李桂芝，鄭 重，呂 瑤，鐘 輝

?

紅外跟蹤測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度偏置檢測(cè)方法研究

李桂芝1，鄭 重1，呂 瑤1，鐘 輝2

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

利用動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)能夠確定被檢測(cè)光電經(jīng)緯儀回轉(zhuǎn)中心的空間位置。提出了動(dòng)態(tài)精度偏置檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)非中心紅外跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)角測(cè)量精度的檢測(cè)，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(zhuǎn)動(dòng)慣量，提升了非中心系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)精度。對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理，驗(yàn)證了該方法的有效性，并在某型光電經(jīng)緯儀檢測(cè)中得到應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)；光電經(jīng)緯儀；回轉(zhuǎn)中心；偏置檢測(cè)；紅外測(cè)量系統(tǒng)

0 前言

光電經(jīng)緯儀是集成了光、機(jī)、電、算的復(fù)雜精密光學(xué)測(cè)量?jī)x器，是靶場(chǎng)外導(dǎo)彈測(cè)量的重要技術(shù)手段之一。為了實(shí)現(xiàn)光電經(jīng)緯儀的“一機(jī)多用”功能，通常需要在經(jīng)緯儀的跟蹤架上安裝多種類(lèi)型的鏡頭，滿(mǎn)足其在可見(jiàn)光和紅外波段同時(shí)對(duì)目標(biāo)的跟蹤、測(cè)量和攝錄像的需要，通過(guò)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(duì)稱(chēng)分布結(jié)構(gòu)），能夠確保跟蹤架旋轉(zhuǎn)的動(dòng)平衡。光電經(jīng)緯儀的測(cè)角精度是指光電經(jīng)緯儀測(cè)量目標(biāo)的方位角、俯仰角測(cè)量值與目標(biāo)真值的偏離程度，測(cè)角精度[1-3]是評(píng)價(jià)光電經(jīng)緯儀性能的重要技術(shù)指標(biāo)。為了保證其外場(chǎng)測(cè)量精度，在室內(nèi)定期進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整是必要的[4]。動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)[5]能夠提供運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，將經(jīng)緯儀位于橫軸中心的鏡頭安放在動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)的光錐點(diǎn)上，即光電經(jīng)緯儀的回轉(zhuǎn)中心與光錐點(diǎn)重合，可以檢測(cè)其動(dòng)態(tài)精度，但是，對(duì)于橫軸兩端的紅外跟蹤鏡頭偏離光電經(jīng)緯儀的回轉(zhuǎn)中心，因此不能夠看到任何位置的動(dòng)態(tài)靶標(biāo)目標(biāo)。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(zhuǎn)中心的光線(xiàn)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(zhuǎn)動(dòng)慣量，導(dǎo)致測(cè)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(cè)結(jié)果的可信度。所以，提出了紅外跟蹤偏置測(cè)量法，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)緯儀非中心紅外測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)。

1 動(dòng)態(tài)精度偏置檢測(cè)方法

偏置檢測(cè)方法，即把經(jīng)緯儀的回轉(zhuǎn)中心從光錐點(diǎn)的位置偏移，偏移量等于軸端紅外跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的臂長(zhǎng)，這樣，軸端紅外測(cè)量系統(tǒng)的中心就落在光錐點(diǎn)上，因紅外視軸離中心望遠(yuǎn)鏡距離較短，可以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)2/3運(yùn)動(dòng)周期的光源能夠進(jìn)入視場(chǎng)，使軸端紅外跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)變速目標(biāo)跟蹤精度及動(dòng)態(tài)測(cè)角精度的檢測(cè)成為可能[6-7]。

