紅外跟蹤測量系統(tǒng)動態(tài)精度偏置檢測方法研究

李桂芝，鄭 重，呂 瑤，鐘 輝

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紅外跟蹤測量系統(tǒng)動態(tài)精度偏置檢測方法研究

李桂芝1，鄭 重1，呂 瑤1，鐘 輝2

（1.92941部隊91分隊，遼寧 葫蘆島 125000；2.78336部隊，云南 昆明 650211）

利用動態(tài)精度靶標能夠確定被檢測光電經(jīng)緯儀回轉中心的空間位置。提出了動態(tài)精度偏置檢測方法，實現(xiàn)對非中心紅外跟蹤系統(tǒng)動態(tài)角測量精度的檢測，由于不需要在軸端鏡頭上加裝分光鏡組，不改變系統(tǒng)的轉動慣量，提升了非中心系統(tǒng)的動態(tài)檢測精度。對檢測數(shù)據(jù)處理，驗證了該方法的有效性，并在某型光電經(jīng)緯儀檢測中得到應用。

動態(tài)精度靶標；光電經(jīng)緯儀；回轉中心；偏置檢測；紅外測量系統(tǒng)

0 前言

光電經(jīng)緯儀是集成了光、機、電、算的復雜精密光學測量儀器，是靶場外導彈測量的重要技術手段之一。為了實現(xiàn)光電經(jīng)緯儀的“一機多用”功能，通常需要在經(jīng)緯儀的跟蹤架上安裝多種類型的鏡頭，滿足其在可見光和紅外波段同時對目標的跟蹤、測量和攝錄像的需要，通過合理分布鏡頭在跟蹤架上的安裝位置（通常采取中心和兩端對稱分布結構），能夠確保跟蹤架旋轉的動平衡。光電經(jīng)緯儀的測角精度是指光電經(jīng)緯儀測量目標的方位角、俯仰角測量值與目標真值的偏離程度，測角精度[1-3]是評價光電經(jīng)緯儀性能的重要技術指標。為了保證其外場測量精度，在室內(nèi)定期進行檢測并對設備進行調整是必要的[4]。動態(tài)精度靶標[5]能夠提供運動目標，將經(jīng)緯儀位于橫軸中心的鏡頭安放在動態(tài)精度靶標的光錐點上，即光電經(jīng)緯儀的回轉中心與光錐點重合，可以檢測其動態(tài)精度，但是，對于橫軸兩端的紅外跟蹤鏡頭偏離光電經(jīng)緯儀的回轉中心，因此不能夠看到任何位置的動態(tài)靶標目標。通常，在光電經(jīng)緯儀的鏡頭上加裝分光鏡組，將入射到回轉中心的光線反射到軸端紅外鏡頭，然而，這不僅改變了光電經(jīng)緯儀的轉動慣量，導致測試配重非常麻煩；而且，加裝分光鏡組將引入較大的誤差，影響了檢測結果的可信度。所以，提出了紅外跟蹤偏置測量法，實現(xiàn)對經(jīng)緯儀非中心紅外測量系統(tǒng)進行動態(tài)精度檢測。

1 動態(tài)精度偏置檢測方法

偏置檢測方法，即把經(jīng)緯儀的回轉中心從光錐點的位置偏移，偏移量等于軸端紅外跟蹤測量系統(tǒng)的臂長，這樣，軸端紅外測量系統(tǒng)的中心就落在光錐點上，因紅外視軸離中心望遠鏡距離較短，可以滿足動態(tài)精度靶標2/3運動周期的光源能夠進入視場，使軸端紅外跟蹤測量系統(tǒng)對變速目標跟蹤精度及動態(tài)測角精度的檢測成為可能[6-7]。

1.1 回轉中心位置計算

動態(tài)精度靶標檢測設備如圖1所示，該設備主要由控制柜、支撐架、編碼器、旋轉軸、平行光管和反射鏡構成。其中，靶標由平行光管和反射鏡組成，通過調節(jié)反射鏡的角度，能夠改變反射平行光與旋轉軸之間的夾角，平行光管和反射鏡繞旋轉軸做周期旋轉運動，能夠提供精確的動態(tài)空間角位置信息，如圖2所示，為動態(tài)精度靶標在某一時刻的反射光、光軸和水平面的角位置關系圖，反射的平行光與旋轉軸夾角為，旋轉軸與水平面夾角為，動態(tài)精度靶標的旋轉角速度為，反射平行光與旋轉軸的交點即為光錐點，當動態(tài)精度靶標形成的光錐點與被檢測經(jīng)緯儀的回轉中心位置重合時，動態(tài)精度靶標的反射鏡繞軸心旋轉到任何位置，均能夠在被測設備視場中成清晰地圖像[8]。

圖1 動態(tài)精度靶標檢測設備示意圖

圖2 動態(tài)精度靶標角度的示意圖

在自動跟蹤狀態(tài)下，靶標與經(jīng)緯儀之間坐標關系如圖3所示，由球面三角形SZR可得：

cos(90°－)＝cos×cos(90°－)＋

sin×sin(90°－)×cos(1)

