一种基于双基准动态参考的高能激光动态合轴方法及系统与流程

本发明属于高能激光光轴控制，具体涉及一种基于双基准动态参考的高能激光动态合轴方法及系统。

背景技术：

1、随着高能激光系统向高功率、长时间连续工作及高精度指向控制方向发展，高能激光发射光轴需要与瞄准光轴保持一致，以保证激光束按照瞄准方向输出。现有高能激光系统通常在装调阶段通过标定建立发射光轴与瞄准光轴之间的对应关系，并在运行过程中检测光斑位置或光轴偏差，利用快速偏转镜对高能激光发射光轴进行调整。

2、现有动态合轴方案多采用固定标定原点或单一参考光路作为光轴偏差检测基准，通过电荷耦合器件相机、位置敏感探测器等器件获取参考光斑或取样光斑的位置，再根据检测到的光轴偏差生成反馈控制量。部分方案还结合平台姿态、温度或振动信息进行状态估计，或者根据历史误差预测后续光轴漂移，以提高快速偏转镜对动态偏差的响应能力。

3、然而，平台振动、光学元件温度变化及光学结构位移可能使参考光路本身发生变化，采用单一参考基准或固定标定结果时，难以区分参考基准变化与高能激光发射光轴实际偏移，容易使检测偏差逐渐累积。同时，平台振动误差、热漂移误差、结构变形误差及控制残差误差具有不同的变化特性，若仅依据光轴偏移检测值进行统一反馈控制，难以准确反映当前光轴误差状态。传统反馈控制还需要在光轴偏差发生后才能实施调整，在热漂移持续发展或平台状态快速变化时，容易产生控制滞后。

4、此外，现有方案通常在完成光轴校正后直接进入下一控制周期，较少根据校正残差判断本次校正结果是否适合用于更新参考状态。当校正结果不可靠时，直接更新参考状态可能使后续控制继续沿用偏离实际光轴关系的参考信息。因此，需要建立能够反映瞄准光轴参考基准与高能激光发射光轴参考基准实时变化的动态参考，并结合多源误差融合、光轴漂移预测、预测—反馈协同控制以及校正结果约束的参考更新机制，实现高能激光发射光轴的闭环动态合轴控制。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中单一参考基准易发生漂移、多源误差难以融合估计以及反馈控制存在响应滞后的问题，本发明提出了以下方案：

2、一种基于双基准动态参考的高能激光动态合轴方法，包括：

3、s1、分别获取瞄准光轴参考基准和高能激光发射光轴参考基准的标定结果及实时检测结果，将所述标定结果作为固定基准，根据所述实时检测结果相对于对应固定基准的变化构建动态参考坐标；

4、s2、获取平台状态、光学系统热状态、光学结构位移、光轴偏移检测值和快速偏转镜运行状态，根据获取结果和所述动态参考坐标对不同来源误差进行融合估计，得到融合误差状态；

5、s3、根据当前融合误差状态及历史融合误差状态预测未来光轴漂移，根据光轴漂移预测结果生成前馈控制量，根据当前融合误差状态生成反馈控制量，并对所述前馈控制量和所述反馈控制量进行动态加权，得到最终控制量；

6、s4、根据所述最终控制量驱动快速偏转镜调整高能激光发射光轴，以减小所述高能激光发射光轴与瞄准光轴之间的偏差，并获取校正残差和实际光轴调整量；

7、s5、当所述校正残差小于预设安全阈值时，根据所述实际光轴调整量更新所述动态参考坐标；当所述校正残差不小于所述预设安全阈值时，保持当前动态参考坐标，并基于更新或保持的动态参考坐标执行下一控制周期。

8、进一步地，s1所述获取瞄准光轴参考基准和高能激光发射光轴参考基准的标定结果及实时检测结果包括：

9、通过电荷耦合器件相机检测与瞄准光路中的内光路参考镜对应的瞄准参考光斑，获取瞄准参考光斑的标定位置和当前位置；

10、通过泄漏取样分光镜从高能激光发射光路分出取样激光，通过位置敏感探测器检测取样光斑，获取取样光斑的标定位置和当前位置。

11、进一步地，s1所述构建动态参考坐标包括：

12、根据瞄准参考光斑的当前位置与标定位置确定第一位移量，根据取样光斑的当前位置与标定位置确定第二位移量；

13、根据所述第一位移量和所述第二位移量确定瞄准光轴参考基准与高能激光发射光轴参考基准的相对变化量，并根据所述相对变化量构建动态参考坐标。

14、进一步地，s2获取平台状态、光学系统热状态、光学结构位移、光轴偏移检测值和快速偏转镜运行状态；其中，所述平台状态包括平台振动加速度和平台姿态角，所述光学系统热状态包括光学元件表面温度，所述光学结构位移由位移传感器或编码器获取，所述光轴偏移检测值由电荷耦合器件相机或位置敏感探测器获取，所述快速偏转镜运行状态包括快速偏转镜的角度和驱动电流；并对获取的数据进行时间戳对齐和滤波处理；

15、s2所述融合估计包括：根据平台振动加速度和平台姿态角估计高频振动误差，根据光学元件表面温度估计低频热漂移误差，根据光学结构位移估计结构变形误差，根据光轴偏移检测值和快速偏转镜运行状态估计控制残差误差，并采用卡尔曼滤波和加权融合中的至少一种对各类误差进行融合处理。

