一種光電經(jīng)緯儀室內(nèi)動態(tài)誤差檢測方法分析

王玉坤， 賈 娜

(91550部隊42分隊, 遼寧 大連 116023)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，可見光、紅外探測等現(xiàn)代光電技術(shù)的應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展?？梢姽鈹?shù)字測量系統(tǒng)作為光電經(jīng)緯儀的主要分系統(tǒng)，用于完成目標(biāo)探測并獲取飛行目標(biāo)實(shí)時圖像資料，其測量結(jié)果實(shí)時輸出并送給伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的動態(tài)跟蹤測量。數(shù)字相機(jī)在跟蹤相對運(yùn)動速度較高目標(biāo)時，存在目標(biāo)成像拖尾現(xiàn)象，會加大其動態(tài)誤差。為此，數(shù)字圖像測量系統(tǒng)的動態(tài)測角誤差的檢測顯得尤為重要。本文介紹了光電經(jīng)緯儀動態(tài)精度指標(biāo)的室內(nèi)檢測方法，即小角度擾動法。通過小角度擾動法對某型號光電經(jīng)緯儀數(shù)字圖像測量系統(tǒng)的動態(tài)測角精度進(jìn)行檢測，積累了一些室內(nèi)精度檢測經(jīng)驗，并在實(shí)踐中得以應(yīng)用，解決了光電經(jīng)緯儀的室內(nèi)裝備動態(tài)精度檢測只能依靠跟蹤動態(tài)目標(biāo)的檢測手段的單一問題。小角度擾動法檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、過程便于操作、檢測結(jié)果可靠。

1 光電經(jīng)緯儀工作原理及檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光電經(jīng)緯儀是由電影經(jīng)緯儀發(fā)展而來的，是經(jīng)緯儀與光電探測裝置結(jié)合的產(chǎn)物。經(jīng)緯儀機(jī)架為3軸(垂直軸、水平軸、視準(zhǔn)軸)地平裝置。機(jī)架3軸相互垂直，水平軸和視準(zhǔn)軸可以繞垂直軸在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，光電探測裝置裝于水平軸上，其主光軸為視準(zhǔn)軸，并與水平軸垂直，可以繞水平軸在垂直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在垂直軸和水平軸上分別裝有軸角編碼器[1-2]。視準(zhǔn)軸繞垂直軸旋轉(zhuǎn)時在垂直軸編碼器讀出的角度稱為方位角A，視準(zhǔn)軸繞水平軸旋轉(zhuǎn)時在水平軸編碼器讀出的角度稱為俯仰角E。這樣，只要視準(zhǔn)軸瞄準(zhǔn)目標(biāo)就能得到光軸指向目標(biāo)的方位角和俯仰角。

為了確保精度檢測的可靠性，檢測系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的T型架加裝水平光管和高角平行光管，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。檢測系統(tǒng)主要包括T型架、水平平行光管、高角平行光管、隔離地基環(huán)、高精度T4經(jīng)緯儀、高精度水平儀和待檢測經(jīng)緯儀。

首先，將T4經(jīng)緯儀放置到T型檢測架的水平光管與高角光管交匯的測量基座圓心處，對水平光管進(jìn)行測量得出水平光管的測量值A(chǔ)1和E1，然后再用T4經(jīng)緯儀對65°高角的光管進(jìn)行測量，得出測量值A(chǔ)2和E2[3～4]。這樣可得出2光管發(fā)出的2束平行光的夾角A0和E0，即：

A0=A2-A1

(1)

E0=E2-E1

(2)

通過上式得出了水平光管和高角光管的空間夾角。然后再將被檢測經(jīng)緯儀放置到測量基座上，調(diào)整到可同時測量到水平光管和高角光管的位置后，對經(jīng)緯儀進(jìn)行調(diào)平(調(diào)平精度要求小于1角秒)，調(diào)平后用被檢測經(jīng)緯儀對水平光管和高角光管進(jìn)行測量，通過事后測量數(shù)據(jù)處理，得出經(jīng)緯儀測量的水平光管和高角光管的夾角A和E，然后用經(jīng)緯儀的夾角測量值減去T4經(jīng)緯儀的測量值得出靜態(tài)測量誤差ΔA0，ΔE0，即：

ΔA0=A-A0

(3)

ΔE0=E-E0

(4)

得出靜態(tài)測量誤差后，再將經(jīng)緯儀對準(zhǔn)高角平行光管進(jìn)行正弦擾動，正弦擾動的中心角裝定為A2和E2，正弦擾動的擺幅為可見光視場的一半，即8.5角分的擺幅。在這樣的擺幅下做小角度擾動測量，這樣，高角的平行光管的星點(diǎn)目標(biāo)就在測量畫幅內(nèi)記錄了相對運(yùn)動軌跡。通過圖像存儲記錄下星點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動軌跡，通過事后處理得到一組高角光管的動態(tài)測量值，用這一組得到的動態(tài)測量值與標(biāo)定值A(chǔ)2和E2做差進(jìn)行誤差統(tǒng)計，獲得經(jīng)緯儀的動態(tài)測角誤差增量δA0、δE0[4～5]。

