劉小強(qiáng),楊修林,陸培國,壽少峻

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

1 引 言

激光武器系統(tǒng)使用中,為了使激光摧毀遠(yuǎn)距離目標(biāo),必須使能量高度集中,且持續(xù)穩(wěn)定照射在目標(biāo)固定點(diǎn)上。所以激光武器必須具備一個(gè)功能完善、高動(dòng)態(tài)性能、高精度控制系統(tǒng),以便使激光武器能夠快速截獲目標(biāo),并對(duì)其進(jìn)行精密跟蹤,瞄準(zhǔn)打擊點(diǎn)并精確聚焦,確保高能光斑動(dòng)態(tài)精確持續(xù)投射到目標(biāo)固定點(diǎn)[1]。據(jù)初步分析,在戰(zhàn)術(shù)激光武器中要求對(duì)激光束指向精度為幾個(gè)微弧到十幾微弧級(jí)之間,戰(zhàn)略級(jí)要求激光指向精度為亞微弧級(jí),聚焦控制精度優(yōu)于半焦深。

2 激光武器控制系統(tǒng)的概念及與光電跟瞄控制系統(tǒng)的區(qū)別

2.1 激光武器控制系統(tǒng)的概念

激光武器系統(tǒng)作為定向攻擊武器,其作戰(zhàn)流程(圖1)包括:①截獲；②跟蹤；③瞄準(zhǔn)；④調(diào)焦；⑤發(fā)射；⑥毀傷評(píng)估。其中前4個(gè)環(huán)節(jié)與控制技術(shù)深度相關(guān),是本文著重分析的環(huán)節(jié),發(fā)射和毀傷評(píng)估環(huán)節(jié)本文不作分析。結(jié)合控制系統(tǒng)原理框圖(圖2)和圖1,激光武器控制系統(tǒng)工作流程可概述如下。

圖1 激光武器作戰(zhàn)流程涉及到的技術(shù)環(huán)節(jié)

圖2 激光武器控制系統(tǒng)原理框圖

首先依據(jù)上位系統(tǒng)目標(biāo)引導(dǎo)指令調(diào)轉(zhuǎn)光軸,使目標(biāo)進(jìn)入捕獲探測器視場,粗級(jí)(捕獲)視頻跟蹤器提取目標(biāo)并送出粗級(jí)目指誤差,該誤差送入粗跟回路并經(jīng)速率環(huán)路驅(qū)動(dòng)主框架完成粗級(jí)跟蹤,粗跟蹤精度確保目標(biāo)進(jìn)入精跟探測器視場,精級(jí)視頻跟蹤器提取目標(biāo),送出精級(jí)跟蹤誤差驅(qū)動(dòng)精跟回路跟蹤目標(biāo),穩(wěn)定后以目標(biāo)跟蹤點(diǎn)為基準(zhǔn),依據(jù)打擊需求調(diào)整發(fā)射光軸指向打擊點(diǎn),同時(shí)調(diào)焦回路依據(jù)目標(biāo)距離調(diào)整聚焦距離,對(duì)高能激光聚焦光斑進(jìn)行縱向定位。

通過以上描述,可對(duì)激光武器控制技術(shù)涉及到的截獲、跟蹤、指向、調(diào)焦概念予以定義。

截獲:依據(jù)上位系統(tǒng)的目指數(shù)據(jù)調(diào)轉(zhuǎn)光軸,使目標(biāo)進(jìn)入激光武器光學(xué)視場,并完成圖像捕獲。

跟蹤:使跟蹤光軸動(dòng)態(tài)指向目標(biāo)。光學(xué)指向與目標(biāo)指向之間的偏差,稱為跟蹤誤差。

瞄準(zhǔn):使發(fā)射光軸動(dòng)態(tài)指向打擊點(diǎn)。發(fā)射光軸與打擊點(diǎn)指向之間的偏差,稱為瞄準(zhǔn)誤差。

調(diào)焦:使強(qiáng)激光焦距動(dòng)態(tài)跟隨目標(biāo)距離。焦距與目標(biāo)距離之間的偏差,稱為調(diào)焦誤差。

2.2 激光武器控制系統(tǒng)與光電跟瞄系統(tǒng)的區(qū)別

光電跟瞄系統(tǒng)傳統(tǒng)上可以分為兩種系統(tǒng):穩(wěn)瞄系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)。