16、进一步地，s3所述预测未来光轴漂移包括：

17、按照时间顺序获取当前融合误差状态及多个历史时刻的融合误差状态；

18、将所述当前融合误差状态及多个历史时刻的融合误差状态输入长短期记忆网络时序预测模型或时序回归模型，得到未来时刻的光轴漂移预测结果。

19、进一步地，s3所述对前馈控制量和反馈控制量进行动态加权包括：

20、按照下式计算最终控制量：

21、

22、其中，为最终控制量，为前馈控制量，为反馈控制量，α为动态权重系数，且0≤α≤1；

23、根据平台振动加速度幅值、光学元件表面温度变化率和历史光轴漂移预测误差调整所述动态权重系数。

24、进一步地，s5所述更新动态参考坐标包括：

25、在达到预设更新周期时触发动态参考坐标更新判断；

26、或者，在高能激光发射光轴与瞄准光轴之间的偏差大于预设偏差阈值或平台姿态角变化率大于预设姿态变化率阈值时，触发动态参考坐标更新判断；

27、当触发动态参考坐标更新判断且校正残差小于预设安全阈值时，根据快速偏转镜的角度变化确定实际光轴调整量，并根据所述实际光轴调整量更新动态参考坐标。

28、一种基于双基准动态参考的高能激光动态合轴系统，包括高能激光发射模块、瞄准光路模块、双基准动态参考模块、多源状态信息采集模块、光轴动态校正模块和控制处理模块；

29、所述高能激光发射模块用于形成高能激光发射光轴，所述瞄准光路模块用于形成瞄准光轴；

30、所述双基准动态参考模块分别与所述高能激光发射模块、所述瞄准光路模块和所述控制处理模块连接，用于获取瞄准光轴参考基准和高能激光发射光轴参考基准的标定结果及实时检测结果；

31、所述多源状态信息采集模块与所述控制处理模块连接，用于获取平台状态、光学系统热状态、光学结构位移、光轴偏移检测值和光轴动态校正模块的运行状态；

32、所述光轴动态校正模块包括设置于高能激光发射光路中的快速偏转镜；

33、所述控制处理模块用于根据两个参考基准的实时检测结果相对于对应标定结果的变化构建动态参考坐标，根据所述动态参考坐标和多源状态信息得到融合误差状态，根据当前融合误差状态及历史融合误差状态得到光轴漂移预测结果，根据所述光轴漂移预测结果生成前馈控制量，根据当前融合误差状态生成反馈控制量，并对所述前馈控制量和所述反馈控制量进行动态加权，得到最终控制量，并根据所述最终控制量驱动快速偏转镜调整高能激光发射光轴；

34、所述控制处理模块还用于获取校正残差和实际光轴调整量，在所述校正残差小于预设安全阈值时根据所述实际光轴调整量更新动态参考坐标，在所述校正残差不小于所述预设安全阈值时保持当前动态参考坐标。

35、进一步地，所述双基准动态参考模块包括固定于瞄准光路中的内光路参考镜、与所述内光路参考镜对应设置的电荷耦合器件相机、用于从高能激光发射光路分出取样激光的泄漏取样分光镜以及设置于取样激光传播路径上的位置敏感探测器；

36、所述电荷耦合器件相机用于获取瞄准参考光斑的标定位置和当前位置，所述位置敏感探测器用于获取取样光斑的标定位置和当前位置。

37、进一步地，所述控制处理模块用于在达到预设更新周期时，或者在高能激光发射光轴与瞄准光轴之间的偏差大于预设偏差阈值或平台姿态角变化率大于预设姿态变化率阈值时，触发动态参考坐标更新判断；

38、所述控制处理模块还用于在触发动态参考坐标更新判断且校正残差小于预设安全阈值时，根据快速偏转镜的角度变化确定实际光轴调整量，并根据所述实际光轴调整量更新动态参考坐标。

39、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

40、通过分别获取瞄准光轴参考基准和高能激光发射光轴参考基准的标定结果及实时检测结果，并根据实时检测结果相对于对应固定基准的变化构建动态参考坐标，使光轴偏差判断不再仅依赖单一固定参考，从而降低参考基准变化对动态合轴控制的影响。

41、通过获取平台状态、光学系统热状态、光学结构位移、光轴偏移检测值和快速偏转镜运行状态，并结合动态参考坐标对不同来源误差进行融合估计，能够综合反映高频振动误差、低频热漂移误差、结构变形误差和控制残差误差，从而提高融合误差状态与当前运行状态的匹配程度。

42、通过根据当前及历史融合误差状态预测未来光轴漂移，并分别生成前馈控制量和反馈控制量后进行动态加权，使快速偏转镜既能提前响应光轴漂移趋势，又能根据当前融合误差状态进行反馈修正，从而降低单纯反馈控制造成的响应滞后。

43、通过根据最终控制量驱动快速偏转镜调整高能激光发射光轴，使高能激光发射光轴与瞄准光轴之间的偏差得到闭环修正，从而提高复杂动态环境下光轴动态合轴的稳定性。

44、通过将校正残差与预设安全阈值进行比较，仅在校正残差小于预设安全阈值时根据实际光轴调整量更新动态参考坐标，能够减少不可靠校正结果写入动态参考坐标的情况，从而降低错误参考信息对后续控制周期的影响。

45、本发明具有双基准动态参考、多源误差融合、光轴漂移预测及预测—反馈协同控制能力，能够对高能激光发射光轴进行连续闭环调整，适用于连续工作高功率激光系统、车载高能激光系统、舰载高能激光系统、机载高能激光系统、激光通信、激光测距及空间光学平台等领域。