基于伺服控制的水下光动态通信捕获跟踪系统设计

基于空间光通信捕获、对准、跟踪技术的基本理念,笔者设计了一套基于伺服控制的水下无线光动态通信捕获跟踪系统,提出了基于跟踪微分器的电机加减速控制技术,设计了转台粗、精跟踪策略。在此基础上,笔者开展仿真验证、室内模拟测试及水下激光光斑捕获跟踪实验。仿真验证结果表明了该系统与算法策略在原理上的可行性;室内模拟测试方位、俯仰跟踪精度分别为0.08 mrad和0.27 mrad,这表明可将本系统应用于水下无线光动态通信;水下激光光斑捕获跟踪实验结果表明系统的捕获概率优于99%,捕获时间少于9 s,水箱施加扰动前后的跟踪精度分别为0.6 mrad和2 mrad。本文为后续开展水下无线光动态通信技术研究提供了一种技术方法和研究思路。     

基于合作信标的卫星激光通信瞄准捕获仿真系统

针对星间激光通信基于合作激光信标的瞄准与捕获过程,在LabVIEW(虚拟仪器)平台上研制了一套瞄准与捕获仿真系统。该系统模拟卫星轨道姿态动力学,建立双星指向关系,仿真双自由度转台初始对准。根据不确定区域大小,驱动信标激光进行螺旋扫描,根据信标光束散角及探测器视场,确定仿真捕获点以完成捕获。加入含有高斯噪声的最大速度为1°/s,最大加速度为1°/s2的等效正弦扰动进行了动态捕获实验。最终实现了同步轨道卫星和近地轨道卫星间动态双星激光通信瞄准与捕获仿真,形成了基于虚拟仪器的激光通信全过程仿真模式,为跟踪系统仿真及无信标捕获的仿真奠定了基础。     

基于迭代学习控制的潜望式激光通信终端系统的动态跟踪设计

为提高潜望式激光通信终端伺服系统的动态跟踪性能,针对基于永磁同步电机的二维伺服转台的控制系统进行了设计。通过采取空间矢量控制方法实现电机的解耦控制,建立控制模型并完成了各控制回路的设计。针对动目标跟踪设计了迭代学习控制方法以提高通信终端的动态跟踪性能,并对控制系统的速度阶跃响应进行测试,分析通信终端系统的低速平稳性。最后,搭建了4.62 km激光通信的动态跟踪实验,利用六自由度转台模拟平台抖动,为动态跟踪验证实验创造外部平台扰动条件。实验结果表明:通信终端系统速度阶跃响应的稳态误差为±0.02 (°)/s,表明伺服系统速度回路具有较快的动态响应特性和较高的稳态精度,在最大加速度为0.219 (°)/s2的正弦波扰动条件,二维伺服转台的动态粗跟踪精度可以达到62 μrad,粗精复合跟踪精度优于2 μrad,验证了通信终端伺服系统的有效性及其动态跟踪性能,为进一步提高终端系统的跟踪精度奠定基础。     

反作用轮实现微纳卫星光电跟踪物理仿真

为了验证以反作用轮为执行机构实现姿态机动,完成微纳卫星对运动目标跟踪的可行性,设计了基于单轴气浮台的微纳卫星光电跟踪物理仿真系统。首先,为提高物理仿真系统的性能,分别对反作用轮和气浮台的干扰力矩进行分析;其次,针对反作用轮存在的干扰力矩和加、减速时间常数不对称的问题,设计了增益调度和力矩补偿相结合的反作用轮控制策略;再其次,采用双闭环-速度前馈的控制结构,完成了微纳卫星光电跟踪物理仿真系统的控制系统的设计;最后,为了验证仿真系统的跟踪性能,对作正弦运动的一维靶标进行跟踪。实验表明:对于跟踪最大速度为9（）/s、最大角加速度为4.5（）/s2的正弦运动靶标,物理仿真平台的跟踪精度达到0.4,从而说明以反作用轮为执行机构实现姿态机动,微纳卫星可以实现对运动目标的跟踪。     

