非平行光大视场角远距离瞄准仪设想.docx
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非平行光大视场角远距离瞄准仪设想
非平行光大视场瞄准仪
2009.9.10.
常见的瞄准仪大都采用平行光系统，发光光源和光敏接收元件均安装在同一个光学系统之内并且处于平行光管的焦平面位置上。
光管的出射光和入射光均以平行光形式出现，其工作敏区即准直和平移敏区受到准直目标-直角棱镜宽度、工作距离、平行光管的口径和焦距长度等因素的限制。
在需要扩大工作敏区时这种结构显示出不足。
为了扩大瞄准仪的工作敏区，本人所知美国*瞄准仪采用光管外部非平行光光源而我所老式光学瞄准仪采用光管内面光源。
参考美国*瞄准仪方案,提出一种非平行光光电瞄准仪的粗略设想：
瞄准仪的发光光源为设置在平行光管外部的非平行光光源，此举不但扩大了瞄准仪的工作敏区而且还可以以全数字形式工作在准直、测角、敏区搜索和敏区锁定状态。
关于瞄准敏区，即平移敏区、俯仰敏区和测角敏区的说明
1）平移敏区
在准直或者测角状态下，目标直角棱镜相对投射光源中心左右平移，直到移出测量敏区时所对应的平移量。
在平行光管投射固定平行光束的瞄准仪中，此平移敏区≤光管口径D+2×直角棱镜宽度B
2）俯仰平移敏区
直角棱镜在准直或测角状态下相对投射光源中心上下平移，直到移出测量敏区时所对应的上下平移量。
在平行光管投射固定平行光束的瞄准仪中，此平移敏区≤光管口径D+直角棱镜有效反射面高度H
3）测角敏区
直角棱镜在对中准直状态下进行方位转动直到移出测量敏区时所对应的（正反方向）方位转角范围。
在平行光管投射固定平行光束的瞄准仪中此测角敏区为
测角敏区
D为光管口径
直角棱镜有效宽度
直角棱镜高度
光管焦距
L为光管物镜到目标直角棱镜之间的距离
两个相邻LED光源之间的距离
CCD像素间距
线阵列LED光源的个数
CCD水平像素个数
平行光源条件下的平移敏区
线阵列LED光源条件下的平移敏区
直角棱镜有效宽度
为光管内CCD左右边缘像素的方位接收角视场角
1．外部线阵列发光二极管（LED）点光源方案
1.1.系统结构
线阵列LED光源设置在平行光管物镜口的前面，靠近物镜，如图1。
光敏元件，例如CCD安装在光管的焦平面。
此时相当于通过望远镜观察2倍远的线阵列LED发光点，对于远距离瞄准仪可近似为观察无穷远线阵列LED发光点。
现假设：
1）所有LED都是尺寸和特性相同并充满半球面的理想点光源，目标直角棱镜到光管的距离，即工作距离足够远。
2）光敏元件（例如CCD）灵敏度足够高；
3）LED线阵列的连接线呈水平安装，垂直于平行光管光轴，LED线阵列的中心LED（
）处于光管物镜的中心（或者上下）位置；
4）各LED的发光能量中心线相互平行并且平行于光管光轴；
5）N个LED等距直线排列，LED的间距足够小（例如=1mm）；
6）从左到右，LED的编码为
….
，
…
.,
7）目标棱镜到光管物镜的工作距离为L足够远（例如某发射场提出的25m）
8）光敏元件为面阵CCD其像素间距足够小并且安装在光管焦平面，CCD中心像素处于光管光轴位置、阵列面垂直于光轴、阵列水平X轴平行于LED阵列线。
9）CCD从左到右像素编码为:
1.2.光源的电子扫描
通过CPU控制，线阵列LED从
开始顺序逐个的点亮某个瞬间，即任何时刻只有指定的第i个LED发光。
此过程称为循环扫描。
如果采用窄脉冲发射则可大大提高LED的可用发射功率。
假设LED是点光源，工作距离又比较大则每一个LED发光点均可近似认为是“无穷远”的点光源，只要被瞄直角棱镜的法线方向和平移位置在某个准直和平移位置敏区之内，则总会有1个（或m个）LED光源发出的光从目标直角棱镜反射回来进入平行光管并且在光管物镜焦平面的CCD上找到对应的接收点,一个或者几个像素。
此时目标棱镜准直敏区为
未考虑电子细分条件下的测角分辨率为
式中?
