动态目标生成技术的研究

王春辉++张立中

摘 要：针对光端机的粗跟踪精度检测方案，设计了动态目标生成器，为激光通信用光端机提供动态目标并进行粗跟踪精度测试。详细介绍了检测原理，设计了动态目标生成器的结构，利用有限元分析软件对关键部件进行分析，对精度进行了计算。分析结果表明，该设备可靠性高，能够提供要求的检测精度，为光端机的研制提供理论依据。

关键词：动态目标 跟踪精度 检测

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0004-02

空间激光通信中，为了实现低功耗，远距离，高速率的通信，通信光束通常以近衍射极限角发射，非常窄的通信束散角要求光端机的捕获、跟踪、瞄准性能高[1]。因此，要求有更高的检测手段来检测光端机的精度。本文利用激光通信光端机在接收光信号后也可发射光信号的特点，在动态靶标上安装了高帧频数字相机，用光端机返回的信标光在该相机中的脱靶量来评价它的精度，检测结果更加接近光端机的实际跟踪精度。

1 动态目标生成器的结构组成

该设备的系统组成如图1所示，与传统的光学靶标相比[2]，检测设备的整体机械结构发生了变化，增加了精密回转轴系，采用了高精度角度传感器圆光栅作为反馈元件，使速度更加平稳；平行光管和检测相机静止不动，确保了系统的可靠性，提高了动态目标特性的稳定性。

整个检测系统由底座组件、旋转臂、平行光管、分光棱镜、直流力矩电机、回转轴系、两块平面反射镜、可调光源、两路可见光激光指示器和检测相机等组成。

2 动态目标生成器的检测原理

本检测系统的检测原理是激光通信光端机既可以接收来自目标生成器的平行光束，又可以通过自身的光学系统发射通信光，而且经过光学装调可以保证两次光路方向平行。动态目标生成器的功能由动目标生成功能和跟踪精度检测功能组成。

动目标生成功能原理：进行模拟目标跟踪时，首先根据需要调整设备与被测试光端机间的距离和反射镜的角度，使平行光管光轴指示光和旋转臂回转轴指示光汇聚到一点，然后调整被测试设备的位置，使光端机的回转中心与指示光的交汇点重合。启动力矩电机带动旋转臂实现旋转运动，打开光源后，平行光管发出的信标光经反射镜反射后，在空间上形成一锥面的运动轨迹，且锥点位于被测试光端机回转中心的运动目标。

检测功能原理：被测检光端机跟踪动态目标生成器产生的运动目标的同时，开启自身的发射系统并发出通信光，因为光端机的通信光发射光轴和粗跟踪接收光轴平行，因此光端机发射的通信光的光路与检测设备信标光光路平行，经反射镜2和反射镜1的反射后，通信光束被平行光管接收，接收到的光束经分光棱镜折射到CCD相机的探测面上形成光斑，经过图像处理单元，可以计算光斑的位置。当被测光端机跟踪误差为零时，被测光端机发出的激光光轴和检测设备发出的目标光平行，即与CCD相机的接收光轴平行，相机探测到的光斑应位于相机视场中心O处。当被测端机跟踪精度不为零时，被测光端机发出的激光光轴与和CCD接收光轴间产生一定角度，光斑在CCD上位置变为A，通过检测光斑偏离中心O的程度即可检测光端机的跟踪精度。

3 精度分析

根据系统的检测原理，检测设备本身的总体精度满足一定的量级，才能确保检测结果的准确性。本文所设计的检测系统中，误差主要由二部分组成，分别是：

（1）动态目标生成器旋转臂受重力作用产生的变形。

（2）反射镜及镜座的变形。

以上的因素中，两部分的误差值是互不影响的，所以可以单独分析。

3.1 旋转臂的变形分析

在检测过程中，动态目标生成器沿固定方向匀速旋转，所以认为静态变形和动态变形情况相同[3]。利用分析软件可得。

由图4和图5可以看出，变形量根据旋转臂位置的不同而发生相应的变化。在水平位置时它的最大变形数值为0.01254 mm；当旋转臂处于竖直方向时最大变形数值为0.009656 mm。

根据反射镜的反射原理，从平行光管出射的光束经过旋转臂顶端镜面反射后，出射角误差会变大，误差值为旋转臂变形产生角度误差值的2倍，设为旋转臂在水平位置时变形产生的角度偏差，为旋转臂在竖直位置时变形产生的角度偏差。根据反射镜到旋转臂的旋转中心距离为800 mm，进行计算误差、的大小：