穩(wěn)瞄系統(tǒng)關(guān)注點(diǎn)是系統(tǒng)抗擾能力,隔離度是它的考核指標(biāo)；用途上它更適合對(duì)靜止或者運(yùn)動(dòng)速度較慢目標(biāo)進(jìn)行指示瞄準(zhǔn)； 通常“慣量/摩擦”比越大對(duì)系統(tǒng)越有利；視頻跟蹤器對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)瞄系統(tǒng)不是必須的組成單元；通常采用自身系統(tǒng)的兩維相對(duì)基準(zhǔn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行指示,慣性坐標(biāo)系下對(duì)目標(biāo)的定位能力不是必需的[2]；

跟蹤系統(tǒng)關(guān)注點(diǎn)是目標(biāo)定位,其考核指標(biāo)是目標(biāo)跟蹤精度和目標(biāo)諸元輸出精度；擾動(dòng)隔離誤差作為一個(gè)誤差分項(xiàng)影響跟蹤精度及目標(biāo)諸元的輸出精度；參考基準(zhǔn)恒定準(zhǔn)確；偏重于對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)定位,使瞄線動(dòng)態(tài)指向一個(gè)不預(yù)知的量；“慣量/摩擦”比對(duì)系統(tǒng)的影響關(guān)系較為復(fù)雜；視頻跟蹤器是必不可少的組成環(huán)節(jié)[3]。

激光武器關(guān)注點(diǎn)是聚焦光斑在三維空間的投射精度,對(duì)目標(biāo)的高精度定位是實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)的一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)；跟瞄系統(tǒng)是一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng),而激光武器是一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)與光斑投射系統(tǒng)的結(jié)合,導(dǎo)致三者在控制技術(shù)上存在差異。表1是激光武器、光電穩(wěn)瞄設(shè)備、光電跟蹤設(shè)備在控制技術(shù)相關(guān)方面的差異比較。

表1 激光武器、光電穩(wěn)瞄設(shè)備、光電跟蹤設(shè)備控制技術(shù)差異比較

3 激光武器控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)及要求

3.1 截 獲

圖1截獲包含了調(diào)轉(zhuǎn)和圖像捕獲兩個(gè)動(dòng)作。圖像捕獲,屬于目標(biāo)識(shí)別,在此不展開。調(diào)轉(zhuǎn)是圖像捕獲的基礎(chǔ),要求準(zhǔn)、快、穩(wěn),對(duì)應(yīng)技術(shù)指標(biāo)為調(diào)轉(zhuǎn)精度、快速性、穩(wěn)定性。

3.1.1 調(diào)轉(zhuǎn)精度

通常武器系統(tǒng)的上位系統(tǒng)測量坐標(biāo)系與激光武器平臺(tái)測量坐標(biāo)系不重合,調(diào)轉(zhuǎn)精度是慣性空間的精度,理論上調(diào)轉(zhuǎn)精度優(yōu)于1/2粗跟視場即可滿足系統(tǒng)使用,考慮到數(shù)據(jù)精度及后續(xù)流程銜接,需要留有余量。

調(diào)轉(zhuǎn)精度主要與目指精度和控制系統(tǒng)性能有關(guān)。目指精度極大的取決于坐標(biāo)系基準(zhǔn)精度及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)損失。圖3是上位系統(tǒng)測量平臺(tái)與激光武器平臺(tái)為移動(dòng)平臺(tái)時(shí)目指數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系之間的傳遞過程,X、Y、Z對(duì)應(yīng)上位系統(tǒng)直角坐標(biāo)系下的目指數(shù)據(jù),x、y、z激光武器平臺(tái)直角坐標(biāo)系下的目指數(shù)據(jù)。

圖3 移動(dòng)平臺(tái)之間目指數(shù)據(jù)傳遞流程

由圖3,影響激光武器載體坐標(biāo)系目指(xb,yb,zb)精度的因素有:上位系統(tǒng)目指測量精度(Xb,Yb,Zb)、坐標(biāo)系的精度以及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化精度。由此可得出提高目指數(shù)據(jù)精度措施主要有:提高上位系統(tǒng)目指測量精度；提高坐標(biāo)系建立的基準(zhǔn)精度,如慣導(dǎo)精度,GPS精度、零位標(biāo)校精度、軸系正交性等；剛性連接上位平臺(tái)與激光平臺(tái),減小坐標(biāo)系變換環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)精度滿足要求前提下,調(diào)轉(zhuǎn)精度由控制系統(tǒng)決定。

