光電跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中的光學(xué)傳感器誤差分析

張向陽(yáng)，郎 野

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

跟蹤瞄準(zhǔn)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(biāo)捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)及測(cè)量，為火控系統(tǒng)的后續(xù)諸元解算、火力打擊等任務(wù)提供高精度的目標(biāo)引導(dǎo)信息，使武器系統(tǒng)能夠自動(dòng)、高效地對(duì)目標(biāo)實(shí)施毀傷和打擊[1]。

對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)定位，是武器系統(tǒng)能夠高效完成毀傷打擊任務(wù)的前提?，F(xiàn)代火控系統(tǒng)中，通常使用跟蹤雷達(dá)或光電跟蹤裝置完成對(duì)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)定位。通常，跟蹤雷達(dá)的作用距離較遠(yuǎn)，且受天氣等因素影響較??；光電系統(tǒng)跟蹤精度較高，且適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力較強(qiáng)。兩種跟蹤瞄準(zhǔn)手段互為補(bǔ)充，都是火控系統(tǒng)中的重要跟蹤設(shè)備。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的驗(yàn)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(fù)雜環(huán)境干擾小等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度跟蹤，因而受到了各國(guó)的重視[2-3]。

為了使武器系統(tǒng)能夠?qū)δ繕?biāo)實(shí)施準(zhǔn)確的打擊，要求跟蹤裝置能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤和定位。對(duì)于光電跟蹤裝置而言，要求其能夠?qū)o止或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)保持穩(wěn)定跟蹤的同時(shí)，還要能夠準(zhǔn)確獲取目標(biāo)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(lèi)型劃分，光電跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的誤差可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差；從影響因素劃分，誤差可分為光學(xué)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(biāo)轉(zhuǎn)換誤差等外部誤差。光學(xué)傳感器誤差是光電跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中系統(tǒng)誤差的重要來(lái)源。對(duì)光學(xué)傳感器的誤差進(jìn)行分析，并提出減小誤差的手段，對(duì)于提升光電跟蹤瞄準(zhǔn)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(duì)光學(xué)傳感器誤差進(jìn)行了分析和討論，并結(jié)合技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)，提出應(yīng)對(duì)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(zhǔn)系統(tǒng)的誤差來(lái)源

光電跟蹤瞄準(zhǔn)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(xué)傳感器負(fù)載配置上相對(duì)精簡(jiǎn)，通常包括可見(jiàn)光相機(jī)、紅外熱像儀及激光測(cè)距機(jī)。光學(xué)負(fù)載固定于伺服系統(tǒng)上，由伺服系統(tǒng)執(zhí)行跟蹤動(dòng)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(biāo)位置偏差，與伺服角度信息綜合后，得到目標(biāo)方位俯仰角度，結(jié)合激光測(cè)距機(jī)返回的目標(biāo)距離信息，共同解算得到目標(biāo)坐標(biāo)?；玖鞒倘鐖D1 所示。

圖1 目標(biāo)解算基本流程

其中，光學(xué)負(fù)載引起的誤差，主要是由于光學(xué)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(xué)負(fù)載引起的誤差如表1 所示[5]。

表1 光電系統(tǒng)中由光學(xué)負(fù)載引起的誤差

本文針對(duì)光電系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度，從光學(xué)負(fù)載中影響光電系統(tǒng)測(cè)角精度的各項(xiàng)誤差入手，對(duì)誤差的來(lái)源和影響進(jìn)行分析，并提出修正方法。

2 光學(xué)負(fù)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(gè)傳感器光軸應(yīng)與伺服機(jī)械軸線(xiàn)完全重合。當(dāng)目標(biāo)處于傳感器視場(chǎng)中心時(shí)，通過(guò)伺服系統(tǒng)讀出角度，計(jì)算得到目標(biāo)的方位角及俯仰角。在實(shí)際裝配調(diào)試過(guò)程中，裝配工藝的差異會(huì)導(dǎo)致傳感器光軸與機(jī)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(guò)機(jī)械零位的重新標(biāo)定進(jìn)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(duì)位置決定，如圖3 所示。通常情況下，光電系統(tǒng)在裝配過(guò)程中會(huì)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(yùn)輸、使用及外部環(huán)境變化等因素影響，可能會(huì)使各傳感器的安裝基準(zhǔn)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致光軸一致性誤差變大，使得通過(guò)不同圖像通道獲取的目標(biāo)位置出現(xiàn)偏差。當(dāng)激光測(cè)距機(jī)與圖像傳感器光軸出現(xiàn)偏差，可能導(dǎo)致在跟蹤狀態(tài)下對(duì)目標(biāo)的測(cè)距性能下降，甚至導(dǎo)致無(wú)法對(duì)目標(biāo)完成測(cè)距。

圖3 光軸一致性誤差

2.3 變焦軸跳誤差

為了適應(yīng)對(duì)不同距離目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤、瞄準(zhǔn)，光電系統(tǒng)中的紅外、電視等傳感器通常會(huì)搭配連續(xù)變焦或多視場(chǎng)切換的光學(xué)鏡頭。光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配等因素會(huì)使得不同焦距的視場(chǎng)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(dòng)時(shí)，切換傳感器視場(chǎng)，將使得瞄準(zhǔn)中心位置出現(xiàn)變化。在對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)使用同一傳感器的不同視場(chǎng)，測(cè)量得到的目標(biāo)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(yùn)輸、使用及外部環(huán)境變化時(shí)，傳感器光軸與原始校準(zhǔn)位置出現(xiàn)的偏差，如圖5 所示。該漂移誤差一方面會(huì)使傳感器光軸與伺服軸線(xiàn)產(chǎn)生偏差，使得對(duì)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)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(huì)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(dǎo)致的誤差，如圖6 所示。該誤差會(huì)隨圖像傳感器焦距的變化而變化。隨著現(xiàn)代可見(jiàn)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(gè)微弧度量級(jí)，在一般近距離跟蹤瞄準(zhǔn)應(yīng)用中可以忽略不計(jì)，但對(duì)于遠(yuǎn)程探測(cè)、亞像素級(jí)探測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景而言，該誤差也應(yīng)納入考慮范圍。

