本文基于中科院南京天文仪器有限公司地基激光发射望远镜项目,以地平式跟踪机架、直流电机直接驱动的光学望远镜为应用背景,对指向控制、卫星跟踪和激光光尖自动导星方法进行研究,设计算法并编程实现。本文主要包括两方面工作:一是望远镜控制软件系统开发,二是激光图像处理。望远镜控制软件系统主要负责指向控制和卫星跟踪,包括理论位置获取、跟踪算法实现、指向误差修正、人机交互与网络通信等功能,激光图像处理主要用于光尖检测与标定,包括CCD校正、滤波降噪、边缘检测、激光光尖与星像识别、坐标计算等功能。在学习、继承了天仪公司原有望远镜软件控制技术的基础上,完成了该望远镜控制系统的算法设计和软件开发,重点研究了以下内容:在指向控制方面,选用机架模型进行指向误差修正,首先测定码盘零点偏差,再获取多组全天区的指向误差数据,包括方位轴、高度轴、方位误差、高度误差,通过Matlab最小二乘拟合,得到机架模型的系数,并在控制程序中实时纠偏。在显著性水平α=0.05下进行残差分析,剔除偏离过大的点以提高拟合精度。通过计算均方根误差,相关系数,F检验的p值验证了模型有效性。经测试,模型修正后的指向精度优于5"。在卫星跟踪方面,首先使用星历预报软件,利用下载的TLE数据,生成本站点的卫星预报引导文件,数据率为每秒1个点。其次,对于经过正北方向的卫星,其方位预报值会在360°(0°)处发生跳变,为保证望远镜跟踪卫星过程的连续性,先对预报引导文件进行预处理,将该类卫星的预报方位值中大于180°的值减360°,使方位预报值连续不跳变。跟踪过程中当前时刻的卫星理论位置,通过对预报文件的插值得到。编写Matlab程序用拉格朗日多项式插值和牛顿多项式插值进行对比分析,结果表明两种插值方法在阶次为2时,达到最高精度,插值误差小于0.01",并对插值点位置进行比较,在阶次低时,中间位置与两端位置对插值精度影响不大;高阶次时,在端点位置插值会产生龙格现象。由于采样频率较高,在跟踪系统设计中选用多项式系数求解法进行插值,每4个点作为一组插值数据,构建增广矩阵求得系数的唯一解。经试验与计算,3阶多项式插值误差小于0.01",完全满足卫星跟踪精度需要。使用Matlab/Simulink建立跟踪系统仿真模型,对位置环PID分析校正,试验表明,采用带输入前馈的PID算法能够提高跟踪精度。在卫星跟踪程序中使用时间间隔为2ms的多媒体定时器,定时触发跟踪子程序。为提高精度,在跟踪子程序中,实时读取当前时刻,并利用预报引导文件中相邻的4个点,插值得到当前时刻的卫星预报理论位置,并与伺服系统反馈的卫星实际位置进行比较,通过增量式PID方法调节跟踪速度。经测试,两轴的跟踪误差RMS小于0.5"。在激光光尖自动导星方面,由于距离远、大气消光严重等因素,激光光尖无法呈现标准楔形,现有方法无法对光尖实时精准标定。本文提出基于霍夫检测的算法,可以实现对激光光尖坐标实时计算与标定,并有较高容错率,在背景亮度不均匀及环境变化情况下仍能正常检测,提高了激光测距的效率及光束指向目标的精确度,减少人工调整激光指向的工作量。根据实拍的图片试验,光尖检测偏差在2个像素以内;在激光光尖导星系统中,算法的稳定性和精确度也得到了较好的验证。算法实现上,通过CCD暗场和平场校正、多图叠加、高斯滤波、图像增强的方法提高图像质量。对比了空域法与频域法的算法原理与处理效果,并选用空域法编程实现。使用最大类间方差法提取前景、Sobel算子检测边缘、并基于霍夫变换拟合相交直线。考虑背景干扰、激光器功率小导致的光尖成像暗弱、阈值选择偏差等因素影响,选取多条有效直线进行筛选,最终对CCD靶面上激光位置进行标定,基本达到了在肉眼识别不清的情况下检测出激光光尖,并精确计算出光尖的坐标。结合质心算法计算出的卫星星点质心坐标,可以确定光尖与星点质心的偏差量,从而控制望远镜转动以消除偏差。当光尖准确指向星点质心时,望远镜发出的激光束将准确对准卫星,达到激光光尖自动导星、无需人为判断人为处理的科学目标。