光电系统扰动隔离度指标测试方法

光电系统扰动隔离度指标测试方法

寿少峻;柳井莉;郭新胜

【摘要】在推导出光电跟踪仪扰动隔离度计算公式的基础上,给出了2种测试扰动隔离度的方法:基于模拟环境测试方案和载体平台测试方案.通过分析2种测试方案的试验数据,分别阐述了它们的优缺点和适用的场合,并指出速度环的带宽是影响双环路控制模式下系统隔离扰动能力的关键因素,最后提出了增加扰动隔离度的控制模式优化建议.

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2015(036)004

【总页数】5页(P504-508)

【关键词】扰动隔离度;跟踪;控制技术

【作者】寿少峻;柳井莉;郭新胜

【作者单位】西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065

【正文语种】中文

【中图分类】TN957.2

引言

高精度跟踪是光电跟踪设备的主要性能，载体的扰动则是影响光电跟踪性能的主要因素之一。抑制载体扰动取决于光电跟踪控制系统的动态性能，工程上常采用扰动

隔离度来评价光电跟踪控制系统对载体扰动的抑制能力［1］。

在系统设计的虚拟仿真阶段，通过建立扰动和控制系统响应之间的传递函数，计算控制系统在某类扰动下的响应，可以预估跟踪系统的扰动隔离度。但在工程实施中一直没有测试手段来验证实际响应，无法构成设计闭环［2－3］。本文介绍了工作中实际使用的模拟环境测试和载体平台测试方法，并通过对2种方法的测试结果分析，探讨如何测定光电跟踪系统的扰动隔离度。

1 扰动隔离度的定义和计算

1.1 扰动隔离度的定义

依据参考文献［1］的论述，两轴稳定平台在外界扰动作用下，反电动势干扰是影响稳定精度的主因。基于上述原理，可以推导出计算系统对此类扰动的响应传递函数［1］。在工程上采用扰动隔离度来表征系统的抗扰能力。隔离度的定义：扰动与系统响应之比，一般用分贝数表示。

1.2 扰动隔离度计算实例

以研制的实际光电系统为例。系统采用光纤陀螺速率反馈控制方式，陀螺稳定环路的闭环带宽可达到优于38Hz。系统的扰动隔离度可依据参考文献［1］推导出系统隔离度计算公式如下：

式中：w1为空间位置闭环校正传递函数；w2为陀螺稳定环校正传递函数；Ra、La、Kb、Jm 为负载参数。

图1是应用上述的计算方法计算出的光电跟踪系统单轴系的船摇隔离度频域分布图，表1是典型频率点处的船摇隔离度计算表。

图1 船摇隔离度频域分布图Fig.1 Frequency distribution of ship－swaying disturbance isolation

表1 船摇隔离度计算表Table 1 Calculation table of ship－swaying

disturbance isolation扰动频率／rad·s－1 船摇隔离度／dB 0.1 154 0.5 112 1 94.4 2 71.8 5 62.2 10 50.4 50 32.1

2 光电系统隔离度验证方法

舰载光电跟踪仪需要具备对载体扰动的高隔离度，以便隔离舰船航行时纵横摇和光电载体平台高速运动等扰动，保持瞄准线稳定［4］。在实际工作中，设计了两种试验：模拟舰船航行环境的实验室仿真试验和载体平台运动隔离度测试试验，以此评价系统的隔离扰动能力。

2.1 模拟舰船航行环境的实验室仿真试验

通过舰船航行环境的实验室模拟仿真试验，重点验证5级海情和9级海情下利用大功率摇摆台模拟舰船航行时产生的纵摇和横摇扰动，检验光电跟踪仪在此扰动下跟踪定点目标的能力，如图2所示。

图2 模拟舰船航行环境的实验室仿真试验示意图Fig.2 Emulation experiment in lab to simulate environment of shipping

试验输入条件：（a）5级海情扰动频谱，设定激励为：横摇角，幅值±22.5°，周期5s～10s；纵摇角，幅值±7.5°，周期3s～7s；（b）9级海情扰动频谱，设定激励为：横摇角，幅值±40°，周期5s～10s；纵摇角，幅值±15°，周期3s～7s。目标为高亮度点目标（试验室墙上点亮的电灯作为目标，距离约为30m）。光电跟踪仪跟踪点目标，摇摆台按照扰动设置值做正弦运动。系统工作在二阶空间位置闭环。试验结果如表2所示。

表2 隔离度测试结果Table 2 Result of disturbance isolation test试验条件项目误差极值／mrad误差平均值／mrad隔离度计算值／dB隔离度测试值／dB输入条件（a）周期5s方位误差 0.2 0.117 89.4 59.33俯仰误差－0.3 0.132 89.4 55.81输入条件（b）周期6s方位误差 0.3 0.186 93.6 70.35俯仰误差－0.4 －0.173 93.6 67.85

采用的隔离度计算公式式中：θh为扰动幅值；θ为误差极值。表中计算出的隔离

度值较理论计算值小，其主要原因有：

1）目标为非标准协作目标导致的误差

在实验时设备摆幅过大，无法使用平行光管设置无穷远点目标；只能用点亮的电灯充当目标，并非标准的协作目标，在视频上形成的图像亮度不均匀且形状不规则。导致视频跟踪器在每帧图像中判别目标中心的位置并不一致，而在光斑形成范围内波动，形成误差。此误差可视为随机误差，且作为指令输入到空间位置闭环中，控制系统无法抑制，导致扰动隔离度降低。

2）CCD离轴安装方式导致的误差

CCD在系统中安装位置与系统回转中心有一段距离，约为150mm，如图3所示。在跟踪非无穷远目标时，会产生图中所示的偏差角α，而且此偏差角随着回转中心的运动而变化，此项偏差被空间位置闭环包含，受到一定程度抑制，但依旧会加大跟踪误差，导致扰动隔离度下降［5－6］。

图3 CCD离轴安装方式示意图Fig.3 Off－axis installation of CCD

3）系统回转中心移动导致误差加大

图4 回转中心移动方位角变化示意图Fig.4 Azimuth of act of gyration center

控制系统的坐标原点为方位轴和俯仰轴的交汇点（系统回转中心），在摇摆台旋转中心的上方。试验时，系统回转中心是在一定范围内运动的。图4所示为回转中

心在方位向的运动范围，运动区间为A、B两点之间。回转中心的运动轨迹包含了角运动和线位移。AB连线可视为回转中心的线位移，对应的线位移速度随不同位置改变，同时此线位移速度是陀螺无法感应的，陀螺稳定环也无法校正，仅依赖于空间位置闭环的校正能力。此项误差也会导致扰动隔离度下降［7－10］。

综上所述，要精确测试隔离度，协作目标非常重要。但是由于试验过程中系统回转中心运动范围过大，无法构建无穷远目标，只能以此方法定性分析。由试验数据可