基于快速反射镜的高精度、宽频带扫描像移补偿技术研究

发布时间：2019-04-03 21:18

【摘要】：现代信息化战争瞬息万变,准确实时地获取目标位置信息是情报侦察装备最核心的任务,因此新一代的航空相机不仅要具有对热点区域的广域侦察能力,而且要具有对热点目标的实时监视能力。动态扫描凝视成像方式由于可以在一个成像系统中同时实现宽覆盖高分辨成像和高帧频凝视监视,已经成为新一代机载成像系统的关键技术之一。然而由于当前的像移补偿方式无法满足动态扫描凝视成像方式对扫描像移补偿精度和补偿带宽的要求,因此研究高精度、宽频带的扫描像移补偿技术是当前亟待解决的问题。快速反射镜由于具有转动惯量小、定位精度高、响应速度快等优点,广泛应用于激光通信、精密跟踪瞄准、视轴稳定等光学系统中。将快速反射镜应用于扫描像移补偿,可以提高像移补偿的精度和带宽,从而实现动态扫描凝视成像。本文围绕着基于快速反射镜的高精度、宽频带扫描像移补偿技术进行了以下研究工作:提出了动态扫描凝视成像方式,利用快速反射镜的周期性回扫运动补偿外框架连续匀速扫描引起的扫描像移,从而缩短了帧与帧之间的稳定时间,提高了成像系统帧频,进而提高了扫描效率。分析了该成像方式的工作原理和伺服控制系统设计,建立了参考坐标系并给出了扫描控制指令的计算方法,并对该成像方式进行了仿真。建立了快速反射镜控制系统的数学模型,并以伪随机二进制序列作为输入信号,采用最小二乘法对快速反射镜控制系统的模型进行了辨识。分析了机械谐振和数字控制对快速反射镜性能的影响,并采用引入速度反馈的方法增大系统的阻尼系数,从而达到消除机械谐振的目的。提出将基于干扰观测器和零相差跟踪控制器的控制方法应用于快速反射镜控制系统:内环路采用干扰观测器抑制外界干扰和提高系统的鲁棒性,闭环系统采用零相差跟踪控制器作为前馈控制器提高系统的跟踪精度。分析了干扰观测器的性能和鲁棒稳定性,对低通滤波器的设计进行了研究。在此基础上分析了基于干扰观测器的二自由度控制系统的性能和鲁棒稳定性,并给出了具体的设计方法。论述了数字控制系统中零相差跟踪控制的原理,并给出了闭环控制系统的辨识方法。采用本文提出的控制方法快速反射镜的控制带宽可达100Hz,定位精度可达5.7μrad。研究结果表明,与传统PID控制方法相比,该方法可以有效提高快速反射镜的定位精度,拓展控制带宽。提出采用倾斜刃边法测量动态扫描凝视成像系统的调制传递函数来定量评估快速反射镜的像移补偿性能。首先对扫描像移进行建模分析,提出采用调制传递函数直接评价控制效果,分析了快速反射镜的控制误差对成像质量的影响。然后提出采用倾斜刃边法测量成像系统的传递函数,来定量评价像移补偿控制系统的性能,并通过实验证明了该方法的有效性。最后搭建了动态扫描凝视成像系统演示验证样机,在曝光时间为1ms,成像帧频为50Hz时,分别测量快速反射镜补偿扫描像移后图像的传递函数和无像移图像的传递函数,二者基本一致,从而证明了快速反射镜可以在高帧频模式下有效补偿扫描像移,达到凝视成像的要求。本论文的研究工作表明:基于干扰观测器和零相差跟踪控制器的控制方法可以有效提高快速反射镜的控制性能,从而实现高精度、宽频带的扫描像移补偿;相比于传统步进凝视成像系统,动态扫描凝视成像系统可以充分发挥小面阵探测器高帧频的优势,并且成像质量也有显著提高。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41

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本文编号：2453591