光電經(jīng)緯儀視軸晃動的標(biāo)定補(bǔ)償

王 濤，唐 杰

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春130033)

1 引言

現(xiàn)代光電經(jīng)緯儀具有實時測量、高精度、自動跟蹤監(jiān)控和易于圖像再現(xiàn)等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于航空、航天、武器試驗、大地測量等科研和軍事領(lǐng)域。隨著我國國防事業(yè)的發(fā)展，經(jīng)緯儀在靶場上的應(yīng)用也越來越多，主要完成試驗中目標(biāo)外彈道、航跡、姿態(tài)及攔截脫靶量測量［1－2］。

為保證光電經(jīng)緯儀的成像質(zhì)量，主鏡的面型精度一般要求支撐后達(dá)到λ/20(rms)，其支撐方式一般選用柔性支撐;隨著經(jīng)緯儀通光口徑的增大，其視軸的重量也成比例增大，由于重力、剛度等原因，必然導(dǎo)致視軸隨俯仰角變化時機(jī)械零部件存在一定的彈性變形。以上兩種主要原因?qū)е陆?jīng)緯儀觀測不同俯仰角目標(biāo)時，其指向精度存在一種誤差，這種誤差稱之為視軸晃動誤差［3］。

本文針對光電經(jīng)緯儀的視軸晃動誤差，基于天文望遠(yuǎn)鏡星體標(biāo)校修正的原理及經(jīng)驗，給出了一種光電經(jīng)緯儀視軸晃動的室內(nèi)標(biāo)定及補(bǔ)償方法。通過試驗驗證，該方法可補(bǔ)償視軸晃動的系統(tǒng)誤差，補(bǔ)償后經(jīng)緯儀指向精度可達(dá)到10″內(nèi)。

2 星體標(biāo)校修正方法

星體標(biāo)校是利用恒星在天球上的準(zhǔn)確視位置來標(biāo)定光電經(jīng)緯儀的精度，是光電經(jīng)緯儀在外場進(jìn)行精度檢測和單項誤差調(diào)整常用的方法之一，廣泛地應(yīng)用于各種靶場的外場實時檢測中。

星體標(biāo)校的過程是利用光電經(jīng)緯儀對一組空間恒星進(jìn)行測量，實時記錄星體的測量數(shù)據(jù)(測量時間、角度等)，根據(jù)測量時間、設(shè)備站址的天文經(jīng)緯度、星體坐標(biāo)(視赤經(jīng)、視赤緯)等參數(shù)，用星歷表計算測量時刻星體的理論位置，將星體實測位置與理論位置進(jìn)行比較［4－6］。星體標(biāo)校原理示意圖如圖1所示。

圖1 星體標(biāo)校原理圖Fig．1 principle of cytaster calibration

光電經(jīng)緯儀星校方法適用于外場實時檢測，精度較高，但測試的相對條件要求也較高，如:準(zhǔn)確的站址坐標(biāo)，被測設(shè)備的探測性能(可探測星等、光譜范圍)以及準(zhǔn)確詳細(xì)的星歷表數(shù)據(jù)等。

星體標(biāo)校的主要誤差源:

(1)星體的時角計算

天文年歷所載的恒星數(shù)據(jù)是按一定表列時刻推算的，要求非表列時刻的其他時刻的數(shù)值則需內(nèi)插;

(2)蒙氣差的修正

由于大氣折射，需要進(jìn)行蒙氣差修正。

3 室內(nèi)標(biāo)定補(bǔ)償方法

根據(jù)星體標(biāo)校的原理，設(shè)計了一套經(jīng)緯儀室內(nèi)標(biāo)定補(bǔ)償?shù)姆椒?。該方法對測試條件要求不高，相對星體標(biāo)校，無需站址坐標(biāo)的標(biāo)定、星歷表數(shù)據(jù)、光譜波段寬(適用可見、紅外)，同時沒有大氣折射影響。

室內(nèi)標(biāo)定方法:在被測設(shè)備主系統(tǒng)前剛性固定一個小口徑平行光管，平行光管成像于被測設(shè)備靶面上，被測設(shè)備從水平0°開始向天頂90°方向運動。由于平行光管與被測設(shè)備之間相對固定，沒有相對運動，所以靶面成像位置的偏移變化量即為被測設(shè)備的視軸晃動量。如圖2所示。

圖2 室內(nèi)標(biāo)定示意圖Fig．2 The laboratory calibration

光電經(jīng)緯儀的光機(jī)結(jié)構(gòu)決定其在天頂90°位置時受力狀態(tài)最好，取天頂位置的脫靶量為基準(zhǔn)值，其余位置與該值做差，求出偏移量。

