空間目標(biāo)激光瞄準(zhǔn)偏差的測量評估方法研究

康文運(yùn)，宋小全，侯軍燕，王云萍

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094)

1 引言

隨著空間光通信、光電探測等技術(shù)的快速發(fā)展，激光在空間目標(biāo)測量方面的應(yīng)用受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，并且取得了很大進(jìn)展［1－2］，其核心技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)激光對空間目標(biāo)的高精度跟瞄，提高到達(dá)空間目標(biāo)表面的激光功率密度，以便實(shí)現(xiàn)對遙遠(yuǎn)空間目標(biāo)的探測、測量和通信。

對空間目標(biāo)的激光瞄準(zhǔn)偏差是光電系統(tǒng)一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，如何測量評估光電系統(tǒng)對空間目標(biāo)的激光瞄準(zhǔn)偏差是一項(xiàng)技術(shù)難題。目前，圍繞這個問題已開展了不少探索研究［3－5］，但以靜態(tài)測試為主，沒有綜合考慮光電系統(tǒng)動態(tài)跟蹤目標(biāo)及整層大氣對激光傳輸?shù)挠绊?，因此，有必要進(jìn)一步深化這方面的研究工作。

本文圍繞如何測量評估光電系統(tǒng)對空間目標(biāo)激光瞄準(zhǔn)偏差進(jìn)行了分析研究，提出了一種可行方法。

2 激光瞄準(zhǔn)偏差的定義

在光電系統(tǒng)發(fā)射激光對空間目標(biāo)進(jìn)行跟蹤照射過程中，將激光光斑質(zhì)心平均位置與瞄準(zhǔn)點(diǎn)的偏差相對地面光電系統(tǒng)的張角定義為激光瞄準(zhǔn)偏差［6］。激光瞄準(zhǔn)偏差概念圖如圖1所示。

圖1 激光瞄準(zhǔn)偏差概念示意圖Fig.1 Diagram of laser pointing error concept

3 測量評估方法

由上述激光瞄準(zhǔn)偏差的定義可知:要測量光電系統(tǒng)對空間目標(biāo)的激光瞄準(zhǔn)偏差，需要測量跟瞄照射激光在空間目標(biāo)處的光斑質(zhì)心平均位置，激光經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)竭_(dá)遙遠(yuǎn)的空間目標(biāo)處其光斑已經(jīng)很大，顯然要直接測量空間目標(biāo)處的激光光斑質(zhì)心平均位置是一件十分困難的事。因此，采用對等直接測量的方法是不可行的，應(yīng)采用等效縮比的方法測量評估光電系統(tǒng)對空間目標(biāo)的激光瞄準(zhǔn)偏差。

3.1 測量評估系統(tǒng)構(gòu)成

為了能夠測得激光光斑的質(zhì)心需獲得較完整的光斑，可行的辦法是降低目標(biāo)與光電系統(tǒng)間的距離，因此，可利用無人機(jī)為模擬目標(biāo)進(jìn)行等效縮比測量。

測量評估系統(tǒng)主要包括:無人機(jī)平臺、激光靶板儀載荷、光學(xué)合作目標(biāo)載荷和地面飛控站等組成。

無人機(jī)平臺搭載激光靶板儀和光學(xué)合作目標(biāo)飛行，模擬空間目標(biāo)與地面光電系統(tǒng)間的飛行角速度，激光靶板儀用于測量激光光斑質(zhì)心位置，光學(xué)合作目標(biāo)用于模擬空間目標(biāo)的光學(xué)特性，地面飛控站用于對無人機(jī)平臺進(jìn)行測控、接收激光靶板儀測量數(shù)據(jù)并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理。

3.2測量評估試驗(yàn)設(shè)計

首先，將激光靶板儀和光學(xué)合作目標(biāo)加裝在無人機(jī)平臺上，使兩者的偏離量在測量試驗(yàn)飛行弧段內(nèi)相對地面光電系統(tǒng)的張角等于激光瞄準(zhǔn)偏置角。由于空間目標(biāo)距離光電系統(tǒng)很遠(yuǎn)，同時空間目標(biāo)運(yùn)動速度較快，因此，激光發(fā)射時應(yīng)相對光電系統(tǒng)的跟蹤軸有一個瞄準(zhǔn)提前角［6］，瞄準(zhǔn)提前角為2v/c，其中v為空間目標(biāo)相對光電系統(tǒng)的速度，c為光速。另外，若發(fā)射激光波長不在光電系統(tǒng)的跟蹤探測光波段內(nèi)，由于大氣對不同波長光的折射率不同，激光瞄準(zhǔn)偏置角還應(yīng)在瞄準(zhǔn)提前角上疊加一個蒙氣色差角。

其次，設(shè)置無人機(jī)飛行航路、航速和航高，在測量試驗(yàn)段，使無人機(jī)相對光電系統(tǒng)的跟蹤仰角和角速度與對空間目標(biāo)激光跟瞄照射時基本一致，并且激光靶板儀確保能夠測得完整光斑。測量評估試驗(yàn)布局如圖2所示。

