一种基于旋转双棱镜的跟踪装置及其控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于旋转双棱镜的跟踪装置及其控制方法，可以对运动目标进行跟踪。该装置包括两个棱镜、两个电机、两个位置传感器、一个探测器和一个控制器。通过旋转双棱镜，扩大了探测器的视场；通过探测器和控制器可以计算目标位置；通过控制器控制棱镜旋转，可以对运动目标进行闭环跟踪，使目标的成像始终在探测器视场中间。本发明解决了旋转双棱镜用于目标跟踪的问题，通过探测器闭环，使其可应用于对运动目标的跟踪。本发明的装置结构紧凑、转动惯量低、响应迅速。
【专利说明】一种基于旋转双棱镜的跟踪装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电跟踪领域，涉及一种光电跟踪装置与控制方法。
【背景技术】
[0002]在光电跟踪领域，通常采用万向架形式的跟踪装置，将探测器安装在多轴万向架上，通过控制万向架回转运动来控制视轴的方向，此类机构体积较大、对振动敏感。另一种结构为摆镜结构，此类结构对机械误差敏感，一般用于小口径的光束偏转。
[0003]旋转双棱镜结构(Risley棱镜)可通过旋转共轴的两个楔形棱镜达到控制光束偏转的目的，具有结构紧凑、转动惯量低、响应迅速的特点。在先技术(参见云茂金、祖继峰等的专利:CN1256609C与专利:CN2655268)中提出采用该结构进行光束扫描，对基于旋转双棱镜的扫描装置和扫描算法进行了研究，但所提供的装置和方法不适用于目标跟踪。
[0004]扫描属于正向解算，算法较为简单，并且激光器发射的光线始终沿棱镜光轴方向，在先技术中推导的正向光束偏转公式只适用于入射光线沿棱镜光轴方向入射的情况。但目标跟踪时，同时需要正向解算和反向解算，且光束方向不一定沿棱镜光轴方向，算法较复杂，目前文献中并未发现解决此问题的相关方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术的不足，解决旋转双棱镜用于目标跟踪的技术问题，提供一种可以用于目标跟踪的装置及其控制方法。
[0006]本发明的技术解决方案包括:一种基于旋转双棱镜的跟踪装置，包括:第一棱镜、第二棱镜、第一电机、第二电机、第一位置传感器、第二位置传感器、探测器和控制器，其中，两个棱镜、两个电机和探测器为同轴安装，第一棱镜和第二棱镜具有相同的顶角和折射率，第一电机和第二电机均为环形力矩电机，二者的转子分别与第一棱镜和第二棱镜直接相连；第一位置传感器测量第一棱镜绕转轴的旋转角度Θ i，并将Θ i送到控制器；第二位置传感器测量第二棱镜绕转轴的旋转角度θ2，并将θ2送到控制器；探测器能够测量得到目标在探测器上所成像点的方位角Θ和俯仰角Φ，并将其送到控制器，控制器接收第一棱镜的位置Q1、第二棱镜的位置θ2、探测器上所成像点的方位角θ和俯仰角Φ，输出电压信号V1至第一电机，输出电压信号V2至第二电机。
[0007]进一步的，通过探测器闭环，使目标成像始终位于探测器视场中心附近。
[0008]另外提供一种利用上述的旋转双棱镜的跟踪装置的控制方法，该控制方法的包括以下步骤:
[0009]步骤I)、由探测器测量得到目标在探测器上所成像点的方位角&、俯仰角Φ ;由第一位置传感器测量得到第一棱镜的位置Θ i，第二位置传感器测量得到第二棱镜的位置Θ 2;由Θ 1、Θ 2、O、Φ计算得到目标的方位角Ot和俯仰角Ot ；
[0010]计算过程如下:由目标发出的光在探测器上形成像点，由于光路是可逆的，那么由探测器出射的光束δ经过两个棱镜折射后的出射光线5’将到达目标点，此过程可以通过4次折射得到，如公式(1)所示:
[0011 ]
【权利要求】
1.一种基于旋转双棱镜的跟踪装置，其特征在于包括:第一棱镜(I)、第二棱镜(2)、第一电机(3)、第二电机(4)、第一位置传感器(5)、第二位置传感器(6)、探测器(7)和控制器(8)，其中，两个棱镜、两个电机和探测器为同轴安装，第一棱镜(I)和第二棱镜(2)具有相同的顶角和折射率，第一电机(3)和第二电机(4)均为环形力矩电机，二者的转子分别与第一棱镜(I)和第二棱镜(2 )直接相连；第一位置传感器(5 )测量第一棱镜(I)绕转轴的旋转角度G1，并将Q1送到控制器(8);第二位置传感器(6)测量第二棱镜(2)绕转轴的旋转角度θ2，并将θ2送到控制器(8);探测器(7)能够测量得到目标在探测器上所成像点的方位角?和俯仰角Φ，并将其送到控制器(8)，控制器(8)接收第一棱镜(I)的位置Q1、第二棱镜(2)的位置θ2、探测器(7)上所成像点的方位角Θ和俯仰角Φ，输出电压信号V1至第一电机(3),输出电压信号V2至第二电机(4)。
2.根据权利要求1所述的旋转双棱镜的跟踪装置，其特征在于:通过探测器闭环，使目标成像始终位于探测器视场中心附近。
3.利用权利要求1所述的旋转双棱镜的跟踪装置的控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤: 步骤I)、由探测器测量得到目标在探测器上所成像点的方位角O、俯仰角Φ ;由第一位置传感器测量得到第一棱镜的位置G1，第二位置传感器测量得到第二棱镜的位置θ2;由Θ 1、Θ 2、O、Φ计算得到目标的方位角Ot和俯仰角Ot ； 计算过程如下:由目标发出的光在探测器上形成像点，由于光路是可逆的，那么由探测器出射的光束3经过两个棱镜折射后的出射光线5‘将到达目标点，此过程可以通过4次折射得到，如公式(I)所示:
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于通过优化方法确定两个棱镜需要旋转到的新位置ΘΛ θ2%置从而保证目标成像在探测器的视场中心。
【文档编号】G05D3/12GK103631276SQ201310655695
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月8日 优先权日:2013年12月8日
【发明者】李锦英, 彭起, 陈科, 付承毓, 任戈 申请人:中国科学院光电技术研究所