王学才 张建红 张凤云
北方自动控制技术研究所 030006
摘 要：光电跟踪系统是一种利用敏感的光电探测器件作为原件，将光电和控制信号处理等系统一体化的一个集成系统，它利用机电和控制系统实现跟踪装置对目标的跟踪和稳定功能，其中高精度的光电跟踪伺服机构设计、控制技术是最关键的技术之一。随着国家武器设备的发展需要，最近几年国内外在光电跟踪系统等技术的发展越来越快，主要向着转台变得更加轻盈但是质量变得更好，传感器更小精准度更高的方向不断发展。为了适应发展提出了复合轴伺服控制技术，它采用具有高谐振频率结构的复合轴系统分粗、精跟踪来实现角秒级的跟踪，这样可以更加适应激光武器的发展研究。
关键词：光电跟踪系统 复合轴控制 伺服系统
近年来，随着各个国家武器装备的研究发展，光电跟踪技术也越来越重要，特别是美国和西方等部分国家，已经将发展制导武器的重点转向了防区外的远程打击武器上面，发展激光对抗武器系统可以使我国能够有效的对抗远程打击武器。在激光对抗中，实现捕获、跟踪、瞄准系统是最重要的基础，它对于跟踪系统的精度要求很高，一般的跟踪系统不能满足这样的需求。光电跟踪系统在军事领域一直都是研究的热门，它在侦察跟踪、监视预警、定位导航等场合有着举足轻重的地位，并且现在引入了复合轴控制，使它的跟踪精度更高，更好控制。
1.光电跟踪系统
1.2光电跟踪系统组成
光电跟踪系统主要用于目标的自动搜索和跟踪监视目标，通过测角元件和红外跟踪器的反馈，再通过转台来控制方位轴和俯仰轴的角度，以此达到对移动中的目标进行实时跟踪监视。这个跟踪系统主要由红外跟踪系统、跟踪伺服控制系统和精密的转台组成。其中红外跟踪系统是由光学系统、红外探测器和跟踪器等设备组成，它是这个系统最基础也是最重要的一环，它的精度直接决定了最终的跟踪精度。它向跟踪伺服控制系统提供目标脱离靶心的偏差，确保着跟踪伺服控制系统可以准确的进行实时跟踪监视目标。精密跟踪转台用于测量设备的搭载和方向调节，依靠后续的控制系统进行自动的调节，使测量设备可以从更多的角度对目标进行跟踪控制。跟踪伺服控制系统通过红外系统测量的数据，经过数字系统的处理，驱动转台的方位轴和俯仰轴进行调节，实现自动跟踪目标，并且保证搭载的设备可以准确和稳定的跟踪目标。
1.2 复合轴结构简介
光电跟踪系统最根本最主要的功能要求就是要让光电传感器的视轴实时的跟踪目标视线，最重要的性能指示就是跟踪的精准性和稳定性。
对于运动性能不是很好的目标进行跟踪时，跟踪的误差主要由传感器的精度和视轴的稳定性确定的，但是现代各个国家都在发展精确制导武器，这类武器的射程远并且突防能力很强，它们的机动性很好，普通的的跟踪系统无法精准的对其进行跟踪定位，所以后面引入了复合轴伺服控制技术。使用大口径的望远镜直接进行高精度的跟踪监视是几乎不可能的事情，而且单独的转动反射镜也很受限制。但是可以将这两个结构方式进行结合，也就是构成复合轴系统。在主跟踪架上安装一个可以在各个角度位置调节的快速控制反射镜，用来控制发射和接收光轴的方向。它的轴就被称为子轴，主跟踪架称为主轴。主轴和子轴可以分别进行控制，可以分为两个不同的系统进行调节，主系统主要进行大范围的跟踪监控，它的范围很大但是精度比较低，子系统的跟踪监控范围比较小，但是它的精度很高，可以更加准确的对目标进行定位跟踪，这两个系统进行叠加组合，就可以实现跟踪系统的大范围高精度跟踪监视。
2.复合轴伺服控制系统的研究
复合轴伺服控制系统是提高光电跟踪系统准确性和稳定的一种有效的方法。现在的军事战争中不仅需要跟踪系统可以稳定可靠的跟踪高机动性的动态目标，甚至还需要系统对目标的某一部分进行监控锁定，但是普通的跟踪控制系统并不能达到这样的准确度，因此需要我们采用复合轴伺服控制系统。
前馈控制是一种提高伺服系统跟踪性能的方法，它是在闭环控系统中增加一个开环控制，用来提供输入信号的一阶和二阶导数，由此来提高系统的静差度，这样可以很好的解决精度和稳定性之间不和谐的问题。复合控制的关键在于得到跟踪目标的速度等数据，但是在电视跟踪系统中无法直接得到，因此需要利用电视跟踪脱靶量和编码器的合成位置进行的计算得到目标的速度，但是这样的计算有时会产生很大的误差。共轴跟踪是由计算机技术和复合控制技术两部分组成，一部分由计算机接受传感器的测量数据，进行目标准确的角速度等信息。另外一部分完成伺服驱动任务，将前面那部分输出的数据作为自己的输入信号，再以高阶导数信号为辅助输入，共同组成复合控制系统。两个部分独立进行工作，数据处理系统可以以最大限度去进行目标的跟踪，尽可能的减小误差，伺服驱动可以很大程度上降低系统的误差，提高跟踪的高效性和精准度。利用复合轴控制技术提高伺服跟踪精度的方法一直以来都是各个国家研究的重点，现在主要从以下几个方向去进行研究。多变量的控制系统。这些系统在结构上存在关联作用，可以在一定的程度上提高系统跟踪的准确度。复合轴伺服控制系统的频域分析，它可以实现系统的大范围快速精准跟踪监视，复合轴系统的稳定性分析，稳定对于跟踪系统而言也是重要的一个环节。复合轴系统响应速度和跟踪精度分析，它是一个跟踪系统准确性的体现。
3.结语
现在航空航天和军事对于光电跟踪的准确性要求越来越高，采用复合轴技术是提高跟踪系统跟踪监视准确性的重要方法，从控制理论上来说，对于复合轴系统，提高精确度和稳定性的方法就是增加主、子系统的带宽比，这样就能大大的提高系统的稳定性。大力发展光电跟踪系统可以使我国的的军事力量得到更大的加强，大大提高我国在面对高精度制导武器装备时的的应对能力，提高我国的国际地位，因此研究光电跟踪系统复合轴伺服控制技术是研究对抗武器系统的着重点之一。
参考文献：
[1]刘廷霞.光电跟踪系统复合轴伺服控制技术的研究.长春光学精密机械与物理研究所，2015-01-14.
[2]张智永.光电稳定伺服机构的关键测控问题研究.国防科学技术大学博士学位论文.2006:1-5