用于光束精确指向的高精度光学跟瞄研究

论文摘要

高精度光学跟瞄是一种利用光学成像手段,实现对目标的高精度捕获、瞄准、跟踪功能的方法。本论文针对光学跟瞄系统的应用领域、系统设计以及控制算法的研究现状,进行了详细的调研分析。本论文针对光学跟瞄中跟瞄过程的发展需要,开展用于光束精确指向的高精度光学跟瞄研究。研究主要针对以下内容:完成了高精度光学跟瞄理论研究,以及对整体实验系统方案的设计;完成了高精度光学跟瞄控制算法的研究,其中包含对光学跟瞄算法中控制理论和光学跟瞄控制算法的设计;完成了对高精度光学跟瞄的实验研究,包括高精度光学跟瞄方法粗精跟踪单元验证实验,高精度光学跟瞄整体实验以及针对光束精确指向的功能性验证实验;完成了高精度光学跟瞄精度研究,包括图像定位算法对跟瞄精度的影响分析,粗跟踪实验跟瞄精度分析以及精跟踪实验跟瞄精度分析,最后对压电振镜进行定标,分析光束抖动偏移角。在理论及方案设计方面,分析了整体跟瞄系统的整体结构以及粗精跟踪的工作原理,根据该原理设计了包含主动光源的光学跟瞄整体实验光路。在控制算法方面,研究了粗精跟踪两级跟瞄系统的控制算法,基于Labview程序编写了包含粗跟踪控制单元、精跟踪控制单元及阈值判定单元的控制算法。在实验方面,进行了粗精跟踪单元实验,结果表明,两部分系统性能达到跟踪效果,并且在精跟踪实验中测得PID设定值与输出量的映射关系;其次进行了整体实验,结果表明设计的实验光路和控制算法可以达到室内跟瞄验证实验的要求;最后,在实验光路中利用主动光源对目标进行光束精确指向的可行性验证。通过对灰度质心法和邻域曲线拟合法两种质心算法的误差分析,表明在室内跟瞄实验中,灰度质心算法更加稳定。在粗精跟踪实验的基础上,探究了两部分的跟瞄精度。结果表明,在粗跟踪过程中,两轴跟瞄精度达到±10mrad;在精跟踪过程中,两轴跟瞄精度达到±20μrad,即整体跟瞄精度达到室内跟瞄验证实验的跟瞄精度要求。最后对压电振镜做了定标分析,并确定光束传播过程中的光束偏移角起伏为2-3μrad。本论文所取得的研究成果,表明用于光束精确指向的高精度光学跟瞄系统可以实现,在精度和主动激光应用方面具有显著优势。

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ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 光学跟瞄系统国内外研究现状

1.2.1 光学跟瞄应用领域研究现状

1.2.2 光学跟瞄系统设计研究现状

1.2.3 光学跟瞄系统算法研究现状

1.3 国内外研究现状分析

1.4 本文主要研究内容

第2章高精度光学跟瞄理论研究

2.1 引言

2.2 典型光学跟瞄系统理论分析

2.2.1 典型光学跟瞄系统结构

2.2.2 光学跟瞄方法工作模式

2.3 用于光束精确指向的高精度光学跟瞄系统设计

2.3.1 系统设计内容

2.3.2 系统设计方案

2.4 本章小结

第3章高精度光学跟瞄控制算法研究

3.1 引言

3.2 光学跟瞄算法控制理论

3.2.1 PID控制原理介绍

3.2.2 PID参数整定

3.3 光学跟瞄算法控制流程

3.3.1 粗跟踪控制流程

3.3.2 精跟踪控制流程

3.4 本章小结

第4章高精度光学跟瞄实验研究

4.1 引言

4.2 高精度光学跟瞄单元验证实验

4.2.1 粗跟踪单元实验

4.2.2 精跟踪单元实验

4.2.3 压电振镜标定关系的确定

4.3 高精度光学跟瞄方法整体实验

4.3.1 整体实验系统搭建

4.3.2 整体实验结果

4.4 光束精确指向功能验证实验

4.5 本章小结

第5章高精度光学跟瞄精度研究

5.1 引言

5.2 图像定位算法精度分析

5.2.1 图像质心算法原理

5.2.2 图像质心算法误差仿真分析

5.3 粗跟踪实验跟瞄精度分析

5.4 精跟踪实验跟瞄精度分析

5.4.1 精跟踪跟瞄精度分析

5.4.2 压电振镜定标实验

5.5 系统方案效果

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 万力宾

导师: 靳辰飞

关键词: 光学跟瞄,控制算法,精确指向,跟瞄精度

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O439

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.003421

总页数: 61

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