張向陽，郎 野

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

跟蹤瞄準系統(tǒng)是現(xiàn)代火控系統(tǒng)不可缺少的重要組件之一，用于完成目標捕獲、跟蹤、瞄準及測量，為火控系統(tǒng)的后續(xù)諸元解算、火力打擊等任務提供高精度的目標引導信息，使武器系統(tǒng)能夠自動、高效地對目標實施毀傷和打擊[1]。

對目標進行瞄準定位，是武器系統(tǒng)能夠高效完成毀傷打擊任務的前提?，F(xiàn)代火控系統(tǒng)中，通常使用跟蹤雷達或光電跟蹤裝置完成對目標的瞄準定位。通常，跟蹤雷達的作用距離較遠，且受天氣等因素影響較?。还怆娤到y(tǒng)跟蹤精度較高，且適應復雜電磁環(huán)境的能力較強。兩種跟蹤瞄準手段互為補充，都是火控系統(tǒng)中的重要跟蹤設(shè)備。經(jīng)過多次現(xiàn)代戰(zhàn)爭的驗證，特別是在近程打擊和攔截中，光電跟蹤裝置能夠充分發(fā)揮跟蹤精度高，受低空、地面等復雜環(huán)境干擾小等優(yōu)勢，實現(xiàn)對目標的高精度跟蹤，因而受到了各國的重視[2-3]。

為了使武器系統(tǒng)能夠?qū)δ繕藢嵤蚀_的打擊，要求跟蹤裝置能夠?qū)δ繕诉M行準確的跟蹤和定位。對于光電跟蹤裝置而言，要求其能夠?qū)o止或運動目標保持穩(wěn)定跟蹤的同時，還要能夠準確獲取目標的位置信息，并將位置信息送至解算單元完成火控解算。因而，光電跟蹤系統(tǒng)的誤差將直接影響武器系統(tǒng)性能[4]。

從誤差類型劃分，光電跟蹤瞄準系統(tǒng)的誤差可分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差；從影響因素劃分，誤差可分為光學傳感器誤差、伺服單元誤差、信息處理單元誤差等內(nèi)部誤差，以及安裝誤差、坐標轉(zhuǎn)換誤差等外部誤差。光學傳感器誤差是光電跟蹤瞄準系統(tǒng)中系統(tǒng)誤差的重要來源。對光學傳感器的誤差進行分析，并提出減小誤差的手段，對于提升光電跟蹤瞄準系統(tǒng)性能具有重要的意義。

本文從光電跟蹤系統(tǒng)的自身誤差入手，對光學傳感器誤差進行了分析和討論，并結(jié)合技術(shù)進展和發(fā)展趨勢，提出應對措施和手段，為光電跟蹤裝置的性能提升提供參考和借鑒。

1 光電跟蹤瞄準系統(tǒng)的誤差來源

光電跟蹤瞄準系統(tǒng)需要完成成像、跟蹤、定位等功能。區(qū)別于光電偵察系統(tǒng)，光電跟蹤系統(tǒng)在性能上更加注重跟蹤速度和跟蹤精度，在光學傳感器負載配置上相對精簡，通常包括可見光相機、紅外熱像儀及激光測距機。光學負載固定于伺服系統(tǒng)上，由伺服系統(tǒng)執(zhí)行跟蹤動作，圖像傳感器獲得的圖像下傳至信息處理單元后，經(jīng)處理得到目標位置偏差，與伺服角度信息綜合后，得到目標方位俯仰角度，結(jié)合激光測距機返回的目標距離信息，共同解算得到目標坐標?；玖鞒倘鐖D1 所示。

圖1 目標解算基本流程

其中，光學負載引起的誤差，主要是由于光學成像系統(tǒng)特性、傳感器特性以及安裝結(jié)構(gòu)特性等引起的。由光學負載引起的誤差如表1 所示[5]。

表1 光電系統(tǒng)中由光學負載引起的誤差

本文針對光電系統(tǒng)的瞄準精度，從光學負載中影響光電系統(tǒng)測角精度的各項誤差入手，對誤差的來源和影響進行分析，并提出修正方法。

2 光學負載的誤差

2.1 光軸固定誤差

理想狀態(tài)下，光電系統(tǒng)的各個傳感器光軸應與伺服機械軸線完全重合。當目標處于傳感器視場中心時，通過伺服系統(tǒng)讀出角度，計算得到目標的方位角及俯仰角。在實際裝配調(diào)試過程中，裝配工藝的差異會導致傳感器光軸與機械軸出現(xiàn)偏差。如圖2 所示。該誤差通常與伺服零位漂移誤差相關(guān)，一般可通過機械零位的重新標定進行修正。

