光电跟踪仪视频处理系统频域特性获取方法研究

陆培国，刘小强，杨修林，寿少峻，王 虎，梁晓东

（西安应用光学研究所，陕西 西安710065）

引言

在现代武器控制、靶场测量领域，光电跟踪仪得到了广泛应用。光电跟踪仪通过安装在其跟踪测量机构上的光电探测器（CCD或者热像仪），获取目标视频信号，并输入给视频跟踪器；视频跟踪器对视频信号处理解算后获得目标与光轴指向的目指偏差信号，伺服系统根据该偏差信号驱动跟踪测量机构，使光轴指向目标，完成目标跟踪。本文把对偏差信号的采集、解算、传输（光电探测器、视频跟踪器、通信）称为视频处理系统。图1为光电跟踪仪的典型控制系统原理［1-2］。

图1 光电跟踪仪典型控制系统原理图Fig.1 Typical control system schematic diagram of EO tracker

由图1知光电跟踪仪控制系统的性能将取决于伺服系统的性能和视频处理系统的性能。绝大多数光电跟踪仪伺服系统的设计是在频域内完成的，设计过程需要准确地获知视频处理系统的频域特性参数，尤其是其相位滞后特性及幅频特性。

1 视频处理系统频域模型及对跟踪伺服控制系统性能的影响

理论上视频处理系统将包括一个具有有限范围的比例环节Gp（s）＝kv、时滞环节Gτ（s）＝e-τs［3］和采样保持环节，于是视频处理系统理论数学模型可表示为

式中：T为采样周期（通常是光电探测器件场频的倒数）；kv为视频处理系统的综合增益；τ为延迟时间（为图像建立、偏差解算、通信传输等多种原因形成的滞后时间）；τ0为跟踪器采样保持时间，一般情况下跟踪器数据刷新频率的倒数τ0＝T，该项对应的平均延迟时间为0.5τ0［4］。

图2为视频处理系统理论幅频特性和相频特性图。

图2 视频处理系统理论幅频特性和相频特性Fig.2 Theoretical amplitude-frequency and phasefrequency characteristics of video processing system

由视频处理系统的幅相频特性曲线（图2）知，理想的视频处理系统具有如下特性［5］：

1）低通特性。由于幅频特性幅值随频率增大而衰减，说明其是一个低通滤波器，但与理想低通滤波器不同。频率为0.434倍ωs处，幅值降为初始值的0.707倍，且截止频率不止一个，允许高频频谱分量通过，从而造成输出中存在纹波。

2）相角滞后特性。由视频处理系统相频特性可见，其相位滞后与频率呈线性关系，随着频率的升高，相角滞后加大，滞后角为（0.5τ0＋τ）ω，显见在时间上，其输出比输入要延迟0.5τ0＋τ。

为了避免视频处理系统低通特性对控制特性的影响，要求光电跟踪系统控制系统的截止频率远小于视频处理系统的带宽（0.434ωs），并需要考虑视频处理系统输出高频纹波对控制系统的影响，另外增益kv作为伺服控制系统的开环增益的一部分，将影响伺服控制系统设计，视频处理系统的滞后特性，在对应频率上滞后相位1:1叠加至控制系统，频率越高影响越严重，该特性将使伺服控制系统相位裕度减小、稳定性变差［6-7］。

2 目前视频处理系统频域特性获取方法存在的问题

由上分析可知，在理论上可以对视频处理系统的kv和带宽进行估计，其中kv为静态下输出与输入的比值，带宽的计算以视频处理系统的采样频率为基准，例如采用场频率为50Hz的光电探测器，则视频处理系统的采样频率ωs＝2×π×50 rad／s，采样保持滞后时间0.5τ0＝10ms，带宽fb＝0.434ωs／2π＝21.75Hz。但在实际工程应用中，视频处理系统中包含对视频处理的算法，视频处理算法将对视频处理器带宽产生影响，使理论值与实际值产生偏差［8-9］。

对τ的估算较为复杂，τ包含了前端光电探测器光信号转化为视频信号（光电转换、转移、存储）时间、视频跟踪器单元对视频的处理时间及信号传输时间等，涉及多个专业，估算准确度较差。时域测试方法是通过示波器读取光电探测器视频信号输出时刻与控制系统收到偏差信号时刻之间的时间间隔，该方法其存在一个明显缺陷，该测试时间中不包含光信号转化为视频信号的时间。

