康文運，宋小全，侯軍燕，王云萍

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094)

1 引言

隨著空間光通信、光電探測等技術(shù)的快速發(fā)展，激光在空間目標測量方面的應用受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，并且取得了很大進展［1－2］，其核心技術(shù)是如何實現(xiàn)激光對空間目標的高精度跟瞄，提高到達空間目標表面的激光功率密度，以便實現(xiàn)對遙遠空間目標的探測、測量和通信。

對空間目標的激光瞄準偏差是光電系統(tǒng)一項重要技術(shù)指標，如何測量評估光電系統(tǒng)對空間目標的激光瞄準偏差是一項技術(shù)難題。目前，圍繞這個問題已開展了不少探索研究［3－5］，但以靜態(tài)測試為主，沒有綜合考慮光電系統(tǒng)動態(tài)跟蹤目標及整層大氣對激光傳輸?shù)挠绊懀虼?，有必要進一步深化這方面的研究工作。

本文圍繞如何測量評估光電系統(tǒng)對空間目標激光瞄準偏差進行了分析研究，提出了一種可行方法。

2 激光瞄準偏差的定義

在光電系統(tǒng)發(fā)射激光對空間目標進行跟蹤照射過程中，將激光光斑質(zhì)心平均位置與瞄準點的偏差相對地面光電系統(tǒng)的張角定義為激光瞄準偏差［6］。激光瞄準偏差概念圖如圖1所示。

圖1 激光瞄準偏差概念示意圖Fig.1 Diagram of laser pointing error concept

3 測量評估方法

由上述激光瞄準偏差的定義可知:要測量光電系統(tǒng)對空間目標的激光瞄準偏差，需要測量跟瞄照射激光在空間目標處的光斑質(zhì)心平均位置，激光經(jīng)遠距離傳輸?shù)竭_遙遠的空間目標處其光斑已經(jīng)很大，顯然要直接測量空間目標處的激光光斑質(zhì)心平均位置是一件十分困難的事。因此，采用對等直接測量的方法是不可行的，應采用等效縮比的方法測量評估光電系統(tǒng)對空間目標的激光瞄準偏差。

3.1 測量評估系統(tǒng)構(gòu)成

為了能夠測得激光光斑的質(zhì)心需獲得較完整的光斑，可行的辦法是降低目標與光電系統(tǒng)間的距離，因此，可利用無人機為模擬目標進行等效縮比測量。

測量評估系統(tǒng)主要包括:無人機平臺、激光靶板儀載荷、光學合作目標載荷和地面飛控站等組成。

無人機平臺搭載激光靶板儀和光學合作目標飛行，模擬空間目標與地面光電系統(tǒng)間的飛行角速度，激光靶板儀用于測量激光光斑質(zhì)心位置，光學合作目標用于模擬空間目標的光學特性，地面飛控站用于對無人機平臺進行測控、接收激光靶板儀測量數(shù)據(jù)并對測量數(shù)據(jù)進行綜合處理。

3.2測量評估試驗設計

首先，將激光靶板儀和光學合作目標加裝在無人機平臺上，使兩者的偏離量在測量試驗飛行弧段內(nèi)相對地面光電系統(tǒng)的張角等于激光瞄準偏置角。由于空間目標距離光電系統(tǒng)很遠，同時空間目標運動速度較快，因此，激光發(fā)射時應相對光電系統(tǒng)的跟蹤軸有一個瞄準提前角［6］，瞄準提前角為2v/c，其中v為空間目標相對光電系統(tǒng)的速度，c為光速。另外，若發(fā)射激光波長不在光電系統(tǒng)的跟蹤探測光波段內(nèi)，由于大氣對不同波長光的折射率不同，激光瞄準偏置角還應在瞄準提前角上疊加一個蒙氣色差角。

其次，設置無人機飛行航路、航速和航高，在測量試驗段，使無人機相對光電系統(tǒng)的跟蹤仰角和角速度與對空間目標激光跟瞄照射時基本一致，并且激光靶板儀確保能夠測得完整光斑。測量評估試驗布局如圖2所示。

在試驗后對測量數(shù)據(jù)進行處理，計算激光瞄準偏差。

圖2 測量評估試驗布局示意圖Fig.2 Diagram of measuring and evaluating test composition

3.3 瞄準偏差計算公式及實例計算

利用上述測量評估試驗激光靶板儀測量數(shù)據(jù)，可計算出光電系統(tǒng)對模擬目標的激光瞄準偏差，光斑質(zhì)心按照以下公式計算:

式中，xcj為第j幀光斑質(zhì)心在靶斑儀上橫坐標;ycj為第j幀光斑質(zhì)心在靶斑儀上縱坐標;P(xi，yi)為激光靶板儀上(xi，yi)處的功率密度;n為功率密度探測單元點的個數(shù)。

光斑質(zhì)心與靶斑儀中心(瞄準點)的偏差除以發(fā)光時刻靶目標相對光電系統(tǒng)的距離得到該時刻的瞄準偏差角，整個發(fā)光過程中瞄準偏差角的平均值為激光瞄準偏差。激光瞄準偏差按照以下公式計算:

式中，Δx為x方向的瞄準偏差;Δy為y方向的瞄準偏差;(xcj，ycj)為第j幀光斑質(zhì)心在靶斑儀上坐標，靶斑儀中心坐標為(0，0);Rj為與第j幀光斑對應時刻靶目標相對光電系統(tǒng)的距離;m為激光光斑幀數(shù);Δ為瞄準偏差。