即得：sin＝cos×sin＋sin×cos×cos(2)

同理可得：sin＝(sin/cos)×sin(3)

、就是經(jīng)緯儀的瞬時方位角和俯仰角，也表示了它們和靶標的轉速之間關系。

圖3 靶標與經(jīng)緯儀之間坐標關系

通過將動態(tài)精度靶標旋轉到最高點和最低點，用徠卡全站儀能夠測出經(jīng)緯儀俯仰角分別為1和2，因此，有＝(1－2)/2，＝2＋，可得出＝21.54°，＝41.13°，根據(jù)動態(tài)精度靶標的機械結構參數(shù)，可獲得回轉中心點的坐標為(2062, 2081)，其中，2062為動態(tài)精度靶標底座中心距離經(jīng)緯儀回轉中心的水平距離，2081為回轉中心點距離水平面的垂直距離，因動態(tài)精度靶標底座中心和一只底腳的聯(lián)機與動態(tài)精度靶標旋轉臂在水平面上投影的夾角為45°，用測角儀測出45°方向，沿該方向距離為2062 mm，高度為2081 mm的點就是被測光電經(jīng)緯儀回轉中心的空間位置。

1.2 靶標動態(tài)精度標定

利用高精度經(jīng)緯儀對靶標的靜態(tài)測角精度進行標定；在動態(tài)靶標旋轉軸上，旋轉軸頭部安裝一片平面反射鏡，平面反射鏡鏡面與靶標旋轉軸互相垂直，利用動態(tài)自準直儀準直平面反射鏡，靶標分別以80°/s和25°/s旋轉，動態(tài)自準直儀分別記錄不同旋轉速度下的監(jiān)測資料，統(tǒng)計次數(shù)不少于20次，根據(jù)出所檢測結果，能夠計算得到平面反射鏡的動態(tài)增量為3.62。將動態(tài)增量值代入公式(4)能夠分別得到平面反射鏡的瞬間方位角和俯仰角的動態(tài)精度。

經(jīng)計算得：動＝4.622，動＝4.692。

2 偏置跟蹤測量和數(shù)據(jù)處理

2.1 經(jīng)緯儀位置調整

根據(jù)偏置跟蹤測量系統(tǒng)與經(jīng)緯儀三軸中心的位置關系計算光電經(jīng)緯儀的放置位置，使偏置跟蹤測量系統(tǒng)能夠盡量多地跟蹤動靶標，慢速轉動靶標，觀察所跟蹤的圖像，在能觀測到的位置成像清晰。

2.2 時統(tǒng)對時

動靶標的時碼鐘能夠輸出B碼，用B碼同步被檢測經(jīng)緯儀，被測經(jīng)緯儀和靶標就有統(tǒng)一的時間基準，建立同步關系。

2.3 跟蹤測試

根據(jù)被檢經(jīng)緯儀保精度角速度和保精度角加速度的要求，通過計算機仿真計算出滿足測量要求的靶標轉速。

在主控計算機接口中輸入靶標旋轉一周的時間和靶標啟動時間，啟動靶標開始運轉。被測經(jīng)緯儀自動跟蹤靶標目標，直至穩(wěn)定跟蹤后，被測裝備和靶標同時進行數(shù)據(jù)記錄，把動態(tài)精度靶標的編碼器初始值設為＝180°（即動態(tài)精度靶標的最高點），按照周期為60ms，啟動時間為20ms勻速運轉。由于采用偏置法檢測，且動態(tài)靶標中光源采用的是帶有中心遮擋的反射式平行光管，當動態(tài)精度靶編碼器顯示的角度為＝69°左右時，會因為進入紅外測量光學系統(tǒng)視場內(nèi)的光強度不夠，而無法跟蹤到目標。當動態(tài)靶標重新回到最高點時，可重復進行測量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

將被測裝備記錄的數(shù)據(jù)通過串行數(shù)據(jù)通訊口傳輸給靶標的主控計算機，主控計算機通過軟件計算給出動態(tài)測角精度檢測結果，如表1所示。

取3組資料的平均值，即可得出該紅外跟蹤測量系統(tǒng)的動態(tài)精度和跟蹤精度[9-10]。根據(jù)記錄的動態(tài)精度靶標和紅外跟蹤測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)繪制出動態(tài)方位角和動態(tài)俯仰角測量曲線，分別如圖4和圖5所示。

表1 紅外跟蹤測量系統(tǒng)動態(tài)精度和跟蹤精度檢測結果表

圖4 動態(tài)方位角測量曲線

圖5 動態(tài)俯仰角測量曲線

Fig.5 Dynamic pitch angle measurement curve

3 結果分析

通常，檢測設備的精度是被檢測設備精度的3～10倍，所以動態(tài)精度檢測靶標能夠用來檢測該紅外跟蹤測量系統(tǒng)，因對動態(tài)精度靶標的動態(tài)精度進行標定，其動態(tài)測角精度≤5″。

