正弦和精度檢驗(yàn)點(diǎn)1等效正弦 任何運(yùn)動(dòng)軌跡都可以用付立葉函數(shù)分解成假設(shè)干個(gè)正弦曲線，用一個(gè)或幾個(gè)正弦代替目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。例如第一章講的目標(biāo)水平飛行的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如速度、加速度等可用一正弦模擬，這就是等效正弦輸入信號(hào)，簡(jiǎn)稱等效正弦，它表示了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的范圍和快慢，所以可用它來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)跟蹤誤差主要是動(dòng)態(tài)滯后誤差 當(dāng)只目標(biāo)運(yùn)

4、動(dòng)最大角速度 、最大角加速度時(shí) ，那么可求出一個(gè)等效正弦 ： 其等效正弦振幅為：其等效正弦頻率為： 周期為： 顯然， 的最大角速度、最大角加速度分別為 和 。所以如果系統(tǒng)在輸入信號(hào)為等效正弦時(shí)的動(dòng)靜態(tài)誤差假設(shè)滿足要求，那么系統(tǒng)對(duì)真實(shí)目標(biāo)響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)誤差動(dòng)態(tài)誤差指動(dòng)態(tài)滯后誤差亦滿足要求。 2精度檢驗(yàn)點(diǎn) 為驗(yàn)證跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)滯后誤差是否滿足要求，那么可以系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性工線上畫(huà)出精度檢驗(yàn)點(diǎn)A，其高度幅值為： 精度檢測(cè)點(diǎn)的理論依據(jù)： 當(dāng)系統(tǒng)輸入為等效正弦時(shí)，穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的跟蹤誤差也為正弦函數(shù)， 即：于是有： 式中，由于 處于系統(tǒng)的低頻段，故有 所以：欲使系統(tǒng)滿足給定的穩(wěn)態(tài)誤差指標(biāo)，即：那么有：上式就

5、是系統(tǒng)處在時(shí)應(yīng)滿足的幅頻特性，即精度檢測(cè)點(diǎn)A。2、擾動(dòng)、噪聲與系統(tǒng)頻帶 跟蹤系統(tǒng)受到的擾動(dòng)和噪聲有多種，對(duì)于低頻擾動(dòng)系統(tǒng)可以抑制掉，而且系統(tǒng)頻帶越寬那么抑制能力越強(qiáng)，這種擾動(dòng)誤差可以看成是系統(tǒng)誤差。對(duì)于隨機(jī)噪聲那么大不相同。 顯然，系統(tǒng)頻帶越寬隨機(jī)噪聲通過(guò)越多，因而影響也越大。所以跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可采用濾皮技術(shù)和變帶寬技術(shù)降低隨機(jī)噪聲的影響，例如目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)信噪較低，可采用窄帶寬，當(dāng)目標(biāo)較近時(shí)信號(hào)較強(qiáng)，而目標(biāo)動(dòng)作較快，為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度可改為寬頻帶。 3、結(jié)構(gòu)諧振特性與系統(tǒng)頻帶 在L處呈現(xiàn)反諧振，在mL處呈現(xiàn)諧振，隨頻率變化曲線如下圖。諧振與反諧振都將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，反諧振還將極大地降低電機(jī)

6、驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。 在設(shè)計(jì)跟蹤系統(tǒng)時(shí)必須使回路帶寬比L、 mL小許多倍，以保證必要的穩(wěn)定儲(chǔ)藏。當(dāng)速度回路開(kāi)環(huán)截止頻率為c1、位置回路開(kāi)環(huán)截止頻率為c2時(shí)，它們大體應(yīng)滿足以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 由于位置回路閉環(huán)帶寬fB與 相差不大，一般：fB=(1.1-1.4)fc2 所以fB一般限制在結(jié)構(gòu)諧振頻率fL或fmL的六分之一，實(shí)際應(yīng)用時(shí)多在十分之一左右。雖然可以補(bǔ)償結(jié)構(gòu)諧振的影響，但作用是有限的，應(yīng)盡量采用高剛度結(jié)構(gòu)，如力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)可以提高結(jié)構(gòu)諧振頻率。如不是十分必要，也應(yīng)限制系統(tǒng)帶寬，以免對(duì)結(jié)構(gòu)提出過(guò)于苛刻的要求。4、采樣頻率與系統(tǒng)頻帶 根據(jù)香農(nóng)定理，采樣頻率f0只要大于信號(hào)頻率的2倍，就可以復(fù)現(xiàn)這個(gè)信號(hào)