圖2 光軸固定誤差

2.2 光軸一致性誤差

光軸一致性誤差指光電系統(tǒng)中不同傳感器光軸之間存在的偏差。該誤差僅由各傳感器之間的相對位置決定，如圖3 所示。通常情況下，光電系統(tǒng)在裝配過程中會使用平行光管等設(shè)備[6-7]，使得各傳感器光軸在裝配完成后通常具有較好的光軸一致性，光軸一致性誤差通常較小。但隨著運輸、使用及外部環(huán)境變化等因素影響，可能會使各傳感器的安裝基準發(fā)生變化，進而導致光軸一致性誤差變大，使得通過不同圖像通道獲取的目標位置出現(xiàn)偏差。當激光測距機與圖像傳感器光軸出現(xiàn)偏差，可能導致在跟蹤狀態(tài)下對目標的測距性能下降，甚至導致無法對目標完成測距。

圖3 光軸一致性誤差

2.3 變焦軸跳誤差

為了適應對不同距離目標的探測、跟蹤、瞄準，光電系統(tǒng)中的紅外、電視等傳感器通常會搭配連續(xù)變焦或多視場切換的光學鏡頭。光學鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配等因素會使得不同焦距的視場下光軸位置出現(xiàn)變化，在光電系統(tǒng)中整體表現(xiàn)為，在伺服系統(tǒng)固定不動時，切換傳感器視場，將使得瞄準中心位置出現(xiàn)變化。在對同一目標進行瞄準時，會出現(xiàn)使用同一傳感器的不同視場，測量得到的目標位置出現(xiàn)差異。如圖4 所示。

圖4 變焦跳軸誤差

2.4 光軸漂移誤差

光軸漂移誤差指的是光電系統(tǒng)在運輸、使用及外部環(huán)境變化時，傳感器光軸與原始校準位置出現(xiàn)的偏差，如圖5 所示。該漂移誤差一方面會使傳感器光軸與伺服軸線產(chǎn)生偏差，使得對目標的瞄準精度下降；另一方面，不同傳感器出現(xiàn)的不同程度的光軸漂移，會產(chǎn)生光軸一致性誤差。

圖5 光軸漂移誤差

2.5 最小分辨率誤差

最小分辨率誤差指圖像傳感器受到分辨率限制而導致的誤差，如圖6 所示。該誤差會隨圖像傳感器焦距的變化而變化。隨著現(xiàn)代可見光、紅外成像器件的發(fā)展，傳感器的像元數(shù)不斷增加，使得傳感器空間角度分辨率逐步提升。最小分辨率誤差通常在數(shù)十個微弧度量級，在一般近距離跟蹤瞄準應用中可以忽略不計，但對于遠程探測、亞像素級探測的應用場景而言，該誤差也應納入考慮范圍。

圖6 最小分辨率誤差

2.6 光學負載誤差的綜合

光學負載的誤差，最終是由系統(tǒng)誤差或隨機誤差所引起的。光軸與光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或伺服單元基準軸線的失準，導致伺服系統(tǒng)反饋的目標位置與實際目標位置出現(xiàn)偏差，使得光電跟蹤瞄準系統(tǒng)的目標指示精度下降[8]。

考慮某一簡單光電系統(tǒng)，其光學負載為單一波段的定焦傳感器，光學負載結(jié)構(gòu)極為穩(wěn)定，使得各類環(huán)境變化引起的光軸偏差可忽略不計。在這樣的光電系統(tǒng)中，光學負載部分所需考慮的系統(tǒng)誤差僅為單純的光軸固定誤差。隨著進一步增加傳感器種類，增加變視場功能，結(jié)構(gòu)設(shè)計逐步復雜，各類其他系統(tǒng)誤差將會對系統(tǒng)構(gòu)成影響，特別是同一系統(tǒng)中的不同載荷，其實際使用過程中的光軸固定誤差大小也會有所不同。

