[发明专利]基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法

说明书

技术领域

本发明属于光束控制领域，具体的涉及一种基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法，用于实现光束实时闭环瞄准目标。

背景技术

激光瞄准系统在有源跟踪、目标照明以及自由空间通信等诸多领域起着关键作用。但是当光束传输穿过大气时，由于机械振动、大气湍流和跟踪器的局限性以及光学未对准引起的随机误差和偏差，会导致瞄准离轴和到达目标信号的损失。在大多数激光控制系统中，常出现两种瞄准误差，即对准误差(瞄准的静态偏差)和光束抖动(暂时性的随机误差)，如图2所示。

上世纪九十年代初，由Lukesh等人提出一种新的估计技术：根据目标反射回来的信号强度的统计值估计抖动和视轴误差。该技术只针对光束尺寸大于目标尺寸的情况而开发的，它需要知道光束的轮廓和目标的形状/反射比，如图4所示。该技术已经应用于许多领域，如估计空间目标激光束的光截面和估计目标的形状。本发明即是该技术在激光系统实时瞄准控制中的应用。

现有的基于目标反射信号统计的瞄准方法为：直接用激光束(高斯光束)照射目标，由于光束抖动的存在，导致光斑在目标平面内不断晃动，则其反射信号的强度也在不断变化，通过对目标反射信号(光通量信号)进行统计分析，能够实时估计出目标相对于光斑统计中心的偏差，并实时调整使激光束中心对准目标。最初该技术是直接对空间目标进行试验，通过分析返回的信号，逐步建立起了统计模型，并从理论上进行了大量的探索，取得了一些突破，现已能够较准确地估计出目标相对光束的统计中心的偏差大小。但是由于高斯光束的对称性，现有的瞄准偏差估计方法只能估计出目标相对光束统计中心的偏差大小，对偏差的方向却无能为力。

现有的几种扫描瞄准方法如：圆锥扫描，爬山法等，前一种方法是通过先估计出偏差大小，然后以当前光束所在位置为中心，以估计的偏差大小为半径，控制光束在目标平面内做圆周运动。可以预见，当光斑中心出现在目标上时，此时返回信号的强度最强，记录当前角位置，并与圆周运动的起始角位置比较，即可确定目标和光束的相对角位置。但其中没有考虑的一个因素是，试验中大气湍流、机械振动始终存在，因此当光束做规律的锥形扫描时，光束抖动始终伴随左右，会严重影响其扫描效果，而且在有抖动时，每一方向处，光强信号，都必须以统计平均值为准，因此必须通过多次扫描，然后对每一个角位置的回波信号做统计平均，需要很大的目标反射信号样本，而这会影响整个光束闭环控制的实时性。后一种方法是通过光束的随机移动，统计每一角位置处的信号平均值，运用爬山算法，不断重复，迭代运算，找出目标反射信号强度的梯度上升方向，此方向即为目标相对光束的偏差方向。同样，由于这种随机的移动没有一定的规律性，且每一位置处的光强信号的平均强度统计都需要大量的信号样本，整个算法的收敛速度无法保证。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法，充分利用了已估计出的瞄准偏差大小，通过一次、最多三次的偏差估计和光束偏转，即可实现光束的自动瞄准控制，使光束统计中心对准目标；大大减小了所需的数据采集量，缩短了瞄准控制的偏差校正时间，且和偏差估计过程紧密相连，提高了瞄准控制的实时性和准确性。

本发明采用的技术方案为：基于目标反射信号的光束瞄准系统中三角扫描偏差校准方法，步骤如下：

第一步，在光束瞄准时，光束瞄准系统驱动快速反射镜使光束指向目标，光束统计中心相对于目标存在偏差b，采集目标反射信号，通过现有的基于目标反射信号的瞄准估计算法估计出目标相对于光束统计中心的偏差大小b₁，并记录下当前光束出射时快速反射镜的偏转方位；

第二步，光束瞄准系统根据估计出的偏差大小b₁，控制光束沿瞄准系统的x轴正半轴偏转；

第三步，光束瞄准系统重新采集同样数量的目标反射信号，并估计出偏差大小，记为b₂；

第四步，光束瞄准系统判断瞄准状态：如果已瞄准，则跳转执行第一步，进行下一轮的光束瞄准控制，实时校准偏差；如果此时的偏差大小b₂大于第一步估计出的偏差b₁的1.9倍则执行第五步；否则跳转执行第六步；

第五步，根据第三步估计出的偏差大小b₂反向偏转，即沿光束瞄准系统的x负半轴方向偏转，然后跳转执行第一步，进行下一轮的瞄准控制；