3.1.2 快速性

調(diào)轉(zhuǎn)快速性一般以典型調(diào)轉(zhuǎn)耗時(shí)衡量。該指標(biāo)影響武器系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間,一般會(huì)采用bang-bang控制,實(shí)現(xiàn)能量約束下的時(shí)間最短,其速度曲線成梯形或者三角形,過程中以最大加速度加速,到達(dá)最大速度維持(是否能夠達(dá)到最大速度取決于調(diào)轉(zhuǎn)行程與最大速度約束),然后以最大加速度減速。其中速度的規(guī)劃可以嚴(yán)格以數(shù)字程序形式完成,也可使用相應(yīng)bang-bang控制器,如以跟蹤微分器獲得規(guī)劃速度。

3.1.3 調(diào)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性

穩(wěn)定性以到位超調(diào)來衡量,通常要求無超調(diào)。穩(wěn)定性不好會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法進(jìn)入下一步作戰(zhàn)流程,如到位后存在較大的超調(diào)或者由于目指的持續(xù)改變導(dǎo)致調(diào)轉(zhuǎn)規(guī)劃失調(diào),出現(xiàn)明顯的步進(jìn)追趕目指都會(huì)影響后續(xù)跟蹤任務(wù)從而降低武器系統(tǒng)性能。

為此可以對(duì)整個(gè)調(diào)轉(zhuǎn)過程采用全狀態(tài)反饋,減小調(diào)轉(zhuǎn)過程的誤差累積,同時(shí)留有足夠的力矩儲(chǔ)備,避免較大的超調(diào)出現(xiàn)。另外,還可以對(duì)末端采用指數(shù)衰減模式或者正弦函數(shù)控制模式確保速度、加速度隨到位距離減小而減小,但這以犧牲快速性為代價(jià),需要平衡取舍,式(1)為正弦函數(shù)控制的速度模型,式(2)是指數(shù)模式的速度模型:

ω=α×[1-cos(2π(t0+t))]

(1)

其中,α為調(diào)轉(zhuǎn)總行程;t0為進(jìn)入末端控制的時(shí)間起點(diǎn)。

ω=βke-kt

(2)

其中,β為進(jìn)入末端控制的位置門限;k為比例衰減系數(shù)。

3.2 跟 蹤

為了提高跟蹤精度及跟蹤帶寬,跟蹤系統(tǒng)采用粗精組合的復(fù)合軸形式[4],工作流程為:目指調(diào)轉(zhuǎn)到位,粗跟視場捕獲目標(biāo),啟動(dòng)粗級(jí)跟蹤(粗跟),當(dāng)粗跟確保目標(biāo)持續(xù)保持在精跟視場中,則啟動(dòng)精級(jí)跟蹤(精跟),跟蹤工作原理見圖4。

圖4 跟蹤系統(tǒng)原理圖

3.2.1 粗跟系統(tǒng)

粗跟系統(tǒng)能夠大范圍運(yùn)動(dòng),粗跟確保目標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定地保持在精跟視場內(nèi),其精度一般在毫弧度級(jí),理論上最大誤差不超過精跟視場的1/2。由于目標(biāo)的機(jī)動(dòng)性以及干擾的存在,最大誤差維持在毫弧度級(jí)并不容易。另外,跟蹤精度建立在對(duì)擾動(dòng)隔離基礎(chǔ)上,跟蹤精度指標(biāo)中包含了對(duì)擾動(dòng)的隔離指標(biāo),通常會(huì)分配跟蹤精度的(1/3～1/2)作為擾動(dòng)隔離的精度指標(biāo)。

(1)擾動(dòng)隔離技術(shù)

由圖4,粗跟回路存在擾動(dòng)1和擾動(dòng)2。擾動(dòng)1主要由平臺(tái)本身如摩擦、不平衡、扭轉(zhuǎn)等非線性力矩及基座運(yùn)動(dòng)等干擾組成。對(duì)擾動(dòng)1隔離的主流方式是由陀螺構(gòu)成空間角速率閉環(huán),通過環(huán)路的高增益抑制。擾動(dòng)2是擾動(dòng)1的殘留部分,通過視頻跟蹤器構(gòu)成空間位置環(huán)進(jìn)行抑制,該環(huán)路可同時(shí)抑制角擾動(dòng)和線擾動(dòng)[5]。

