数字化光电经纬仪伺服控制技术

数字化光电经纬仪伺服控制技术第一章光电经纬仪光电经纬仪在现代化靶场中是获取外弹道数据和飞行状态的最基本的测量手段之。其正随着靶场的发展而发展。一九二六年，戈达德夫人在用锡尼柯达电影摄影机对其丈夫罗伯特戈达德博士所进行的液体火箭研制过程做摄影记录时，她并不知道她自己的行为已开创了靶场光学测量的先例。而德国的冯布劳恩等人在一九三七年用阿斯卡尼亚经纬仪加上16毫米相机，测下V2导弹飞行轨道，使人们对弹道有了数值的结果。一九四O年，第一台电影经纬仪正式装备靶场，写下了靶场光测与弹道测量史的第一章。DESCRIPTIONTHECINETHEODOLITETRACKINGSYSTEMSWEREBUILTINTHE1950SAND1960STOMEETPRECISIONLAUNCHANDTRACKINGREQUIREMENTSATRANGESTHROUGHOUTTHEWORLDMANYOFTHESYSTEMSARESTILLINDAILYUSE,PROVIDINGACCURATEDATATORANGEOPERATIONSBRASHEARLPREGULARLYREFURBISHESANDUPGRADESTHECINETHEODOLITESFORCUSTOMERSWHODESIRETOCONTINUEUSINGTHEMEQUIPMENTCINETHEODOLITETRACKINGSYSTEMEQUIPMENTKINETOTRACKINGMOUNTDESCRIPTIONTHEKINETOTRACKINGMOUNTISTHECURRENTWORKHORSEONTHERANGESTHEKTMHASAHIGHPAYLOADUPTO1200POUNDS,ANDCANTRACKFASTMOVINGOBJECTSVERYPRECISELYINEITHERAMANNEDORUNMANNEDCONFIGURATIONTHEUNMANNEDVERSIONOFTHEKTMISSHOWN,WITHSIXDIFFERENTSENSORPACKAGESMOUNTED,TWOONTHECENTERPLATFORMTHATREPLACESTHEOPERATORSPOSITIONDESCRIPTIONAKINETOTRACKINGMOUNTKTMATCOMPLETIONOFFACTORYACCEPTANCETESTATBRASHEARLPSPITTSBURGHFACILITYTHISKTMWASDELIVEREDTOWHITESANDSMISSILERANGEWSMRASPARTOFTHECURRENTREQUIREMENTSCONTRACTBETWEENWSMRANDBRASHEARLPTHISCONTRACTALLOWSGOVERNMENTAGENCIESTOTRANSFERMONEYTOWSMRTOPURCHASEKTMSWITHOUTTHEEXTENDEDPROCESSOFANORMALPROCUREMENTBRASHEARLPSSTANDARDRANGESRSERIESLENSESAREALSOAVAILABLETHROUGHAWSMRREQUIREMENTSCONTRACTEQUIPMENTSR50RANGELENSWITH50INCHFOCALLENGTHDESCRIPTIONBRASHEARLPPRODUCESHIGHPERFORMANCELENSESFORTESTRANGEINSTRUMENTATIONINFOCALLENGTHSFROM50INCHESTO200INCHESTHESELENSESAREEXTREMELYRUGGEDANDMAINTAINTHEIRHIGHLEVELOFOPTICALPERFORMANCEEVENINTHEHARSHESTENVIRONMENTSTHESRLENSESMAYBEUSEDWITHFILMUPTO70MMORVIDEOCAMERASANDAREWIDELYUSEDONUSANDINTERNATIONALTESTRANGESEQUIPMENTKINETOTRACKINGMOUNTDESCRIPTIONAKTMISPREPAREDTOSUPPORTADEMANDINGTESTMISSIONDESCRIPTIONAMOBILEKTMATADESERTRANGEWITHTHREEBRASHEARLPSRLENSESEQUIPMENTKINETOTRACKINGMOUNTEQUIPMENTTACTICALHIGHENERGYLASERTHELBEAMDIRECTORATWHITESANDSMISSILERANGEDESCRIPTIONTHEL/ACTDADVANCEDCONCEPTTECHNOLOGYDEMONSTRATORISAGROUNDBASED,SHORTRANGEAIRDEFENSESYSTEMTHATSBEINGDEVELOPEDBYTRWFORTHEUSARMYANDTHEISRAELMINISTRYOFDEFENCEIMODBRASHEARLPPLAYEDAKEYROLEINTHETHEL/ACTD,PRODUCINGTHEPOINTER/TRACKERSBEAMDIRECTORUNITTHATFOCUSESTHEHIGHENERGYLASERBEAMANDKEEPSITACCURATELYPOINTEDATTHEROCKETUNTILITISDESTROYEDBRASHEARLPACCELERATEDTHEDEVELOPMENTOFTHEBEAMDIRECTORTOMEETTHEDEMANDINGSCHEDULEANDPERFORMANCEREQUIREMENTSOFTHETHEL/ACTDPROGRAMTHEL/ACTDWILLUSEAHIGHENERGYCHEMICALLASERTOPROTECTCIVILIANS,FRIENDLYFORCESANDMILITARYASSETSAGAINSTROCKETATTACKSITWILLBEUSEDTODEMONSTRATETHEEFFECTIVENESSOFUSINGHIGHENERGYLASERSTOINTERCEPTANDDEFEATSHORTRANGETERRORISTTHREATSSUCHASKATYUSHAROCKETSFORFURTHERINFORMATIONSEEHTTP/WWWTRWCOM/THEL/11光电经纬仪的工作原理在现代航天靶场中，为了鉴定运载工具的飞行弹道及保证飞行的安全，就必须要实时的测定和记录每一时刻的各项弹道参数。通常情况下，这一任务是由无线电雷达来完成的。随着航天技术的发展，对弹道测量精度的要求越来越高，无线电雷达的测量精度不能满足要求。因此，光学测量设备就越来越得到了重视，而光学测量设备中用的最普遍的就是光电经纬仪。光电经纬仪是用摄影测量或电视测量等方法来确定空间物体相对于地球上某一点位置的光学仪器。在靶场应用中，它都具有一种或多种自动、半自动跟踪高速飞行目标的性能。光电经纬仪除了测量精度比雷达高外，它还能记录空间飞行物体的运行姿态，这给事后的飞行状态的分析研究提供了极大的方便。但光电经纬仪对观察测量的环境条件要求比较高，不能象无线电雷达那样全天候工作。作用距离也远不如无线电雷达那样远。早期的光电经纬仪不能实时的输出测量数据，只能事后用专用胶片判读仪判读出空间目标的方位和高低角度。由于不能测量目标的距离，所以单台光电经纬仪还不能确定空间目标的实际位置，需要两台以上的光电经纬仪同时对同一目标测量，然后通过计算求出目标的实际位置。现代化的光电经纬仪，采用数字化电子技术，能直接和数字电子计算机联接，不但能实时的提供方位、高低角度信息，而且还加装了大功率的激光测距机，能实时的提供距离信息，经计算机处理后，单台光电经纬仪即可确定目标位置。当前，在国内靶场中使用的光电经纬仪型号繁多。例如苏联的KT50、瑞士的K400、法国的KTH500等。国产的有GW211、160F、179、718A、112、331、778、662、260等。除了早期的产品如150、160等性能有较大差异外，其它各型号电影经纬仪除测量精度和作用距离外其它性能基本上大同小异。12光电经纬仪主要用途我们知道，飞行目标一旦确定后，剩下的是要将它的飞行轨迹和飞行状态记录下来。飞行目标的外弹道测量包括两方面的内容首先是飞行的姿态，如导弹各级间的分离、各助推器的脱落、翻滚、故障爆炸以及在落区部重返大气层所呈现的物理现象；二是飞行弹道的数据；如飞行目标的各瞬间位置、速度、斜距、弹道倾角、偏角、射程和弹着点等等。按以上的任务，光测设备也分为几种类型一种是只记录飞行姿态的，如跟踪望远镜，它的特点是作用距离远，摄影频率高；另一种是测量数据精度高的弹道照像机；再一种是兼上述两种作用的光电经纬仪。六十年代中期，我国自己设计制造了第一代光学电影经纬仪，填补了国产外弹道光测设备的空白。六十年代末，又生产出了第二代电影经纬仪，并具备光电轴角编码器、实时输出等性能，已有了现代电影经纬仪的雏形。在七十年代末我国所装备靶场的第三代光电经纬仪，便具备了激光测距，电视、红外跟踪测角等功能。而八五年我国制造的应用于靶场的第四代设备，采用了集成电路和微处理机等现代先进技术，光电经纬仪形成第四代产品，由微处理机控制，具有变焦距捕获电视、红外、电视、程序引导等跟踪手段，精度高、作用距离远。但是，我们也要看到，在我国靶场光测设备发展的同时，国外的靶场光测技术也在不断地发展和更新着，使我们在诸多方面与国外尚存在着一定的差距。如美国所装备靶场的超级数字式光学自动跟踪记录仪（SUPERRADOT），能探测和跟踪斜距为1000多公里的再入目标，且测角精度为1角秒。而地面电光深空监测系统（GEODSS）能探测到40000公里高度上足球大小的目标，且测角精度为10角秒。从国外的靶场所应用的这些先进光测设备来看，今后的靶场光测设备的发展方向为以下两个方面一是先进的高性能的光电器件的应用。如SUPERRADOT系统采用了ISIT硅靶增强管，而GEODSS系统则采用了光导摄影管。由于大功率固体激光器的不断发展，又为发展更先进的激光雷达打下了基础。总之，各种红外和可见光光电探测器件的研究成功，才导致了一系列新的光电子设备的产生。目前，红外跟踪、热成像、红外雷达、微光电视、CCD、多光谱遥感和各种影像增强技术在靶场光测设备上的应用正方兴未艾。二是先进的图像、数据处理技术的应用。由于七十代后大规模集成电路和微处理机技术的迅猛发展，为光测设备的高自动化、智能化提供了基础。