經(jīng)緯儀跟蹤與激光指向一致性問(wèn)題研究

賈文武，張三喜，雷 濤

1中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西 華陰 714200；

2中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209

1 引 言

隨著激光測(cè)距能力的不斷提高[1]，給光電經(jīng)緯儀加裝激光測(cè)距分系統(tǒng)構(gòu)成激光單站測(cè)量經(jīng)緯儀，實(shí)現(xiàn)單站外彈道參數(shù)測(cè)量能力已成為靶場(chǎng)經(jīng)緯儀的發(fā)展趨勢(shì)[2]。在測(cè)量時(shí)經(jīng)緯儀負(fù)責(zé)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和角度測(cè)量[3]，同時(shí)引導(dǎo)激光測(cè)距分系統(tǒng)測(cè)量目標(biāo)的距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的單站定位與外彈道參數(shù)測(cè)量。在此過(guò)程中，由于激光光軸與經(jīng)緯儀跟蹤光軸的軸間距離(移軸)和平行性誤差的存在，將會(huì)導(dǎo)致經(jīng)緯儀跟蹤位置與激光指向位置不一致，從而對(duì)激光單站測(cè)量產(chǎn)生不利影響。

目前雖然可以通過(guò)共軸光路設(shè)計(jì)的方法，使得激光發(fā)射系統(tǒng)與經(jīng)緯儀主跟蹤光學(xué)系統(tǒng)共軸[4-5]；同時(shí)通過(guò)精密裝調(diào)的方法提高激光光軸與經(jīng)緯儀跟蹤光軸的平行性等方法來(lái)減小上述誤差的影響。但是靶場(chǎng)試驗(yàn)中有時(shí)不得不在大移軸、弱平行條件下開展測(cè)試工作。首先，靶場(chǎng)經(jīng)緯儀通常包含測(cè)量和捕獲兩級(jí)跟蹤系統(tǒng)，共軸設(shè)計(jì)只能解決其中一個(gè)跟蹤分系統(tǒng)的移軸問(wèn)題，當(dāng)另一個(gè)跟蹤系統(tǒng)工作時(shí)仍然會(huì)存在移軸與光軸平行性問(wèn)題。其次，針對(duì)可換負(fù)載式經(jīng)緯儀，激光測(cè)距分系統(tǒng)只能安裝在經(jīng)緯儀已有的載物臺(tái)上，導(dǎo)致激光光軸與經(jīng)緯儀跟蹤光軸的軸間距離難以減小。最后，在外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境下難以具備專門裝調(diào)設(shè)備保證更換后激光光軸與經(jīng)緯儀跟蹤光軸之間嚴(yán)格平行。因此，在實(shí)際靶場(chǎng)測(cè)試中必需解決大移軸、弱平行條件下的經(jīng)緯儀跟蹤位置與激光指向位置的一致性問(wèn)題。

綜上，對(duì)大移軸、弱平行條件下經(jīng)緯儀跟蹤位置與激光指向一致性問(wèn)題開展研究，在分析移軸與平行性誤差的影響基礎(chǔ)上，提出了一種基于偏置跟蹤的激光指向動(dòng)態(tài)修正方法和針對(duì)初始距離未知目標(biāo)的一維搜索方法，有效解決了激光指向與經(jīng)緯儀跟蹤位置不一致問(wèn)題。這對(duì)于降低激光單站測(cè)量經(jīng)緯儀中激光光軸與經(jīng)緯儀跟蹤光軸的移軸量和平行性要求，并提高激光測(cè)距作用距離，降低測(cè)距盲區(qū)，提高目標(biāo)定位精度具有重要意義。

2 移軸與平行性誤差的影響分析

2.1 移軸影響分析

如圖1所示，假設(shè)激光發(fā)射光軸與經(jīng)緯儀跟蹤光軸完全平行，軸向距離(移軸量)為z0，激光發(fā)散角為θ；同時(shí)經(jīng)緯儀穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)且位于跟蹤視場(chǎng)中心。顯然此時(shí)激光光軸指向的目標(biāo)位置與跟蹤光軸指向的目標(biāo)位置存在一個(gè)固定的偏差。由于該固定指向偏差的存在，以及激光光斑尺寸隨距離的變化，將導(dǎo)致激光測(cè)距盲區(qū)。