另外,目標(biāo)跟蹤時(shí),通過“再生反饋”對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的估計(jì)是在地心地固坐標(biāo)系下完成的,粗跟系統(tǒng)進(jìn)入“再生反饋”回路后,空間角速率閉環(huán)具備了對(duì)線擾動(dòng)的補(bǔ)償能力。

(2)粗級(jí)跟蹤技術(shù)

粗跟由二階環(huán)跟蹤回路與再生反饋跟蹤回路構(gòu)成,位置環(huán)邏輯判斷選擇其中一個(gè)回路起作用。當(dāng)“再生反饋”回路濾波數(shù)據(jù)穩(wěn)定,則“再生反饋”回路起作用,否則采用二階環(huán)跟蹤[4]。

二階環(huán)跟蹤采用單純的反饋校正,通過校正視頻跟蹤器輸出的位置誤差閉環(huán)成為II型系統(tǒng)。

“再生反饋”跟蹤控制實(shí)際是一種近似的復(fù)合控制技術(shù),復(fù)合控制技術(shù)是一種前饋與反饋相結(jié)合的校正方式,在對(duì)快速、機(jī)動(dòng)類目標(biāo)高精度跟蹤中,該項(xiàng)技術(shù)是減小機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤滯后誤差的有效手段。對(duì)于光電跟蹤系統(tǒng),輸入是時(shí)變而不可預(yù)知的,即來襲目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)是實(shí)時(shí)變化的不可提前預(yù)知,何況是其高階導(dǎo)數(shù),限制了嚴(yán)格意義下復(fù)合控制技術(shù)的使用,由此在對(duì)目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤過程中發(fā)展了一種近似的復(fù)合控制技術(shù),即再生反饋控制技術(shù),由光電跟蹤儀自身的輸出數(shù)據(jù)來間接獲得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù),似乎目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)是由跟蹤系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)再生出來,以正反饋的形式加入系統(tǒng),所以叫了一個(gè)形象的名字“再生反饋”。

在目標(biāo)自動(dòng)跟蹤狀態(tài)下,“再生反饋”是利用光電閉環(huán)跟蹤控制系統(tǒng)的輸出量作為控制量的當(dāng)前值,使用數(shù)字算法對(duì)其變化量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算、外推、平滑和估計(jì),求得目標(biāo)在地心地固直角坐標(biāo)系中位置量、速度量和加速度量,最后經(jīng)過一系列坐標(biāo)變換作為控制信號(hào)將其速度量和加速度量加入,完成對(duì)原閉環(huán)跟蹤控制系統(tǒng)的近似前饋速度補(bǔ)償控制。構(gòu)成具有一階位置環(huán)和再生反饋的近似復(fù)合控制系統(tǒng),大幅度減小跟蹤系統(tǒng)的跟蹤誤差?！霸偕答仭笨刂萍夹g(shù)應(yīng)用中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的精度將影響該技術(shù)使用的成敗,換句話講,即對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)獲取的濾波估值算法的優(yōu)劣決定了跟蹤系統(tǒng)“再生反饋”控制技術(shù)使用的成敗,濾波估值算法中將隱含了對(duì)相關(guān)變化量統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算、外推、平滑和濾波等,一般的濾波算法有常增益系數(shù)α-β-γ濾波器、Kalman濾波器、IMM(交互式多模型)濾波器、跟蹤微分器等。

3.2.2 精跟系統(tǒng)

精級(jí)跟蹤系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是可小范圍運(yùn)動(dòng)的高帶寬高精度快速反射鏡,在粗跟基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高跟蹤精度,使系統(tǒng)達(dá)到微弧度級(jí)跟蹤精度。結(jié)合圖4,精級(jí)跟蹤涉及如下三個(gè)關(guān)鍵技術(shù):視頻跟蹤器對(duì)目標(biāo)特征點(diǎn)實(shí)時(shí)精確提取技術(shù)；高帶寬高精度跟蹤回路控制技術(shù)；擾動(dòng)隔離技術(shù)。

(1)目標(biāo)特征點(diǎn)的精確提取技術(shù)