?
?
?
上式指出，在测角状态下为了具有足够的测角分辨率，工作距离不可过小，除非LED之间的距离e能制作得足够小。
1.3.单点接收器的情况
此时CCD阵列中只有中心像素处于工作状态即点接收状态。
1.3.1.测角原理
假设目标棱镜处于准直状态其位置正好对称光管光轴即上下左右处于对中位置（可称为“理想准直”状态），则在LED进行发光扫描时，只有中心LED发出的中心光线被CCD中心像素接受。
其他LED发出的光不能被中心像素接收。
如果目标棱镜从准直状态偏离一个小的角度，则中心像素将不能接收到中心LED-
发出的光。
但是总有某一个非中心位置的LED发出的光被中心像素接收到。
由于LED发光过程是逐个进行的循环扫描，中心像素接收到的光信号是发自哪一个编号的LED将是已知的，为此不难计算出（与工作距离有关）目标棱镜的偏角。
不难看出，此时的准直敏区已经加大了。
其测角敏区随着工作距离L的加大二减小。
1.3.2.目标棱镜的平移状态
如果目标棱镜从“理想准直”状态开始进行左右平移运动而没有转角运动则在其平移敏区之内，上述测量过程无法发现，实际上也无需去发现。
但是一旦平移出“平移敏区”，则中心像素
再也收不到任何信号而处于平移敏区边缘（即边缘切割状态）时CCD的中心像素接受到的
发出的光信号“强度”下降。
？
？
可见上述中心像素接收器方案可以测量准直误差角并且可以扩展准直敏区但是平移敏区扩展不多,在敏区内难以发现目标棱镜的平移运动。
为此美国*瞄准仪仍然附加了平移导轨进行整体平移跟踪。
1.3.3．关于俯仰平移敏区
如图4所示，由于采用点光源和面阵CCD，目标直角棱镜的上下平移敏区也得到扩大。
其扩大敏区与工作距离、光管口径、焦距以及CCD像素区在垂直方向的尺寸有关。
？
1.3.3.两相扫描
上述LED的扫描过程是以单个点光源进行的。
另一种扫描方法是动态相位扫描方法。
LED线阵列被分成0°相位（从左开始连续x个LED）和180°（其余的LED，即x+1到2n号LED）相位，两部分交替发光并且连续改变扫描相位即改变x值。
CCD中心像素E0接收扫描信号并且进行相位判别，模拟信号相位判别或者数字信号相位判别。
LED扫描相位作为相位判别的参考相位。
当接收信号与参考信号为同相位时表明目标直角棱镜处于准直状态。
两者的相位差正比于准直误差角。
除去将LED分为左右两部分之外，还可以将其分为左右两段而不是将全体分为左右两个相位，例如取连续10个LED进行移动扫描。
1.3.4.自动搜索和目标锁定
线阵列LED进行全程扫描直到CCD-E0收到第i个LED的光信号，表明已发现目标即完成目标搜索同时给出被瞄直角棱镜的偏角。
此后可停止全程扫描转换为靠近第i个LED的左右若干个LED进行小范围的扫描，即转换为目标锁定和监测状态。
1.4.CCD全像素工作状态
中心像素工作状态不利于扩大工作敏区。
如果全部CCD像素都处于工作状态则工作敏区将进一步扩大。
此时在工作敏区内，每个LED发出的光均可以在CCD中找到相应的一个或者多个接收像素。
a）左右平移敏区-纯平移状态
目前平行光源条件下的准直平移敏区
线阵列LED光源条件下的准直平移敏区
为光管内CCD的方位角视场角。
光管焦距
CCD像素宽度
CCD水平像素个数
c）准直状态下的纯平移敏区
在CCD多点接收状态下，光管的测量视场角将被扩大。
如图8所示，
在准直状态下，即使直角棱镜平移出“正常”敏区但是CCD仍然可以接收到两侧LED发出的斜光束，通过计算判断直角棱镜的准直状态。
可见此时准直状态下的纯平移敏区被扩大了。