圖1 激光移軸對(duì)距離測(cè)量的影響Fig.1 The influence of off boresight to range detecting

首先對(duì)于小目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)距離較近且激光光斑尺寸小于移軸量時(shí)，激光不能照射到位于跟蹤視場(chǎng)中心的小目標(biāo)，從而無(wú)法完成距離的測(cè)量。隨著目標(biāo)距離的增大，激光光斑尺寸也隨之增大，當(dāng)其半徑大于移軸量時(shí)(如圖1中L3位置)，激光能夠照射位于視場(chǎng)中心的小目標(biāo)完成距離的測(cè)量。當(dāng)激光光斑尺寸剛好等于軸間距離時(shí)(如圖1中L2位置)，激光剛好能夠照射小目標(biāo)。此時(shí)目標(biāo)距離如式(1)所示。小于該距離則稱為移軸導(dǎo)致的測(cè)距盲區(qū)。

其次目標(biāo)尺寸大小也會(huì)對(duì)測(cè)距盲區(qū)產(chǎn)生影響。如圖1中L1位置所示，目標(biāo)尺寸越大激光越容易照射到目標(biāo)。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)目標(biāo)截面為圓形，半徑為r。則此時(shí)激光光束剛好能夠照射到目標(biāo)的距離有：

從以上分析可知，移軸將使激光光軸指向和經(jīng)緯儀跟蹤光軸指向之間產(chǎn)生一個(gè)固定偏差，使得激光測(cè)距位置與經(jīng)緯儀跟蹤位置不一致，并可能引發(fā)激光測(cè)距盲區(qū)。該測(cè)距盲區(qū)與移軸量、激光發(fā)散角以及目標(biāo)尺寸有關(guān)，移軸量越小則測(cè)距盲區(qū)越小，激光發(fā)散角越大測(cè)距盲區(qū)越小，目標(biāo)尺寸越大測(cè)距盲區(qū)越小，當(dāng)目標(biāo)尺寸大于移軸量時(shí)則不存在測(cè)距盲區(qū)。

對(duì)于靶場(chǎng)經(jīng)緯儀，其跟蹤系統(tǒng)光學(xué)成像孔徑較大，移軸量也相應(yīng)較大。如某型經(jīng)緯儀其光學(xué)系統(tǒng)的安裝位置與主跟蹤系統(tǒng)的距離可達(dá) 590 mm，而同時(shí)常規(guī)靶場(chǎng)中大量的火箭彈、導(dǎo)彈類目標(biāo)口徑很小。比如對(duì)于移軸量為590 mm，激光發(fā)散角為1 mrad，口徑為120 mm的目標(biāo)，根據(jù)式(2)移軸所引起的測(cè)距盲區(qū)約為1.06 km。顯然此時(shí)移軸的影響已經(jīng)不能忽略。

2.2 光軸平行性誤差影響分析

顯然激光光軸與經(jīng)緯儀跟蹤光軸的平行性誤差將導(dǎo)致激光指向位置與經(jīng)緯儀跟蹤位置的不一致，尤其是兩者平行性誤差較大時(shí)，這種指向不一致將會(huì)產(chǎn)生較大影響。

一是對(duì)于小目標(biāo)而言，激光光軸與經(jīng)緯儀跟蹤光軸的平行性誤差將導(dǎo)致激光測(cè)距作用距離的下降。圖2中目標(biāo)1為小目標(biāo)且位于經(jīng)緯儀跟蹤視場(chǎng)中心，則目標(biāo)位于激光光束的偏心位置，偏心量為平行性誤差。由于激光能量呈高斯分布，位于非光束中心的目標(biāo)反射的激光能量將減小，當(dāng)平行性誤差與激光發(fā)散角相當(dāng)時(shí)，需要考慮其對(duì)激光測(cè)距作用距離的影響。而對(duì)于小發(fā)散角的激光光束，在缺乏精密裝調(diào)條件的靶場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境下，必需考慮這種較大的光軸不平行誤差的影響。