基于GPS的星地激光通信捕获对准研究

提出了基于GPS坐标解算实现星地激光通信捕获、跟踪和对准(ATP)初始捕获的方法。星地激光通信信标光跟踪系统通过对地面GPS坐标和卫星坐标的解算,得到地面光学天线的方位角和俯仰角,光学天线根据角度旋转对准信标光,从而将信标光引入粗跟踪CCD的视场。给出了GPS坐标解算算法和信标光方向角度随卫星坐标变化的仿真曲线。用二维电机进行了地面转台的捕获实验,对实验数据进行了捕获精度的分析,结果表明,通过GPS坐标解算能够快速地实现信标光的初始捕获。     

脉冲激光分布式扫描参数的优化分析

提出一种基于激光脉冲扫描测量体制下的高速点目标捕获、跟踪测量方法,应用匀速运动模型模拟仿真目标的轨迹及分布概率;考虑脉冲激光光斑分布的相关参数,建立脉冲激光扫描捕获点目标的理论模型。提出了一种基于时间序列法的捕获方法,用以求解针对目标模型脉冲激光在一帧扫描时域内的捕获次数。在此基础上对激光分布式扫描光斑布局的主要参量进行数值仿真分析,进而提出一种针对目标运动特性、激光传感器特性的最优化扫描方式,以提高一帧扫描时域内的捕获概率和捕获次数,缩短捕获时间;结合算例通过半实物仿真实验验证最优化扫描方式的可行性。所提方法为激光跟踪系统的脉冲频率、扫描频率与目标运动模型的最佳匹配提供了依据。     

使用自适应阈值的图像篡改检测与定位算法

为了实现对机载移动目标的快速捕获和粗跟踪瞄准,设计了粗跟踪演示系统,完成了外 场飞行实验的 初步验证。本文系统利用GPS数据完成对目标的捕获,通过对姿态数据的校正,方位误差降 到0.60°(1σ),俯 仰误差降到0.40°(1σ),有效缩小了不确定区域;系统还对跟踪算 法进行了优化改进,利用分段式函数等效 非线性调整函数,有效解决动态目标跟踪时快速调整和超调之间的矛盾。飞行实验表明, 本文的粗跟踪演示 系统的捕获时间优于10s,粗跟踪精度优于480μrad,为精跟踪子系统实现最终的目标精确跟踪瞄准提供了 有利条件,实验结果验证了该系统用于激光通信链路快速建立的可行性。     

基于二维振镜与位置灵敏探测器的高精度激光跟踪系统

提出了一种基于二维振镜与位置灵敏探测器的高精度激光跟踪系统;基于光线追迹方法建立跟踪系统的几何光学模型,并对跟踪系统进行误差分析,通过仿真对激光跟踪系统的指向精度以及跟踪性能进行分析。仿真结果表明:在跟踪距离100 m处,跟踪系统的位置指向精度可达0.35 mm,角度指向精度为0.72″,跟踪范围为-10°～10°,最大跟踪速度可达3.6 rad/s,能够实现对远距离快速运动目标的高精度实时主动跟踪。     