（1）

（2）

取旋转臂在水平位置时的误差，则旋转臂变形所引起的最大角度误差数值为：

（3）

3.2 反射镜座变形分析

镜座与支座回转轴、反射镜与镜座之间用螺钉连接，导致镜座受到力的作用产生变形。

利用分析软件得到反射镜座的变形图。

从图6所示的变形图可得，最大变形量发生在镜座的下端，由分析结果看出，最大变形量为0.0004994 mm，镜座框架的长度为265 mm，支撑点在反射镜长轴的中点，通过计算得到反射镜座变形引起的最大角度误差为：

（4）

3.3 系统总体精度分析

检测系统的单项误差计算数值分别是：

（1）旋转臂的变形产生的误差为。

（2）反射镜镜座受力变形产生的误差为。

以上各误差之间是互不影响的，利用均方根法计算得：

（5）

检测系统自身的精度为6.55″，化成弧度制为31.5，本文中被检光端机的粗跟踪精度为120，检测系统的精度满足要求。

4 结语

本文设计了光端机的粗跟踪精度检测系统的结构，并且介绍了检测原理，主要分析旋转臂变形、反射镜变形对检测设备本身精度的影响，经过计算得出系统的总体精度数值，结果表明误差满足系统的检测精度要求。

参考文献

[1] 姜会林，佟首峰.空间激光通信技术与系统[M].北京：国防工业出版社，2010.

[2] 牟吉元，孟立新，张立中.激光通信光端机粗跟踪性能检测方法研究[J].长春理工大学学报：自然科学版，2012，35（2）：130-133.

[3] 关志军.新型动态靶标的研究[D].长春：长春光学与精密机械物理研究所，2005.endprint

摘 要：针对光端机的粗跟踪精度检测方案，设计了动态目标生成器，为激光通信用光端机提供动态目标并进行粗跟踪精度测试。详细介绍了检测原理，设计了动态目标生成器的结构，利用有限元分析软件对关键部件进行分析，对精度进行了计算。分析结果表明，该设备可靠性高，能够提供要求的检测精度，为光端机的研制提供理论依据。

关键词：动态目标 跟踪精度 检测

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0004-02

空间激光通信中，为了实现低功耗，远距离，高速率的通信，通信光束通常以近衍射极限角发射，非常窄的通信束散角要求光端机的捕获、跟踪、瞄准性能高[1]。因此，要求有更高的检测手段来检测光端机的精度。本文利用激光通信光端机在接收光信号后也可发射光信号的特点，在动态靶标上安装了高帧频数字相机，用光端机返回的信标光在该相机中的脱靶量来评价它的精度，检测结果更加接近光端机的实际跟踪精度。

1 动态目标生成器的结构组成

该设备的系统组成如图1所示，与传统的光学靶标相比[2]，检测设备的整体机械结构发生了变化，增加了精密回转轴系，采用了高精度角度传感器圆光栅作为反馈元件，使速度更加平稳；平行光管和检测相机静止不动，确保了系统的可靠性，提高了动态目标特性的稳定性。

整个检测系统由底座组件、旋转臂、平行光管、分光棱镜、直流力矩电机、回转轴系、两块平面反射镜、可调光源、两路可见光激光指示器和检测相机等组成。

2 动态目标生成器的检测原理

本检测系统的检测原理是激光通信光端机既可以接收来自目标生成器的平行光束，又可以通过自身的光学系统发射通信光，而且经过光学装调可以保证两次光路方向平行。动态目标生成器的功能由动目标生成功能和跟踪精度检测功能组成。

动目标生成功能原理：进行模拟目标跟踪时，首先根据需要调整设备与被测试光端机间的距离和反射镜的角度，使平行光管光轴指示光和旋转臂回转轴指示光汇聚到一点，然后调整被测试设备的位置，使光端机的回转中心与指示光的交汇点重合。启动力矩电机带动旋转臂实现旋转运动，打开光源后，平行光管发出的信标光经反射镜反射后，在空间上形成一锥面的运动轨迹，且锥点位于被测试光端机回转中心的运动目标。

检测功能原理：被测检光端机跟踪动态目标生成器产生的运动目标的同时，开启自身的发射系统并发出通信光，因为光端机的通信光发射光轴和粗跟踪接收光轴平行，因此光端机发射的通信光的光路与检测设备信标光光路平行，经反射镜2和反射镜1的反射后，通信光束被平行光管接收，接收到的光束经分光棱镜折射到CCD相机的探测面上形成光斑，经过图像处理单元，可以计算光斑的位置。当被测光端机跟踪误差为零时，被测光端机发出的激光光轴和检测设备发出的目标光平行，即与CCD相机的接收光轴平行，相机探测到的光斑应位于相机视场中心O处。当被测端机跟踪精度不为零时，被测光端机发出的激光光轴与和CCD接收光轴间产生一定角度，光斑在CCD上位置变为A，通过检测光斑偏离中心O的程度即可检测光端机的跟踪精度。