圖2 光軸平行性誤差影響示意圖Fig.2 The influence of parallelism error

二是對(duì)于大目標(biāo)而言，激光指向位置與經(jīng)緯儀跟蹤位置的不一致將影響對(duì)目標(biāo)的定位精度。圖2中目標(biāo)2為大目標(biāo)，經(jīng)緯儀跟蹤時(shí)鎖定目標(biāo)尾部。由于平行性誤差的存在，當(dāng)目標(biāo)距離較近時(shí)，激光束中心指向目標(biāo)尾部；隨著目標(biāo)距離的增大，激光束中心逐漸指向目標(biāo)頭部，造成測(cè)角位置和測(cè)距位置的不一致，從而影響對(duì)目標(biāo)的定位精度。

在實(shí)際經(jīng)緯儀中，激光光軸與跟蹤光學(xué)系統(tǒng)光軸往往同時(shí)存在移軸和不平行。兩者疊加導(dǎo)致激光指向位置和經(jīng)緯儀跟蹤位置不一致，最終導(dǎo)致增大激光測(cè)距盲區(qū)、降低激光測(cè)距作用距離和降低定位精度等問(wèn)題。為此，建立位于激光光束中心且距離為L(zhǎng)的目標(biāo)在經(jīng)緯儀成像坐標(biāo)系下的成像位置關(guān)系，通過(guò)偏置跟蹤的方法使得目標(biāo)始終成像在跟蹤視場(chǎng)的特定位置，此時(shí)距離為L(zhǎng)的目標(biāo)剛好位于激光束中心，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)修正激光指向并使得經(jīng)緯儀跟蹤目標(biāo)位置與激光束指向目標(biāo)位置始終保持一致的目的。

3 基于偏置跟蹤的激光指向動(dòng)態(tài)修正方法

由于經(jīng)緯儀成像跟蹤系統(tǒng)的視場(chǎng)相對(duì)激光發(fā)散角更大，可以采用偏置跟蹤方法使得目標(biāo)成像在經(jīng)緯儀跟蹤視場(chǎng)的特定位置[6-8]，此時(shí)，目標(biāo)剛好位于激光光束中心，從而有效減小激光測(cè)距盲區(qū)，提高激光測(cè)距作用距離，從而實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距位置與經(jīng)緯儀鎖定目標(biāo)位置一致。

3.1 經(jīng)緯儀跟蹤偏置量

與經(jīng)緯儀通常以照準(zhǔn)軸為基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系不同，為討論方便，以經(jīng)緯儀跟蹤光軸為基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系。如圖3所示，該坐標(biāo)系以跟蹤光學(xué)系統(tǒng)的投影中心為原點(diǎn)，水平向右為z軸正方向，豎直向上為y軸正方向，以跟蹤光軸為x軸其指向?yàn)檎较?，?gòu)建右手坐標(biāo)系?？稍谠嚽皹?biāo)定激光光軸與z-y平面相交的交點(diǎn)坐標(biāo)為(z0,y0)，激光光軸相對(duì)于跟蹤光軸的平行性偏差在水平方向上的角度為α(順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，俯仰方向上的角度為β(逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。

圖3 跟蹤偏置量計(jì)算示意圖Fig.3 The offset value of bias tracking

假設(shè)目標(biāo)位于激光光束的中心且距離為L(zhǎng)，則可以求得目標(biāo)在跟蹤坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

根據(jù)光學(xué)成像原理，可以求得此時(shí)目標(biāo)在經(jīng)緯儀跟蹤系統(tǒng)中的成像位置坐標(biāo)為

顯然當(dāng)目標(biāo)在經(jīng)緯儀跟蹤視場(chǎng)中成像位置滿足式(4)時(shí)，目標(biāo)剛好位于激光光束中心，因此式(4)即為經(jīng)緯儀跟蹤過(guò)程中需要的偏置角度大小。其中ΔA和ΔE的取值不能超出經(jīng)緯儀的跟蹤視場(chǎng)，將ΔA或ΔE位于視場(chǎng)邊緣時(shí)對(duì)應(yīng)的距離L值定義為針對(duì)小目標(biāo)的最近測(cè)量距離(測(cè)距盲區(qū))。由于經(jīng)緯儀跟蹤視場(chǎng)大于激光發(fā)散角，因此與偏置跟蹤前相比，測(cè)距盲區(qū)將大大減小。同時(shí)由于目標(biāo)位于激光光束中心，激光能量更高，有利于提高激光測(cè)距作用距離。

