一种基于双光楔的无随动红外位标器光轴控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于双光楔的无随动红外位标器光轴控制装置和方法。属于红外制导技术领域。

背景技术

针对未来空战中强环境适应性、强对抗作战任务对导引头提出的高性能需求，需开展无随动高敏红外导引头技术的研究。利用基于小型光楔扫描技术等，突破小型导引头技术，开展新一代导弹研究，提高我空军作战能力，适应未来空战，满足未来复杂战场环境下的强对抗作战要求。未来作战的主要模式将是四代机对四代机，为保证在四代机有限的弹舱内装备足够多的武器，导弹需采用小型化设计。非近轴双光楔结构的位标器设计，可以大大减小导引头尺寸，且结构简单，控制灵活，偏转角度足够大，可满足小型化设计需求。

目前常用的位标器结构主要有双框架结构、滚仰式结构等，光学系统随框架一起运动。这种结构的位标器重量偏大，很难实现小型化设计。

基于双光楔的无随动红外光轴控制装置设计，可以大大减小导引头尺寸，且结构简单，控制灵活，偏转角度足够大，可满足小型化设计需求。近轴双光楔扫描技术广泛应用于激光扫描工作体制中，技术成熟，控制方法完备，但一般都是小偏角控制(小于10°)，而红外成像系统的光轴控制中，一般要求有大的跟踪场，大的偏转角，采用激光双光楔的控制方法并不适用，需要采用新的光轴控制方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于双光楔的无随动红外光轴控制装置和方法，能够利用简单的结构及经典控制方法实现导引头光轴的精确控制。

本发明解决问题的技术方案是：一种基于双光楔的无随动红外位标器光轴控制装置，所述双光楔由两块单光楔组成，两块单光楔沿弹轴方向平行排列，单光楔的中心轴与弹轴重合，靠近位标器的单光楔记为第一单光楔，另一块单光楔记为第二单光楔，所述光轴控制装置包括两组滚转机构和控制器；每组滚转机构均包括镜筒、轴承组、电机和码盘；单光楔由镜筒支撑，镜筒通过轴承组安装在位标器壳体上，电机用于驱动镜筒带动单光楔绕中心轴旋转，码盘用于实时测量光楔绕中心轴旋转的角度信息反馈给控制器；所述双光楔的初始状态为：两个双光楔相对旋转角为180°，光线偏转角为0°的状态，此时第一单光楔、第二单光楔对应的码盘归为零位；

控制器，获取目标相对于弹体坐标系的偏航角α和俯仰角β，计算得到为使位标器光轴指向目标，位标器光轴从初始状态需要先绕弹体坐标系OZ

所述弹体坐标系OX

O为弹体质心，OX

优选地，所述目标相对于弹体坐标系的偏航角α和俯仰角β为：

其中，α

优选地，位标器确定的目标相对于弹体坐标系的偏航失调角Δα和俯仰失调角Δβ直接采用位标器测得目标相对位标器坐标系的偏航失调角ε

优选地，为使位标器光轴指向目标，位标器光轴从初始位置需要先绕弹体坐标系OZ

优选地，第一单光楔的目标滚转角γ

其中，γ″

优选地，所述沿弹体坐标系OX

其中，n

优选地，所述第一单光楔和第二单光楔同步旋转的角度γ″

γ″

其中，(x,y,z)为位标器出射光线矢量的方向余弦。

优选地，PID控制器算法为：

式中：

Y

K

K

K

U

优选地，所述第一单光楔和第二单光楔折射率相同、折射棱角相等。

本发明的另一个技术方案是：提供了一种无随动红外光轴控制方法，该方法包括如下步骤：

S1、调整双光楔的初始状态为：两个双光楔相对旋转角为180°，光线偏转角为0°的状态，将第一单光楔、第二单光楔对应的码盘归为零位；

S2、获取目标相对于弹体坐标系的偏航角α和俯仰角β，计算得到为使位标器光轴指向目标，位标器光轴从初始状态需要先绕弹体坐标系OZ

所述弹体坐标系OX

O为弹体质心，OX

S3、结合双光楔折射原理，计算得到为使位标器光轴指向目标，第一单光楔的目标滚转角γ

S4、根据第一单光楔、第二单光楔对应的码盘实时测量的第一单光楔和第二单光楔光绕中心轴旋转的角度信息、第一单光楔的目标滚转角γ

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、无随动红外光轴控制装置具有结构简单稳定、动态响应好、偏转角度大等特点。利用双光楔差动滚转控制实现对光轴控制。