7、。但是在跟蹤或控制系統(tǒng)中，這是不夠的。因?yàn)椴蓸舆^(guò)程給系統(tǒng)帶來(lái)滯后，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定儲(chǔ)藏。因此系統(tǒng)開(kāi)環(huán)截止頻率和采樣頻率的關(guān)系應(yīng)為：其中 為采樣周期； 為系統(tǒng)小時(shí)間常數(shù)之和TiT0/2；M為系統(tǒng)的振蕩指標(biāo)，一般為1.21.5，M值越大系統(tǒng)穩(wěn)定性越差。 由上式可見(jiàn)，在M值一定的情況下，T0越大，也就是采樣頻率f0越低，那么系統(tǒng)的C亦即系統(tǒng)頻帶fB越小，所以系統(tǒng)頻帶是受采樣頻率限制的。在高精度跟蹤系統(tǒng)中，f0一般要為fB的十倍以上。前大后小 在許多情況下提高采樣頻率是困難的。因?yàn)樗鼘?dǎo)致采樣周期縮短，也就是探測(cè)器積分時(shí)間縮短、靈敏度下降，因而將影響作用距離，此外采樣頻率提高還將使信號(hào)處理時(shí)間減小，給信

8、號(hào)處理以及視頻放大帶來(lái)困難。許多應(yīng)用也只能作折中處理。 5、電機(jī)加速能力與頻帶假定跟蹤系統(tǒng)具有最正確過(guò)渡過(guò)程如圖，說(shuō)明系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間最短為Tmin0。在0Tmin/2期間以最大加速度 加速，在Tmin/2tTmin期間以- 減速，在Tmin時(shí)使系統(tǒng)到達(dá)目標(biāo)位置g0。當(dāng)階躍位置也就是捕獲的初初始位置為g0時(shí)，最正確過(guò)渡時(shí)間為 g0可理解為系統(tǒng)線性范圍內(nèi)允許的階躍幅度，最正確系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)截止頻率與電機(jī)提供的最大加速度平方根成正比。實(shí)際系統(tǒng)的允許的截止頻率要小，所以說(shuō)跟蹤系統(tǒng)的頻帶是受電機(jī)加速能力限制的。 瞄準(zhǔn)是在跟蹤根底上為使設(shè)備的主光軸或主軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，對(duì)幾種系統(tǒng)誤差的修正。1修正跟蹤軸與主軸之間的視

9、差 在許多測(cè)量設(shè)備和武器系統(tǒng)中，跟蹤軸與主軸如測(cè)量軸、武器發(fā)射軸等之間固定或者變化的偏差，此時(shí)可用預(yù)先測(cè)定或?qū)崟r(shí)測(cè)量方法測(cè)出，然后用控制系統(tǒng)修正。2軸系或結(jié)構(gòu)變形引起誤差 光電經(jīng)緯儀或大型望遠(yuǎn)鏡在室內(nèi)可通過(guò)對(duì)固定目標(biāo)瞄準(zhǔn)再用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備標(biāo)定，求出各軸系誤差，在外場(chǎng)可用觀測(cè)多個(gè)星體方法求出。結(jié)構(gòu)變形的數(shù)字模型可通過(guò)分析及實(shí)測(cè)確定。 5.4 瞄準(zhǔn)根本技術(shù)問(wèn)題 (3) 大氣折射的修正大氣折射使大氣層外目標(biāo)的視在上下角比真實(shí)角度大幾百微弧度，此項(xiàng)誤差可以根據(jù)氣象臺(tái)提供的大氣壓力、地面溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。這里應(yīng)說(shuō)明一點(diǎn)，如果是設(shè)備自動(dòng)跟蹤，因跟蹤系統(tǒng)也受此項(xiàng)誤差影響，所以在瞄準(zhǔn)中不必修正。如果是由理論

10、軌跡進(jìn)行程序引導(dǎo)或者由其它設(shè)備引導(dǎo)，那么必須進(jìn)行修正。(4) 測(cè)量或攻擊點(diǎn)與跟蹤點(diǎn)間偏差修正如跟蹤點(diǎn)不是指定的測(cè)量點(diǎn)或攻擊點(diǎn)，那么亦應(yīng)進(jìn)行修正。 5光束傳輸時(shí)間的修正提前量修正 當(dāng)采用紅外、電視等被動(dòng)跟蹤手段跟蹤目標(biāo)，而用激光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距或進(jìn)攻，其間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角度為修正值： ( 弧度) 其中t為光束單程傳輸時(shí)間，V為目標(biāo)速度，R為目標(biāo)距離。如采用激光主動(dòng)跟蹤時(shí)，是出射的激光照射到目標(biāo)后反射回再由跟蹤器接收，一般都用較寬波束，不加提前量即可跟蹤目標(biāo)，當(dāng)波束較窄時(shí)也須加提前量。5.5捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)的切換過(guò)渡一. 捕獲視場(chǎng)與跟蹤視場(chǎng)的匹配 光電經(jīng)緯儀具有幾種捕獲跟蹤手段，包括紅外、捕獲電視、跟蹤電視和