3.2 經(jīng)緯儀偏置跟蹤流程

在靶場(chǎng)光電經(jīng)緯儀跟蹤過(guò)程中，目標(biāo)通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)成像，圖像跟蹤器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別同時(shí)提取出目標(biāo)的脫靶量(ΔAr, ΔEr)。主控系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)緯儀的當(dāng)前指向的方位、俯仰角度以及目標(biāo)的脫靶量計(jì)算目標(biāo)的真實(shí)位置(合成方位、俯仰角)，并將目標(biāo)的真實(shí)位置傳遞給伺服控制系統(tǒng)。伺服控制系統(tǒng)接收目標(biāo)的真實(shí)位置和經(jīng)緯儀的指向位置從而控制經(jīng)緯儀進(jìn)行跟蹤，以盡量使目標(biāo)的脫靶量減小至零。

為了實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距位置與經(jīng)緯儀跟蹤系統(tǒng)鎖定位置的一致性，需要在經(jīng)緯儀跟蹤過(guò)程中保持目標(biāo)位于激光光束的中心而不是跟蹤視場(chǎng)的中心。相當(dāng)于脫靶量是相對(duì)于位于激光光束中心的成像位置而不是跟蹤視場(chǎng)中心，因此需要對(duì)脫靶量進(jìn)行修正，修正公式為

其中：ΔA、ΔE為根據(jù)式(4)計(jì)算的目標(biāo)在跟蹤視場(chǎng)中的成像位置。以修正后的脫靶量ΔA′、ΔE′與經(jīng)緯儀的當(dāng)前實(shí)際指向合成目標(biāo)的“真實(shí)位置”，引導(dǎo)伺服進(jìn)行跟蹤，可使目標(biāo)位于激光光束中心位置。

為此需要對(duì)經(jīng)緯儀跟蹤流程進(jìn)行改造，改造前后的流程如圖4、圖5所示。圖像跟蹤器保持不變，其提取的目標(biāo)脫靶量輸入給主控系統(tǒng)；主控系統(tǒng)接收目標(biāo)的距離值，在剔除距離野值后計(jì)算目標(biāo)在成像靶面上的成像位置，同時(shí)對(duì)圖像跟蹤器輸入的脫靶量按照式(5)進(jìn)行修正；然后根據(jù)經(jīng)緯儀的當(dāng)前指向方位、俯仰角度以及修正后的目標(biāo)脫靶量計(jì)算目標(biāo)的“真實(shí)位置”(合成方位、俯仰角)，并將修正后的目標(biāo)“真實(shí)位置”傳遞給伺服控制系統(tǒng)。伺服控制系統(tǒng)接收修正后的目標(biāo)位置和經(jīng)緯儀指向位置從而控制經(jīng)緯儀進(jìn)行跟蹤。在此過(guò)程中，圖像跟蹤器與經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)保持不變，只需對(duì)經(jīng)緯儀主控系統(tǒng)進(jìn)行改造，減輕了改造難度。

圖4 改造前經(jīng)緯儀跟蹤流程Fig.4 The tracking procedure of theodolite before rebuilding

圖5 改造后經(jīng)緯儀偏置跟蹤流程Fig.5 The tracking procedure of theodolite after rebuilding

4 距離未知目標(biāo)的一維搜索方法

根據(jù)式(4)，偏置跟蹤的偏置量的設(shè)置依賴目標(biāo)距離的測(cè)量。當(dāng)目標(biāo)初始距離未知或目標(biāo)丟失后重新捕獲時(shí)，如果此時(shí)目標(biāo)剛好出現(xiàn)在激光測(cè)距盲區(qū)內(nèi)，則激光測(cè)距系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量目標(biāo)距離使偏置跟蹤難以繼續(xù)。為此，提出針對(duì)距離未知目標(biāo)的一維搜索方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索使之盡快被激光測(cè)距系統(tǒng)捕獲。在光電經(jīng)緯儀搜索目標(biāo)時(shí)通常采用玫瑰掃描、利薩如掃描、逐行掃描、螺旋掃描等搜索掃描路線[9-10]，如圖6所示。上述搜索掃描路線均在二維方向上進(jìn)行掃描，掃描時(shí)間較長(zhǎng)不利于快速捕獲目標(biāo)。