將靜態(tài)誤差與動態(tài)測量誤差增量2個誤差源合成，根據(jù)公式(3)和(4)可得出經(jīng)緯儀的動態(tài)測量誤差δA和δE。

(5)

(6)

圖1 室內(nèi)T型檢測架結(jié)構(gòu)示意圖

2 檢測方法及數(shù)據(jù)處理

2.1 平行光管標(biāo)定

用高精度T4經(jīng)緯儀對水平光管和高角光管進(jìn)行測量記錄，得出水平光管和俯仰角為65°的高角光管的夾角A0和E0。

2.2 調(diào)整測量裝備的工作狀態(tài)

裝備進(jìn)行調(diào)平，對水平光管和高角光管進(jìn)行靜態(tài)測量和動態(tài)測量，在測量過程中對目標(biāo)進(jìn)行同步圖像記錄，并事后進(jìn)行圖像判讀處理獲得被檢測裝備的照準(zhǔn)差、零位差、水平軸傾斜誤差及靜態(tài)測量誤差和動態(tài)誤差增量[6]。

2.3 圖像存儲與判讀

裝備在對光管進(jìn)行圖像記錄時，采用20 Hz記錄頻率對目標(biāo)進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)測量，獲得靜態(tài)和擾動圖像。事后用圖像判讀軟件對目標(biāo)進(jìn)行判讀得到裝備測量數(shù)據(jù)，要求判讀軟件的圖像處理精度為0.5角秒。

2.4 靜態(tài)測量誤差檢測

用經(jīng)緯儀對準(zhǔn)1#平行光管和2#平行光管進(jìn)行圖像記錄，對得到的2組圖像進(jìn)行事后數(shù)據(jù)判讀處理，得到方位角和俯仰角的測量值，根據(jù)公式(7)至(11)獲得裝備的照準(zhǔn)差、零位差和靜態(tài)測角誤差，檢測結(jié)果見表1。

C=(A正鏡-A倒鏡±180)×3 600/2

(7)

L=(E正鏡+E倒鏡-180)×3 600/2

(8)

I=C高角-C/cos(RADIANS(E2)/

tan(RADIANS(E2))

(9)

ΔA0= (A2-A1-A)*3 600-

C*(1/cos(RADIANS(E))-1)-

I*tan(RADIANS(E)

(10)

ΔE0= (E2-E)*3 600-L

(11)

表1 靜態(tài)測角誤差檢測結(jié)果

2.5 動態(tài)誤差增量檢測

光電經(jīng)緯儀對準(zhǔn)高角平行光管進(jìn)行正弦擾動，同時記錄圖像，通過事后處理得到一組測量值，這一組測量值取平均值后，用每組測量值與平均值進(jìn)行做差，并統(tǒng)計隨機(jī)誤差，本次實(shí)驗測量值取800幀數(shù)據(jù)源進(jìn)行的誤差統(tǒng)計，其統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 擾動的誤差統(tǒng)計結(jié)果

2.6 計算動態(tài)測量精度

將裝備的靜態(tài)測量誤差和動態(tài)誤差增量按公式(5)和(6)進(jìn)行誤差合成，獲得裝備的動態(tài)測量精度如下：

3 外場精度實(shí)驗檢驗

小角度擾動法檢測的動態(tài)測量精度結(jié)果，通過在外場精度實(shí)驗過程中跟蹤動態(tài)目標(biāo)的GPS差分精度結(jié)果進(jìn)行比對。在精度實(shí)驗中抽取光電經(jīng)緯儀的測量數(shù)據(jù)與GPS差分測量數(shù)據(jù)4 000個點(diǎn)進(jìn)行比對，得到的2次精度實(shí)驗的比對結(jié)果見表3。

將上表中2次實(shí)驗獲得的系統(tǒng)誤差平均值和標(biāo)準(zhǔn)差平均值合成，獲得光電經(jīng)緯儀的動態(tài)測量誤差為：

表3 2次精度實(shí)驗比對結(jié)果

通過外場進(jìn)行的精度實(shí)驗可獲得的動態(tài)測量精度與室內(nèi)小角度擾動法獲得的動態(tài)測量精度檢測結(jié)果相同，滿足了光電經(jīng)緯儀的動態(tài)測量精度指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

采用小角度擾動法對光電經(jīng)緯儀進(jìn)行室內(nèi)動態(tài)測量精度檢測和評估，是一種簡便有效的檢測手段。光電經(jīng)緯儀采用小角度擾動法對靜止目標(biāo)進(jìn)行擾動測量所獲得的動態(tài)測量誤差，可以作為光電經(jīng)緯儀外場動態(tài)測角精度指標(biāo)檢測的依據(jù)。