因此，如果定義廣義的光軸固定誤差為某一時刻、某一特定狀態(tài)下，某一傳感器光軸與伺服系統(tǒng)基準之間的偏差，則該光軸固定誤差為包括初始光軸固定誤差、變焦軸跳誤差、光軸漂移誤差以及像素誤差在內(nèi)的多種誤差的綜合。該誤差會隨時間、工作狀態(tài)的變化而變化。在同一光電系統(tǒng)中，不同傳感器在不同焦距下的光軸誤差也會有所差異。

在這個廣義光軸固定誤差中，像素誤差為隨機誤差，通常可忽略不計，其余各類誤差均不隨時間快速變化，通常表現(xiàn)為系統(tǒng)誤差。因此，在光電系統(tǒng)的光學載荷中，系統(tǒng)誤差是誤差的重要來源。

3 光學傳感器誤差的修正

光學傳感器的誤差修正，目的是在裝配、使用、維護等多個關(guān)鍵過程中，對光學傳感器出現(xiàn)的各類誤差進行處置，確保光電系統(tǒng)的瞄準性能達到最優(yōu)。

光學負載中的誤差修正主要針對系統(tǒng)誤差進行修正。根據(jù)前文分析，系統(tǒng)誤差最終體現(xiàn)為光軸固定誤差。為了達到以上效果，需要結(jié)合實際應用場景，針對不同的應用目的，對該誤差修正進行分析和設(shè)計。

3.1 以主要傳感器為基準的修正

在某些光電系統(tǒng)的應用場景中，一般存在一個主傳感器。該主傳感器在光電系統(tǒng)的效能發(fā)揮過程中起到主要作用。

在用于對地打擊的機載跟蹤瞄準光電系統(tǒng)中，激光測照器是完成精確打擊的重要指引手段。因此，需要以激光光軸為基準，對誤差進行修正。在艦載或車載對遠距離目標進行瞄準的光電系統(tǒng)中，需要使用紅外傳感器工作在長焦狀態(tài)下，因此需要以紅外傳感器的長焦工作狀態(tài)作為基準進行矯正。

在這種校準和修正策略下，光學負載的系統(tǒng)誤差會在某一工作狀態(tài)下達到最優(yōu)，而在使用其他傳感器或其他焦距時，具有相對較大的誤差。以主要傳感器為基準的修正如圖7 所示。

圖7 以主要傳感器為基準的修正

3.2 綜合誤差最優(yōu)的基準修正

在一些應用場景中，可能使用多種傳感器對同一目標進行偵察取證和測量。在這種形況下，并不存在某一光學傳感器作為主要傳感器，而是多個傳感器協(xié)同工作。這種應用中，通常希望多種傳感器反饋的目標位置信息均具有較小的誤差，從而使綜合誤差達到最優(yōu)。

針對這種應用，基準光軸可不與任何一個傳感器的光軸重合，而是光軸位置的加權(quán)平均位置。通過設(shè)置這種“虛擬”光軸，可以使光電系統(tǒng)在不同模式工作時均具有較小的、可被接受的誤差，從而使光電系統(tǒng)在使用過程中的平均性能達到最優(yōu)。如圖8 所示。

圖8 綜合誤差最優(yōu)的修正

3.3 動態(tài)修正

在一些光電系統(tǒng)中，可在使用過程中對光電系統(tǒng)光軸進行動態(tài)修正，使得在使用中的任何時刻系統(tǒng)均能保持較高的瞄準或引導精度。

動態(tài)修正的其中一種方式是在光電系統(tǒng)校準完成后，對各個工作狀態(tài)下的殘余誤差進行測量記錄，并將該誤差轉(zhuǎn)換為修正量存儲在后端信息處理系統(tǒng)中，并與系統(tǒng)工作狀態(tài)一一匹配。因此在使用過程中，可針對不同的使用狀態(tài)分別對誤差進行補償修正，使得系統(tǒng)具有較高的瞄準精度。

另一種方式是在系統(tǒng)中引入實時測量和反饋機制，如使用短波紅外傳感器對激光測照位置進行實時測量，并針對激光照射位置偏差對其進行修正。

4 結(jié)語

在光電跟蹤瞄準系統(tǒng)中，光學負載的誤差會對光電系統(tǒng)的整體測量引導精度造成影響。通過對光學負載中的誤差進行分析得出，系統(tǒng)誤差占主要部分。在光電系統(tǒng)的裝配校準過程中，可針對最終用途的不同，采取不用的誤差修正策略，并在必要時配合使用過程中的動態(tài)修正方法，使得光電跟蹤瞄準系統(tǒng)的瞄準精度達到最優(yōu)。