為此，提出距離未知目標(biāo)的一維搜索方法，加快搜索目標(biāo)距離的速度。根據(jù)式(4)，當(dāng)跟蹤光學(xué)系統(tǒng)焦距以及激光光軸相對(duì)跟蹤光軸的移軸、角度偏差確定后，目標(biāo)在經(jīng)緯儀跟蹤成像靶面中的成像位置僅與目標(biāo)的距離有關(guān)。因此，在搜索過(guò)程中可以僅根據(jù)距離維度在經(jīng)緯儀跟蹤視場(chǎng)中進(jìn)行一維搜索，從而可以大大提高搜索效率。

圖6 搜索掃描曲線。(a) 玫瑰掃描；(b) 利薩如掃描；(c) 逐行掃描；(d) 螺旋掃描Fig.6 Searching cure.(a) Rose curve scanning,(b) Lissajous curve; (c) Branch scanning; (d) Spiral scanning

首先，對(duì)于目標(biāo)成像位置(角度)上限，根據(jù)式(4)可以得到當(dāng)目標(biāo)距離趨向無(wú)窮大時(shí)，位于激光束中心的目標(biāo)在跟蹤系統(tǒng)中的成像角度ΔA極限值為水平方向上的偏差α，ΔE的極限值為俯仰方向上的平行度偏差β。

其次，于目標(biāo)成像位置(角度)下限，根據(jù)式(4)，目標(biāo)距離趨向零時(shí)，位于激光束中心的目標(biāo)在跟蹤系統(tǒng)中的成像角度ΔA趨向±π/2。但是經(jīng)緯儀跟蹤系統(tǒng)的成像視場(chǎng)較小，搜索位置不能超出經(jīng)緯儀的跟蹤視場(chǎng)。因此設(shè)定目標(biāo)在距離跟蹤視場(chǎng)邊緣約激光發(fā)散角的1/4視場(chǎng)角時(shí)，重新從視場(chǎng)中心開始搜索，一方面避免造成目標(biāo)丟失跟蹤失敗，另一方面當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到可測(cè)距區(qū)間時(shí)能夠快速啟動(dòng)激光與經(jīng)緯儀聯(lián)合測(cè)量。

最后，于搜索路徑，盡管成像位置僅與距離有關(guān)，是其與距離是非線性函數(shù)，因此對(duì)搜索路徑進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)水平方向的成像位置進(jìn)行線性取值ΔAi，根據(jù)式(4)計(jì)算對(duì)應(yīng)俯仰方向上的成像角度值ΔEi，減小非線性對(duì)搜索的影響；在此基礎(chǔ)上根據(jù)式(5)對(duì)脫靶量進(jìn)行修正:

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以某型光電經(jīng)緯儀為基礎(chǔ)對(duì)本文方法進(jìn)行初步驗(yàn)證。該經(jīng)緯儀具有如圖7所示三個(gè)載物臺(tái)，分別裝有可見光測(cè)量跟蹤、紅外測(cè)量跟蹤、紅外捕獲跟蹤三個(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)。其中，可見光測(cè)量跟蹤與紅外測(cè)量跟蹤系統(tǒng)在經(jīng)緯儀回轉(zhuǎn)中心上下分布，紅外捕獲跟蹤在經(jīng)緯儀回轉(zhuǎn)中心右側(cè)分布。可根據(jù)需要將其中一個(gè)成像分系統(tǒng)更換為激光測(cè)距分系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離測(cè)量和單站外彈道參數(shù)測(cè)量。

