遠程紅外成像系統(tǒng)二級穩(wěn)定技術研究

遠程紅外成像系統(tǒng)二級穩(wěn)定技術研究

0遠程紅外探測系統(tǒng)中二級穩(wěn)定技術的應用問題遠程紅外檢測系統(tǒng)的圖像分辨率高，檢測距離遠，因此具有較長的距離、較大的入射光和較大的焦面矩陣對穩(wěn)定和準確性的要求很高。傳統(tǒng)的整體穩(wěn)定技術經過多年的發(fā)展已經獲得了廣泛的應用,但是受原理和傳感器精度等的限制,已經無法跨越20μrad的瓶頸,因此無法滿足遠程紅外探測系統(tǒng)對于穩(wěn)定精度的要求。二級穩(wěn)定技術經過了多年的發(fā)展,已經成為提升光電系統(tǒng)瞄準線的重要手段,因此將二級穩(wěn)定技術應用到遠程紅外探測系統(tǒng)中,是提升瞄準線穩(wěn)定精度的有效途徑。文中針對遠程紅外探測系統(tǒng)較高的瞄準線穩(wěn)定精度要求,提出采用二級穩(wěn)定技術來保證瞄準線的高精度穩(wěn)定,通過分析系統(tǒng)模型和擾動傳遞函數(shù),獲得了擾動全補償條件下的二級穩(wěn)定控制器,揭示了擾動全補償?shù)睦碚撘罁?仿真結果顯示,二級穩(wěn)定技術對于帶寬和隔離度提升較為明顯。1系統(tǒng)圖像穩(wěn)定方式選取遠程紅外探測系統(tǒng)的主要成像傳感器是高分辨率的紅外面陣探測器,可以晝夜工作,其主要特點是以被動方式工作。穩(wěn)定平臺是保證高分辨率紅外探測系統(tǒng)圖像穩(wěn)定的關鍵環(huán)節(jié),文中系統(tǒng)選擇如圖1所示的二級穩(wěn)定方式,一級穩(wěn)定為粗穩(wěn)平臺,實現(xiàn)瞄準線的第一級穩(wěn)定,光學系統(tǒng)采用共光路方式,從而實現(xiàn)共用快速控制反射鏡(FSM)的目的。在精穩(wěn)反射鏡前端設計高倍望遠系統(tǒng)可大大壓縮光束口徑,從而顯著減小FSM的質積和重量,提升FSM的精度和帶寬。2旋轉機構設計遠程紅外探測系統(tǒng)采用的二級穩(wěn)定技術原理組成示意圖如圖2所示,其中1是速率陀螺、2是FSM、3是粗平臺電機、4是粗平臺、5是光學系統(tǒng)、6是探測器。系統(tǒng)可劃分為粗級穩(wěn)定平臺和精級FSM平臺,粗級穩(wěn)定平臺是傳統(tǒng)的兩軸兩框架結構形式,精級FSM平臺置于粗級穩(wěn)定平臺的光具座上并安放在需要精確穩(wěn)定的光學通道中,粗級穩(wěn)定平臺對外界擾動進行初步隔離,采用粗精組合二級穩(wěn)定技術對速率陀螺信號進行融合處理,用于控制FSM,實現(xiàn)瞄準線殘余擾動的補償,進而實現(xiàn)高精度的穩(wěn)定。圖2所示示意圖中,瞄準線受轉動基座和FSM的復合控制,建立瞄準線運動關系如圖3所示。圖3中光學系統(tǒng)倍率為X。圖3(a)中,反射鏡旋轉θm,因此瞄準線旋轉θm′=2θm,通過X倍的望遠鏡后,瞄準線為θm″=2θm/X;圖3(b)中,傳感器整體旋轉θb,因此瞄準線旋轉θb″=θb。瞄準線運動是圖3所示兩種運動的復合,所以瞄準線的運動方程為:3控制模型3.1轉速反饋傳遞函數(shù)粗平臺電機的傳遞函數(shù)可近似為:式中:Cm為力矩系數(shù),nm/A;Ce為電勢系數(shù),V/(rad·s-1);R、L為電阻和電感,Ω和H;J為轉動慣量,kg·m2。速率反饋采用速率陀螺來完成,傳遞函數(shù)為:這是一個二階振蕩環(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)。驅動器一般采用H橋方式驅動,傳遞函數(shù)為:3.2信號調理電路精平臺的控制是一個高帶寬的位置閉環(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調理電路采集FSM位置信號,和位置命令信號比較后送人PI調節(jié)器進行計算,控制通道包含一個限波器,用于限制FSM機械諧振,輸出信號送入功率放大器,驅動FSM運動。文中對FSM模型進行簡化后,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)定回路結合傳統(tǒng)穩(wěn)定回路和二級穩(wěn)定回路后的系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。其中:G1為一級穩(wěn)定回路控制器;G2為機電參數(shù);G3為負載;G4為積分器;H2為反電勢系數(shù);H1為陀螺反饋;K為二級穩(wěn)定控制器;GF為FSM閉環(huán)傳遞函數(shù);K2為光學傳遞函數(shù),K2=2/X。