光电系统扰动隔离度指标测试方法

寿少峻，柳井莉，郭新胜

（西安应用光学研究所，陕西 西安710065）

引言

高精度跟踪是光电跟踪设备的主要性能，载体的扰动则是影响光电跟踪性能的主要因素之一。抑制载体扰动取决于光电跟踪控制系统的动态性能，工程上常采用扰动隔离度来评价光电跟踪控制系统对载体扰动的抑制能力［1］。

在系统设计的虚拟仿真阶段，通过建立扰动和控制系统响应之间的传递函数，计算控制系统在某类扰动下的响应，可以预估跟踪系统的扰动隔离度。但在工程实施中一直没有测试手段来验证实际响应，无法构成设计闭环［2－3］。本文介绍了工作中实际使用的模拟环境测试和载体平台测试方法，并通过对2种方法的测试结果分析，探讨如何测定光电跟踪系统的扰动隔离度。

1 扰动隔离度的定义和计算

1.1 扰动隔离度的定义

依据参考文献［1］的论述，两轴稳定平台在外界扰动作用下，反电动势干扰是影响稳定精度的主因。基于上述原理，可以推导出计算系统对此类扰动的响应传递函数［1］。在工程上采用扰动隔离度来表征系统的抗扰能力。隔离度的定义：扰动与系统响应之比，一般用分贝数表示。

1.2 扰动隔离度计算实例

以研制的实际光电系统为例。系统采用光纤陀螺速率反馈控制方式，陀螺稳定环路的闭环带宽可达到优于38Hz。系统的扰动隔离度可依据参考文献［1］推导出系统隔离度计算公式如下：

图1是应用上述的计算方法计算出的光电跟踪系统单轴系的船摇隔离度频域分布图，表1是典型频率点处的船摇隔离度计算表。

图1 船摇隔离度频域分布图Fig.1 Frequency distribution of ship－swaying disturbance isolation

表1 船摇隔离度计算表Table 1 Calculation table of ship－swaying disturbance isolation

2 光电系统隔离度验证方法

舰载光电跟踪仪需要具备对载体扰动的高隔离度，以便隔离舰船航行时纵横摇和光电载体平台高速运动等扰动，保持瞄准线稳定［4］。在实际工作中，设计了两种试验：模拟舰船航行环境的实验室仿真试验和载体平台运动隔离度测试试验，以此评价系统的隔离扰动能力。

2.1 模拟舰船航行环境的实验室仿真试验

通过舰船航行环境的实验室模拟仿真试验，重点验证5级海情和9级海情下利用大功率摇摆台模拟舰船航行时产生的纵摇和横摇扰动，检验光电跟踪仪在此扰动下跟踪定点目标的能力，如图2所示。

图2 模拟舰船航行环境的实验室仿真试验示意图Fig.2 Emulation experiment in lab to simulate environment of shipping

试验输入条件：（a）5级海情扰动频谱，设定激励为：横摇角，幅值±22.5°，周期5s～10s；纵摇角，幅值±7.5°，周期3s～7s；（b）9级海情扰动频谱，设定激励为：横摇角，幅值±40°，周期5s～10s；纵摇角，幅值±15°，周期3s～7s。目标为高亮度点目标（试验室墙上点亮的电灯作为目标，距离约为30m）。光电跟踪仪跟踪点目标，摇摆台按照扰动设置值做正弦运动。系统工作在二阶空间位置闭环。试验结果如表2所示。

表2 隔离度测试结果Table 2 Result of disturbance isolation test

1）目标为非标准协作目标导致的误差

在实验时设备摆幅过大，无法使用平行光管设置无穷远点目标；只能用点亮的电灯充当目标，并非标准的协作目标，在视频上形成的图像亮度不均匀且形状不规则。导致视频跟踪器在每帧图像中判别目标中心的位置并不一致，而在光斑形成范围内波动，形成误差。此误差可视为随机误差，且作为指令输入到空间位置闭环中，控制系统无法抑制，导致扰动隔离度降低。

2）CCD离轴安装方式导致的误差

CCD在系统中安装位置与系统回转中心有一段距离，约为150mm，如图3所示。在跟踪非无穷远目标时，会产生图中所示的偏差角α，而且此偏差角随着回转中心的运动而变化，此项偏差被空间位置闭环包含，受到一定程度抑制，但依旧会加大跟踪误差，导致扰动隔离度下降［5－6］。

图3 CCD离轴安装方式示意图Fig.3 Off－axis installation of CCD

3）系统回转中心移动导致误差加大

图4 回转中心移动方位角变化示意图Fig.4 Azimuth of act of gyration center

控制系统的坐标原点为方位轴和俯仰轴的交汇点（系统回转中心），在摇摆台旋转中心的上方。试验时，系统回转中心是在一定范围内运动的。图4所示为回转中心在方位向的运动范围，运动区间为A、B两点之间。回转中心的运动轨迹包含了角运动和线位移。AB连线可视为回转中心的线位移，对应的线位移速度随不同位置改变，同时此线位移速度是陀螺无法感应的，陀螺稳定环也无法校正，仅依赖于空间位置闭环的校正能力。此项误差也会导致扰动隔离度下降［7－10］。