(2)、位标器结构简单，控制规律经典、灵活，偏转角度足够大，满足产品小型化设计需求。

(3)、本发明双光楔机构经典，工艺技术成熟，便于工程实现，为后续型号的研制奠定基础。

(4)、本发明控制方法采用矢量形式的斯涅尔定律，进行出射光轴偏角解算，相比传统的双光楔解算方法，可以精确解算光轴角度。

附图说明

通过构成本申请的一部分附图以及下面的详细描述，可以对本发明有更充分地理解。

图1为本发明实施例控制系统简化图；

图2为本发明实施例坐标变换简图；

图3为本发明实施例双光楔简图；

图4为本发明实施例光楔结构简图；

图5为本发明实施例单光楔示简图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

为达到上述发明目的，基于非近轴大偏角双光楔的双滚转光轴控制方法，具体内容如下：

1、双光楔原理

本发明设计中采用折射率相同、折射棱角相等的两块光楔组成的光楔组作为位标器的光学系统。双光楔组不仅具有单光楔的特性，而且通过控制两个光楔的转动，可实现光轴在空间的不同指向。

单光楔对光线具有折射作用，不同的材料折射角不同。当单光楔绕中心轴以一定的速度旋转一周时，出射光线在空间扫描出一个张角为δ的圆锥面。

如图5所示，顶角为A较小的棱镜称为光楔，当光线从光楔的侧面进入光楔时光线发生折射，入射光线和出射光线之间将形成一定的夹角，设为δ,当δ较小时，满足以下近似关系：

δ＝(n-1)A

式中：

δ为单个光楔入射光线与出射光线夹角

n为光楔折射率，A为光楔顶角。

当δ较大时，采用上述方法会存在较大误差，需采用新的方法求解。

如果双光楔中顶角均为A的两个光楔以不同的角度放置在一起，则：当两个光楔平行同向放置时，此时双光楔所产生的偏转角最大为2δ；当其中一个光楔绕中心轴旋转180°时，两块单光楔反向放置时，光线偏转角为0°；当其中一块单光楔绕中心轴旋转0～180°内任意角度时，光线偏转角在0～2δ之间；如果双光楔同时绕中心轴旋转，那么出射光线将在空间扫描出一个张角在0～2δ之间的圆锥面。当两光楔相对位置固定后，两光楔同时同向或反向绕中心轴旋转时，将形成一个固定偏转角的空间光轴角。

2、光轴控制方法

如图3所示，本发明某一具体实施例中，双光楔由两块单光楔组成，两块单光楔沿弹轴方向平行排列，单光楔的中心轴与弹轴重合，靠近位标器的单光楔记为第一单光楔，另一块单光楔记为第二单光楔。

如图1所示，无随动红外光轴控制装置由两组滚转机构和控制器构成，每组滚转机构均包括镜筒、轴承组、电机和码盘；单光楔由镜筒支撑，镜筒通过轴承组安装在位标器壳体上，电机用于驱动镜筒带动单光楔绕中心轴旋转，码盘用于实时测量光楔绕中心轴旋转的角度信息反馈给控制器；所述双光楔的初始状态为：两个双光楔相对旋转角为180°，光线偏转角为0°的状态，此时第一单光楔、第二单光楔对应的码盘归为零位。

控制器，获取目标相对于弹体坐标系的偏航角α和俯仰角β，计算得到为使位标器光轴指向目标，位标器光轴从初始状态需要先绕弹体坐标系OZ

通过双光楔折射原理分析可知，可通过控制两个光楔的相对运动及同向运动，实现出射光线在空间的不同位置，即光轴角的空间指向，等效于位标器光轴的俯仰位置控制及滚转位置控制。因此，为实现光轴角的控制，分以下两个步骤实施：