圖7 某型光電經(jīng)緯儀負(fù)載分布圖Fig.7 The loads of a kind of theodolite

由于缺乏短波相機(jī)對(duì)1550 nm激光光斑成像，按照光路可逆原理用紅外測(cè)量系統(tǒng)的成像視場(chǎng)模擬激光測(cè)距系統(tǒng)的激光光束。如圖 8(a)所示，以紅外測(cè)量跟蹤系統(tǒng)的成像光軸代表激光光軸(圖中紅色十字絲中心)，以合適的成像視場(chǎng)代替激光發(fā)散角(圖中紅色圓圈范圍約1 mrad)，模擬激光對(duì)目標(biāo)的照射情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將紅外測(cè)量跟蹤系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)距離為627.8 m的方位標(biāo)，其十字絲中心的目標(biāo)位置即為激光光軸指向位置，通過(guò)判讀其在可見光測(cè)量跟蹤系統(tǒng)和紅外捕獲跟蹤系統(tǒng)中的成像脫靶量，與本文的理論跟蹤偏置量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，證明偏置量理論計(jì)算的正確性。

其中，可見光測(cè)量跟蹤系統(tǒng)的成像如圖8(b)所示，其中紅色十字絲為跟蹤視場(chǎng)中心，藍(lán)色十字絲為判讀的目標(biāo)成像位置，對(duì)應(yīng)脫靶量為(-62.7″，-158.9″)。將“激光光軸”相對(duì)于可見光測(cè)量跟蹤系統(tǒng)的光軸平行性偏差(-60.5″，-62.6″)、移軸距離(0，-0.287 m)、目標(biāo)距離627.8 m帶入式(4)，可得跟蹤偏置量(成像位置)為(-60.5″，-156.9″)，與實(shí)際判讀結(jié)果在誤差范圍內(nèi)一致。兩者不一致則主要是由于判讀誤差引起。圖中藍(lán)色圓圈為方位標(biāo)位置處的激光光斑大小，此時(shí)傳統(tǒng)跟蹤時(shí)將目標(biāo)置于視場(chǎng)中心(紅色十字絲)處時(shí)，激光光斑將不能照射成像尺寸小于紅色十字絲中心至藍(lán)色圓圈的小目標(biāo)。

紅外捕獲跟蹤系統(tǒng)的成像如圖 8(c)所示，其中紅色十字絲為跟蹤視場(chǎng)中心，藍(lán)色十字絲為判讀的目標(biāo)成像位置，對(duì)應(yīng)脫靶量為(-165.0″，-41.2″)。將“激光光軸”相對(duì)于可見光測(cè)量跟蹤系統(tǒng)的光軸平行性偏差(23.3″，3.7″)、移軸距離(-0.59 m，-0.137 m)、目標(biāo)距離 627.8 m 帶入式(4)，可得跟蹤偏置量(成像位置)為(-170.5″，-41.3″)，與實(shí)際判讀結(jié)果在誤差范圍內(nèi)一致。從而驗(yàn)證了關(guān)于移軸與不平行性誤差的影響及跟蹤偏置量的計(jì)算方法。

圖8 激光束中心目標(biāo)成像位置。(a) 模擬激光束及激光光軸指向；(b) 可見光成像系統(tǒng)中的成像；(c) 在紅外捕獲系統(tǒng)中的成像Fig.8 The imaging location of target in center of laser beam.(a) Simulating laser beam and its pointing;(b) The imaging location in visible imaging system; (c) The imaging location in infrared capture system

圖9 搜索路徑。(a) 可見光測(cè)量跟蹤系統(tǒng)搜索路徑；(b) 紅外捕獲跟蹤系統(tǒng)搜索路徑Fig.9 Searching path.(a) Searching path for the visible imaging system; (b) Searching path for the infrared capture system

