遠(yuǎn)程紅外成像系統(tǒng)二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)研究

遠(yuǎn)程紅外成像系統(tǒng)二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)研究

0遠(yuǎn)程紅外探測(cè)系統(tǒng)中二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)的應(yīng)用問(wèn)題遠(yuǎn)程紅外檢測(cè)系統(tǒng)的圖像分辨率高，檢測(cè)距離遠(yuǎn)，因此具有較長(zhǎng)的距離、較大的入射光和較大的焦面矩陣對(duì)穩(wěn)定和準(zhǔn)確性的要求很高。傳統(tǒng)的整體穩(wěn)定技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用,但是受原理和傳感器精度等的限制,已經(jīng)無(wú)法跨越20μrad的瓶頸,因此無(wú)法滿足遠(yuǎn)程紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)定精度的要求。二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展,已經(jīng)成為提升光電系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的重要手段,因此將二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程紅外探測(cè)系統(tǒng)中,是提升瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度的有效途徑。文中針對(duì)遠(yuǎn)程紅外探測(cè)系統(tǒng)較高的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度要求,提出采用二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)來(lái)保證瞄準(zhǔn)線的高精度穩(wěn)定,通過(guò)分析系統(tǒng)模型和擾動(dòng)傳遞函數(shù),獲得了擾動(dòng)全補(bǔ)償條件下的二級(jí)穩(wěn)定控制器,揭示了擾動(dòng)全補(bǔ)償?shù)睦碚撘罁?jù),仿真結(jié)果顯示,二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)對(duì)于帶寬和隔離度提升較為明顯。1系統(tǒng)圖像穩(wěn)定方式選取遠(yuǎn)程紅外探測(cè)系統(tǒng)的主要成像傳感器是高分辨率的紅外面陣探測(cè)器,可以晝夜工作,其主要特點(diǎn)是以被動(dòng)方式工作。穩(wěn)定平臺(tái)是保證高分辨率紅外探測(cè)系統(tǒng)圖像穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié),文中系統(tǒng)選擇如圖1所示的二級(jí)穩(wěn)定方式,一級(jí)穩(wěn)定為粗穩(wěn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線的第一級(jí)穩(wěn)定,光學(xué)系統(tǒng)采用共光路方式,從而實(shí)現(xiàn)共用快速控制反射鏡(FSM)的目的。在精穩(wěn)反射鏡前端設(shè)計(jì)高倍望遠(yuǎn)系統(tǒng)可大大壓縮光束口徑,從而顯著減小FSM的質(zhì)積和重量,提升FSM的精度和帶寬。2旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程紅外探測(cè)系統(tǒng)采用的二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)原理組成示意圖如圖2所示,其中1是速率陀螺、2是FSM、3是粗平臺(tái)電機(jī)、4是粗平臺(tái)、5是光學(xué)系統(tǒng)、6是探測(cè)器。系統(tǒng)可劃分為粗級(jí)穩(wěn)定平臺(tái)和精級(jí)FSM平臺(tái),粗級(jí)穩(wěn)定平臺(tái)是傳統(tǒng)的兩軸兩框架結(jié)構(gòu)形式,精級(jí)FSM平臺(tái)置于粗級(jí)穩(wěn)定平臺(tái)的光具座上并安放在需要精確穩(wěn)定的光學(xué)通道中,粗級(jí)穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)外界擾動(dòng)進(jìn)行初步隔離,采用粗精組合二級(jí)穩(wěn)定技術(shù)對(duì)速率陀螺信號(hào)進(jìn)行融合處理,用于控制FSM,實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線殘余擾動(dòng)的補(bǔ)償,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度的穩(wěn)定。