红外跟踪测量系统动态精度偏置检测方法研究

李桂芝，郑 重，吕 瑶，钟 辉



红外跟踪测量系统动态精度偏置检测方法研究

李桂芝1，郑 重1，吕 瑶1，钟 辉2

（1.92941部队91分队，辽宁 葫芦岛 125000；2.78336部队，云南 昆明 650211）

利用动态精度靶标能够确定被检测光电经纬仪回转中心的空间位置。提出了动态精度偏置检测方法，实现对非中心红外跟踪系统动态角测量精度的检测，由于不需要在轴端镜头上加装分光镜组，不改变系统的转动惯量，提升了非中心系统的动态检测精度。对检测数据处理，验证了该方法的有效性，并在某型光电经纬仪检测中得到应用。

动态精度靶标；光电经纬仪；回转中心；偏置检测；红外测量系统

0 前言

光电经纬仪是集成了光、机、电、算的复杂精密光学测量仪器，是靶场外导弹测量的重要技术手段之一。为了实现光电经纬仪的“一机多用”功能，通常需要在经纬仪的跟踪架上安装多种类型的镜头，满足其在可见光和红外波段同时对目标的跟踪、测量和摄录像的需要，通过合理分布镜头在跟踪架上的安装位置（通常采取中心和两端对称分布结构），能够确保跟踪架旋转的动平衡。光电经纬仪的测角精度是指光电经纬仪测量目标的方位角、俯仰角测量值与目标真值的偏离程度，测角精度[1-3]是评价光电经纬仪性能的重要技术指标。为了保证其外场测量精度，在室内定期进行检测并对设备进行调整是必要的[4]。动态精度靶标[5]能够提供运动目标，将经纬仪位于横轴中心的镜头安放在动态精度靶标的光锥点上，即光电经纬仪的回转中心与光锥点重合，可以检测其动态精度，但是，对于横轴两端的红外跟踪镜头偏离光电经纬仪的回转中心，因此不能够看到任何位置的动态靶标目标。通常，在光电经纬仪的镜头上加装分光镜组，将入射到回转中心的光线反射到轴端红外镜头，然而，这不仅改变了光电经纬仪的转动惯量，导致测试配重非常麻烦；而且，加装分光镜组将引入较大的误差，影响了检测结果的可信度。所以，提出了红外跟踪偏置测量法，实现对经纬仪非中心红外测量系统进行动态精度检测。

1 动态精度偏置检测方法

偏置检测方法，即把经纬仪的回转中心从光锥点的位置偏移，偏移量等于轴端红外跟踪测量系统的臂长，这样，轴端红外测量系统的中心就落在光锥点上，因红外视轴离中心望远镜距离较短，可以满足动态精度靶标2/3运动周期的光源能够进入视场，使轴端红外跟踪测量系统对变速目标跟踪精度及动态测角精度的检测成为可能[6-7]。

1.1 回转中心位置计算

动态精度靶标检测设备如图1所示，该设备主要由控制柜、支撑架、编码器、旋转轴、平行光管和反射镜构成。其中，靶标由平行光管和反射镜组成，通过调节反射镜的角度，能够改变反射平行光与旋转轴之间的夹角，平行光管和反射镜绕旋转轴做周期旋转运动，能够提供精确的动态空间角位置信息，如图2所示，为动态精度靶标在某一时刻的反射光、光轴和水平面的角位置关系图，反射的平行光与旋转轴夹角为，旋转轴与水平面夹角为，动态精度靶标的旋转角速度为，反射平行光与旋转轴的交点即为光锥点，当动态精度靶标形成的光锥点与被检测经纬仪的回转中心位置重合时，动态精度靶标的反射镜绕轴心旋转到任何位置，均能够在被测设备视场中成清晰地图像[8]。

图1 动态精度靶标检测设备示意图

图2 动态精度靶标角度的示意图

在自动跟踪状态下，靶标与经纬仪之间坐标关系如图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)

、就是经纬仪的瞬时方位角和俯仰角，也表示了它们和靶标的转速之间关系。

图3 靶标与经纬仪之间坐标关系

通过将动态精度靶标旋转到最高点和最低点，用徕卡全站仪能够测出经纬仪俯仰角分别为1和2，因此，有＝(1－2)/2，＝2＋，可得出＝21.54°，＝41.13°，根据动态精度靶标的机械结构参数，可获得回转中心点的坐标为(2062, 2081)，其中，2062为动态精度靶标底座中心距离经纬仪回转中心的水平距离，2081为回转中心点距离水平面的垂直距离，因动态精度靶标底座中心和一只底脚的联机与动态精度靶标旋转臂在水平面上投影的夹角为45°，用测角仪测出45°方向，沿该方向距离为2062 mm，高度为2081 mm的点就是被测光电经纬仪回转中心的空间位置。

1.2 靶标动态精度标定

利用高精度经纬仪对靶标的静态测角精度进行标定；在动态靶标旋转轴上，旋转轴头部安装一片平面反射镜，平面反射镜镜面与靶标旋转轴互相垂直，利用动态自准直仪准直平面反射镜，靶标分别以80°/s和25°/s旋转，动态自准直仪分别记录不同旋转速度下的监测资料，统计次数不少于20次，根据出所检测结果，能够计算得到平面反射镜的动态增量为3.6²。将动态增量值代入公式(4)能够分别得到平面反射镜的瞬间方位角和俯仰角的动态精度。

经计算得：动＝4.62²，动＝4.69²。

2 偏置跟踪测量和数据处理

2.1 经纬仪位置调整

根据偏置跟踪测量系统与经纬仪三轴中心的位置关系计算光电经纬仪的放置位置，使偏置跟踪测量系统能够尽量多地跟踪动靶标，慢速转动靶标，观察所跟踪的图像，在能观测到的位置成像清晰。

2.2 时统对时

动靶标的时码钟能够输出B码，用B码同步被检测经纬仪，被测经纬仪和靶标就有统一的时间基准，建立同步关系。

2.3 跟踪测试

根据被检经纬仪保精度角速度和保精度角加速度的要求，通过计算机仿真计算出满足测量要求的靶标转速。

在主控计算机接口中输入靶标旋转一周的时间和靶标启动时间，启动靶标开始运转。被测经纬仪自动跟踪靶标目标，直至稳定跟踪后，被测装备和靶标同时进行数据记录，把动态精度靶标的编码器初始值设为＝180°（即动态精度靶标的最高点），按照周期为60ms，启动时间为20ms匀速运转。由于采用偏置法检测，且动态靶标中光源采用的是带有中心遮挡的反射式平行光管，当动态精度靶编码器显示的角度为＝69°左右时，会因为进入红外测量光学系统视场内的光强度不够，而无法跟踪到目标。当动态靶标重新回到最高点时，可重复进行测量。

2.4 数据处理

将被测装备记录的数据通过串行数据通讯口传输给靶标的主控计算机，主控计算机通过软件计算给出动态测角精度检测结果，如表1所示。

取3组资料的平均值，即可得出该红外跟踪测量系统的动态精度和跟踪精度[9-10]。根据记录的动态精度靶标和红外跟踪测量系统的数据绘制出动态方位角和动态俯仰角测量曲线，分别如图4和图5所示。

表1 红外跟踪测量系统动态精度和跟踪精度检测结果表

图4 动态方位角测量曲线

图5 动态俯仰角测量曲线

Fig.5 Dynamic pitch angle measurement curve

3 结果分析

通常，检测设备的精度是被检测设备精度的3～10倍，所以动态精度检测靶标能够用来检测该红外跟踪测量系统，因对动态精度靶标的动态精度进行标定，其动态测角精度≤5″。

被检测红外跟踪测量的技术指标和实际检测结果对比如表2所示。综合表1、表2和图4，可以得出该红外跟踪测量系统的测角精度和跟踪精度满足技术指标要求；红外跟踪测量系统动态精度偏置检测方法可行、有效，检测精度高，能够满足靶场试验内场经纬仪检测的要求。

4 结论

根据光电经纬仪跟踪架和镜头的机械结构，通过偏置使位于轴端的红外跟踪测量镜头的中心与靶标光锥点重合，实现了对靶标2/3回转周期的动态跟踪测量，通过对比检测数据处理结果与技术指标，验证了该方法的可行性，并在某型号光电经纬仪红外跟踪测量系统的检测中得到了应用，这为光电测量设备非中心跟踪测量系统测角精度和跟踪精度的内场检测提供了新方法和新思路。

表2 检测值与参考值对比

[1] 薛军, 邹建华, 张永亮. 红外跟踪测量系统图像处理电路的设计[J]. 红外技术, 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, 张孟伟, 张晓明. 光电经纬仪测角精度分析[J]. 应用光学, 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] 闫海霞, 刘岩俊, 王东鹤. 大视场红外光电经纬仪精度标定[J]. 红外与激光工程, 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, 胡绍林, 张伟. 靶场光电经纬仪跟踪精度评估技术[J]. 飞行器测控学报, 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. 光学测量系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002: 1-66.

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

[6] 张宁, 沈湘衡, 杨亮, 等. 利用动态靶标谐波特性评价光电经纬仪的跟踪性能[J]. 光学精密工程, 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] 刘利生. 外弹道测量数据处理[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002: 30-60.

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

[8] 王家骐. 光学仪器总体设计[M]. 长春: 中国长春光机所, 2003: 93-110.

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

[9] 赵学颜, 李迎春. 靶场光学测量[M]. 北京: 装备指挥学院, 2001: 1-75.

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

[10] 费业泰. 测量理论与数据处理[M]. 北京: 机械工业出版社, 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，山东寿光人，汉族，硕士，高级工程师，研究方向为光电测量技术。E-mail：zhengzhong24@yeah.net。