圖6 最小分辨率誤差

2.6 光學(xué)負(fù)載誤差的綜合

光學(xué)負(fù)載的誤差，最終是由系統(tǒng)誤差或隨機(jī)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(zhǔn)軸線(xiàn)的失準(zhǔn)，導(dǎo)致伺服系統(tǒng)反饋的目標(biāo)位置與實(shí)際目標(biāo)位置出現(xiàn)偏差，使得光電跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的目標(biāo)指示精度下降[8]。

考慮某一簡(jiǎn)單光電系統(tǒng)，其光學(xué)負(fù)載為單一波段的定焦傳感器，光學(xué)負(fù)載結(jié)構(gòu)極為穩(wěn)定，使得各類(lèi)環(huán)境變化引起的光軸偏差可忽略不計(jì)。在這樣的光電系統(tǒng)中，光學(xué)負(fù)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(jìn)一步增加傳感器種類(lèi)，增加變視場(chǎng)功能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐步復(fù)雜，各類(lèi)其他系統(tǒng)誤差將會(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成影響，特別是同一系統(tǒng)中的不同載荷，其實(shí)際使用過(guò)程中的光軸固定誤差大小也會(huì)有所不同。

因此，如果定義廣義的光軸固定誤差為某一時(shí)刻、某一特定狀態(tài)下，某一傳感器光軸與伺服系統(tǒng)基準(zhǔn)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(huì)隨時(shí)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(huì)有所差異。

在這個(gè)廣義光軸固定誤差中，像素誤差為隨機(jī)誤差，通?？珊雎圆挥?jì)，其余各類(lèi)誤差均不隨時(shí)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(xué)載荷中，系統(tǒng)誤差是誤差的重要來(lái)源。

3 光學(xué)傳感器誤差的修正

光學(xué)傳感器的誤差修正，目的是在裝配、使用、維護(hù)等多個(gè)關(guān)鍵過(guò)程中，對(duì)光學(xué)傳感器出現(xiàn)的各類(lèi)誤差進(jìn)行處置，確保光電系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)性能達(dá)到最優(yōu)。

光學(xué)負(fù)載中的誤差修正主要針對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)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(dá)到以上效果，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)不同的應(yīng)用目的，對(duì)該誤差修正進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

3.1 以主要傳感器為基準(zhǔn)的修正

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

在用于對(duì)地打擊的機(jī)載跟蹤瞄準(zhǔn)光電系統(tǒng)中，激光測(cè)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(zhǔn)，對(duì)誤差進(jìn)行修正。在艦載或車(chē)載對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)的光電系統(tǒng)中，需要使用紅外傳感器工作在長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)下，因此需要以紅外傳感器的長(zhǎng)焦工作狀態(tài)作為基準(zhǔn)進(jìn)行矯正。

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

圖7 以主要傳感器為基準(zhǔn)的修正

3.2 綜合誤差最優(yōu)的基準(zhǔn)修正

在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，可能使用多種傳感器對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行偵察取證和測(cè)量。在這種形況下，并不存在某一光學(xué)傳感器作為主要傳感器，而是多個(gè)傳感器協(xié)同工作。這種應(yīng)用中，通常希望多種傳感器反饋的目標(biāo)位置信息均具有較小的誤差，從而使綜合誤差達(dá)到最優(yōu)。

針對(duì)這種應(yīng)用，基準(zhǔn)光軸可不與任何一個(gè)傳感器的光軸重合，而是光軸位置的加權(quán)平均位置。通過(guò)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(shí)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(guò)程中的平均性能達(dá)到最優(yōu)。如圖8 所示。

圖8 綜合誤差最優(yōu)的修正

3.3 動(dòng)態(tài)修正

在一些光電系統(tǒng)中，可在使用過(guò)程中對(duì)光電系統(tǒng)光軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，使得在使用中的任何時(shí)刻系統(tǒng)均能保持較高的瞄準(zhǔn)或引導(dǎo)精度。

動(dòng)態(tài)修正的其中一種方式是在光電系統(tǒng)校準(zhǔn)完成后，對(duì)各個(gè)工作狀態(tài)下的殘余誤差進(jìn)行測(cè)量記錄，并將該誤差轉(zhuǎn)換為修正量存儲(chǔ)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(guò)程中，可針對(duì)不同的使用狀態(tài)分別對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償修正，使得系統(tǒng)具有較高的瞄準(zhǔn)精度。

另一種方式是在系統(tǒng)中引入實(shí)時(shí)測(cè)量和反饋機(jī)制，如使用短波紅外傳感器對(duì)激光測(cè)照位置進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并針對(duì)激光照射位置偏差對(duì)其進(jìn)行修正。

4 結(jié)語(yǔ)

在光電跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中，光學(xué)負(fù)載的誤差會(huì)對(duì)光電系統(tǒng)的整體測(cè)量引導(dǎo)精度造成影響。通過(guò)對(duì)光學(xué)負(fù)載中的誤差進(jìn)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(zhǔn)過(guò)程中，可針對(duì)最終用途的不同，采取不用的誤差修正策略，并在必要時(shí)配合使用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)修正方法，使得光電跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度達(dá)到最優(yōu)。