如DEODSS系统把捕获的信息经PDP11/70计算机处理，从而识别、跟踪所要测量的目标。又如智能实时电视跟踪系统采用高速微处理器，利用人工智能、图像识别技术，实现对多目标的测量和精确跟踪。目前在跟踪伺服系统中，已广泛采用了预测滤波技术和共轴跟踪技术，如美国的CO2激光相干雷达采用此技术，能使跟踪精度达到02秒。而有波前测量、控制、校正的自适应光学系统可大大提高光学系统的分辨率。而对校准误差模型、对轴系、动态滞后等误差进行实时修正，又可大大提高设备的实时输出精度。综上所述，靶场光测设备将进一步向全自动、智能化、数字化、高精度、高可靠、远距离和全实时的0方向发展。13光电经纬仪弹道测量原理为了确定空间目标的相对位置，就要以测量点为中心，建立起三轴坐标系。如图21所示。该坐标系的定义为原点O在地面上，由大地坐标经度、纬度、高程给出。Y轴垂直于当地水平面，XZ平面与地面相切，X轴具有大地方位角，Z轴按右手坐标系给出。上述坐标系通常称之为地面坐标系。图11如有一空间目标某一时刻的位置在M点，其在水平面投影为M点，连接OM、OM。欲确定M点的空间位置，则需测得OM与X轴的夹角即方位角A，OM与XZ平面的夹角即高低角E，O点到M点的距离R，即可将M点的三分量X、Y、Z表示出来XRCOSECOSA（1）YRSINE（2）ZRCOSESINA（3）由于地面坐标系的O点具有大地坐标、B、H，所以经过坐标转换，可计算出M点相对于地球上任一点的位置数据。上述测量方法通常称为综合定向法。它是假定距离R是可测的。如果距离R是不可测的，就得使用另一种称之为交会法的方法。交会法是利用两上相距较远的测站同时测量飞行目标的方位角A、高低角E，得到两条方向线，加上已知两测站中心的直线距离L，即可计算出飞行目标的地面坐标位置。交会法又可分为前方交会法，后方交会法和侧方交会法。在首区靶场光测设备中，常采用前方交会法。在图12中，O1、O2分别为两个测站，为简便起见，我们设O1、O2位于OX轴上，它们之间的距离为L。若某时刻飞行目标位于M点，在水平面的投影点为M。A1、A2、E1、E2分别为两个测站同时测出的飞行目标的方位角和高低角。图22根据三角形的正弦定理，我们有（4）2112201SINI8SINOMAOM而O1MO2180（180A2）A1A2A1（5）O1O2L（6）所以（7）SIN121L（8）I122AM故可求出M点在坐标系O1XYZ中的坐标（9）SINCO12LX（10）TGEAYI12（11）SIN12LZ交会法的特点是可靠性高，省去了测距系统。对多站同时测量有利。根据以上所述，作为测量设备的经纬仪，必须至少给出A、E两组数据，若要求能单台定位时，则必须要同时给出距离数据R0。因此，经纬仪也必须要有表征上述三组数据的测量机构，亦即通常所谓的三轴系统。如图23所示。图13图中L为经纬仪的垂直轴，它是整机的支撑架，其下端通过调平机构固定在地面（图中未画出），且与当地水平面保持垂直。I为水平轴，它垂直于垂直轴且可以绕垂直轴在水平方向旋转，也可自旋。C为视轴，也叫瞄准轴，实际上它就是经纬仪主光学系统的中心轴。它的一端固定在水平轴上并且与水平轴正交，另一端无限延伸，直到目标。如欲测量某一空间目标时，先使水平轴绕垂直轴转动，然后转动水平轴，使其带动视轴运动。当视轴指向目标时，则此时水平轴相对垂直轴从规定的零位起所转动的角度即为方位角AC；水平轴从水平起所转动的角度即为高低角EC。AC、EC是分别由装在垂直轴和水平轴上的测角装置来测出的。视轴从O点延伸到目标的长度为距离R。但R的值不能直接测量，只能通过加装激光测距机来实现。经纬仪是以摄影记录的方式来精确确定目标位置的。这是因为当操作仪器使视轴指向目标时，由于人眼瞄准有一定误差，仪器的跟踪快速飞行目标时也有轻微的抖动，所以很难使视轴准确的指向目标，此时测角装置指示出来的角度也不是目标的真实角度，而存在着一个偏差A、，如图24所示，A、，习惯上称其为脱靶量。图14为了消除脱靶量的影响，经纬仪上都带有可以连续拍摄胶片的摄影机，通过光学系统把目标像连续的记录下来，同时在胶片上还记有表征视轴C的十字丝，测角装置的指示值以及测量时的时间和仪器的各种工作状态等。这样的胶片经冲洗后，便可用判读装置测量出目标相对于十字丝中心的纵向、横向偏差、，由于光学系统的焦距F是已知的，则可依据成像公式计算出脱靶量A、。把脱靶量分别与角度值AC、EC相加，即可得出准确的A、E值。FCCOS/由于火箭是高速运行的目标，因此，在处理数据时，AC、EC、A、必须是同一时刻所测量的数据，这就要求测角装置和拍摄胶片同步进行，亦即整个经纬仪的测量工作在时间上是间隔进行的连续采样系统。经纬仪在每一个采样的周期内，把目标像连同其它所有的信息也都记录在胶片上，这样不仅方便了数据处理，也可以方便的与测控系统中其它测量设备的数据进行对比分析或交换。现代化的经纬仪都可以把它测量到数据及自身的工作状态实时的传递给飞行指挥控制中心的大型计算机，经计算机处理后，直观地显示出飞行弹道曲线数据。以供飞行指挥员严密的监视飞行状态。一旦飞行不正常时，及时下令采取安全措施。这一过程，称其为安控。另一方面，计算机也可以把经纬仪的测量数据经坐标转换后送给其它暂时未发现目标的测量设备，以便使它们在目标一旦出现时，可立即发现并跟踪之。