需要對(duì)目標(biāo)10微弧度級(jí)跟蹤精度,前提視頻跟蹤器能夠?qū)崟r(shí)以微弧度精度穩(wěn)定提取目標(biāo)空間位置。為了達(dá)到微弧度精度對(duì)空間目標(biāo)特征點(diǎn)的穩(wěn)定提取,首先光學(xué)系統(tǒng)分辨率及光電探測器的分辨率需要保證在微弧度級(jí)。由于大氣湍流的影響導(dǎo)致目標(biāo)成像分辨率下降,自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)能夠通過實(shí)時(shí)探測和補(bǔ)償大氣湍流,改善目標(biāo)成像質(zhì)量,提升高能激光武器系統(tǒng)性能[6],本文對(duì)自適應(yīng)光學(xué)不做展開,默認(rèn)光學(xué)分辨率滿足要求。然后視頻跟蹤器通過圖像處理算法對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行提取,該提取需要滿足穩(wěn)定度和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。

穩(wěn)定度:圖像提取點(diǎn)偏離某指定特征點(diǎn)的程度,用偏離值的方差來衡量。為了滿足目標(biāo)提取穩(wěn)定度的指標(biāo),可采用相領(lǐng)幀匹配跟蹤算法,見圖5。算法流程如下:首先提取圖像中的目標(biāo),將目標(biāo)分割成多個(gè)大小一致且互不重疊的圖像塊,以每一個(gè)圖像塊的特征作為模板,采用特征匹配算法,在上一幀圖像中找出其對(duì)應(yīng)的匹配位置,形成一一對(duì)應(yīng)的點(diǎn)對(duì)關(guān)系,確保提取的特征點(diǎn)是同一個(gè)點(diǎn)[7]。

圖5 相鄰幀匹配示意圖

實(shí)時(shí)性:保證系統(tǒng)跟蹤回路穩(wěn)定的前提下,可容許的時(shí)間滯后。該滯后主要由三部分組成:光電探測器的成像延時(shí)、特征點(diǎn)提取算法的耗時(shí)、數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。為了提高目標(biāo)提取的實(shí)時(shí)性,首先選擇快響應(yīng)、高幀頻的光電探測器；其次數(shù)據(jù)傳輸盡量采用高速并口,如采用Camlink接口傳輸視頻；算法采用硬件實(shí)現(xiàn)或者GPU等平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軟件算法,確保每幀圖像能夠在在一幀周期內(nèi)算完輸出。

(2)高帶寬高精度的跟蹤回路控制技術(shù)

精級(jí)跟蹤回路作為復(fù)合軸系統(tǒng)子軸,該回路高精度、高帶寬,運(yùn)動(dòng)范圍較小。由圖5,精跟回路主要由FSM構(gòu)成的位置環(huán)路、精級(jí)視頻跟蹤器及精跟控制器形成的空間位置閉環(huán)構(gòu)成。

a)FSM位置環(huán)路

FSM位置環(huán)路由FSM自身位置反饋構(gòu)成位置閉環(huán),包含控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位置測量元件。該回路帶寬高,一般都在數(shù)百Hz。控制器可以是數(shù)字控制或者模擬控制；驅(qū)動(dòng)器為功率放大電路,根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同而不同；執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有壓電驅(qū)動(dòng)或者音圈驅(qū)動(dòng)兩種；位置反饋器件電感式、電阻式、電容式、光信號(hào)等。

b)精跟控制器

精跟控制器是在FSM位置環(huán)路的基礎(chǔ)上,依據(jù)視頻跟蹤器誤差信號(hào)構(gòu)成以目標(biāo)為基準(zhǔn)空間位置閉環(huán)。該設(shè)計(jì)需要,在充分考慮目標(biāo)探測與視頻跟蹤器帶來的相位損失的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮FSM的高帶寬特性。

(3)擾動(dòng)隔離技術(shù)

由圖4,精跟回路存在擾動(dòng)3和擾動(dòng)4。擾動(dòng)3主要由FSM自身受負(fù)載不平衡、電路噪聲、基座沖擊等干擾構(gòu)成,主要影響FSM自身位置閉環(huán)對(duì)輸入的跟隨精度,該擾動(dòng)主要由FSM自身位置閉環(huán)隔離,所以要選擇高帶寬的FSM單元。擾動(dòng)4由平臺(tái)擾動(dòng),機(jī)械誤差、標(biāo)校誤差、正交性、光學(xué)關(guān)系誤差等帶來,主要依靠視頻跟蹤器構(gòu)成的精級(jí)跟蹤回路抑制,通?？紤]的視頻跟蹤器的延時(shí)特性,精跟回路的帶寬受限,可以通過對(duì)目標(biāo)軌跡的估計(jì)補(bǔ)償提高帶寬,如圖6。