針對某設(shè)備進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。由于經(jīng)緯儀使用狀態(tài)為0°～90°，故從水平位置至天頂位置，每10°測試一點，記錄脫靶量數(shù)據(jù)(以俯仰脫靶量為例)。取兩側(cè)正反測量數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可以看出，隨機(jī)量較小，所以取均值進(jìn)行系統(tǒng)誤差修正。

表1 某設(shè)備測試數(shù)據(jù)Tab．1 The test data of a certain

取差值分析，差值曲線如圖3所示。從圖中可以看出差值近似線性。取線性趨勢對曲線進(jìn)行插值逼近，可以得出線性趨勢公式［7－9］。

針對不同俯仰角目標(biāo)，可按線性趨勢公式進(jìn)行修正補(bǔ)償。圖4為該設(shè)備針對室內(nèi)檢測架中65°仰角目標(biāo)進(jìn)行多次測量后的結(jié)果。

圖3 差值曲線Fig．3 The difference curve

圖4 修正結(jié)果Fig．4 The correction result

從圖中可以看出，采用室內(nèi)標(biāo)定補(bǔ)償方法后，經(jīng)緯儀的俯仰角測量誤差(均方)可以從25″左右修正到8″左右。

4 結(jié)論

為修正補(bǔ)償光電經(jīng)緯儀的視軸晃動誤差，本文基于星體標(biāo)校原理，設(shè)計了一套經(jīng)緯儀視軸誤差的室內(nèi)標(biāo)定補(bǔ)償方法。該方法操作簡便、試驗條件要求較低，通過對某設(shè)備的試驗驗證，該方法可實現(xiàn)10″級精度的修正補(bǔ)償。

［1］ ZHAO Xueyan，LI Yingchun．Optical measurement in shooting range［M］．Beijing:Institute of Command and Technology，2000，4－35．(in Chinese)趙學(xué)顏，李迎春．靶場光學(xué)測量［M］．北京:裝備指揮技術(shù)學(xué)院，2000，4－35．

［2］ HE Zhaocai，HU Baoan．Photoelectric measurement［M］．Beijing:National Defense Industry Press．(in Chinese)何照才，胡保安．光電測量［M］．北京:國防工業(yè)出版社．

［3］ MAO Dapeng，et al．Key technology of semi-strapdown stabilization in engineering application［J］．Laser＆Infrared，2012，42(10):1171－1176．(in Chinese)毛大鵬，等．半捷聯(lián)穩(wěn)定在工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)［J］．激光與紅外，2012，42(10):1171－1176．

［4］ SHI Chunlian，MI Bianli．Study on evaluating angle accuracy measured by electro-optical theodolite with star photog raph［J］．Measurement＆Control Technology，2004，(23):12－14．(in Chinese)史春蓮，彌變莉．利用星體攝像法評定光電經(jīng)緯儀測角精度的研究［J］．測控技術(shù)，2004，(23):12－14．

［5］ HUANG Chen，et al．Survey for foreign infrared astronomical telescopes［J］．Laser＆Infrared，2013，43(3):235－239．．(in Chinese)黃晨，等．國外紅外天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)展現(xiàn)狀［J］．激光與紅外，2013，43(3):235－239．

［6］ LU Qianqian，et al．Influence of sky background on data of day-night atmospheric coherence length monitor［J］．Laser＆Infrared，2012，42(8):921－924．(in Chinese)路茜茜，等．白天天空背景對晝夜大氣相干長度儀數(shù)據(jù)影響［J］．激光與紅外，2012，42(8):921－924．

［7］ZHANG Dongmei，SHANG Chunmin，QIAOYanfeng．The research of deformation measurement technology of vehicle flat in photoelectric theodolite［J］．Laser＆ Infrared，2005，35(6):435－437．(in Chinese)張東梅，尚春民，喬彥峰．光電經(jīng)緯儀車載平臺變形測量技術(shù)研究［J］．激光與紅外，2005，35(6):435－437．

［8］ FEI Yetai．The theory of error and analysis of accuracy［M］．Beijing:National Defence Industry Press，2005．(in Chinese)費業(yè)泰．誤差理論與數(shù)據(jù)處理［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［9］ ZHAO Jinyu，WANG Dexing，LI Wenjun，et al．Newmethod oInfluence of sky background on data of day-night atmospheric coherence length monitor ection for the system erors of telescope［J］．Infrared and Laser Enginering，2005，34(2):244－246．(in Chinese)趙金宇，王德興，李文軍，等．望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)誤差動態(tài)修正的一種新方法［J］．紅外與激光工程，2005，34(2):244－246．