被檢測紅外跟蹤測量的技術指標和實際檢測結果對比如表2所示。綜合表1、表2和圖4，可以得出該紅外跟蹤測量系統(tǒng)的測角精度和跟蹤精度滿足技術指標要求；紅外跟蹤測量系統(tǒng)動態(tài)精度偏置檢測方法可行、有效，檢測精度高，能夠滿足靶場試驗內(nèi)場經(jīng)緯儀檢測的要求。

4 結論

根據(jù)光電經(jīng)緯儀跟蹤架和鏡頭的機械結構，通過偏置使位于軸端的紅外跟蹤測量鏡頭的中心與靶標光錐點重合，實現(xiàn)了對靶標2/3回轉周期的動態(tài)跟蹤測量，通過對比檢測數(shù)據(jù)處理結果與技術指標，驗證了該方法的可行性，并在某型號光電經(jīng)緯儀紅外跟蹤測量系統(tǒng)的檢測中得到了應用，這為光電測量設備非中心跟蹤測量系統(tǒng)測角精度和跟蹤精度的內(nèi)場檢測提供了新方法和新思路。

表2 檢測值與參考值對比

[1] 薛軍, 鄒建華, 張永亮. 紅外跟蹤測量系統(tǒng)圖像處理電路的設計[J]. 紅外技術, 2014, 36(8) : 652-655.

XUE Jun, ZOU Jianhua, ZHANG Yongliang. Design of image processing circuit in infrared tracking and measuring system[J]., 2014, 36(8): 652-655.

[2] 杜俊峰, 張孟偉, 張曉明. 光電經(jīng)緯儀測角精度分析[J]. 應用光學, 2012, 33(3): 466-473.

DU Junfeng, ZHANG Mengwei, ZHANG Xiaoming. Research on the angle measurement accuracy of photoelectric theodolite[J]., 2012, 33(3): 466-473.

[3] 閆海霞, 劉巖俊, 王東鶴. 大視場紅外光電經(jīng)緯儀精度標定[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(3): 832-836.

YAN Haixia, LIU Yanjun, WANG Donghe. Accuracy calibration of large field infrared photoelectric theodolite[J]., 2015, 44(3): 832-836.

[4] 柴敏, 胡紹林, 張偉. 靶場光電經(jīng)緯儀跟蹤精度評估技術[J]. 飛行器測控學報, 2013, 32(5): 403-407.

CHAI Min, HU Shaolin, ZHANG Wei. The range of photoelectric theodolite tracking accuracy evaluation[J]., 2013, 32(5): 403-407.

[5] 何照才, 胡保安. 光學測量系統(tǒng)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002: 1-66.

HE Zhaocai，HU Baoan.[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2002: 1-66.

[6] 張寧, 沈湘衡, 楊亮, 等. 利用動態(tài)靶標諧波特性評價光電經(jīng)緯儀的跟蹤性能[J]. 光學精密工程, 2010, 18(6): 1286-1293.

ZHANG Ning, SHEN Xiangheng, YANG Liang, et al. Evaluation of tracking performance of photoelectric theodolite by using dynamic target with harmonic property[J]., 2010, 18(6): 1286-1293.

[7] 劉利生. 外彈道測量數(shù)據(jù)處理[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002: 30-60.

LIU Lisheng.[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2002: 30-60.

[8] 王家騏. 光學儀器總體設計[M]. 長春: 中國長春光機所, 2003: 93-110.

WANG Jiaqi.[M]. Changchun: Changchun Institute of Optics, 2003: 93-110.

[9] 趙學顏, 李迎春. 靶場光學測量[M]. 北京: 裝備指揮學院, 2001: 1-75.

ZHAO Xueyan, LI Yingchun.[M]. Beijing: Academy of equipment command, 2001: 1-75.

[10] 費業(yè)泰. 測量理論與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000: 10-55.

FEI Yetai.[M]. Beijing: China Machine Press, 2000: 10-55.

Research on the Dynamic Accuracy of Infrared Tracking and Measuring System by Offsetting Detection Method

LI Guizhi1，ZHENG Zhong1，LVYao1，ZHONG Hui2

(1.91t92941,125000,;78336650211,)

Taking advantage of dynamic precision targets can confirm the rotation center of the photo-electric theodolite. The dynamic accuracy by offsetting detection method was put forward, and the precision of dynamic angle measurement on non-center infrared tracking and measurement system were obtained. Because split lens is not needed to install at the end of the roller, and the rotational inertia is not changed, the dynamic detection accuracy of non-center system was improved. The data was processed to verify the effectiveness of the method, which has been applied to test a certain type of photo-electric theodolite system.

dynamic precision target，photo-electric theodolite，rotating center，offsetting detection，infrared measurement system

TN216

A

1001-8891(2016)07-0561-04

2016-03-09；

2016-04-21.

李桂芝（1967-），女，山東壽光人，漢族，碩士，高級工程師，研究方向為光電測量技術。E-mail：zhengzhong24@yeah.net。