圖6 提高精級(jí)擾動(dòng)補(bǔ)償帶寬原理圖

3.3 瞄 準(zhǔn)

對(duì)于跟瞄共光路激光武器系統(tǒng)如果打擊點(diǎn)(瞄準(zhǔn))可以精確測量,則瞄準(zhǔn)控制同跟蹤控制技術(shù)相同,差別僅在于跟蹤時(shí)光軸指向跟蹤點(diǎn),而瞄準(zhǔn)時(shí)光軸指向打擊點(diǎn)。但瞄準(zhǔn)點(diǎn)是高能激光的投射點(diǎn),由于高能激光傳輸熱暈效應(yīng)及非線性熱暈效應(yīng)相位補(bǔ)償?shù)牟环€(wěn)定性的存在,導(dǎo)致自適應(yīng)光學(xué)在對(duì)瞄準(zhǔn)點(diǎn)成像進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),瞄準(zhǔn)點(diǎn)成像效果不理想,所以無法獲得瞄準(zhǔn)點(diǎn)的高精度測量值?？尚械霓k法是以跟蹤點(diǎn)為基準(zhǔn)對(duì)瞄準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償修正,補(bǔ)償修正分為時(shí)間補(bǔ)償和位置修正,通過在時(shí)間和空間上的綜合補(bǔ)償在精確跟蹤的基礎(chǔ)上獲得高精度瞄準(zhǔn)。

3.3.1 時(shí)間補(bǔ)償

時(shí)間補(bǔ)償用來補(bǔ)償由于探測、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸造成的控制系統(tǒng)當(dāng)前獲得的瞄準(zhǔn)點(diǎn)與當(dāng)前時(shí)刻實(shí)際瞄準(zhǔn)點(diǎn)在時(shí)間上的滯后。時(shí)間補(bǔ)償數(shù)據(jù)的精度取決于對(duì)指定瞄準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的估計(jì)和滯后時(shí)間的準(zhǔn)確性,前者與“再生反饋”回路中敘述的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)算法相同,其輸出精度一方面取決于瞄準(zhǔn)點(diǎn)的檢測位置精度,另一方面取決于運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)算法,當(dāng)然其間將涉及到多重的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；滯后時(shí)間對(duì)于確定的系統(tǒng)基本穩(wěn)定,可以通過離線測試獲得。

3.3.2 位置修正

位置修正是以跟蹤點(diǎn)為參考進(jìn)行,瞄準(zhǔn)點(diǎn)修正精度取決于跟蹤點(diǎn)偏差精度、瞄準(zhǔn)點(diǎn)偏差精度,解耦算法和跟蹤回路的性能。其中跟蹤點(diǎn)偏差精度和瞄準(zhǔn)點(diǎn)偏差的精度取決于系統(tǒng)光學(xué)分辨率、跟蹤探測單元分辨率及視頻跟蹤器的提取精度；解耦算法涉及到光學(xué)關(guān)系與運(yùn)動(dòng)學(xué)的解析關(guān)系,另外機(jī)械方面的零位標(biāo)定、正交、平行等誤差也將影響解耦精度。

3.3.3 綜合補(bǔ)償

圖7為瞄準(zhǔn)點(diǎn)綜合補(bǔ)償原理圖。在實(shí)際系統(tǒng)中,跟蹤點(diǎn)與打擊點(diǎn)是剛性連接,所以瞄準(zhǔn)點(diǎn)的時(shí)間補(bǔ)償量是以跟蹤點(diǎn)的參數(shù)來獲得,空間修正是在時(shí)間補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。另外,無論時(shí)間補(bǔ)償還是空間修正,跟蹤回路在工作,而且是確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

圖7 瞄準(zhǔn)點(diǎn)綜合補(bǔ)償原理圖

3.4 調(diào) 焦

瞄準(zhǔn)解決了光束精確指向問題,激光武器實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的毀傷,務(wù)必保證光束能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定聚焦在瞄準(zhǔn)點(diǎn)上,目標(biāo)是動(dòng)態(tài)的,所以調(diào)焦也是動(dòng)態(tài)的。調(diào)焦解決的技術(shù)問題是,通過高精度調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)組件,使發(fā)射光束的焦距動(dòng)態(tài)跟隨目標(biāo)距離,使高能光束焦點(diǎn)在縱向上上始終落在目標(biāo)距離出,結(jié)合瞄準(zhǔn)對(duì)光束的指向控制,最終在三維空間實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦光斑的精確定位[8]。