综上所述，要精确测试隔离度，协作目标非常重要。但是由于试验过程中系统回转中心运动范围过大，无法构建无穷远目标，只能以此方法定性分析。由试验数据可知：跟踪误差的极限值依旧可以满足系统跟踪精度要求。在改善协作目标的条件下，测试的隔离度有望提升。

2.2 载体平台运动隔离度测试试验

光电跟踪仪安装在一个可以高速旋转的平台上。载体平台高速运动时，光电跟踪仪跟踪远距离目标，测量跟踪误差并计算扰动隔离度，具体方法如图5所示。将光电跟踪仪稳定跟踪远处目标（2km左右），然后使平台作各种运动，记录光电跟踪仪的跟踪误差。利用公式计算隔离度。平台运动分别为：30°、60°、90°调转角度，小正弦运动，大正弦运动和等速运动等。

图5 载体平台运动隔离度测试试验示意图Fig.5 Disturbance isolation test for platform movement

纪录载体平台每一种运动模式下的光电跟踪误差数据，以大正弦运动的实测数据为例，平台扰动导致的光电架位数据变化如图6所示。图中运动模式可分为3种；起始段、稳定段和截止段。在截止段和起始段中，光电系统的架位数据变化不规则；稳定段的数据可清晰分辨出系统扰动为记录的光电方位向跟踪误差数据如图7所示。

在外加扰动的稳定段提取误差最大值0.18mrad，可计算出隔离度为80.156dB。略小于理论计算值82.6dB。考虑到光电系统在载体平台上安装位置偏置（图5）和目标并非无穷远等因素会加大跟踪误差，此项结果可以反映系统的实际扰动隔离能力。

图6 实测平台扰动时的光电架位数据Fig.6 Actual position data of optical system on disturbed platform

图7 实测平台扰动时光电方位向跟踪误差Fig.7 Actual azimuth tracking error of optical system on disturbed platform

2.3 试验数据进一步分析

改变上述误差数据的比例尺，与扰动数据显示在图8中，可以分析扰动和误差之间的相位关系。

图8 扰动和误差之间的相位关系Fig.8 Phase relationship between disturbance and error

从2条曲线的图形上分析，误差的最大值一般都出现在扰动运动的拐点处。这也说明了空间二阶位置闭环的特点。误差随着扰动的角加速度而变化。由此可见，在空间二阶位置闭环控制模式下，对扰动的隔离控制方式为：依靠速度稳定环抵消扰动大角度运动，而由二阶位置闭环来消除残差。

3 结论

本文所述的试验方法可以评价系统的扰动隔离度，完成系统设计到集成后控制性能评价阶段的闭环设计。但是，扰动隔离度毕竟是建立在全频域的性能指标，若想将测量范围延伸到中频域甚至更高频域，试验方法还需要进一步改进。综合前文所述，以下几点可为以后的工作提供参考：

1）试验需要考虑的约束条件。

对于集成后的光电跟踪系统，在试验中需要考虑的约束条件非常多。文中就对协作目标的形式、视轴与转轴安装偏差和系统回转中心移动等因素进行讨论。实际过程中还存在诸如视频跟踪器的输出精度、试验转台位置输出精度和采样频率等因素，也可能对最终结果产生影响。

2）协作目标是关键

对于光电跟踪系统跟踪精度测试，协作目标是非常关键的因素。跟踪目标的成像品质不好，视频跟踪器输出的目标质心就会产生波动，直接影响跟踪效果；目标距离会导致视轴与转轴安装偏差和系统回转中心移动等因素对跟踪结果产生影响。最佳协作目标依然是利用平行光管和点光源构成。

3）试验方式不仅仅对低频扰动有效

文中所有的试验数据都是在低频域获得的，其主要原因在于试验的光电跟踪仪质量较大，作为扰动源的转台无法提供足够的输出功率，不能产生规范性的中高频扰动信号。如果对于不同的光电系统选取合适的转台，试验频域可以扩展。

4）追求高隔离度能力的控制模式展望

从试验数据可知，双环路控制模式隔离扰动的关键点是速度环路的快速响应能力，即带宽足够大。但是，光电跟踪仪通常设置速度环路带宽时，由于协调过程中的系统超调问题，不能追求极限带宽。在某些需要高隔离度的应用场合，例如舰载光电跟踪设备跟踪近区水面漂浮物或者岸上固定目标时，建议采用多模控制的方式，即预先设置速度环路的极限带宽控制参数（高隔离度控制模式）备用，在锁定目标后通过模式切换转入高隔离度控制模式，以便得到更高的系统扰动隔离度，提升跟踪效果。

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