激光武器复合轴光电跟踪系统

激光武器复合轴光电跟踪系统相关知识学习综述激光武器是反精确制导武器、卫星等目标的最有力手段。它主要由高能激光器、光束控制发射装置、侦察定位装置和精密跟踪瞄准系统组成。捕获和精密跟瞄技术将成为激光武器研制中最重要的技术。激光武器系统不仅要求将运动目标稳定跟踪在规定视场内，而且要求将光束锁定在目标某一点上，跟踪精度达到角秒级。采用复合轴跟踪系统能够克服单轴跟踪架的结构谐振频率的限制，且使系统具有足够的带宽。高精度跟踪和瞄准目标是系统控制技术的难点。1激光器原理激光器装置的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔3部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级，使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。（1）激光工作物质用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。（2）激励(泵浦)系统为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种：①光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。③化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。（3）光学共振腔通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。作用为：①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。在激光器军事应用的过程中，固体激光器可算是后起之秀。直到20世纪90年代，由于激光技术的发展，固体激光器才在各种军事应用领域崭露头角，并成为绝对的主角。激光导弹防御或称激光反导的基本特征是：用由光速的高能激光去摧毁声速运行的导弹或其它飞行固体。我们可以说这方面是LD泵浦的固体激光器的天下，因为它有一些突出的优点。目前在陆军中采用的陆基小型激光反导系统、空军采用的机载激光反导系统和海军采用的舰载激光反导系统中都是使用LD泵浦的固体激光器。未来的固体激光武器主要的方向是超高功率和高便携性。高能激光器是未来战斗系统的重要组成部分，将在反监视、主动保护、防空和清除暴露地雷等方面做出贡献。高便携性将使单兵作战的能力大极大的提高，充分发挥每一个兵的作用，当然目前这个想法还是仅仅处于理论阶段。目前各国的激光武器都朝着这两个目标发展，当然实现这两个目标还需很漫长的等待。2复合轴跟踪系统分析复合轴跟踪系统是二维关联控制系统的一种实现形式，它是由望远镜主机架和安装在机架内的快速控制反射镜组成。主机架轴称为主跟踪轴，也称粗跟踪轴，快速控制反射镜轴称为子跟踪轴，也称子轴。主轴和子轴分别由粗跟踪器和精跟踪器控制，这就是双检测器型复合轴系统。主轴和子轴也可以由一个跟踪器控制，这就是单检测器型复合轴系统。主轴和子轴协调工作，实现了大范围、快速响应和高精度跟踪。图1(a)双探测器型复合轴等效控制框图，图1(b)为单探测器型复合轴的控制框图。图1复合轴控制系统框图A和B为探测器的输出特性，D1(s)、G1(s)、D2(s)、G2(s)分别为主、子系统的控制器和对象传递函数。推导得出双检测型复合轴控制的闭环等效传递函数为：()()()()()1()1()ABABABWsWsWsWsWsWsWs(1)式（1）中()AWs、()BWs分别为主轴、子轴回路开环传递函数。11()()()AWsADsGs(2)22()()()BWsBDsGs(3)复合轴系统的特征方程为主、子系统特征方程之积。因此，主系统与子系统都稳定时,复合轴系统才能稳定。复合轴的误差传递函数为：1()1()1()ABEsWsWs(4)复合轴系统的误差传递函数是主系统与子系统误差传递函数之积，这说明复合轴系统的无差度阶数为主、子系统无差度阶数之和，因此复合轴系统具有很高的控制精度。从单检测型也可以得出类似结论。在很多工程应用场合非常重要，它的本质就是利用一个探测器实现主、子轴无耦合闭环工作。从理论分析可知，复合轴系统与其子系统具有几乎相同的中、高频特性。因此，应该尽量提高主子系统的带宽比，使得复合轴系统在高频段的综合性能尽量接近于子系统的性能，从而提高复合轴系统克服高频噪声的能力。3快反镜原理它是在大惯量机架上装一个高低方位均可微动的快速反射镜,用以控制发射和接收光轴的方向，此镜称快速反射镜。其结构有谐振频率高、响应速度快、动态滞后误差小等优点，弥补了主轴系统的不足，而其工作范围小的缺点由主轴系统予以补偿，两者作用合成，便可实现大范围的快速高精度跟踪。快速反射镜由反射镜、镜架、驱动器和弹性支撑架结构等部分组成。驱动器主要采用音圈电机和压电陶瓷。