傳統(tǒng)穩(wěn)定回路如圖5虛線框所示,能夠實現(xiàn)常規(guī)的瞄準線穩(wěn)定,二級穩(wěn)定回路工作于系統(tǒng)的前向通道,對傳統(tǒng)穩(wěn)定的殘差進行提取,進而控制反射鏡運動進行殘差補償。由圖5控制框圖可知,系統(tǒng)最終輸出的瞄準線角度對輸入的角速度命令傳遞函數(shù)為:系統(tǒng)輸出的瞄準線角度對輸入擾動傳遞函數(shù)為:為了實現(xiàn)二級穩(wěn)定回路對于擾動Md的全補償,可令:為了對二級穩(wěn)定系統(tǒng)和傳統(tǒng)整體穩(wěn)定系統(tǒng)的帶寬和隔離度進行對比分析,求取傳統(tǒng)陀螺穩(wěn)定平臺的閉環(huán)傳遞函數(shù)和擾動傳遞函數(shù),因此,傳統(tǒng)陀螺穩(wěn)定平臺瞄準線對速度命令傳遞函數(shù)為:傳統(tǒng)陀螺穩(wěn)定平臺瞄準線對擾動傳遞函數(shù)為:對比公式(7)和公式(9)可知,由于二級穩(wěn)定控制器K可調,二級穩(wěn)定的擾動傳遞函數(shù)(公式(7))理論上可以實現(xiàn)對任何擾動的零輸出,這也是二級穩(wěn)定控制優(yōu)于傳統(tǒng)整體穩(wěn)定的關鍵。3.4速率螺栓和fsm對k由上面的理論分析可知,影響二級穩(wěn)定系統(tǒng)性能的主要因素是二級穩(wěn)定控制器K,而K主要由速率陀螺和FSM傳遞函數(shù)構成,因此,最終穩(wěn)定效果主要受速率陀螺和FSM影響,確切地說主要受速率陀螺和FSM建模精度影響。二級穩(wěn)定控制器設計為:3.5動態(tài)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)來源于控制系統(tǒng)靜態(tài)設計,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,進行動態(tài)的控制系統(tǒng)綜合設計,穩(wěn)定回路采用一階控制網絡,設計帶寬為30Hz,FSM閉環(huán)帶寬設計為280Hz。該系統(tǒng)粗平臺靜態(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價系統(tǒng)性能的關鍵指標,由于文中系統(tǒng)的特殊性,實際瞄準線在慣性空間中的運動情況已經無法通過傳統(tǒng)的測量陀螺信號的方法來獲得,因此也無法直接獲得系統(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,在仿真模型中對瞄準線的輸出信號進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一致,進而評價系統(tǒng)的性能。微分和增益匹配處理的具體方法是通過對二級穩(wěn)定后的瞄準線輸出進行微分,并且乘以陀螺增益因子。4.1基于lvi算法的cmd仿真帶寬指標是衡量系統(tǒng)響應速度的一個重要指標,仿真帶寬通過simulink的LTI工具求取θ觶LOS對于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。帶寬仿真顯示二級穩(wěn)定將系統(tǒng)帶寬由原來的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)的抗擾動能力,因此求取了θ觶LOS對于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穩(wěn)定將1Hz隔離度由原來的-32dB提升至-66dB,將10Hz隔離度由原來的-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,二級穩(wěn)定系統(tǒng)對40Hz以前的擾動均具有較好的隔離能力,同時對于高頻隔離能力沒有影響。5線陣探測器測試系統(tǒng)原理如圖8所示,穩(wěn)定平臺安裝在角振動臺上,角振動臺模擬真實的擾動環(huán)境,測試裝置由自準直儀、光源和PC機組成。自準直儀全視場5°(線陣探測器)、分辨率0.4″、測量頻率1kHz。為了實現(xiàn)自準直測試,在圖2中的光路中增加自準直光束反轉棱鏡,將自準直儀的入射光返回至自準直儀的探測器,滿足自準直測試的要求。系統(tǒng)集成完成后,在角振動臺上進行了搖擺試驗,實驗條件為正旋搖擺(2Hz,3°)。實驗結果顯示,原來的整