运动目标激光跟踪瞄准中的闭环研究

在利用激光实现对运动目标的跟踪瞄准过程中,必然会受到目标运动特性的限制以及各种大气条件(湍流、热晕等因素)的影响,导致激光能量损耗、光束漂移、激光波前发生畸变等,使得激光能量不能会聚于目标上,而是发散为一片,无法起到打击军事目标或有效跟踪锁定的作用.要解决这些问题,使激光能量可以有效地集中于运动目标上而不脱靶,就首先要在运动目标与激光发射(接受)系统之间建立闭环联系.本文利用非线性光学相位共轭技术,补偿大气给激光波前带来的畸变,对运动目标进行跟踪瞄准,在激光系统与目标之间建立起闭环联系.在原理上,以静止目标闭环理论为基础,充分考虑到了信标光和大气效应对跟瞄的影响,建立了运动目标的闭环模型,并计算了对远距离(1 km)目标进行跟踪时共轭系统的增益.在实验上,利用受激布里渊散射相位共轭技术,在室内18 m远处模拟了对运动目标进行跟踪瞄准的原理性实验,用CCD相机记录了信号光斑与共轭跟瞄光斑,分析了这些光斑的光场分布.实验结果表明共轭跟瞄光的能量能较好地集中于很小的区域内,而不象信号光那样发散为一片,从而证明了本文所用方法对运动目标进行跟踪瞄准的有效性.(PB3)     

经纬仪伺服系统快速捕获方法研究

近年来,随着靶场测试目标速度的提高和设备自动化程度的提高,对光电经纬仪电视跟踪伺服系统的跟踪和捕获快速运动目标的能力提出了越来越高的要求.本文分析了通过增加系统带宽方法提高快速捕获跟踪能力的局限性,提出了采用多模控制和速度引导的方法来提高捕获能力和保证稳定精度的方法.通过仿真分析和实验验证,验证了该方法的可行性.     

运动目标模拟系统设计

设计的振镜式激光扫描运动目标模拟系统就是用来检测某地面防空武器的光电跟踪系统,其能够根据目标的运动方式和运动状态在实验室模拟实现可供光电跟踪的运动目标。课题采用振镜式激光扫描运动目标模拟技术,激光束经过双振镜的全反射后在投影屏幕上利用光斑扫描出目标运动的轨迹,该光斑就是模拟光电跟踪系统跟踪的模拟运动目标,它具有真实目标的可见光和红外特性。     

星载光电复合轴跟踪控制技术研究

将两轴光电跟踪仪搭载于卫星平台对空间运动目标进行持续跟踪监视正在成为一个研究热点,目前这类系统有天基空间目标监视系统(SBSS)、空间跟踪与监视系统(STSS)和持续跟踪与监视系统(PTSS)。为了解决天基目标监视中星载动基座情况下的光轴稳定跟踪控制技术,首先简化了星载光电跟踪控制系统的物理模型,然后求解了太阳同步轨道附近两卫星的相对运动角速度和角加速度大小,接着分析了基于光电复合轴方式的主动稳定跟踪控制方案和原理,最后建立了单轴系的星载光电复合轴跟踪控制系统仿真模型,计算结果为:对相对机动范围内(37.68 ()/s、47.33 ()/s2)的空间目标和相对低匀速范围内(0.1 ()/s)的空间卫星的稳定跟踪精度为2.5。     

随机占优精英裂变算法用于空中移动目标跟踪

针对粒子群算法跟踪空中目标的缺点,提出随机占优精英裂变算法。首先对父体大权值粒子裂变,形成子代个体空间,覆盖小权值粒子;接着采用精英策略,计算个体在选择过程中被选中的概率,使大部分较优个体参与进化,用极小欧几里德距离计算拥挤距离;然后采用分布函数来确定采样数据的随机占优关系;最后给出了空中目标运动模型。实验仿真表明,滤波轨迹接近空中运动目标的轨迹,在整个观测区域内具有很好的跟踪效果,位置误差标准值小。     

基于交互多模型的低空目标跟踪算法研究

研究了基于交互多模型(IMM)的低空目标跟踪问题。分析了低空目标的运动特征,给出了目标匀速(CV)直线、匀加速(CA)直线、曲线飞行航迹模型。在交互多模型(IMM)算法中,采用多种运动模型跟踪低空目标。在所研究的大机动模型情况下,通过多次数据处理优化参数后,统计分析结果表明,该算法滤波后数据误差明显降低,数据精度有较大的提高,能够稳定精确地跟踪低空目标。因此,该低空目标跟踪算法是有效的。     

基于局部相似的红外小目标跟踪算法

连续图片序列中的运动对象与其局部背景保持相对稳定.相邻图像序列的目标局部灰度分布具有相似性.针对红外小目标跟踪杂波干扰与运动模糊问题,设计了基于局部相似的目标增强方法,并提出一种基于局部相似和运动估计的跟踪算法.该算法根据目标的局部相似性构建搜索空间,采用运动估计机制缩小搜索域,然后利用时空上下文学习跟踪算法产生跟踪结...     