在試驗(yàn)后對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算激光瞄準(zhǔn)偏差。

圖2 測量評估試驗(yàn)布局示意圖Fig.2 Diagram of measuring and evaluating test composition

3.3 瞄準(zhǔn)偏差計算公式及實(shí)例計算

利用上述測量評估試驗(yàn)激光靶板儀測量數(shù)據(jù)，可計算出光電系統(tǒng)對模擬目標(biāo)的激光瞄準(zhǔn)偏差，光斑質(zhì)心按照以下公式計算:

式中，xcj為第j幀光斑質(zhì)心在靶斑儀上橫坐標(biāo);ycj為第j幀光斑質(zhì)心在靶斑儀上縱坐標(biāo);P(xi，yi)為激光靶板儀上(xi，yi)處的功率密度;n為功率密度探測單元點(diǎn)的個數(shù)。

光斑質(zhì)心與靶斑儀中心(瞄準(zhǔn)點(diǎn))的偏差除以發(fā)光時刻靶目標(biāo)相對光電系統(tǒng)的距離得到該時刻的瞄準(zhǔn)偏差角，整個發(fā)光過程中瞄準(zhǔn)偏差角的平均值為激光瞄準(zhǔn)偏差。激光瞄準(zhǔn)偏差按照以下公式計算:

式中，Δx為x方向的瞄準(zhǔn)偏差;Δy為y方向的瞄準(zhǔn)偏差;(xcj，ycj)為第j幀光斑質(zhì)心在靶斑儀上坐標(biāo)，靶斑儀中心坐標(biāo)為(0，0);Rj為與第j幀光斑對應(yīng)時刻靶目標(biāo)相對光電系統(tǒng)的距離;m為激光光斑幀數(shù);Δ為瞄準(zhǔn)偏差。

利用上述公式對一組測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可算得其激光瞄準(zhǔn)偏差，其光斑質(zhì)心在靶板儀上的分布如圖3所示。

圖3 激光光斑質(zhì)心在靶板儀上的分布圖Fig.3 Diagram of laser facula centroid distribution on the target

4 影響評估結(jié)果的主要因素分析

在上述的測量評估試驗(yàn)設(shè)計中綜合考慮了跟瞄仰角、跟蹤角速度、激光瞄準(zhǔn)提前角、整層大氣蒙氣色差等因素，其中跟瞄仰角、跟蹤角速度、激光瞄準(zhǔn)提前角這三項(xiàng)可以較準(zhǔn)確設(shè)置，能夠較準(zhǔn)確模擬實(shí)際跟瞄過程，因此，其對激光瞄準(zhǔn)偏差評估的影響有限。

蒙氣色差角設(shè)置存在一定不確定性，蒙氣色差角一般是通過大氣光學(xué)參數(shù)測量數(shù)據(jù)和蒙氣色差角計算模型推算出來的，和實(shí)際情況存在一定偏差，由于實(shí)際應(yīng)用中一般關(guān)注的是光電系統(tǒng)在較高仰角激光瞄準(zhǔn)能力，而在高仰角區(qū)域蒙氣色差本來就較小，如在60°仰角以上可見光和中短波紅外光的蒙氣色差角約 3 μrad［6－7］，因此，其帶來的誤差應(yīng)不大約 1 μrad。

另外，激光經(jīng)整層大氣輸出后其光斑質(zhì)心可能發(fā)生漂移，在測量光斑質(zhì)心時也存在測量誤差，這些因素對激光瞄準(zhǔn)偏差評估也有影響。一般通過增加靶板儀上探測器布設(shè)密度和采用數(shù)據(jù)插值處理可以降低光斑質(zhì)心測量誤差。若靶板儀上探測器間隔為1 cm，經(jīng)數(shù)據(jù)插值處理后其光斑質(zhì)心測量誤差可小于0.5 cm，若測量試驗(yàn)時靶目標(biāo)與光電系統(tǒng)相距5 km，其誤差小于1 μrad，因此，光斑質(zhì)心測量誤差可控并且較小。并且經(jīng)過公式(2)的平均計算，基本可消除大氣對光斑質(zhì)心位置隨機(jī)影響以及靶板儀測量的隨機(jī)誤差。

綜合上述分析，影響評估結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素為測量評估試驗(yàn)時對蒙氣色差角的設(shè)置，若光電系統(tǒng)的跟蹤探測光波段與發(fā)射激光波長不一致，采用該測量評估方法獲得的激光跟瞄偏差值(在60°仰角以上)約存在1 μrad的誤差。

5 結(jié)束語

長期以來如何評價光電系統(tǒng)對空間目標(biāo)的激光跟瞄能力一直是該領(lǐng)域一個刺手問題。本文提出的等效縮比測量評估方法，在模擬目標(biāo)飛行特性、光學(xué)特性的基礎(chǔ)上，還考慮了跟瞄仰角、激光瞄準(zhǔn)提前角、整層大氣蒙氣色差等因素的影響，基本模擬了光電系統(tǒng)對空間目標(biāo)激光跟瞄的主要環(huán)節(jié)，是一種可行并準(zhǔn)確性較高的測量評估方法，在實(shí)際應(yīng)用中也得到了試驗(yàn)的驗(yàn)證。但是在測量評估試驗(yàn)中需高空高速無人機(jī)的配合，試驗(yàn)規(guī)模大費(fèi)用較高，還不夠簡約，今后還需不斷探索更加簡便準(zhǔn)確的測量評估方法。

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