目標(biāo)視場位置對經(jīng)緯儀測角精度的影響*

葉劍鋒，周欣明

(91550部隊(duì)，遼寧大連 1 16023)

0 引言

光學(xué)經(jīng)緯儀是現(xiàn)代靶場中重要的測角設(shè)備，因測量精度高、布站靈活，不受地面雜波干擾的影響，在外彈道測量的初段占主導(dǎo)地位。隨著微電子學(xué)超大規(guī)模集成電路工藝的成熟，CCD面陣逐步應(yīng)用于光學(xué)經(jīng)緯儀，取代電影膠片，成為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸?shù)妮d體。數(shù)字CCD存在積分時(shí)間，也就是曝光時(shí)間，會(huì)造成脫靶量的輸出滯后，影響測量的精度[1－3]。

電影膠片的曝光時(shí)間通常在微秒級[4]，而CCD相機(jī)的曝光時(shí)間通常在毫秒級[5]，從內(nèi)同步的角度看，通?？珊雎云毓鈺r(shí)間對脫靶量的影響。但目標(biāo)在視場中以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，CCD相機(jī)的曝光時(shí)間對脫靶量產(chǎn)生的影響大小是否可以忽略，需要進(jìn)行深入分析。文中結(jié)合校飛試驗(yàn)中的圖像處理工作，采用目標(biāo)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，定量分析由此帶來的測角影響。

1 內(nèi)同步原理

造成光學(xué)經(jīng)緯儀測角誤差的原因是多方面的，當(dāng)目標(biāo)在視場中以一定的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)同步是影響測角精度的主要原因，即光學(xué)經(jīng)緯儀角編碼器的響應(yīng)時(shí)間與畫幅響應(yīng)時(shí)間未同步。近年研制的光學(xué)經(jīng)緯儀，CCD的脫靶量與編碼器工作保持同步狀態(tài)。從圖1可以看出，采用這種同步模式的CCD相機(jī)，在整個(gè)系統(tǒng)同步時(shí)鐘的上升沿(編碼器鎖存角度數(shù)據(jù)的時(shí)刻)，CCD相機(jī)才開始曝光，而CCD相機(jī)在曝光結(jié)束時(shí)刻才完成曝光，此時(shí)，畫幅記錄的目標(biāo)脫靶量信息是與該時(shí)刻對應(yīng)。因此，畫幅脫靶量與角編碼器的信息記錄時(shí)刻是未對齊的，由此帶來的影響即為內(nèi)同步誤差。

圖1 內(nèi)同步工作狀態(tài)示意圖

2 測角精度曲線及分析

在校飛試驗(yàn)中，采用GPS測量值作為真值，反算各測站的測元真值，與光學(xué)經(jīng)緯儀的測元作差，進(jìn)行測角精度的比較分析。以某次校飛數(shù)據(jù)為例，E角經(jīng)誤差修正處理(三差、折射、部位不一致修正等)后，與真值作差結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，E角的差值在+5"到－5"間擺動(dòng)，存在上升和下降的變化趨勢。通常而言，系統(tǒng)誤差應(yīng)穩(wěn)定在同一水平上，因此該項(xiàng)誤差的影響因素可能與脫靶量有關(guān)。

根據(jù)脫靶量計(jì)算公式:

式中:ΔE表示E角的脫靶量修正值;E0表示角編碼器的測量值;f表示測量相機(jī)的焦距;(x，y)表示目標(biāo)的脫靶量。可知脫靶量(x，y)是影響ΔE的主要因素。為深入分析，選取差值曲線上的215～260、260～392、750～797和924～1015四段數(shù)據(jù)，圖3、圖4分別為上述測元對應(yīng)時(shí)刻的脫靶量(x，y)曲線，計(jì)算其均值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見表1。其中，215～260段數(shù)據(jù)，表示E角差值的上升段;260～392段數(shù)據(jù)，表示E角差值的平穩(wěn)段;750～797段數(shù)據(jù)，表示E角差值的零值附近擺動(dòng)段;924～1015段數(shù)據(jù)，表示E角差值的下降段。