為了確保聚焦光斑亮度,通常允許調(diào)焦誤差需要小于焦深的二分之一,由于不同的目標(biāo)距離對(duì)應(yīng)不同的焦距,不同的焦距處又對(duì)應(yīng)不同的焦深,調(diào)焦機(jī)構(gòu)不僅是一個(gè)對(duì)焦距的動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng),同時(shí)系統(tǒng)對(duì)其技術(shù)指標(biāo)的約束也存在變化,圖8是調(diào)焦控制原理圖,焦距輸出精度與目標(biāo)距離精度、焦距與控制機(jī)構(gòu)位置映射關(guān)系、控制回路有關(guān),當(dāng)然其中機(jī)械工藝、光學(xué)設(shè)計(jì)方面的因素也會(huì)顯著影響焦距最終輸出,本文不做展開。

圖8 調(diào)焦控制原理圖

目標(biāo)距離精度調(diào)焦控制的輸入數(shù)據(jù),其誤差將1∶1影響輸出精度,所以目標(biāo)距離精度需要優(yōu)于工作范圍內(nèi)半焦深的最小值。

焦距到控制機(jī)構(gòu)位置的映射關(guān)系是由光學(xué)系統(tǒng)決定,通常具有解析表達(dá),但對(duì)零位的標(biāo)定,光學(xué)器件誤差和裝調(diào)誤差須嚴(yán)格控制。

據(jù)已有分析,控制回路的精度至少需要保證在10 μm這個(gè)級(jí)別,且是一個(gè)焦距動(dòng)態(tài)跟蹤回路,所以調(diào)焦控制回路的控制要求要求高帶寬、高精度。由于調(diào)焦回路位置信號(hào)的時(shí)間滯后較小,帶寬基本可實(shí)現(xiàn),而精度指標(biāo)實(shí)現(xiàn)不易,該指標(biāo)除了控制回路自身性能外與機(jī)械、工藝、裝調(diào)相關(guān)性極大。

表2為某系統(tǒng)在目標(biāo)不同距離處對(duì)應(yīng)的焦深,及在控制精度20 μm時(shí)允許的激光測距誤差。

表2 某系統(tǒng)的目標(biāo)距離與焦深及允許的測距誤差的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié) 論

激光武器控制系統(tǒng)涉及光電探測、光學(xué)傳輸、精密機(jī)械、信號(hào)處理的復(fù)雜系統(tǒng),它涉及的技術(shù)問題也是多方面的,本文更多的偏重于信號(hào)流程、控制回路、技術(shù)實(shí)現(xiàn),根據(jù)上面分析,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)激光武器控制系統(tǒng)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)聚焦光斑在三維空間高精度動(dòng)態(tài)投放,瞄準(zhǔn)確保了對(duì)光斑徑向的二維定位,聚焦確保了對(duì)聚焦光斑的軸向定位；

(2)截獲的技術(shù)要求是快、準(zhǔn)、穩(wěn),準(zhǔn)主要取決于數(shù)據(jù),快和穩(wěn)取決于控制方式；

(3)精確跟蹤是瞄準(zhǔn)的前提,是激光武器控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié),涉及:高像質(zhì)光學(xué)傳輸和成像、跟蹤點(diǎn)精確實(shí)時(shí)檢測、復(fù)合軸+復(fù)合控制、擾動(dòng)隔離等技術(shù)；

(4)瞄準(zhǔn)是一個(gè)半閉環(huán)回路,在跟蹤基礎(chǔ)上用信號(hào)處理對(duì)瞄準(zhǔn)點(diǎn)的位置進(jìn)行估計(jì),從而對(duì)瞄準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間和空間上的動(dòng)態(tài)修正,動(dòng)態(tài)偏置發(fā)射光軸瞄準(zhǔn)目標(biāo)打擊點(diǎn)；

(5)調(diào)焦以光學(xué)映射關(guān)系對(duì)目標(biāo)距離(焦距)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤,對(duì)于熟悉跟蹤控制的技術(shù)人員,技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)較易,難點(diǎn)主要在精密機(jī)械設(shè)計(jì)、裝調(diào)工藝、器件選擇。