这一过程称其为引导。当然，在实时输出的数据中，为了保证精度，也必须要有脱靶量，而经胶片判读计算脱靶量是不可能的，这就必须采用另外一种方法即电视测量取脱靶量。14光电经纬仪伺服控制技术发展现状从六十年代初期，国内有科学院的几个研究所、厂开始研制靶场测试用经纬仪。其中，长春光机所和成都光电所是目前国内靶场用大型光电经纬仪的主要研制单位，代表了国内技术的最高水平。长春光机所从事光电工程已近40年，研制生产了大小不同、功能各异光电设备几百套。其中重要组成部分控制系统，如跟踪伺服分系统等，在国内一直处于领先水平5。表11是长春光机所研制的具有代表意义的光电经纬仪跟踪伺服系统技术指标5。表11典型光电经纬仪伺服系统技术指标TABLE11TYPICALEOTHEODOLITESERVOSYSTEMTECHNOLOGYPARAMETERS项目代号最大角速度最大角加速度工作角速度工作角加速度跟踪（定位）误差16025/S45/S215/S5/S218718H/Z35/S50/S220/S7/S23GJ2A70/S80/S220/S10/S22GJ14150/S50/S230/S10/S2366235/S45/S220/S7/S2226035/S50/S220/S7/S23G18850/S80/S220/S10/S23沈阳自动化所研制的多功能弹道跟踪检测系统5最大跟踪角速度60/S最大跟踪角加速度120/S2工作角速度002/S45/S工作角加速度0/S225/S2跟踪误差10，随机误差20成都光电所研制的778光电经纬仪系统6，最大角速度30/S最大角加速度60/S2工作角速度00120/S工作角加速度3/S2跟踪误差3由以上国内光电经纬仪伺服跟踪系统技术指标可以看出，国内的光电经纬仪跟踪运动目标的现有能力在保证跟踪误差3的情况下，最大工作速度30/S，最大工作加速度10/S2，最低速度001/S。国外的靶场光电经纬仪，在跟踪运动目标能力的提法上同国内有所不同，一般只有跟踪角速度、角加速度和跟踪精度，不区分工作角速度、工作角加速度与最大角速度、最大角加速度。美国白沙靶场研制的发射区（LAUNCHAREATHEODOLITE）经纬仪系统，跟踪性能角速度120/S，角加速度120/S2，事后测量精度10207。法国SFIM公司的“TROP”光电经纬仪跟踪测量系统，动态性能已达到最大角速度120/S，最大角加速度200/S28。美国新墨西哥州霍洛曼空军基地的滑橇跟踪系统（SLEDTRACKINGSYSTEM）跟踪角速度60/S，角加速度60/S2，跟踪精度129。以上可以看出，由于使用目的的不同，技术指标提法的不同，直接将国外光电经纬仪的伺服系统技术水平与国内技术相比较比较困难。第二章光电经纬仪捕获跟踪基本问题1概述11作用在靶场光电测量设备、天文观测设备、武器控制系统以及激光通讯系统中，都需要有光电捕获跟踪与瞄准装置，以便迅速发现并精确跟踪目标。由于测量精度等技术指标逐渐提高，因此对捕获跟踪与瞄准的要求也越来越高。例如在通讯卫星的激光通讯系统中，两卫星之间距离约为84000KM，激光波束为几角秒，要求的跟踪精度为1微弧度（02角秒）。在强激光武器系统中，为了使激光能摧毁数十、数百乃至上千公里以外的目标，必须使能量高度集中，波束窄而且要稳定照射在目标固定点上。所以，除应具备功率强大的激光源外，还必须具备一个功能完善，精度极高的捕获跟踪与瞄准系统，以便使激光武器迅速捕获,并对其进行精密跟踪瞄准及时攻击。据初步分析，在战术激光武器中，要求跟踪瞄准精度约为几角秒，在战略激光武器系统中，要求的精度在1微弧度以下，甚至是01微弧度。严格地证明，要实现上述要求，不仅要提高单台武器的捕获跟踪与瞄准系统性能，而且要有一个监视跟踪引导网。本文不讨论后一问题，只研究单台设备自身的捕获跟踪与瞄准系统，分析基本问题及关键技术，找出提高性能的途径。12概念图1捕获跟踪与瞄准系统框图图1是捕获跟踪与瞄准系统框图。它是以跟踪回路为中心的，跟踪传感器测出目标位置信息（跟踪误差），送入跟踪控制器进行回路补偿，再经速度回路由电机驱动机架跟踪目标。在捕获时则是先由大视场捕获传感器发现目标，将信息送至跟踪回路并转入跟踪，也可以由其它设备或目标理论轨迹引导捕获目标。瞄准则是根据各种传感器测量的数据对跟踪系统机架进行修正控制，也可以直接控制测量轴或发射轴，以便对准目标。国外将计算引导跟踪目标也称瞄准。根据上述介绍，可以对捕获跟踪和瞄准的概念予以定义。捕获对所观测领域内的目标进行识别。它应当把目标从背景和假目标中区分出来，并探测出目标的粗略方向、波长或频谱、通量密度、角度尺寸等。用大视场的激光、红外或电视探测器均可作为光电捕获手段，其中以红外探测器最为普遍，如红外线列或面阵器件等。当然一种捕获方式不一定能测出上述目标的各种参数，所以往往有多种方式相互配合，其中也包括雷达和计算机引导等。跟踪使跟踪仪器的视轴追随目标的视线。仪器视轴与目标视线之间的偏差为跟踪误差，一般以均方根值计算。瞄准指仪器视轴的平均取向。瞄准误差为仪器视轴与目标视线之间偏差的平均值。但这里的视轴可能是跟踪系统的视轴，也可能不是，这要依设备功能而定。例如具有光电跟踪系统的强激光发射系统，瞄准是指发射主光轴对准目标。