圖2所示示意圖中,瞄準(zhǔn)線受轉(zhuǎn)動(dòng)基座和FSM的復(fù)合控制,建立瞄準(zhǔn)線運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖3所示。圖3中光學(xué)系統(tǒng)倍率為X。圖3(a)中,反射鏡旋轉(zhuǎn)θm,因此瞄準(zhǔn)線旋轉(zhuǎn)θm′=2θm,通過(guò)X倍的望遠(yuǎn)鏡后,瞄準(zhǔn)線為θm″=2θm/X;圖3(b)中,傳感器整體旋轉(zhuǎn)θb,因此瞄準(zhǔn)線旋轉(zhuǎn)θb″=θb。瞄準(zhǔn)線運(yùn)動(dòng)是圖3所示兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合,所以瞄準(zhǔn)線的運(yùn)動(dòng)方程為:3控制模型3.1轉(zhuǎn)速反饋傳遞函數(shù)粗平臺(tái)電機(jī)的傳遞函數(shù)可近似為:式中:Cm為力矩系數(shù),nm/A;Ce為電勢(shì)系數(shù),V/(rad·s-1);R、L為電阻和電感,Ω和H;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2。速率反饋采用速率陀螺來(lái)完成,傳遞函數(shù)為:這是一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié),ξ是阻尼系數(shù),ω0是陀螺帶寬,ku為陀螺比例因子,陀螺速率反饋回路的單位為V/(rad·s-1)。驅(qū)動(dòng)器一般采用H橋方式驅(qū)動(dòng),傳遞函數(shù)為:3.2信號(hào)調(diào)理電路精平臺(tái)的控制是一個(gè)高帶寬的位置閉環(huán)控制,功能框圖如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)由位置傳感器和其信號(hào)調(diào)理電路采集FSM位置信號(hào),和位置命令信號(hào)比較后送人PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行計(jì)算,控制通道包含一個(gè)限波器,用于限制FSM機(jī)械諧振,輸出信號(hào)送入功率放大器,驅(qū)動(dòng)FSM運(yùn)動(dòng)。文中對(duì)FSM模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后,其傳遞函數(shù)為:式中:kf為FSM比例因子,rad/V。3.3傳統(tǒng)穩(wěn)定回路結(jié)合傳統(tǒng)穩(wěn)定回路和二級(jí)穩(wěn)定回路后的系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。其中:G1為一級(jí)穩(wěn)定回路控制器;G2為機(jī)電參數(shù);G3為負(fù)載;G4為積分器;H2為反電勢(shì)系數(shù);H1為陀螺反饋;K為二級(jí)穩(wěn)定控制器;GF為FSM閉環(huán)傳遞函數(shù);K2為光學(xué)傳遞函數(shù),K2=2/X。傳統(tǒng)穩(wěn)定回路如圖5虛線框所示,能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定,二級(jí)穩(wěn)定回路工作于系統(tǒng)的前向通道,對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)定的殘差進(jìn)行提取,進(jìn)而控制反射鏡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行殘差補(bǔ)償。由圖5控制框圖可知,系統(tǒng)最終輸出的瞄準(zhǔn)線角度對(duì)輸入的角速度命令傳遞函數(shù)為:系統(tǒng)輸出的瞄準(zhǔn)線角度對(duì)輸入擾動(dòng)傳遞函數(shù)為:為了實(shí)現(xiàn)二級(jí)穩(wěn)定回路對(duì)于擾動(dòng)Md的全補(bǔ)償,可令:為了對(duì)二級(jí)穩(wěn)定系統(tǒng)和傳統(tǒng)整體穩(wěn)定系統(tǒng)的帶寬和隔離度進(jìn)行對(duì)比分析,求取傳統(tǒng)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的閉環(huán)傳遞函數(shù)和擾動(dòng)傳遞函數(shù),因此,傳統(tǒng)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)瞄準(zhǔn)線對(duì)速度命令傳遞函數(shù)為:傳統(tǒng)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)瞄準(zhǔn)線對(duì)擾動(dòng)傳遞函數(shù)為:對(duì)比公式(7)和公式(9)可知,由于二級(jí)穩(wěn)定控制器K可調(diào),二級(jí)穩(wěn)定的擾動(dòng)傳遞函數(shù)(公式(7))理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任何擾動(dòng)的零輸出,這也是二級(jí)穩(wěn)定控制優(yōu)于傳統(tǒng)整體穩(wěn)定的關(guān)鍵。