3 精度分析

根据系统的检测原理，检测设备本身的总体精度满足一定的量级，才能确保检测结果的准确性。本文所设计的检测系统中，误差主要由二部分组成，分别是：

（1）动态目标生成器旋转臂受重力作用产生的变形。

（2）反射镜及镜座的变形。

以上的因素中，两部分的误差值是互不影响的，所以可以单独分析。

3.1 旋转臂的变形分析

在检测过程中，动态目标生成器沿固定方向匀速旋转，所以认为静态变形和动态变形情况相同[3]。利用分析软件可得。

由图4和图5可以看出，变形量根据旋转臂位置的不同而发生相应的变化。在水平位置时它的最大变形数值为0.01254 mm；当旋转臂处于竖直方向时最大变形数值为0.009656 mm。

根据反射镜的反射原理，从平行光管出射的光束经过旋转臂顶端镜面反射后，出射角误差会变大，误差值为旋转臂变形产生角度误差值的2倍，设为旋转臂在水平位置时变形产生的角度偏差，为旋转臂在竖直位置时变形产生的角度偏差。根据反射镜到旋转臂的旋转中心距离为800 mm，进行计算误差、的大小：

（1）

（2）

取旋转臂在水平位置时的误差，则旋转臂变形所引起的最大角度误差数值为：

（3）

3.2 反射镜座变形分析

镜座与支座回转轴、反射镜与镜座之间用螺钉连接，导致镜座受到力的作用产生变形。

利用分析软件得到反射镜座的变形图。

从图6所示的变形图可得，最大变形量发生在镜座的下端，由分析结果看出，最大变形量为0.0004994 mm，镜座框架的长度为265 mm，支撑点在反射镜长轴的中点，通过计算得到反射镜座变形引起的最大角度误差为：

（4）

3.3 系统总体精度分析

检测系统的单项误差计算数值分别是：

（1）旋转臂的变形产生的误差为。

（2）反射镜镜座受力变形产生的误差为。

以上各误差之间是互不影响的，利用均方根法计算得：

（5）

检测系统自身的精度为6.55″，化成弧度制为31.5，本文中被检光端机的粗跟踪精度为120，检测系统的精度满足要求。

4 结语

本文设计了光端机的粗跟踪精度检测系统的结构，并且介绍了检测原理，主要分析旋转臂变形、反射镜变形对检测设备本身精度的影响，经过计算得出系统的总体精度数值，结果表明误差满足系统的检测精度要求。

参考文献

[1] 姜会林，佟首峰.空间激光通信技术与系统[M].北京：国防工业出版社，2010.

[2] 牟吉元，孟立新，张立中.激光通信光端机粗跟踪性能检测方法研究[J].长春理工大学学报：自然科学版，2012，35（2）：130-133.

[3] 关志军.新型动态靶标的研究[D].长春：长春光学与精密机械物理研究所，2005.endprint

摘 要：针对光端机的粗跟踪精度检测方案，设计了动态目标生成器，为激光通信用光端机提供动态目标并进行粗跟踪精度测试。详细介绍了检测原理，设计了动态目标生成器的结构，利用有限元分析软件对关键部件进行分析，对精度进行了计算。分析结果表明，该设备可靠性高，能够提供要求的检测精度，为光端机的研制提供理论依据。

关键词：动态目标 跟踪精度 检测

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0004-02

空间激光通信中，为了实现低功耗，远距离，高速率的通信，通信光束通常以近衍射极限角发射，非常窄的通信束散角要求光端机的捕获、跟踪、瞄准性能高[1]。因此，要求有更高的检测手段来检测光端机的精度。本文利用激光通信光端机在接收光信号后也可发射光信号的特点，在动态靶标上安装了高帧频数字相机，用光端机返回的信标光在该相机中的脱靶量来评价它的精度，检测结果更加接近光端机的实际跟踪精度。

1 动态目标生成器的结构组成

该设备的系统组成如图1所示，与传统的光学靶标相比[2]，检测设备的整体机械结构发生了变化，增加了精密回转轴系，采用了高精度角度传感器圆光栅作为反馈元件，使速度更加平稳；平行光管和检测相机静止不动，确保了系统的可靠性，提高了动态目标特性的稳定性。