压电陶瓷驱动器利用压电陶瓷的逆压电效应来实现微位移，通过改变输入电压的大小即可得到不同的微位移，从而避免了机械结构造成的误差，从控制精度和可操作性分析，压电陶瓷驱动器具有体积小、结构简单、响应快、分辨率高、推力大、发热少、无杂散电磁场和便于遥控等优点。单个压电陶瓷单元片的最大变形量在1um以下，为获得较大的位移输出，通常将层状的压电材料叠放在一筒内，使位移叠加输出，但即便如此，位移输出也只有几到几十个微米，不能满足一些需要相对较大范围内工作的微位移系统的要求。并且压电陶瓷驱动电压较高，达到了几百伏到几千伏,控制和驱动都不方便，另外压电陶瓷具有较大的滞后特性。音圈电机主要由磁钢、线圈、运动体及簧片等组成。由洛伦兹力原理可知，当改变线圈电流的强弱与极性时，线圈体在磁钢的作用下作直线往复运动，从而驱动快速反射镜。相比于压电陶瓷,它具有运动行程大、滞后小、速度快、体积小、驱动电压低、无传动间隙等优点。在精度方面,音圈电机比压电陶瓷驱动器低的多，可以用相应的柔性较链位移缩小机构来提高精度。音圈电机的驱动电压一般为十几伏，频率虽然没有压电陶瓷高，但是也可以满足带宽几百Hz的快速反射镜系统。下面以音圈电机驱动的快速反射镜为例，分析系统系统的数学模型。音圈电机的工作原理是依据安培力原理，即通电导体放在磁场中，就会产生力F，力的大小取决于磁场强弱B，电流I以及电流和磁场的方向。图2所示为音圈电机等效电路图。当给输入端施加电压U时，在回路内产生电流I，音圈电机产生与移动线圈的速度成比例的漏感抗压降，且与施加电压的方向相反。比例系数Bk，如果共有长度为L的N根导线放在磁场中，压降(1.356)BBFUvkvk，其中FkNBL，线圈电感L的感应压/LULdIdt，用CU表示通过电阻R的电压，由电压定律可以得出：LCBUUUU(5)图2音圈电机等效电路图分别将LU、CU、BU带入上式，得音圈电机空载时电压平衡方程如下：/BULdIdtIRvk（6）其中/vdxdt。音圈电机输入端施加电压U，快速反射镜的镜面在音圈电机驱动力矩作用下转动角，镜面为圆形，半径为r，快速反射镜转动过程中受到音圈电机驱动力矩eT、阻尼力矩dT、惯性力矩J&&作用；由于镜面采用悬挂结构，所以无弹性力矩。根据力矩平衡，建立系统运动微分方程如下所示：deJTT&&(7)其中J为快速反射镜转动惯量。音圈电机的驱动力矩可以表示为：eFTkIr(8)实际中阻尼的性质很复杂,在此建模的过程将它简化为所谓的粘性阻尼。粘性阻尼的特点是阻尼力的大小与速度成反比，方向与速度相反。阻尼力矩表示为阻尼系数与角速度乘积的形式为：dTc&(9)其中c为阻尼系数。因此,FJckIr&&&(10)综上，在不考虑角加加速度的情况下即(&&&=0)，由式（6）、（10）可得到快速反射镜系统的机电动力学方程为：20FBFFcRkkrLcJRUkrkr&&&(11)根据音圈电机的基本原理，建立了快速反射镜控制系统的机电动力学模型。在此基础上可实现Matlab仿真分析，并实现仿真条件下的快速反射镜控制系统的控制技术研究。4复合轴跟踪技术发展多年来复合轴跟踪应用领域不断扩大，复合轴技术也不断发展与进步。概括讲分为二个方面。一是应用智能控制和现代控制技术，改进精跟踪系统性能，如模糊PID控制、自适应控制、滤波预测和变结构控制等，其原理和普通光电系统相同。二是改进复合轴系统结构提高跟踪性能，如多重复合轴、虚拟复合轴以及前馈和复合控制在复合轴系统中的应用。在一般粗精跟踪组成的复合轴系统基础上，增加更高精度的跟踪传感器和响应更快的快速倾斜镜，这就构成了典型的双重复合轴系统。比如在音圈电机驱动的快速倾斜镜后增加一个压电陶瓷驱动的快速倾斜控制系统，就可以构成双重复合轴系统。这个系统可以简化，由主系统和精跟踪镜构成一个单检测复合轴系统，再和高精跟踪子系统构成双检测器的双重复合轴系统。只要每个子系统是稳定的，复合轴系统就是稳定的。一般来讲，每增加一级复合轴可提高精度5~10倍，但须全面考虑系统的稳定储备和参数匹配。大幅度提高新增跟踪传感器精度、采样频率以及倾斜镜的响应速度等有很多困难的，采用常规复合轴跟踪精度可达角秒级。采用自适应光学技术，是克服大气扰动影响实现亚角秒跟踪精度的重要手段，并可构成比较有代表意义的多重复合轴系统。大气湍流造成大气抖动，致使目标发出的光到达跟踪望远镜时其波前发生变化和抖动，目标图像变得模糊，因而产生了跟踪误差。采用自适应光学技术，克服大气扰动的影响。自适应光学系统由波前传感器检测出目标光束的波前失真，并控制变形反射镜补偿波前失真，校正后的波束入射到跟踪探测器可得到高分辨率的图像，进而提高了探测和跟踪精度。5总结采用复合轴结构可以大幅度提高光电系统跟踪精度、响应速度，并保持宽的动态范围，在光电跟踪、激光通信和激光光束稳定等获得广泛应用。复合轴系统最基本的技术问题是提高子轴系统的性能，为了实现亚微弧度更高跟踪精度，采用多重复合轴是重要技术途径，包括采用自适应光学或其它一些高精度技术手段构成的多重复合轴。复合控制、自适应控制、模糊控制等技术，在复合轴系统中都得到广泛应用。