激光引偏角測(cè)量不確定度分析

王正林，劉靜梅，歐陽(yáng)藝

(91404部隊(duì)，河北 秦皇島066001)

1 前言

激光引偏干擾是一種針對(duì)激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器實(shí)施的欺騙式有源干擾方式［1］。激光引偏角是評(píng)價(jià)激光引偏干擾有效性的一項(xiàng)要素。開(kāi)展激光引偏角測(cè)量是激光引偏干擾裝備研制過(guò)程中不可缺少的一項(xiàng)科研活動(dòng)。測(cè)量不確定度表征合理賦予的被測(cè)量之值的分散性，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，也可以用說(shuō)明了置信水平的區(qū)間的半寬度表示。用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示的測(cè)量不確定度稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)不確定度，用在一定置信度下測(cè)量結(jié)果的區(qū)間表示的測(cè)量不確定度稱(chēng)為擴(kuò)展不確定度。明晰影響激光引偏角測(cè)量不確定度的因素，確定激光引偏角測(cè)量不確定度的范圍，可為研究激光引偏角測(cè)試方法，分析激光引偏角測(cè)試數(shù)據(jù)提供幫助。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

激光引偏角測(cè)量系統(tǒng)由激光跟蹤器、可變視場(chǎng)CCD攝像機(jī)、陀螺穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)及控制與處理計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。

激光跟蹤器主要由光學(xué)系統(tǒng)、信息探測(cè)與處理器模塊及電源組成?？勺円晥?chǎng)CCD攝像機(jī)由變焦光學(xué)鏡頭和CCD攝像機(jī)組成?？刂破鹘邮占す飧櫰鞯母櫿`差信號(hào)，控制陀螺穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)對(duì)激光光斑進(jìn)行跟蹤［2］。由于CCD攝像機(jī)的光軸與激光跟蹤器光軸平行，CCD攝像機(jī)的光軸也指向激光光斑。激光跟蹤器同控制器、控制與處理計(jì)算機(jī)及陀螺穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)構(gòu)成激光搜索與跟蹤模塊，可變視場(chǎng)CCD攝像機(jī)同控制器、控制與處理計(jì)算機(jī)構(gòu)成電視跟蹤與測(cè)量模塊。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

測(cè)試時(shí)，首先使用激光目標(biāo)指示器照射目標(biāo)，激光搜索與跟蹤模塊搜索并跟蹤激光目標(biāo)指示器照射光斑。然后發(fā)射引偏干擾激光，激光搜索與跟蹤模塊進(jìn)行搜索，如果搜索到引偏激光并跟蹤激光引偏光斑，則CCD攝像機(jī)的光軸也指向激光引偏光斑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光目標(biāo)指示器照射點(diǎn)和激光引偏光斑中心之間的角度測(cè)量，即激光引偏角測(cè)量。

可變視場(chǎng)CCD攝像機(jī)像面上兩個(gè)像點(diǎn)的夾角與測(cè)量的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的夾角相對(duì)應(yīng)。由兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)之間的角度、點(diǎn)目標(biāo)像點(diǎn)之間的像素?cái)?shù)和CCD攝像機(jī)焦距可標(biāo)定電視跟蹤與測(cè)量模塊一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的角度，即電視碼當(dāng)量。選擇CCD攝像機(jī)不同焦距進(jìn)行標(biāo)定，可獲得一組碼當(dāng)量數(shù)據(jù)。進(jìn)行激光引偏角測(cè)量時(shí)，由兩個(gè)像點(diǎn)之間的像素?cái)?shù)和碼當(dāng)量，可計(jì)算激光引偏角。

3 測(cè)量不確定度分析

用對(duì)被測(cè)量重復(fù)觀測(cè)并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法得到實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，這種評(píng)定方法稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類(lèi)評(píng)定方法。當(dāng)被測(cè)量Y的估計(jì)值y不是由重復(fù)觀測(cè)得到時(shí)，估計(jì)方差u2(y)或標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(y)可以用對(duì)Y的有關(guān)信息或資料來(lái)評(píng)定，這種方法稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類(lèi)評(píng)定方法。當(dāng)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度包含若干個(gè)測(cè)量不確定度分量時(shí)，用各不確定度分量的合成得到，稱(chēng)為合成不確定度。擴(kuò)展不確定度由合成不確定度uc(y)乘以包含因子k得到，用U表示:

測(cè)量結(jié)果可表示為:

y是被測(cè)量Y的最佳估計(jì)值。k值根據(jù)Y=y±U的區(qū)間要求的置信度水平而選擇。當(dāng)k=2時(shí)，區(qū)間的置信度水平約為95%［3］。通過(guò)分析激光引偏測(cè)量系統(tǒng)工作原理和激光引偏角測(cè)量方法，確定使用擴(kuò)展不確定度表示激光引偏角測(cè)量不確定度較為合適。