3.4速率螺栓和fsm對(duì)k由上面的理論分析可知,影響二級(jí)穩(wěn)定系統(tǒng)性能的主要因素是二級(jí)穩(wěn)定控制器K,而K主要由速率陀螺和FSM傳遞函數(shù)構(gòu)成,因此,最終穩(wěn)定效果主要受速率陀螺和FSM影響,確切地說(shuō)主要受速率陀螺和FSM建模精度影響。二級(jí)穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)為:3.5動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)來(lái)源于控制系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì),已知的參數(shù)如表1所示。將上述靜態(tài)參數(shù)帶入仿真模型后,進(jìn)行動(dòng)態(tài)的控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì),穩(wěn)定回路采用一階控制網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)帶寬為30Hz,FSM閉環(huán)帶寬設(shè)計(jì)為280Hz。該系統(tǒng)粗平臺(tái)靜態(tài)參數(shù)如表1所示。4反滲透法控制系統(tǒng)的帶寬和隔離度是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo),由于文中系統(tǒng)的特殊性,實(shí)際瞄準(zhǔn)線在慣性空間中的運(yùn)動(dòng)情況已經(jīng)無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的測(cè)量陀螺信號(hào)的方法來(lái)獲得,因此也無(wú)法直接獲得系統(tǒng)的帶寬和隔離度。為了能夠得到精確的速率穩(wěn)定回路帶寬和隔離度曲線,在仿真模型中對(duì)瞄準(zhǔn)線的輸出信號(hào)進(jìn)行了微分和增益匹配處理,使其在物理意義上與輸入速度命令信號(hào)一致,進(jìn)而評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能。微分和增益匹配處理的具體方法是通過(guò)對(duì)二級(jí)穩(wěn)定后的瞄準(zhǔn)線輸出進(jìn)行微分,并且乘以陀螺增益因子。4.1基于lvi算法的cmd仿真帶寬指標(biāo)是衡量系統(tǒng)響應(yīng)速度的一個(gè)重要指標(biāo),仿真帶寬通過(guò)simulink的LTI工具求取θ觶LOS對(duì)于θ觶CMD的bode圖,獲得的速率穩(wěn)定回路帶寬仿真如圖6所示。帶寬仿真顯示二級(jí)穩(wěn)定將系統(tǒng)帶寬由原來(lái)的30Hz提升到200Hz,顯著提升了陀螺穩(wěn)定回路的帶寬,非常有利于提升系統(tǒng)的快速性。4.2級(jí)穩(wěn)定效果分析隔離度曲線能夠顯示穩(wěn)定系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力,因此求取了θ觶LOS對(duì)于Md的bode圖,獲得的隔離度曲線如圖7所示。隔離度曲線顯示二級(jí)穩(wěn)定將1Hz隔離度由原來(lái)的-32dB提升至-66dB,將10Hz隔離度由原來(lái)的-5.7dB提升至-20.6dB,極大地提升了低頻段的穩(wěn)定效果。從仿真圖中還可以看出,二級(jí)穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)40Hz以前的擾動(dòng)均具有較好的隔離能力,同時(shí)對(duì)于高頻隔離能力沒(méi)有影響。5線陣探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)原理如圖8所示,穩(wěn)定平臺(tái)安裝在角振動(dòng)臺(tái)上,角振動(dòng)臺(tái)模擬真實(shí)的擾動(dòng)環(huán)境,測(cè)試裝置由自準(zhǔn)直儀、光源和PC機(jī)組成。自準(zhǔn)直儀全視場(chǎng)5°(線陣探測(cè)器)、分辨率0.4″、測(cè)量頻率1kHz。為了實(shí)現(xiàn)自準(zhǔn)直測(cè)試,在圖2中的光路中增加自準(zhǔn)直光束反轉(zhuǎn)棱鏡,將自準(zhǔn)直儀的入射光返回至自準(zhǔn)直儀的探測(cè)器,滿足自準(zhǔn)直測(cè)試的要求。系統(tǒng)集成完成后,在角振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了搖擺試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件為正旋搖擺(2Hz,3°)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,原來(lái)的整