同樣，紅外測(cè)量跟蹤系統(tǒng)位置作為激光測(cè)距系統(tǒng)安裝位置，對(duì)于可見光測(cè)量跟蹤系統(tǒng)其成像視場(chǎng)為0.627°×0.470°，激光發(fā)散角為 1 mrad，則如果以搜索步長(zhǎng)為 1/4激光發(fā)散角(0.0143°)來(lái)繪制初始距離未知目標(biāo)的搜索路徑，結(jié)果如圖 9(a)所示。從圖中可以看出，搜索路徑經(jīng)過(guò)了方位標(biāo)距離處的目標(biāo)?？梢愿鶕?jù)式(1)計(jì)算出邊緣位置處的搜索點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)距離為82.0 m，大大降低了大移軸弱平行條件下的測(cè)距盲區(qū)。同時(shí)，在上述成像視場(chǎng)和搜索步長(zhǎng)的條件下，由于僅需搜索從中心視場(chǎng)到邊緣視場(chǎng)的一維搜索，故如果按照搜索步長(zhǎng)搜索位置，則可近似計(jì)算為(0.470°/2)/0.0143°=16個(gè)位置，并減去距離視場(chǎng)邊緣1/4激光發(fā)散角停止搜索的一個(gè)位置，因此僅需搜索15個(gè)位置。而如果是相同視場(chǎng)和步長(zhǎng)條件下逐行掃描的二維搜索算法，需要在全視場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行二維搜索，需搜索位置數(shù)約為 0.627°/0.014°=44 列，0.470°/0.014°=33 行，即44×33個(gè)位置。隨著成像視場(chǎng)的增大，二維搜索算法需要搜索的位置近似呈平方數(shù)增長(zhǎng)。

對(duì)于紅外捕獲跟蹤系統(tǒng)，其成像視場(chǎng)為3.7°×2.9°，搜索步長(zhǎng)仍然為1/2激光發(fā)散角，繪制初始距離位置目標(biāo)的搜索路徑如圖9(b)所示。可見搜索路徑經(jīng)過(guò)了方位標(biāo)距離處的目標(biāo)，其中可以計(jì)算邊緣位置處的搜索點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)距離為18.6 m，大大降低了大移軸弱平行條件下的測(cè)距盲區(qū)；與可見光測(cè)量跟蹤系統(tǒng)分析類似，此時(shí)僅需搜索約128個(gè)位置，大大提高了搜索效率。

6 結(jié) 論

針對(duì)現(xiàn)有經(jīng)緯儀改造、可換負(fù)載式經(jīng)緯儀在加裝激光測(cè)距時(shí)需要在大移軸、弱平行條件下測(cè)量無(wú)人機(jī)、火箭彈等目標(biāo)外彈道參數(shù)的情況，分析了激光光軸相對(duì)經(jīng)緯儀跟蹤光軸的軸間距離(移軸)及平行性誤差的影響。分析表明，移軸與平行性誤差將會(huì)導(dǎo)致激光指向與經(jīng)緯儀跟蹤的不一致，進(jìn)而導(dǎo)致激光測(cè)距盲區(qū)、降低激光測(cè)距作用距離、降低目標(biāo)定位境地。其中移軸將導(dǎo)致對(duì)小目標(biāo)的測(cè)距盲區(qū)，移軸量越大測(cè)距盲區(qū)越大。平行性誤差將降低激光測(cè)距的作用距離，同時(shí)測(cè)距位置隨著目標(biāo)距離變化而變化，從而降低目標(biāo)定位精度。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種基于偏置跟蹤的激光指向動(dòng)態(tài)修正方法，通過(guò)偏置跟蹤使目標(biāo)始終位于激光光束中心而不是跟蹤視場(chǎng)中心，有效解決了激光邊緣能量下降對(duì)作用距離的影響。針對(duì)某型經(jīng)緯儀，該方法可使目標(biāo)的測(cè)距盲區(qū)從1 km下降到82 m，約一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且實(shí)現(xiàn)了激光測(cè)距位置與跟蹤鎖定位置的一致，從而有利于提高定位精度。由于偏置跟蹤算法需要目標(biāo)初始距離以啟動(dòng)偏置跟蹤，但是當(dāng)初始目標(biāo)位于測(cè)距盲區(qū)內(nèi)時(shí)則無(wú)法測(cè)量目標(biāo)的距離，因此針對(duì)該問(wèn)題，提出初始距離未知目標(biāo)一維搜索方法，大大提高了對(duì)初始距離未知目標(biāo)的搜索效率，有效解決了大移軸弱平行條件激光指向與經(jīng)緯儀跟蹤的一致性問(wèn)題。這對(duì)于降低激光單站測(cè)量經(jīng)緯儀對(duì)激光光軸與經(jīng)緯儀跟蹤光軸移軸量與平行性限制，提高外彈道測(cè)量精度具有重要意義。