当跟踪轴与主光轴不重合时，必须对主光轴进行修正。目前并没有一个公认的跟踪瞄准定义，我们是参考国外有关文献并根据我们的经验提出来的。2捕获、跟踪与瞄准系统的基本技术问题21目标特性是确定捕获跟踪与瞄准技术要求的主要依据捕获跟踪与瞄准系统的技术要求，除使用因素外主要是根据目标下述特性提出来的。运动特性目标距离、速度、加速度等；几何特性目标尺寸、形状及数量等；物理特性发光或反射特性、频谱特性等；背景情况目标周围的背景光学特性等。运动特性与跟踪要求关系极为密切。最常见目标可用水平飞行目标以及轨道卫星代表。图2是目标沿水平直线飞行，O点为跟踪系统所在位置。VTOT0TTR0RAEX0图2目标作水平直线飞行目标方位角A、角速度、角加速度分别为A212223其中V为水平速度，X0为航路捷径。高低方向的角度、角速度和角加速度分别为高低方向的角度、角速度、角加速度分别为（24）20XVT1ZARCTGE（25）2302TECOS（26）SINTGCOST1E2由式（22）可以看出在航路捷径处（T0）目标角速度最大，为弧度/秒0MAX/XVA在A30时，目标角加速度最大，为弧度/秒20AX/65显然，目标速度V越大，航路捷径X0越小，则角速度、角加速度越大，反之越小。当目标沿其它方向飞行，也可用类似方法估计目标角速度、角加速度。比较常见的是观测轨道卫星。设卫星轨道高度为H，则轨道运行周期为（分）（27）230R48P其中R为地球半径，则目标轨道线速度为（KM/H）（28）210RH947V最大视线角速度（弧度/秒）（29）MAX/0XVTARCGDT2OSAA202CIN/29表1为不同轨道高度的卫星运行参数表1不同轨道高度的卫星运行参数轨道高度1502003004005001000运行周期PS8748890915945105速度V（KM/S）782779773768762736最大角速度（度/秒）AX299223148110087042如果目标不是经过天顶，而是有一定倾角，则最大角速度还要小些。当然如果目标刚过天顶，采用地平式跟踪架是困难的，此时方位角速度为无穷大。应采用极轴式结构等其形式跟踪架。22捕获的基本技术问题221捕获的技术要求对捕获提出的要求主要有捕获距离、捕获视场（范围）、捕获时间、捕获目标的光学性以及背景特性等。捕获是转入跟踪的前提，所以捕获距离应大于跟踪距离。不同系统要求差别很大，对一般战术目标跟踪，捕获距离只有几十公里，在卫星激光通讯系统中，作用距离要求几万公里。捕获视场即捕获系统所监视的范围。虽然希望捕获视场越大越好，但任何一个传感器视场加大都会使分辨率下降，信噪比降低，进而使识别目标的能力、作用距离降低。为可靠捕获并进行精确跟踪，系统应具备几个不同视场的传感器，大视场用于捕获，中视场用于粗跟踪，小视场用于精跟踪等。捕获时间TA是指当目标进入捕获传感器视场直至传感器送出目标位置信息所需的时间，它主要是传感器响应及信息处理所需时间。初始捕获时由于目标远，信噪比小，往往要经几帧（或几次扫描）以及信息处理后才能从复杂背景或假目标中提取出真实目标信号，这是捕获所需的主要时间。增大捕获距离和视场，减少捕获时间是对捕获系统的主要技术要求。222影响目标捕获的主要因素影响目标捕获的主要因素是大气扰动、背景辐射及干扰、目标辐射（或反射）特性以及传感器灵敏度（噪声）、系统参数性能等。大气扰动使目标在探测器上成象模糊，因而降低了捕获传感器的灵敏度，大气最宁静是在日出和日落两段时间，其余时间影响都较大。背景辐射和干扰降低了信噪比，致使提取信号困难。目标辐射特性和传感器的灵敏度的影响是显而易见的。例如红外探测器灵敏度NEFD（）可按下式计算210021DDA/FNEFD其中AD单元探测器面积；F接收器带宽；A0接收望远镜口径；0光学系统效率；D光谱探测率。传感器信噪比为211NEFDR/JS2A其中J（）为目标辐射强度，A为大气透过率，R为距离。电视系统受背景影响严重，所以只根据灵敏度计算是不够的，还必须计算目标在靶面上的对比度CBE/T其中，ET,EB分别为目标和背景在靶面上的照度。可根据下述公式计算（212）212TKRF/DI1E（213）12B42BF0其中为光学系统摭拦比；I为目标发光强度；R为目标距离；1为光学系统透过率；2为大气透过率；为目标经大气、光学系统到达靶面上引起目标象角弥散均方根值。由红外和电视两个探测器公式可见，传感器信噪比除与目标发光特性、传感器灵敏度有关外，还与大气特性、背景情况以及系统参数有关。在一定信噪比下，能否识别目标或捕获目标，就与信号处理方法有关。简单的信号处理只能在较高的信噪比之下（如S/N35）识别目标，反之则用较为完善的信号处理方法，例如用相关提取、数字滤波等可以在较低的信噪比下（S/NM，且R中含有S，则图象配准误差函数E（M,N）为（416）1INJJ,IS,IR,E如果坐标RM,N与S相对应，则E（M,N）0，否则EM,N0。实际上只要E（M,N）小于一阈值，就可以认为找到了配准点，即此点坐标为目标位置。由于相关跟踪可以利用图象中较多信息，可以识别复杂背景中的目标，也可以从一群相似的飞行物中识别出真正目标，所以相关跟踪有比较突出的优点，尤其是跟踪有特征点的目标能力很强。