11、激光角跟蹤等。捕獲跟蹤方式選擇以及視場(chǎng)范圍非常重要。 捕獲粗跟蹤視場(chǎng)A越大越好，精跟蹤視場(chǎng)T根據(jù)跟蹤精度如分辨率、線性等，靈敏度以及轉(zhuǎn)換可靠性決定。 捕獲視場(chǎng)A與精跟蹤視場(chǎng)T之間可以有一至幾種過(guò)渡視場(chǎng)，相銜接的視場(chǎng)比例以46：1為宜，這樣過(guò)渡比較容易，而且每種手段都能發(fā)揮較大作用。二. 捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)的切換過(guò)渡 各種跟蹤方式之間平滑切換是可靠跟蹤的重要條件。實(shí)現(xiàn)平滑切換的關(guān)鍵是兩點(diǎn):1 正確判斷即將轉(zhuǎn)換過(guò)去的跟蹤器工作狀態(tài)，它應(yīng)當(dāng)是已持續(xù)一段時(shí)間正常，提取信號(hào)已幾幀，甚至十幾幀，以防止切換失誤;2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換前后加到速度回路輸入點(diǎn)的電壓不能躍變。為實(shí)現(xiàn)速度回路輸入點(diǎn)的電壓不能躍變，下述幾項(xiàng)應(yīng)予以

12、注意: 1、各傳感器增益最好一致；2、各傳感器光軸應(yīng)一致；3、各種手段跟蹤點(diǎn)應(yīng)盡量一致；4、位置回路切換點(diǎn)應(yīng)在校正網(wǎng)絡(luò)之前，可使切換平滑；5、采用復(fù)合控制技術(shù)的，其速度順饋信號(hào)切 換前后在速度回路輸入點(diǎn)階躍不應(yīng)超過(guò)15%。6、為使切換平滑并防止因偶然干擾喪失目標(biāo)，應(yīng)有必要預(yù)測(cè)記憶等方式作備用。三 跟蹤方式的切換通過(guò) 計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)， 可分為自動(dòng)切換和 人工選擇兩種: 自動(dòng)切換由計(jì)算機(jī)的狀態(tài)判斷、優(yōu)先順序判 斷、喪失等處理完成; 人工選擇那么由操作手選擇跟蹤狀態(tài)，計(jì)算機(jī)亦協(xié)助判斷，以防止失誤。 5.6 提高捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)精度的根本途徑 捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因很多，包括系統(tǒng)誤差和

13、隨機(jī)誤差，所以要提高捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)的精度必須從元件性能尤其是光電傳感器性能、系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)、伺服技術(shù)和系統(tǒng)特性等多方面入手。主要途徑如下：1、高精度光電跟蹤探測(cè)器、傳感器；2、改善跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括提高剛度、 降低摩擦力矩以及采用復(fù)合軸結(jié)構(gòu)等；3、 高精度跟蹤控制技術(shù)；如 前饋控制與共軸跟蹤 濾波預(yù)測(cè)技術(shù) 時(shí)間最正確控制4、高精度視軸穩(wěn)定技術(shù)，自適應(yīng)控制5、自適應(yīng)光學(xué)與跟蹤控制相結(jié)合等。5.7光電傳感器1、光電跟蹤傳感器 包括探測(cè)器件、光學(xué)系統(tǒng)及信號(hào)處理三個(gè)局部；探測(cè)器和光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的選擇原那么是獲得適宜的信噪比，信號(hào)處理電路要求速度快，失真度小，工作狀態(tài)穩(wěn)定。光譜范圍：覆蓋目標(biāo)物理特性；

14、探測(cè)器尺寸及分辨力；動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性：帶寬、采樣頻率等滿足目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性；線性度及靈敏度；噪聲特性；探測(cè)器缺陷；光學(xué)系統(tǒng)口徑、焦距、透過(guò)率、畸變等。2、 常用光電跟蹤器 常用的光電跟蹤器主要 有紅外、電視和激光 三種傳感器。每種大都可 用成象和非成象兩種方式工作。 紅外跟蹤主要用于紅外輻射較強(qiáng)的目標(biāo)。目 前大多數(shù)用于點(diǎn)源目標(biāo)的非成象跟蹤 ； 電視系統(tǒng)是最常見(jiàn)的成象跟蹤系統(tǒng) ； 激光角因其波束窄、單色性好，故作用距離較遠(yuǎn)、跟蹤精度很高，而且很容易識(shí)別目標(biāo)。 3、成象跟蹤算法 1波門跟蹤 利用電子選通門波門 選取視場(chǎng)中某局部圖象為目標(biāo)象，然后用邊緣或形心等跟蹤算法確定目標(biāo)位置。如雙邊緣中心跟蹤、面積平衡

