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湍流大气中光学主动跟踪视轴稳定性研究

作　者: 李京
导　师: 荣健
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学
关键词: 双层共轭波前重构模糊PID 交互多模算法
分类号: P427.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

大气湍流中光学主动跟踪技术是一个重要的研究课题,在军事和非军事领域都有着广泛的应用。如何保持跟踪的视轴稳定性以及如何提高跟踪精度是其两个重要的研究方向。本文以仿真实验为基础,深入研究了光学主动跟踪系统中的跟踪算法以及稳定控制技术。大气湍流是影响视轴稳定性的一个重要因素,本文首先将传统自适应光学应用于工作在大气湍流环境中的目标成像系统中,通过仿真分析其成像性能,在此基础上,介绍了一种新的校正系统——双层自适应光学系统。通过对性能参数的分析和大气成像的仿真,得到了一个结论双层共轭自适应光学系统在大气湍流校正方面优势非常明显。为了进行自适应光学系统的建模仿真,本文对自适应光学系统的三个主要组成部分——波前探测、波前校正和波前重构进行了系统理论分析。波前重构算法是整个系统建模中最重要的部分,本文详细论述了使用基于Zernike多项式的模式法重构波前的算法、多项式项数的选取原则,对波前重构进行仿真,验证了算法选取的有效性。平台振动是影响视轴稳定性的又一重要因素,为了解决这个问题,本文研究了一种复合轴改进的PID控制方法。首先设计出具有参数自整定功能的模糊PID控制器,在Matlab环境下进行性能仿真,并和传统PID控制进行比较,仿真表明,模糊PID控制器具有非常好的性能。基于以上研究本文提出了一种提高视轴稳定精度的系统总体方案并进行了系统结构的设计。最后为了解决高速高机动目标的跟踪问题,本文分析了目标跟踪的基本原理,包括目标模型以及基本的跟踪滤波方法,重点分析了卡尔曼滤波算法,在此基础上,研究了交互式多模型算法并进行了仿真,仿真结果表明,它能够有效的提高跟踪性能。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章引言  9-14
  1.1 课题研究背景和意义  9
  1.2 光学主动跟踪中的视轴稳定技术及发展现状  9-12
    1.2.1 自适应光学技术  10-11
    1.2.2 复合轴控制技术  11-12
    1.2.3 振动控制技术  12
    1.2.4 目标跟踪技术  12
  1.3 本文的主要工作  12-14
第二章系统整体方案设计  14-18
  2.1 视轴稳定技术整体设计  14-16
  2.2 各模块功能简介  16-17
    2.2.1 自适应光学模块  16-17
    2.2.2 平台控制模块  17
    2.2.3 目标跟踪模块  17
  2.3 本章小结  17-18
第三章自适应光学技术  18-43
  3.1 自适应光学波前扰动理论  18-22
  3.2 自适应光学技术结构及工作原理  22-24
    3.2.1 传统自适应光学系统  22-23
    3.2.2 双层共轭自适应光学系统  23-24
  3.3 自适应光学技术性能分析及成像仿真  24-32
    3.3.1 自适应光学各项性能指标  24-26
    3.3.2 性能指标分析及成像仿真  26-32
  3.4 自适应光学系统建模仿真  32-41
    3.4.1 波前传感技术  32-33
    3.4.2 波前重构技术  33
    3.4.3 波前校正技术  33-34
    3.4.4 自适应光学系统波前重构建模与仿真  34-41
  3.5 本章小结  41-43
第四章复合轴振动控制技术  43-58
  4.1 复合轴技术  43-44
  4.2 传统复合轴振动控制技术  44-47
    4.2.1 控制原理  44-45
    4.2.2 控制器各参数对控制效果的影响  45
    4.2.3 控制性能仿真  45-47
  4.3 改进的复合轴振动控制技术  47-56
    4.3.1 控制器结构及组成  47-49
    4.3.2 控制器设计  49-55
    4.3.3 控制性能仿真  55-56
  4.4 本章小结  56-58
第五章高机动目标跟踪技术  58-72
  5.1 机动目标模型  58-60
    5.1.1 系统基本运动模型  58
    5.1.2 匀速直线运动模型  58-59
    5.1.3 匀速转向运动模型  59-60
  5.2 传统滤波跟踪算法  60-64
    5.2.1 卡尔曼滤波基本原理  60-62
    5.2.2 卡尔曼滤波算法性能仿真  62-64
  5.3 交互多模型滤波算法  64-69
    5.3.1 交互多模型滤波基本原理  64-67
    5.3.2 IMM 滤波算法性能仿真  67-69
  5.4 实际运用中跟踪算法的选择研究  69-71
  5.5 本章小结  71-72
第六章总结  72-74
致谢  74-75
参考文献  75-78
攻硕期间取得的研究成果  78-79

湍流大气中光学主动跟踪视轴稳定性研究

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