3 一种视频处理系统频域特性测试方法

时域测试方法遇到的主要问题是目标初次出现在光电探测器靶面上的时刻不能获得，并无法估计出视频处理算法对带宽的影响，由传递函数的定义知，上述所有参数都可以通过目标在一定的频率范围内进行正弦运动，光电探测器及视频处理系统对其实时采集，伺服控制系统收到目指偏差的相位和幅值，与目标运动轨迹的相位、幅值进行比较，从而得到实测0.5τ0＋τ、kv、ωb。

该方法在工程实践中存在如下问题：需要建立一个合作目标，其本身的正弦运动能够使目标在光电探测器靶面上的成像形成标准的正弦波，且该正弦波的频率、幅值、相位能够实时被采集。很明显，该法工程实现复杂，代价较大。反过来考虑，是否可以让光电探测器靶面运动而目标静止，且现实中可操作呢？由运动的相对性决定，该方法原理上是可行的。从可操作性来讲，靶面正弦运动可以通过光电跟踪仪的正弦运动来实现，而光电跟踪仪的正弦运动实现相对容易，可见该方法现实可操作。采用该方法时，其频域特性将是目指偏差的幅值、相位与靶面运动轨迹的幅值与相位的比较。

使用频响分析仪的视频处理系统频域特性方法（可对两组正弦波的幅值、相位进行比较，并给出结果）步骤如下。图3为该测试方法典型连接图。

图3 频域特性测试方法设备典型连接图Fig.3 Equipment typical connection diagram of frequencydomain characteristics test method

1）设定静态点目标。点目标的标准：可被光电跟踪仪稳定捕获而不易被周围环境干扰，记目指偏差为零时的光轴位置为β0。

2）连接频响分析仪。其原则为伺服控制系统能够通过AD采集频响分析仪的发生信号gen及把实时靶面位置信号和视频运算单元输出的偏差信号通过DA分别送入频响分析仪的ch2和ch1。

3）设置频响分析仪，设置项见表1。

表1 频响分析仪设置表Table 1 Setting of frequency response analyzer

频率分析仪的设置原则如下：

1）扫频范围的极小值fmin≤0.5Hz，fmax≥ωb／2π，fmax同时不大于速度环路带宽；

2）扫频点数n适当取大一些，一般大于100即可；

3）扫频幅值A的取值要保证速度环在频率分析仪输出跟踪扫频信号gen时，靶面在运动过程中点目标不出光电探测器视场，假设光电探测器全视场为κ，为了保证速度环在跟踪扫频信号gen时目标不脱离视场，光电跟踪仪位置信号需在±κ／2范围内运动，假设运动频率为f，则速度信号为（κ／2sin（2πft））＝κπfcos（2πft），即速度环跟踪的幅值为κπf，因为系统需满足（fmin，fmax）频率范围内目标都不脱离视场，所以跟踪扫频信号gen的幅值需满足A＜κπfmin；

4）光电跟踪仪通过控制系统速度环路跟踪频响分析仪输出gen，驱动靶面在相应方向上运动，同时读取光轴该方向上运动的实时位置β1，把光轴与目标指向之间的位置偏差输出给ch1，靶面的运动量β1-β0输出ch2；

5）启动频响分析仪，记录频响分析仪在各扫频点上输出的频率及对应幅、相频数据。

6）数据处理。

a）读取相比起点频率幅值下降3dB处的频率点为fb，ωb＝2π×fb；

4 实测数据

本实验以某型50Hz采样频率的CCD器件为光电探测器，对视频进行运算获得偏差，偏差经过CAN总线发送给数据综合系统，数据综合系统经CPCI总线传送给伺服控制系统。表2为部分实测数据及测试结果。

表2 部分实测数据及测试结果Table 2 Part of measured data and test results

5 结论

本文分析了视频处理系统频域特性理论模型及对光电跟踪控制系统的影响，并提供了一种频域测试方法，为跟踪控制系统提供了频域设计参数。该测试方法已在几型光电跟踪仪控制系统设计中得到应用，由实测数据看出：

1）实测带宽为19.45Hz，其对应的理论估算带宽为0.434×50Hz＝21.7Hz，视频处理系统实际带宽略小于理论估计带宽。由于理论模型认为视频处理算法为理想算法，仅产生时间滞后，不影响视频处理系统带宽，而在实际的测试方法包含了视频处理算法对带宽的影响，所以两者之间存在一定差异；在光电跟踪仪设计分析中采用实测带宽，光电跟踪仪伺服控制系统稳定性等得到提高。

2）以本次测量为例，由视频生成过程、采样保持、运算、传输等造成的滞后时间τ＋0.5τ0＝40.57ms。

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