上述光學(xué)經(jīng)緯儀CCD的圖像尺寸為1280像素×1024像素，圖像中心為639像素×511像素。從表1可以看出:E角差值的上升段，目標(biāo)在視場中從(861，540)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到(430，433)點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)時(shí)長為2.20s，根據(jù)脫靶量計(jì)算公式，脫靶量Y對測元E角的影響大，由于運(yùn)動(dòng)速度快，導(dǎo)致E角差值曲線陡峭，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過了脫靶量Y的零點(diǎn)，E角差值亦過零點(diǎn);E角差值的下降段，目標(biāo)在視場中從(446，486)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到(934，554)點(diǎn)，時(shí)長4.55s，運(yùn)動(dòng)速度慢，E 角差值曲線平緩，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過了脫靶量Y的零點(diǎn)，E角差值亦過零點(diǎn)。E角差值的平穩(wěn)段和零點(diǎn)附近段，目標(biāo)在視場中的相對運(yùn)動(dòng)小，目標(biāo)的脫靶量也小，E角差值變化小，趨于平穩(wěn)。

表1 E角差值均值和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)表

3 內(nèi)同步誤差的修正方法

目標(biāo)相對于視場有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)CCD相機(jī)的內(nèi)同步機(jī)理，必然影響目標(biāo)的脫靶量。為此，可以采用根據(jù)CCD相機(jī)的曝光時(shí)間產(chǎn)生使曝光過程的中間時(shí)刻(即脫靶量輸出對應(yīng)時(shí)刻)與外同步上升沿(即CCD相機(jī)開始曝光時(shí)刻)對齊的方法，在硬件上加以實(shí)現(xiàn)。

分析多次測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在相對較短時(shí)間內(nèi)，脫靶量的值可以用一個(gè)不高于二階的多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。假設(shè)在相對零時(shí)刻，有一組脫靶量測量數(shù)據(jù)X=[x－n，x－n－1，…，xn－1，xn]，對于這組測量數(shù)據(jù)，可以采用如式(2)的一個(gè)二次多項(xiàng)式來進(jìn)行比較精確的擬合:

式中系數(shù)a、b、c可以用最小二階乘的方法進(jìn)行求解。解出多項(xiàng)式的系數(shù)，則對t∈ [x－n，xn]任意時(shí)刻都可以得到關(guān)于脫靶量Xt的一個(gè)比較理想的估計(jì)值。因此，對于同步測量時(shí)刻脫靶量，在相對延遲已知的情況下，可以利用它的前后適當(dāng)點(diǎn)數(shù)測量數(shù)據(jù)的二次多項(xiàng)式，通過多項(xiàng)式擬合數(shù)字插值得到測量時(shí)刻的脫靶量估計(jì)值[7]，進(jìn)而得到測量時(shí)刻脫靶量的較高估計(jì)值。使用該方法對上文中校飛E角進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)后E角與GPS殘差曲線如圖5所示。

圖5 配準(zhǔn)后E角的差值曲線

截取目標(biāo)在視場中的相對運(yùn)動(dòng)較大的215～260和924～1015兩個(gè)數(shù)據(jù)段，比較配準(zhǔn)前后的E角GPS殘差變化情況，如圖6、圖7所示。配準(zhǔn)后的E角GPS殘差曲線變化比配準(zhǔn)前明顯平緩，說明該方法可以抑制目標(biāo)在視場中相對運(yùn)動(dòng)較大時(shí)產(chǎn)生的誤差。配準(zhǔn)后的E角與GPS差值統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。

表2 配準(zhǔn)后E角差值均值和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)表

4 總結(jié)

采用CCD相機(jī)的光學(xué)經(jīng)緯儀進(jìn)行測量時(shí)，目標(biāo)在視場中的位置會(huì)帶來測角誤差影響，且偏離中心越遠(yuǎn)，誤差就越大;因此在操作訓(xùn)練中，要盡量保持良好跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定，目標(biāo)盡量位于畫幅中心。此外，在經(jīng)緯儀設(shè)計(jì)上、事后數(shù)據(jù)處理工作中，都要認(rèn)真考慮內(nèi)同步問題，將影響控制在合理范圍內(nèi)。

[1]宋彥，高慧斌，郭同健，等.經(jīng)緯儀控制模態(tài)切換時(shí)的動(dòng)態(tài)分析和脫靶量躍變抑制[J].光學(xué)精密工程，2008，16(11):2158－2163.

[2]趙金宇，李文軍，連遠(yuǎn)峰，等.電視跟蹤系統(tǒng)脫靶量動(dòng)態(tài)滯后誤差的修正[J].電光與控制，2004，11(3):20－22.

[3]胡嘯，徐繼明，劉守義.預(yù)測技術(shù)在經(jīng)緯儀高精度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28(6):287－290.

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