(a)坐标解算

如图3所示，所述弹体坐标系OX

O为弹体质心，OX

当两个光楔处于任意夹角时，所产生的出射光线偏转角在0～2δ之间。如果此时双光楔同时绕中心轴旋转，那么出射光线将在空间扫描出一个有张角的圆锥面。

在位标器跟踪目标过程中，可把位标器测得的目标失调角转换为目标位置坐标，控制非近轴双光楔旋转将光轴指向目标。

位标器坐标系OX

目标位置分为两部分，一部分是由机载雷达确定的目标相对于弹体坐标系的偏航角α

所述目标相对于弹体坐标系的偏航角α和俯仰角β为：

其中，α

由于位标器测得目标相对位标器坐标系的偏航失调角ε

即：

(b)光轴控制方法

初始状态光轴与OX

第一种：将该向量可先绕OZ

第二种将该向量可先绕OZ

对于同一个目标，在弹体坐标系下坐标是一定的，则：

因此，为使位标器光轴指向目标，位标器光轴从初始位置需要先绕弹体坐标系OZ

将双滚转导引头单光楔镜组等效为楔角α，折射率为n的单个光楔。如图4所示，第一单光楔Π

第一单光楔Π

n

应用矢量形式的斯涅尔定律可得第一单光楔Π

第一单光楔Π

第二单光楔Π

n

应用矢量形式的斯涅尔定律可得第二单光楔Π

综合式上述公式可得第二单光楔Π

其中：

出射光线矢量的方向即导引头光轴的方向，则光轴的偏转角θ

θ0＝arc cos(x)

可得：

由上式可得，对确定的双光楔，光轴的偏转角θ

因此，首先让第一单光楔Π

然后同步旋转双光楔，使得光轴到达指定的滚转角γ

γ″

第一单光楔的目标滚转角γ

其中，γ″

所述沿弹体坐标系OX

其中，n

所述第一单光楔和第二单光楔同步旋转的角度γ″

γ″

其中，(x,y,z)为位标器出射光线矢量的方向余弦。

3、双光楔控制方法

位标器每个光楔滚转机构分别由镜筒、轴承组、电机和一个码盘组成。根据上述步骤解算出的控制指令，由DSP实时解算控制器，输出控制量控制电机带动光楔旋转，由码盘实时测得滚转光楔机构的位置信息进行反馈，形成闭环回路，最终实现光轴的位置控制，算法简单易实现。

本发明某一具体实施例中，控制器采用经典的PID控制算法，PID控制器算法为：

式中：

Y

K

K

K

U

所述第一单光楔和第二单光楔折射率相同、折射棱角相等。

4、单光楔结构改进

在产品实际应用中，由于红外材料对不同波长光线的折射率不同，为实现轻量化，需寻求折射率大的透红外材料，以最小的楔角满足光路偏折需求；由于不同波长的光线在经过光楔后所产生的偏折角度不同，因此中波红外光线空过楔镜后存在色散现象，需要进行色差补偿，所以采用组合光楔的方式来减小色差对系统的影响。如附图4所示。第一单光楔Π

基于上述装置，本发明还提供了无随动红外光轴控制方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、调整双光楔的初始状态为：两个双光楔相对旋转角为180°，光线偏转角为0°的状态，将第一单光楔、第二单光楔对应的码盘归为零位；

S2、获取目标相对于弹体坐标系的偏航角α和俯仰角β，计算得到为使位标器光轴指向目标，位标器光轴从初始状态需要先绕弹体坐标系OZ

所述弹体坐标系OX

O为弹体质心，OX

S3、结合双光楔折射原理，计算得到为使位标器光轴指向目标，第一单光楔的目标滚转角γ

S4、根据第一单光楔、第二单光楔对应的码盘实时测量的第一单光楔和第二单光楔光绕中心轴旋转的角度信息、第一单光楔的目标滚转角γ

综上所述，本发明采用一种基于双光楔的无随动装置来实现光轴的指向控制，满足产品小型化设计需求，同时位标器结构简单，控制规律经典、灵活。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。