基于SOPC的视频运动目标检测跟踪系统

文章是以Nios II处理器为中心的视频运动目标检测跟踪系统,通过CMOS图像传感器采集视频图像信息,采用帧间差分法检测运动目标,形心跟踪算法对目标进行跟踪,最后在VGA显示器上显示视频中运动物体。实验结果表明,该系统可达到运动目标检测跟踪的理想结果。     

光电跟瞄平台的波门跟踪技术

波门跟踪是提高基于图像等信息实现跟踪的光电平台跟踪精度的有效方法.探讨了脱靶量预测、图像传感器滞后和伺服系统动态精度对波门跟踪的影响.针对一类匀速运动目标,建立了基于图像处理信息和伺服系统反馈信息的目标空间角运动模型,利用最小二乘法获得目标角运动参数的估计,同时推导了目标图像脱靶量的预测公式,结合目标运动预测,完成了自适应波门的设计.最后给出了常规波门和自适应波门的工程跟踪实验,结果表明,文中所提方法创新定性地定量分析了波门跟踪技术在工程实践中的问题,解决方案完整且在工程实验中得到了检验,提高了跟踪的稳定性和系统的实时性.     

空间非合作目标半物理仿真地面验证系统

针对非合作目标线阵雷达成像点云数据获取过程中在轨验证试验成本高、空间环境复杂和控制难等问题,以非合作目标三维重建数值模拟为基础,研制模拟空间服务航天器绕飞采集过程半物理仿真地面验证系统。采用KUKA六轴机械臂搭载缩比卫星模型,还原非合作目标的运动状态,并利用三轴精密转台搭载线阵扫描雷达实现非合作目标可测部位数据采集,通过综合控制系统完成目标扫描及数据处理。利用该半物理地面验证系统,开展缩比比例为1∶10的非合作目标多视角数据采集试验;通过建立分辨率精度评估、吻合度评估和实际运动与控制运动的误差分析准则,进行评估试验。试验结果表明:该系统可以有效获取多视角状态下非合作目标的点云数据,根据点云数据测量计算的目标章动运动角度与目标真实运动角度误差在4%以内,可为未来空间在轨操控与三维重建技术提供真实的技术数据参考。     

位移矢量一致下的多飞行器三维轨迹跟踪识别

合作靶标点三维轨迹的跟踪识别是实现室内环境中多飞行器位姿估计的关键,为此,提出了一种基于时空一致条件下的多目标三维轨迹跟踪识别算法。该方法包括运动轨迹跟踪与识别两部分,对于合作靶标点三维轨迹跟踪,提出了一种基于运动目标位移矢量一致的数据关联方法,该方法首先利用运动平滑性假设计算得到的数据关联概率值,结合匈牙利算法求解得到目标的数据关联关系,然后在贝叶斯滤波框架下实现合作靶标点的三维轨迹跟踪。对于合作靶标点的三维轨迹识别,又可以分为粗细两部分,利用运动轨迹Hankel矩阵的秩实现运动轨迹的粗识别,利用运动轨迹之间的Hausdorff距离实现运动轨迹的细识别,最终实现对每一个飞行器的轨迹识别与注册。实验结果表明,在三维测量手段为机器视觉,测量空间大小为2 m×2 m×2 m,提出的多目标跟踪算法的三维轨迹跟踪误差小于4 mm（3σ）时,轨迹识别正确率为100%。因此,所提出的算法可以有效地实现多飞行器上合作靶标点三维轨迹的跟踪识别。