大范围亚微弧度级级联棱镜激光跟踪技术研究

Focusing on the laser tracking technology in civil-military fields, the project originally applies the cascaded-prism combined tracking and dual-field zoom imaging technology into the laser tracking system in order to overcome the common technical problems of the constraints to achieve a large range, high-precision, multi-mode, variable dimensions and other tracking performance. The technology not only can achieve the variable-metric tracking, time-variable tracking and continuous-change tracking mode, but also can generate linear and circular tracking shape, which can meets the requirement of both the large field of view, high resolution imaging and large-range, high-accuracy directional dynamic tracking (coarse tracking field: pitching angle no less than 20º, and azimuth angle 360º; fine tracking accuracy: better than 0.5μrad). The study mainly includes integrated system model, tracking and imaging control strategy, precision conversion, real-time information processing method, joint control calibration, experimental verification and performance evaluation and so on. The project proposes a cascaded prism tracking technology with originality and feasibility, which expands the implementation method of multi-mode and variable-metric tracking in principle, and innovates the method of precision conversion for coarse and fine tracking and the nonlinear control for reverse tracking. The project aims to lay a foundation for the development of laser tracking system with large range, high accuracy and strong adaptability, which has an important scientific significance and application value.

本项目以军民领域激光跟踪技术为研究对象，针对制约其实现大范围、高精度、多模式、变尺度等跟踪性能的共性技术难题，原创性的提出将级联棱镜复合跟踪和双视场可变焦成像技术引入激光跟踪系统，不仅可以实现激光束变尺度跟踪、时变跟踪和连续跟踪等跟踪模式，而且能够产生直线形和圆弧形等多种跟踪样式，同时满足大视场、高分辨率成像和大范围、高精度定向的正逆向动态跟踪要求（粗跟踪俯仰角大于20º和方位角360º，精跟踪精度优于0.5μrad）。研究内容包括系统方案集成、跟踪和成像控制策略、精度衔接、实时信息处理、联控标定、实验验证与性能评定等。本项目提出的级联棱镜跟踪技术具有独创性和可行性，从原理上拓展了激光多模式和变尺度跟踪的实现方法，创新了粗精跟踪的精度衔接和逆向跟踪非线性控制方法等。本项目旨在为发展大范围、高精度、强适应性的激光跟踪系统奠定技术基础，具有重要的科学意义和应用价值。

针对激光跟踪领域面临的大范围、多模式、高动态、强适应性等共性技术难题，本项目原创性地提出以级联棱镜为核心的大范围亚微弧度级激光跟踪方法，结合双视场变视轴成像跟踪方案，实现了已知/未知空间运动目标的粗精耦合跟踪、闭环反馈跟踪和长时动态跟踪，满足了高精度、变尺度跟踪定位和大视场、高分辨感知监测等测量要求。本项目建立了大范围亚微弧度级级联棱镜跟踪系统模型，包括激光变尺度跟踪子系统模型和双视场成像跟踪子系统模型，完成了级联棱镜跟踪机构和成像系统的参数匹配。建立了级联棱镜跟踪系统的参数化误差模型，从激光跟踪误差和视轴跟踪误差两方面，分析了不同误差源的传递函数和作用规律，提出了合理的误差补偿及修正方法。提出了基于图像闭环反馈的成像视轴快速调整策略，分别设计了面向粗跟踪和精跟踪功能的级联棱镜转角逆向求解方法，研究了级联棱镜跟踪的非线性控制问题，提出了通过非线性传动机构轮廓设计的方法简化跟踪控制问题。采用双视场成像方案和双目立体视觉方法提取空间目标位置信息，构建了级联棱镜系统的正向跟踪模式和逆向跟踪模式，研究了基于动态视轴调整原理的三维数据解算和目标形貌重建方法。提出了级联棱镜粗精跟踪系统的集成设计方案，形成了结合自标定、自准直和干涉测量的系统标定方法，提出了棱镜主截面位置标定的新方法，完成了级联棱镜跟踪系统的精确标定。粗跟踪系统的俯仰角可大于±20°且方位角为360°，精跟踪系统的精度优于0.5μrad。建立了基于级联棱镜粗精耦合跟踪系统的动态误差测量方法，并在机器人动态轨迹误差跟踪测量实验中得到了验证。本项目提出的级联棱镜跟踪技术具有独创性和可行性，从原理上拓展了多模式和变尺度跟踪的实现方法，为发展大范围、高精度、强适应性的跟踪测量系统奠定了技术基础，具有重要的科学意义和应用价值。