一旦反射镜平移量超过某个值则出现边沿切割，即能接收到LED扫描信号的CCD像素将不断减少直到平移出敏区。
b）测角敏区
如果目标棱镜从“理想准直”状态开始只出现转角运动而没有平移运动，则CCD上的LED阵列成像将出现整体左右平移。
在转角不大时，成像区的宽度不变。
通过成像区整体偏移量可计算出目标棱镜的准直误差角。
此时在敏区内，CCD接受像素出现总体平移直到出现边缘切割。
平移和转角的工作敏区出现交联状态
测角敏区为
θ=arctg（N*LED间距宽度/（2*焦距））
可见加长线阵列LED的长度（即加大N）可以扩展测角敏区。
但是由于间距宽度不能无限缩小因此可能存在测角死区？
c）平移和偏转角同时存在
可看出此时系统的平移敏区可以进一步扩大
准直误差角过大，出现的边缘切割，将与平移切割显现相互混淆。
此时需要进行解耦？
如何进行解偶需要进一步讨论。
？
实际上，从单像素接收改为全像素接受过程，系统的准直敏区和平移敏区再次被扩大了。
在CCD中心像素接收到第i个LED的光信号时，目标棱镜法线的准直误差角（目标棱镜偏角）为
当
时，
则意为准直状态。
式指出，如果利用此系统进行直接测角，则必须给出工作距离。
这与平行光管准直不同。
平行光系统的测角常数与工作距离无关，只有准直敏区与工作距离和光管焦距有关。
而平移敏区与工作距离有关。
测角敏区
2n+1LED的总数
dCCD的像素宽度
2m+1CCD像素总数
X瞄准镜水平中心偏离平行光管光轴的左右距离
θ目标反射镜法线与平行光管光轴之间的失准角
在工作距离不能给定时则需要利用精密转台测角而使上述测角状态转变为寻零测量状态进行标定。
即上述测量装置安装在精密方位转台上。
转动转台使上述信号测量信号达到准直状态，然后读出方位转台的转角读出值。
1.5.分辨率和电子细分
当分辨率不能满足使用要求时，可考虑通过CCD电子细分来提高测角分辨率。
2条形液晶屏数字扫描光源
将上述线阵列LED点光源改为水平条形液晶屏，通过液晶屏明暗区图形的移动进行光源扫描。
为了滤除背景光的干扰可以通过液晶屏的高亮度（此时LED作为导光板照明用光源）LED光源进行调制。
当LED工作在电流脉冲驱动条件下，液晶屏的“发光”强度可以大大提高。
由于液晶屏的显示分辨率小于0.5mm则测角分辨率将高于线阵列LED。
相比之下，水平条形液晶屏方案的测角分辨率高于线阵列LED光源方案。
扫描和信号处理方式与线阵列LED的扫描CCD信号接收方案相似。
为了减小背景杂光的影响考虑增加遮光罩。
3单个点光源机械平移扫描
使用LED线阵列可以实现快速自动电子扫描，不存在机械运动部件。
但是LED线阵列的制造可能存在一定困难。
使用一个点光源在一个带有数字标尺的平移导轨上左右移动，同时从标尺读出点光源的位置以此代替难以制造的LED线阵列。
此时的分辨率取决于数字标尺的分辨率。
此方案的移动扫描速度不可能太快，因此大范围搜索和小范围锁定过程就显得更为重要。
本人认为，上述方案实际上只是美国*瞄准仪原理的一种变形（数字化），其基本原理并无新意,但是不排除具体构思的错误，仅供参考。
4双光管解决加大准直敏区
上述单光管接受方法只能加大测角敏区而平移敏区的扩大效果并不明显。
如果采用双光管接收则可扩大准直平移敏区。
国外资料有关双光管瞄准仪的简单介绍，其原理可能与此相同。
此时直角棱镜可以处于两个光管接收敏区之内。
工作距离越大，平移敏区也就越大。
平移敏区扩大之后，瞄准仪不再需要（高精度的）平移导轨。
在风摆条件下无需风摆跟踪系统。
5射向装订、搜索和锁定
系统在开始工作时仍然需要按常规的方法进行射向装订和目标棱镜对准。
为了寻找目标，系统需要初始搜索，即LED进行全体扫描。