整个检测系统由底座组件、旋转臂、平行光管、分光棱镜、直流力矩电机、回转轴系、两块平面反射镜、可调光源、两路可见光激光指示器和检测相机等组成。

2 动态目标生成器的检测原理

本检测系统的检测原理是激光通信光端机既可以接收来自目标生成器的平行光束，又可以通过自身的光学系统发射通信光，而且经过光学装调可以保证两次光路方向平行。动态目标生成器的功能由动目标生成功能和跟踪精度检测功能组成。

动目标生成功能原理：进行模拟目标跟踪时，首先根据需要调整设备与被测试光端机间的距离和反射镜的角度，使平行光管光轴指示光和旋转臂回转轴指示光汇聚到一点，然后调整被测试设备的位置，使光端机的回转中心与指示光的交汇点重合。启动力矩电机带动旋转臂实现旋转运动，打开光源后，平行光管发出的信标光经反射镜反射后，在空间上形成一锥面的运动轨迹，且锥点位于被测试光端机回转中心的运动目标。

检测功能原理：被测检光端机跟踪动态目标生成器产生的运动目标的同时，开启自身的发射系统并发出通信光，因为光端机的通信光发射光轴和粗跟踪接收光轴平行，因此光端机发射的通信光的光路与检测设备信标光光路平行，经反射镜2和反射镜1的反射后，通信光束被平行光管接收，接收到的光束经分光棱镜折射到CCD相机的探测面上形成光斑，经过图像处理单元，可以计算光斑的位置。当被测光端机跟踪误差为零时，被测光端机发出的激光光轴和检测设备发出的目标光平行，即与CCD相机的接收光轴平行，相机探测到的光斑应位于相机视场中心O处。当被测端机跟踪精度不为零时，被测光端机发出的激光光轴与和CCD接收光轴间产生一定角度，光斑在CCD上位置变为A，通过检测光斑偏离中心O的程度即可检测光端机的跟踪精度。

3 精度分析

根据系统的检测原理，检测设备本身的总体精度满足一定的量级，才能确保检测结果的准确性。本文所设计的检测系统中，误差主要由二部分组成，分别是：

（1）动态目标生成器旋转臂受重力作用产生的变形。

（2）反射镜及镜座的变形。

以上的因素中，两部分的误差值是互不影响的，所以可以单独分析。

3.1 旋转臂的变形分析

在检测过程中，动态目标生成器沿固定方向匀速旋转，所以认为静态变形和动态变形情况相同[3]。利用分析软件可得。

由图4和图5可以看出，变形量根据旋转臂位置的不同而发生相应的变化。在水平位置时它的最大变形数值为0.01254 mm；当旋转臂处于竖直方向时最大变形数值为0.009656 mm。

根据反射镜的反射原理，从平行光管出射的光束经过旋转臂顶端镜面反射后，出射角误差会变大，误差值为旋转臂变形产生角度误差值的2倍，设为旋转臂在水平位置时变形产生的角度偏差，为旋转臂在竖直位置时变形产生的角度偏差。根据反射镜到旋转臂的旋转中心距离为800 mm，进行计算误差、的大小：

（1）

（2）

取旋转臂在水平位置时的误差，则旋转臂变形所引起的最大角度误差数值为：

（3）

3.2 反射镜座变形分析

镜座与支座回转轴、反射镜与镜座之间用螺钉连接，导致镜座受到力的作用产生变形。

利用分析软件得到反射镜座的变形图。

从图6所示的变形图可得，最大变形量发生在镜座的下端，由分析结果看出，最大变形量为0.0004994 mm，镜座框架的长度为265 mm，支撑点在反射镜长轴的中点，通过计算得到反射镜座变形引起的最大角度误差为：

（4）

3.3 系统总体精度分析

检测系统的单项误差计算数值分别是：

（1）旋转臂的变形产生的误差为。

（2）反射镜镜座受力变形产生的误差为。

以上各误差之间是互不影响的，利用均方根法计算得：

（5）

检测系统自身的精度为6.55″，化成弧度制为31.5，本文中被检光端机的粗跟踪精度为120，检测系统的精度满足要求。

4 结语

本文设计了光端机的粗跟踪精度检测系统的结构，并且介绍了检测原理，主要分析旋转臂变形、反射镜变形对检测设备本身精度的影响，经过计算得出系统的总体精度数值，结果表明误差满足系统的检测精度要求。

参考文献

[1] 姜会林，佟首峰.空间激光通信技术与系统[M].北京：国防工业出版社，2010.

[2] 牟吉元，孟立新，张立中.激光通信光端机粗跟踪性能检测方法研究[J].长春理工大学学报：自然科学版，2012，35（2）：130-133.

[3] 关志军.新型动态靶标的研究[D].长春：长春光学与精密机械物理研究所，2005.endprint