但此种方法除运算量较大外，也还有一些缺点，主要是基准图象中如有干扰会使跟踪误差加在。所以相关跟踪还应和其它方法配合使用。44提高跟踪传感器精度的途径跟踪传感器包括探测器、信号处理电路及光学系统等三个部分。关于提高光学系统精度问题如加大口径、增长焦距、减小失真等这里不拟讨论。提高跟踪器精度包含两部分工作，即提高静态精度及提高动态精度。提高静态精度主要是减小象元尺寸，提高分辨率，改善线性和减小漂移等。CCD是最有前途的成象跟踪器件，每个象素是独立的，目前名胜素中心距可作到78M，分辨率超过光导摄象管，它的输出可直接数字化并与计算机相联接，不存在漂移和扫描非线性问题。如果象点超过几个象元，利用前面的强度中心算法可将分辨率提高到象素尺寸的几十分之一。如果目标象小于1个象元，可用象点弥散方法使象扩大，再用类似方法求出准确象心位置10。提高传感器动态精度主要是减小探测器滞后、提高信号处理速度及提高采样频率等。在要求响应速度较高的场合，可应用光电二极管探测器阵列。五、高精度控制技术51前馈控制与共轴跟踪在一般闭环控制系统中，提高精度就必须提高增益或者增加积分环节提高无静差度，但这也就使系统稳定性受到影响，甚至破坏。前馈控制则是在闭环控制系统增加一开环控制支路，用以提供输入信号的导数（）（图14），、称此系统为前馈控制或复合控制系统13。图14前馈控制系统（复合控制系统）经简单推导就可以说明前馈控制的作用。设补偿回路G1（S）K1速度回路122ST前馈支路S33若K2K31,则系统为21/TSKSGPC原闭环部分G2（S）为一阶无静差度系统（I型），引进前馈后等效为二阶无静差度系统，可以消除速度滞后误差，类似地当G3（S）还提供加速度信号时，系统还可以等效为三阶无静的差度系统，可以消I除加速度滞后误差等等。复合控制主要用于计算机引导及瞄准控制，国内外都已应用多年，目前许多高精度望远镜对轨道固定的目标如卫星的跟踪都采用前馈控制，即由计算机输出目标的位置和速度信息引导随动系统。在激光、红外和电视等光电跟踪系统中，传感器只能提供目标与传感器视轴之间的偏差，即跟踪误差，没有给出目标空间坐标位置，自然也没有目标运动的速度、加速度等导数信号，所以无法直接实现前馈控制。目前多用速度滞后补偿方法，但它不是真正的复合控制，提高精度有限13。由于目标位置I为仪器位置0与跟踪误差之和，即（51）0I目标速度（52）DTI/0显然用计算机进行上述运算就可构成，此种系统称为计算机辅助跟踪系统或等效复合控制系统。图14只是个原理图。实际上存在两个问题。一是大多数传感器（包括处理电路）都有一定惰性，所以测得的跟踪误差不是与的实时差，因而也不能简单地把与合成。另一个问题是直I00接用微分方法求速度干扰较大。有文献对这些问题作了较全面分析，这里不拟重复。概括讲就是要克服或校正传感器惰性、进行坐标变换，采用数据滤波方法计算目标速度等。如果计算机同时提供目标位置和速度等信息，后面完全是一个数字随动系统，则此光电跟踪方式称为共轴跟踪（ONAXISTRACKING）图15。共轴跟踪将跟踪器与随动系统分成各自独立的回路，随动系统选择带宽可以不考虑跟踪器因素，反之亦然。二者均可选择最佳参数。此外，用滤波预测不仅可以预测目标位置，还可以修正动态滞后误差。所以共轴跟踪系统精度较高，特别适合干扰较为严惩的环境。图15共轴跟踪系统最后要说明一点，前馈控制不仅可以降低由于目标运动而引起的动态滞后误差，而且可以降低由于其它扰动如不平衡力矩引起的误差，只要将扰动测出并通过适当模型馈入即可。所以，也可将前馈控制称为扰动调节。51滤波预测技术滤波预测技术在跟踪瞄准系统中有多种用途，在图象处理和数据处理中可滤除干扰和噪声识别目标，跟踪中可预测目标位置和速度等运动参数，在前面介绍的复合控制以及共轴跟踪等系统中都要用数据滤波预测技术。常用的数据滤波方法有四种，即有限记忆最小平方滤波，常增益最优递推滤波（滤波），自适应滤波和卡尔曼滤波。四种方法各有优缺点。有限记忆滤波是用靠近现有的时刻的N个带有随机噪声的测量数据（如I）估计现在时刻或预测未来时刻滤波值，并使滤波的均方误差最小。此种滤波又称多项式滤波。位置和速度滤波预测值均为N个测量数据的线性函数（53）IKA|J1N0I（54）IKB|JKI1N0AI、BI分别为位置和速度滤波因子，J为预测步数，N为记忆点数，AI、BI可根据无偏和方差最小这两个条件求出。文献21详细讨论了有限记忆滤波器的特点。其方法简单，但精度有限。记忆点数越多，则滤除随机干扰的能力越强，但却使新数据作用减弱，因而在目标机动性加强时，滤波效果不佳。为克服记忆点数多不能适应目标机动性、而点数少滤除随机干扰效果差的缺点，可将两组不同点数预测结果、按加权组合，这样可得较高精度。即合成滤波值为12（55）21KK1、K2分别为两种滤波方法加权系数，可根据二滤波预测方差1、2实时计算（56）21（57）1212常增益最优递推滤波不必记忆多个历史数据，只用当前时刻测量值就可以依次计算出滤波估值和预测值。滤波方程为（58）1N|1N|（59）|T|（510）|2|预测方程为（511）2|1NTN（512）|（513）N|1式中为N时刻采样测量值，、表示N时刻滤波估值，、N1N表示N时刻预测N1时刻值。