在CCD攝像機(jī)焦平面上，以焦點(diǎn)為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，俯仰方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系。設(shè)電視跟蹤與測(cè)量模塊所測(cè)量的激光目標(biāo)指示器瞄準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)為(x0，y0)，激光跟蹤器所跟蹤的引偏目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為(x1，y1)，則在水平方向和俯仰方向測(cè)量的激光引偏角分別為:

式中，kx，ky分別為水平方向和俯仰方向的碼當(dāng)量。

首先分析水平方向激光引偏角測(cè)量不確定度。

設(shè):

由于 kx，x0，x1不相關(guān)，所以:

由式(1):

dkx與標(biāo)定方法和所使用的標(biāo)定裝置有關(guān)。下面以精密轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角法為例進(jìn)行分析。使用平行光管和點(diǎn)光源生成一個(gè)空間位置固定的點(diǎn)目標(biāo)，將CCD攝像機(jī)架設(shè)在精密轉(zhuǎn)臺(tái)上。首先將CCD攝像機(jī)視場(chǎng)某邊緣對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，讀取轉(zhuǎn)臺(tái)水平角度值A(chǔ)1，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)使電視跟蹤與測(cè)量分系統(tǒng)視場(chǎng)另一邊緣對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，讀取轉(zhuǎn)臺(tái)水平角度值A(chǔ)2。設(shè)電視跟蹤與測(cè)量模塊水平方向像素?cái)?shù)為Nh，則:

電視跟蹤與測(cè)量模塊碼當(dāng)量標(biāo)定偏差與轉(zhuǎn)臺(tái)角度測(cè)量偏差σA和電視跟蹤與測(cè)量模塊像素?cái)?shù)讀取偏差σN相關(guān)。由于碼當(dāng)量標(biāo)定偏差造成的激光引偏角測(cè)量不確定度分量:

由式(1):

dx0與電視跟蹤與測(cè)量模塊對(duì)激光指示光斑的跟蹤精度相關(guān)，包括激光搜索與分系統(tǒng)跟蹤標(biāo)準(zhǔn)偏差σtl和電視跟蹤與測(cè)量分系統(tǒng)跟蹤標(biāo)準(zhǔn)偏差σtv。由于x0測(cè)量偏差造成的激光引偏角測(cè)量不確定度分量:

由式(1):

dx1為激光搜索與分系統(tǒng)跟蹤標(biāo)準(zhǔn)偏差σtl和電視跟蹤與測(cè)量分系統(tǒng)坐標(biāo)值讀取標(biāo)準(zhǔn)偏差σrt。由于x1測(cè)量偏差造成的激光引偏角測(cè)量不確定度分量:

由式(3)，激光引偏角合成不確定度:

由式(4)～式(6)得:

取區(qū)間置信度水平為95%，則激光引偏角測(cè)量擴(kuò)展不確定度為:

根據(jù)水平方向激光引偏角測(cè)量不確定度分析方法，由式(2)可進(jìn)行俯仰方向激光引偏角測(cè)量不確定度分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光引偏角測(cè)量擴(kuò)展不確定度主要由電視跟蹤與測(cè)量模塊碼當(dāng)量標(biāo)定轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角標(biāo)準(zhǔn)偏差、電視跟蹤與測(cè)量模塊像素?cái)?shù)讀取標(biāo)準(zhǔn)偏差、激光搜索與跟蹤模塊跟蹤標(biāo)準(zhǔn)偏差、電視跟蹤與測(cè)量模塊跟蹤標(biāo)準(zhǔn)偏差、電視跟蹤與測(cè)量模塊坐標(biāo)值讀取標(biāo)準(zhǔn)偏差確定。為了降低激光引偏角測(cè)量不確定度，在進(jìn)行電視跟蹤與測(cè)量模塊碼當(dāng)量標(biāo)定時(shí)，應(yīng)使用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)測(cè)量過(guò)程中所使用的電視視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的碼當(dāng)量進(jìn)行標(biāo)定;在進(jìn)行激光引偏角測(cè)量過(guò)程中，使用激光目標(biāo)指標(biāo)器照射目標(biāo)時(shí)，應(yīng)選擇目標(biāo)特征明顯的位置進(jìn)行照射，并保持照射光斑位置穩(wěn)定;在滿(mǎn)足測(cè)量要求條件下，應(yīng)使用CCD攝像機(jī)窄視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，并保持測(cè)試過(guò)程中視場(chǎng)不變。報(bào)告激光引偏角測(cè)量結(jié)果時(shí)，除報(bào)告測(cè)量數(shù)值外，還應(yīng)報(bào)告測(cè)量的擴(kuò)展不確定度。

［1］ Ye Shengxiang.The technique of electro － optical jamming and protecting system［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2005.(in Chinese)葉盛祥.光電干擾防護(hù)系統(tǒng)技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［2］ Mei Suisheng.Optoelectric technology［M］.Beijing:National Defengce Industry Press，2008.(in Chinese)梅遂生.光電子技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［3］ Ye Depei.Uncertainty of measurment［M］.Beijing:National Defengce Industry Press，2001.(in Chinese)葉德培.測(cè)量不確定度［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2001.