15、法跟蹤、質(zhì)心跟蹤和亮度中心跟蹤等 。2相關(guān)跟蹤 根據(jù)探測(cè)器獲得的圖象與基準(zhǔn)圖象的相互關(guān)系即位置偏差確定目標(biāo)位置?；鶞?zhǔn)圖象可以是預(yù)先存儲(chǔ)的，也可以是人工選定的，大多數(shù)就是前一幀跟蹤目標(biāo)圖象。4、 提高跟蹤傳感器精度的途徑 光電跟蹤傳感器包括探測(cè)器、光學(xué)系統(tǒng)及信號(hào)處理電路三個(gè)局部，1提高光學(xué)系統(tǒng)精度問(wèn)題如加大口徑、增長(zhǎng)焦距、減小失真等；2主要是減小探測(cè)器象元尺寸，提高分辨率，改善線性度和減小漂移等-提高傳感器靜態(tài)精度，CCD是最有前途的成象跟蹤器件；3減小探測(cè)器響應(yīng)滯后、提高信號(hào)處理的速度及提高采樣頻率等-提高傳感器動(dòng)態(tài)精度。5.8 高精度控制技術(shù)六章后講1、前饋控制 復(fù)合控制 1在一般閉環(huán)控制系

16、統(tǒng)中，提高穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)精度就必須提高增益或者增加積分環(huán)節(jié)提高無(wú)靜差度，有時(shí)就會(huì)影響甚至破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。前饋控制是在閉環(huán)控制系統(tǒng)增加一開(kāi)環(huán)控制支路，用以提供輸入信號(hào)的各階導(dǎo)數(shù)，稱此系統(tǒng)為前饋控制或復(fù)合控制系統(tǒng)。2前饋控制的實(shí)現(xiàn) 在激光、紅外和電視等光電跟蹤系統(tǒng)中，傳感器只能提供目標(biāo)與傳感器視軸之間的偏差 計(jì)算機(jī)輔助跟蹤共軸跟蹤-通過(guò)預(yù)測(cè)技術(shù)得到目標(biāo)的位置、速度及加速度信息實(shí)現(xiàn)的前饋控制： 速度、加速度滯后補(bǔ)償-由系統(tǒng)輸出位置得到目標(biāo)的等效速度和加速度實(shí)現(xiàn)的前饋控制。3計(jì)算機(jī)輔助跟蹤共軸跟蹤 分為兩局部： 計(jì)算機(jī)接收傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù): 進(jìn)行濾波、預(yù)測(cè)，提供準(zhǔn)確的角位置、角速度等信息； 伺服驅(qū)動(dòng):

17、以計(jì)算出的角位置信號(hào)為輸入，以角速度及高階導(dǎo)數(shù)信號(hào)為輔助輸入，構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)，引導(dǎo)光電經(jīng)緯儀跟蹤目標(biāo)。 兩局部各自獨(dú)立，互不影響。數(shù)據(jù)處理局部的帶寬可以很窄，以最大限度抑制跟蹤噪聲和干擾，盡可能減小隨機(jī)誤差；伺服驅(qū)動(dòng)局部可有很寬的頻帶，大幅度地降低系統(tǒng)誤差，保證跟蹤的快速性和準(zhǔn)確性。 計(jì)算機(jī)輔助跟蹤關(guān)鍵技術(shù) -預(yù)測(cè)技術(shù)， 常用的預(yù)測(cè)濾波技術(shù)有： 有限記憶最小平方濾波、 、濾波、 自適應(yīng)濾波 Kalman濾波。 實(shí)驗(yàn)證明有限記憶最小平方濾波是有效的。Kalman濾波對(duì)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤最為有效，但需目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡和距離信息4速度、加速度滯后補(bǔ)償 速度滯后補(bǔ)償：光電經(jīng)緯儀 輸出速度為前饋控制所需的 目標(biāo)速度，能力有限； 加速度滯后補(bǔ)償：光電經(jīng)緯儀的加速度為前饋控制所需的目標(biāo)等效加速度，單獨(dú)應(yīng)用能力有限；速度、加速度滯后補(bǔ)償，是在速度滯后補(bǔ)償?shù)母咨希瑢⑺俣妊a(bǔ)償值再進(jìn)行微分和低通濾波，得到等效加速度，再送到速度回路的輸入端，構(gòu)成等效的速度、加速度前饋控制。速度、加速度滯后補(bǔ)償原理框圖 速度、加速度滯后補(bǔ)償 提