此方法又称为滤波增益，它们可用临界阻尼、最佳选择方法和卡尔曼稳态增益三种方法计算。一般可用最佳选择法，它可使在给定暂态响应要求的条件下使噪声获得最大滤波。滤波性能比有限记忆滤波效果略好。但总的来讲，上述两种滤波方法简单，但精度有限，适于中等精度系统和计算速度有限时应用。卡尔曼滤波也叫最佳线性递推滤波，是六十年代现代控制理论重大发展。它是用状态转移法把干扰与信号看成是一个动力学系统，噪声看成该动力学系统的一个状态，然后用统计特性估算出它的大小，再从信号中把它滤除，得到信号的真值。设目标运动测量值为，预测值为，则最佳估值为N1N（514）|1|KN其中K为卡尔曼滤波增益。上式与滤波形式是相同的，但这里的K是用递推方法计算的。（514）式的意义是目标的最佳估值是预测值与测量值的线性组合，只是K值是变化的。由于可N是一个矩阵，所以K也将是一个矩阵，称为最佳权值阵。卡尔曼滤波就是根据已知的运动方程、已知的初始条件、初始状态误差及每次测量误差统计量和测量值，可逐次算出最佳权值阵、预测值和滤波值（或阵）。卡尔曼滤波主要优点是精度高。高精度跟踪预测大多是用卡尔慢滤波，美国激光武器系统中就应用卡尔曼滤波计算目标轨迹、作瞄准修正等。但应用卡尔曼滤波困难也较多，一是运算量大，其次是要求目标运动模型，误差统计模型比较准确，否则不仅滤波精度低，甚至会导致滤波器发散，即误差越来越大。自适应滤波是对上述一些滤波方法修正，就不分析了。52时间最优控制（最佳控制）在跟踪系统中要求尽快捕获目标并且过渡过程无超调（见图10），也就是系统从一个状态转移到另一个状态，使目标函数（515）TDTJ0为最小，这便是时间最优控制问题。最优控制几乎都是用计算机实现的。例如在捕获目标时，计算机要根据目标运动速度、用最优控制理论在位置误差和速度误差平面上确定一条最佳转换曲线，然后再根据仪器与目标之间相对运动参数求出加速时间及减速时间，再控制电机动作，实现最佳捕获。最优控制虽然理论是可行的，但在高精跟踪系统应用还有些问题。主要是由于对象模型误差和数字控制采样周期等原因使实际系统很难准确达到“最优”，其次最优系统在稳态精度不高。为了实现过渡过程快而稳态精度又高，可以采用“双模控制”方式工作。即调节对象按线性和开关两种控制方式工作。当误差超出一定区域时系统以开关方式工作，以便迅速减小误差，当系统进入转换区域后转入线性控制，使误差迅速接近0。在稳定跟踪时，由于处于线性控制状态，因而误差很小。美国多反射镜望远镜MMT设计了一个准最优控制定值时积分器不工作，而是用位置误差平方根控制速度回路，它将产生一个具有恒定加速度的抛物线轨迹，使位置误差和速度误差同时到达0。MMT的过渡过程十分平稳，跟踪精度达到15角秒，为地面设备最高水平。53自适应控制我们已经分析了摩擦力矩的影响，除了可能使系统低速时产生反复滑动外，仪器调转时还可能使系统产生“尖峰”跟踪误差。可以采用自适应控制减小摩擦力矩影响。如用摩擦力矩参考模型前馈就可以明显降低摩擦力矩的影响。有文献介绍一个光学跟踪望远镜应用自适应控制实例。采用自适应控制可以有效地补偿对象的参数变化及摩擦力矩的非线性影响，在速度过零时基本可消除静摩擦造成的死区，整修跟踪过程误差明显减小，跟踪精度大约提高6倍。54具有自适应光学的高精度跟踪瞄准系统541自适应光学与精密跟踪大气湍流造成大气抖动，致使目标发出的光到跟踪望远镜时其波前发生变化且有抖动，跟踪传感器接收的目标象变得模糊，因而产生了跟踪误差。这便是大气抖动的影响。文献1中用一图来说明在地面大型望远镜中，当采用视轴稳定系统后，最严重的抖动就是大气抖动。根据目前技术，在外层空间高精度跟踪瞄准系统精度可达0205微弧度，而地面跟踪设备最高精度也只有58微弧度，其原因主要是大气扰动的限制。为克服大气扰动影响，可采用自适应光学系统。系统主要由波前探测器、控制系统、变形反射镜及光学系统等组成。波前探测器可检测出波前失真，然后由控制系统产生信号驱动变形反射镜以补偿波前失真。校正后的波束入射到跟踪探测器上可得高分辨率的目标象、提高了探测精度，亦即可以提高跟踪精度。这便是采用自适应光学的精密跟踪瞄准系统的基本类型。实际上自适应光学系统不仅可以改善图象质量，而且可以极其精确地探测目标位置，并可快速精确地跟踪目标。自适应光学系统控制带宽大约是01至数百赫兹。所以它用的传感器和变形反射镜驱动部件的响应都非常快，采样频率都是取数百赫乃至数千赫，变形反射镜大多是用压电陶瓷驱动，不仅响应快而且控制极其精确。由此可见自适应光学系统不仅可精确测量目标位置，而且可以快速跟踪目标。从这个意义上讲它也是一种高精度跟踪系统。但是自适应光学系统却不能作为一个独立的跟踪系统工作，其原因是两点。一是探测器视场小。作为自适应光学系统，它必须尽量校正来自目标光的波前，目标越充满探测器越好，所以波前探测器视场都很小，很难满足跟踪系统需要。第二点是变形反射镜驱动范围太小，一般压电陶瓷工作范围只有几十微米，校正波前失真是足够的，但同时再校正跟踪误差则很有限。所以凡是跟踪运动目标的自适应光学望远镜必须有跟踪系统。如果能将自适应光学系统与跟踪系统结合起来，则可以构成性能极其优异的光电跟踪系统。542具有自适应光学的精密跟踪系统可用三种方案工作。具有自适应光学的精密跟踪系统可用三种方案工作。