利用上述公式對一組測量數(shù)據(jù)進行處理，就可算得其激光瞄準偏差，其光斑質(zhì)心在靶板儀上的分布如圖3所示。

圖3 激光光斑質(zhì)心在靶板儀上的分布圖Fig.3 Diagram of laser facula centroid distribution on the target

4 影響評估結(jié)果的主要因素分析

在上述的測量評估試驗設計中綜合考慮了跟瞄仰角、跟蹤角速度、激光瞄準提前角、整層大氣蒙氣色差等因素，其中跟瞄仰角、跟蹤角速度、激光瞄準提前角這三項可以較準確設置，能夠較準確模擬實際跟瞄過程，因此，其對激光瞄準偏差評估的影響有限。

蒙氣色差角設置存在一定不確定性，蒙氣色差角一般是通過大氣光學參數(shù)測量數(shù)據(jù)和蒙氣色差角計算模型推算出來的，和實際情況存在一定偏差，由于實際應用中一般關(guān)注的是光電系統(tǒng)在較高仰角激光瞄準能力，而在高仰角區(qū)域蒙氣色差本來就較小，如在60°仰角以上可見光和中短波紅外光的蒙氣色差角約 3 μrad［6－7］，因此，其帶來的誤差應不大約 1 μrad。

另外，激光經(jīng)整層大氣輸出后其光斑質(zhì)心可能發(fā)生漂移，在測量光斑質(zhì)心時也存在測量誤差，這些因素對激光瞄準偏差評估也有影響。一般通過增加靶板儀上探測器布設密度和采用數(shù)據(jù)插值處理可以降低光斑質(zhì)心測量誤差。若靶板儀上探測器間隔為1 cm，經(jīng)數(shù)據(jù)插值處理后其光斑質(zhì)心測量誤差可小于0.5 cm，若測量試驗時靶目標與光電系統(tǒng)相距5 km，其誤差小于1 μrad，因此，光斑質(zhì)心測量誤差可控并且較小。并且經(jīng)過公式(2)的平均計算，基本可消除大氣對光斑質(zhì)心位置隨機影響以及靶板儀測量的隨機誤差。

綜合上述分析，影響評估結(jié)果準確性的主要因素為測量評估試驗時對蒙氣色差角的設置，若光電系統(tǒng)的跟蹤探測光波段與發(fā)射激光波長不一致，采用該測量評估方法獲得的激光跟瞄偏差值(在60°仰角以上)約存在1 μrad的誤差。

5 結(jié)束語

長期以來如何評價光電系統(tǒng)對空間目標的激光跟瞄能力一直是該領(lǐng)域一個刺手問題。本文提出的等效縮比測量評估方法，在模擬目標飛行特性、光學特性的基礎上，還考慮了跟瞄仰角、激光瞄準提前角、整層大氣蒙氣色差等因素的影響，基本模擬了光電系統(tǒng)對空間目標激光跟瞄的主要環(huán)節(jié)，是一種可行并準確性較高的測量評估方法，在實際應用中也得到了試驗的驗證。但是在測量評估試驗中需高空高速無人機的配合，試驗規(guī)模大費用較高，還不夠簡約，今后還需不斷探索更加簡便準確的測量評估方法。

［1］ M Kovacs，G Dryden，R Pohle，et al.Hi－ Class on aeos:a large aperture laser radar for space surveillance/situational awareness investigations［C］.Proceedings of SPIE，2011，4490:298 －305.

［2］ Yang Fuming，Xiao Chikun，Chen Wanzhen，et al.Design and test result of satellite laser ranging at the daytimg［J］.China Science(A part)，1998，28(11):1048 －1056.(in Chinese)楊福民，肖熾琨，陳婉珍，等.白天衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)的設計和實測結(jié)果［J］.中國科學(A 輯)，1998，28(11):1048－1056.

［3］ Wang Jianmin，Qin Yi，Xu Quan，et al.Study on the measurement of tracking and pointing accuracy used for the terminals of free space laser communication［J］.Journal of Optoelectronics·Laser，2008，19(8):1054 － 1059.(in chinese)王建民，秦誼，徐泉，等.衛(wèi)星激光通信端機跟瞄精度測試技術(shù)研究［J］.光電子·激光，2008，19(8):1054 －1059.

［4］ Qin Yi，Wang Jiangming，Wang Lili，et al.Tracking target simulator and measuring techniques for the free space laser communication［J］.Optical Technique，2007，33(4):557 －563.(in chinese)秦誼，王建民，王麗麗，等.衛(wèi)星激光通信跟瞄精度測試方法及其實驗研究［J］.光學技術(shù)，2007，33(4):557 －563.

［5］ Li Anhu，Sun Jianfeng，Liu Liren.Design pri nciple of performance testing device for laser beam microradian pointing and tr acking in intersatellite laser communications［J］.Acta Optica Sinica，2006，26(7):975 －979.(in chinese)李安虎，孫建鋒，劉立人.星間激光通信光束微弧度跟瞄性能檢測裝置的設計原理［J］.光學學報，2006，26(7):975－979.

［6］ Su Yi，Wan Min.High energy laser system［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2004:157 － 164.(in chinese)蘇毅，萬敏.高能激光系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004:157－164.

［7］ Yang Chenhua，Mei Suisheng，Lin Junting.The laser＆ infrared technology handbook［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1990:77 －79.(in chinese)楊臣華，梅遂生，林鈞挺.激光與紅外技術(shù)手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1990:77－79.