1.1 回轉(zhuǎn)中心位置計(jì)算

動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)檢測(cè)設(shè)備如圖1所示，該設(shè)備主要由控制柜、支撐架、編碼器、旋轉(zhuǎn)軸、平行光管和反射鏡構(gòu)成。其中，靶標(biāo)由平行光管和反射鏡組成，通過(guò)調(diào)節(jié)反射鏡的角度，能夠改變反射平行光與旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角，平行光管和反射鏡繞旋轉(zhuǎn)軸做周期旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能夠提供精確的動(dòng)態(tài)空間角位置信息，如圖2所示，為動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)在某一時(shí)刻的反射光、光軸和水平面的角位置關(guān)系圖，反射的平行光與旋轉(zhuǎn)軸夾角為，旋轉(zhuǎn)軸與水平面夾角為，動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角速度為，反射平行光與旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)即為光錐點(diǎn)，當(dāng)動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)形成的光錐點(diǎn)與被檢測(cè)經(jīng)緯儀的回轉(zhuǎn)中心位置重合時(shí)，動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)的反射鏡繞軸心旋轉(zhuǎn)到任何位置，均能夠在被測(cè)設(shè)備視場(chǎng)中成清晰地圖像[8]。

圖1 動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)檢測(cè)設(shè)備示意圖

圖2 動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)角度的示意圖

在自動(dòng)跟蹤狀態(tài)下，靶標(biāo)與經(jīng)緯儀之間坐標(biāo)關(guān)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(shí)方位角和俯仰角，也表示了它們和靶標(biāo)的轉(zhuǎn)速之間關(guān)系。

圖3 靶標(biāo)與經(jīng)緯儀之間坐標(biāo)關(guān)系

通過(guò)將動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)到最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，用徠卡全站儀能夠測(cè)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(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，可獲得回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的坐標(biāo)為(2062, 2081)，其中，2062為動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)底座中心距離經(jīng)緯儀回轉(zhuǎn)中心的水平距離，2081為回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)距離水平面的垂直距離，因動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)底座中心和一只底腳的聯(lián)機(jī)與動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)臂在水平面上投影的夾角為45°，用測(cè)角儀測(cè)出45°方向，沿該方向距離為2062 mm，高度為2081 mm的點(diǎn)就是被測(cè)光電經(jīng)緯儀回轉(zhuǎn)中心的空間位置。

1.2 靶標(biāo)動(dòng)態(tài)精度標(biāo)定

利用高精度經(jīng)緯儀對(duì)靶標(biāo)的靜態(tài)測(cè)角精度進(jìn)行標(biāo)定；在動(dòng)態(tài)靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸上，旋轉(zhuǎn)軸頭部安裝一片平面反射鏡，平面反射鏡鏡面與靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸互相垂直，利用動(dòng)態(tài)自準(zhǔn)直儀準(zhǔn)直平面反射鏡，靶標(biāo)分別以80°/s和25°/s旋轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)自準(zhǔn)直儀分別記錄不同旋轉(zhuǎn)速度下的監(jiān)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)次數(shù)不少于20次，根據(jù)出所檢測(cè)結(jié)果，能夠計(jì)算得到平面反射鏡的動(dòng)態(tài)增量為3.62。將動(dòng)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(dòng)態(tài)精度。

經(jīng)計(jì)算得：動(dòng)＝4.622，動(dòng)＝4.692。

2 偏置跟蹤測(cè)量和數(shù)據(jù)處理

2.1 經(jīng)緯儀位置調(diào)整

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

2.2 時(shí)統(tǒng)對(duì)時(shí)

動(dòng)靶標(biāo)的時(shí)碼鐘能夠輸出B碼，用B碼同步被檢測(cè)經(jīng)緯儀，被測(cè)經(jīng)緯儀和靶標(biāo)就有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，建立同步關(guān)系。

2.3 跟蹤測(cè)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(guò)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算出滿(mǎn)足測(cè)量要求的靶標(biāo)轉(zhuǎn)速。

在主控計(jì)算機(jī)接口中輸入靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間和靶標(biāo)啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)靶標(biāo)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。被測(cè)經(jīng)緯儀自動(dòng)跟蹤靶標(biāo)目標(biāo)，直至穩(wěn)定跟蹤后，被測(cè)裝備和靶標(biāo)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，把動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)的編碼器初始值設(shè)為＝180°（即動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)的最高點(diǎn)），按照周期為60ms，啟動(dòng)時(shí)間為20ms勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于采用偏置法檢測(cè)，且動(dòng)態(tài)靶標(biāo)中光源采用的是帶有中心遮擋的反射式平行光管，當(dāng)動(dòng)態(tài)精度靶編碼器顯示的角度為＝69°左右時(shí)，會(huì)因?yàn)檫M(jìn)入紅外測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)的光強(qiáng)度不夠，而無(wú)法跟蹤到目標(biāo)。當(dāng)動(dòng)態(tài)靶標(biāo)重新回到最高點(diǎn)時(shí)，可重復(fù)進(jìn)行測(cè)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