1、波前控制与跟踪控制各自采用独立控制回路，亦即图33所示系统。此时波前控制系统可对部分跟踪误差，尤其是对高频部分跟踪误差进行校正。这是最基本方法。2、用波前传感器代替精跟踪传感器，用分频方法分别控制机架（05HZ）、子反射镜（550HZ）及变形镜（50500HZ）。此方案正如前述，由于视场太小很难应用。3、波前传感器与跟踪传感器结合使用。方案3的优点在于它既充分发挥变形镜响应快的优点，又充分利用跟踪系统机架活动范围大的长处，所以比较现实可行，跟踪性能将超过现有的复合轴系统。目前国际上只有少数专家研究自适应光学与精密跟踪系统相结合的问题，也尚无正式系统公开问世，在理论与技术上还有不少问题。其中一个主要难点在于跟踪回路与波前控制回路互相耦合，如何控制、如何去耦、如何解决精度与稳定性等问题都需进行分析研究。尽管如此，采用自适应光学的跟踪系统仍是极有前途的跟踪系统。55其它高精度控制技术551高精度轴角测量为实现高精度瞄准，必须精确测量仪器角度（方位角及高低角等），它是由轴角编码器完成的。目前主要采用感应同步器和光学轴角编码器两种，无论哪种也都是采用电子学细分方法提高分辨率和测量精度。美国法兰德感应同步器（FARRANDINDUCTOSYN）分辨率为47NRAD，相当于26位。据报导美国分辨率最高的编码器为27位。但测角精度也只达到1角秒（5RAD）左右。高分辨率编码器除测角外，可用以测速。在要求测角精度更高的场合可采用如干涉计量等方法测量。快速反射镜的角位置可用动电容传感器测量。552柔性控制对于特殊大型的光学跟踪设备，为了提高结构谐振频率可能导致结构变重变大，甚至无法接受。国际上已开始应用另外一种比较完善的方法，即柔性控制技术。可以保持原结构的柔性，而用一个多输入多输出的数字控制系统，控制视轴而不是机架。美国在一大型跟踪系统上作了尝试。柔性控制要求在结构分析和控制系统分析之间建立一套严格的数学关系，显然应用此项技术难度是很大的。当然如果能成功地应用柔性控制，就可以使一个小而轻的结构比大而重的结构有更好的性能。553计算机控制前面各节提到的控制和信息处理都是用计算机实现的，所以计算机控制和信息处理是跟踪系统的关键技术之一。由于高精度跟踪瞄准系统要处理的信息量大、采样频率又高，所以提高运算速度至关重要。除采用尽可能高的速度的计算机外，主要应将功能分散，采用多机并行系统，提高软件功能，软件硬化及研制专用机等。由于超大规模集成电路发展，集成度越来越高，速度也越来越快，这些都经计算机在高精度跟踪瞄准系统中应用带来了充分的条件，也使计算机控制性能越来越好。6结论光电捕获跟踪瞄准系统是一个包括光电探测、信号处理、控制系统、光学系统及精密机架等几个部分组成的复杂设备，它涉及的技术问题也是多方面的。根据上面分析，我们可得同下列几点结论。1、对捕获跟踪瞄准系统的主要技术要求，除了使用因素外主要是根据目标特性提出来的。即由物理特性、几何特性和运动特性提出。最基本的要求是捕获范围（视场）、作用距离；跟踪瞄准精度；捕获跟踪瞄准的响应速度。2、跟踪系统是捕获跟踪与瞄准设备的核心，跟踪精度与响应速度是系统关键，也是整个捕获跟踪瞄准系统中最主要的技术问题。其中应注意的是决定精度和响应速度的因素包括光电跟踪传感器、机架及控制系统，所以要改善这两个性能也必须从几方面着手。系统频带与精度和响应速度直接相关，频带宽可使系统误差减小，响应速度提高。但频带受到结构谐振频率、采样频率、电机加速能力以及噪声等限制。提高跟踪精度措施很多，不同的系统误差不同，不同精度采取的措施也不一样。表4列出了跟踪精度与关键技术的关系，说明了提高跟踪瞄准系统性能的途径。3、光学系统及机架是跟踪系统的基础高精度机架应是刚度高、稳定性好、摩擦力矩小、直接驱动的结构。高精度快速系统可采用复合轴结构。高精度跟踪系统视轴应是稳定的。对于地面大型固定系统应稳定光学系统视轴，对于运动式系统应采用惯性稳定分系统，使跟踪视轴与基座运动或震动等相隔离。4、捕获跟踪传感器是决定系统探测能力（作用距离）、视场、跟踪精度等关键因素。不同的光电跟踪手段（红外、电视或CCD、激光等）有不同用途，但可互相补充，互相转换，应根据目标特性，精度要求等选择。成象跟踪是广泛应用的一项技术，CCD是最有前途的成象跟踪器件，精度高、滞后小、灵敏度高是其主要优点。激光跟踪是一种有源跟踪手段，在某些高精度系统（如强激光发射）中应用可使系统校正简单。5、改善控制特性是提高跟踪性的重要措施控制系统可以消除或减小由于目标运动或内外扰动引起的误差。改善控制系统性能的基本措施是提高系统增益、提高系统无静差度（复合控制或增加积分环节）、采用力矩电机直接驱动及提高采样频率等。为进一步克服噪声、摩擦力矩、减小过渡误差应采用共轴跟踪、最优控制、自适应控制和柔性控制技术等。6、自适应光学技术与跟踪控制系统相结合，可构成精度非常高的跟踪系统，是克服大气扰动影响根本的措施，也是很有前途的跟踪系统。我国开展光电捕获跟踪与瞄准技术研究工作已有多年，也有一定水平，但与国际先进水平相比以及与今后要求相比还有较大差距，我们应不断加强这方面理论与应用的研究工作，满足日益发展的需要，赶超世界先进水平。第三章跟踪架结构模式分析从字面上讲，跟踪架可以比作观察自然界某一事物的视觉器官。从工程上讲，跟踪架是指跟踪空间某一机动目标