將被測(cè)裝備記錄的數(shù)據(jù)通過(guò)串行數(shù)據(jù)通訊口傳輸給靶標(biāo)的主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件計(jì)算給出動(dòng)態(tài)測(cè)角精度檢測(cè)結(jié)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(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度和跟蹤精度[9-10]。根據(jù)記錄的動(dòng)態(tài)精度靶標(biāo)和紅外跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)繪制出動(dòng)態(tài)方位角和動(dòng)態(tài)俯仰角測(cè)量曲線(xiàn)，分別如圖4和圖5所示。

表1 紅外跟蹤測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度和跟蹤精度檢測(cè)結(jié)果表

圖4 動(dòng)態(tài)方位角測(cè)量曲線(xiàn)

圖5 動(dòng)態(tài)俯仰角測(cè)量曲線(xiàn)

Fig.5 Dynamic pitch angle measurement curve

3 結(jié)果分析

通常，檢測(cè)設(shè)備的精度是被檢測(cè)設(shè)備精度的3～10倍，所以動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)靶標(biāo)能夠用來(lái)檢測(cè)該紅外跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，因?qū)?dòng)態(tài)精度靶標(biāo)的動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行標(biāo)定，其動(dòng)態(tài)測(cè)角精度≤5″。

被檢測(cè)紅外跟蹤測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)和實(shí)際檢測(cè)結(jié)果對(duì)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(cè)量系統(tǒng)的測(cè)角精度和跟蹤精度滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求；紅外跟蹤測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度偏置檢測(cè)方法可行、有效，檢測(cè)精度高，能夠滿(mǎn)足靶場(chǎng)試驗(yàn)內(nèi)場(chǎng)經(jīng)緯儀檢測(cè)的要求。

4 結(jié)論

根據(jù)光電經(jīng)緯儀跟蹤架和鏡頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)偏置使位于軸端的紅外跟蹤測(cè)量鏡頭的中心與靶標(biāo)光錐點(diǎn)重合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶標(biāo)2/3回轉(zhuǎn)周期的動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量，通過(guò)對(duì)比檢測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果與技術(shù)指標(biāo)，驗(yàn)證了該方法的可行性，并在某型號(hào)光電經(jīng)緯儀紅外跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)中得到了應(yīng)用，這為光電測(cè)量設(shè)備非中心跟蹤測(cè)量系統(tǒng)測(cè)角精度和跟蹤精度的內(nèi)場(chǎng)檢測(cè)提供了新方法和新思路。

表2 檢測(cè)值與參考值對(duì)比

[1] 薛軍, 鄒建華, 張永亮. 紅外跟蹤測(cè)量系統(tǒng)圖像處理電路的設(shè)計(jì)[J]. 紅外技術(shù), 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(cè)角精度分析[J]. 應(yīng)用光學(xué), 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(chǎng)紅外光電經(jīng)緯儀精度標(biāo)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(chǎng)光電經(jīng)緯儀跟蹤精度評(píng)估技術(shù)[J]. 飛行器測(cè)控學(xué)報(bào), 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(xué)測(cè)量系統(tǒng)[M]. 北京: 國(guó)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(dòng)態(tài)靶標(biāo)諧波特性評(píng)價(jià)光電經(jīng)緯儀的跟蹤性能[J]. 光學(xué)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(cè)量數(shù)據(jù)處理[M]. 北京: 國(guó)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(xué)儀器總體設(shè)計(jì)[M]. 長(zhǎng)春: 中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所, 2003: 93-110.

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

[9] 趙學(xué)顏, 李迎春. 靶場(chǎng)光學(xué)測(cè)量[M]. 北京: 裝備指揮學(xué)院, 2001: 1-75.

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

[10] 費(fèi)業(yè)泰. 測(cè)量理論與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京: 機(jī)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(jí)工程師，研究方向?yàn)楣怆姕y(cè)量技術(shù)。E-mail：zhengzhong24@yeah.net。