一旦发现目标即可将扫描区锁定在较小的范围内。
这对于单个点光源机械移动扫描方案更为重要。
6目标棱镜方位转角的计算和误差分析
此系统是工作在测角仪状态而不是简单的寻零或归零系统。
系统的输出是给出目标棱镜法线与光管光轴的夹角，为此需要给出计算公式，和敏区判别方法。
判断准直状态过程与目标棱镜的工作距离无关但是计算准直误差角则与工作距离有关。
除去工作距离之外，准直误差角的计算常数还包括光管焦距、CCD像素间距以及发光LED的编码位置有关。
这些可能需要事先进行标定。
这里，使用面阵CCD而不是简单的线阵CCD。
这将有助于接收和处理因目标棱镜倾斜运动造成反射光线成像点的上下移动问题。
上述成像区实际上只在同一条水平线移动。
即虚线图实际上仍然在实线图的同一个水平线内。
在准直敏区之内，成像长度是不变的，只出现成像区的整体平移。
6准直控制输出
参考资料介绍
关于美国*大视场瞄准仪-
非平行光光源瞄准仪原理
早在50年前美国研制了多种具有不同原理瞄准仪，其中大部分采用平行光光源。
平行光光源，其工作敏区小，难以满足大视场瞄准的要求。
为了扩展瞄准仪的工作敏区，美国*使用了一种大视场角光电瞄准仪。
在接收光管物镜的上下位置安装了两个外部非平行光光源-上部闪光长灯a和下部闪长光灯b以及一个由上下两部分组成的可移动遮光板，分别遮挡上下闪光灯。
相位分界线将上下遮光板分为左右两部分。
在控制电机的驱动之下遮光板在一个带有电子游标尺的水平平移导轨上左右移动。
如图1所示。
两个闪光长灯发出的非平行光投射到直角棱镜并且将其反射到接收光管内。
光管内的主焦点位置上设置光电倍增管接收器。
由于工作距离足够远，闪光长灯的发光近似成像在光电倍增管接收器上。
此结构相当于用望远镜观察两倍远处闪光灯相位分界线的像。
在使用光电倍增管进行光电变换之后则是通过电信号的波形处理来判断相位分界线在光管焦平面成像的位置。
瞄准过程遮光板的相位分界线处于零位，即物镜中心，平台直角棱镜中心法线和光管光轴重合，时也即相位分界线移动到物镜中心时光电管接收到0°相位光和180°相位光能量正好相等，鉴相输出信号为0。
一旦直角棱镜开始出现方位角偏离，即出现失准角，则上述两个相位光能量不再相等，鉴相输出某个直流信号，其幅值大小比例于失准角大小，极性决定于失准角方向。
此信号可以控制平台进行方位转动直到直角棱镜返回到准直状态为止。
构成闭环自动瞄准系统。
如果开始时失准角较大但是仍然在工作敏区之内，直角棱镜返回信号可能只有0°相位光或者只有180°相位光。
此时上述闭环控制系统仍然可以正常工作，除非失准角超出工作敏区。
测角过程有些瞄准系统，目标直角棱镜无法进行方位转角控制，则所述瞄准仪转为自动测角状态。
当存在失准角时，鉴相输出信号用来控制遮光板驱动电机来移动相位分界线直到光电管接收到的0°相位光和180°相位光相等时为止。
此时根据电子游标尺的输出可计算出平台瞄准棱镜的失准角也即完成自动测角。
实际上，如果只是采用简单的目视判别上述相位分界线则无需使用上下两个闪光灯，但是为了便于电信号处理，需要进行闪光调制。
调制的另一个目的是有利于滤除杂光。
调制方法是，上下闪光灯交替发光，上闪光灯为0°相位光，下闪光灯为
180°相位光。
光电管将成像变换为简单的交流信号，经过放大、鉴相处理给出成像分界线偏离主焦点的大小和方向以便控制驱动电机，构成具有自动搜索、锁定的闭环自动瞄准系统。
摇摆跟踪和平移信号上述瞄准信号取自焦平面上设置的光电管，因此无法获得有关目标直角棱镜左右平移的信号，当目标直角棱镜左右平移出工作敏区时系统将无法工作。
为此所述瞄准仪被安装在一个摇摆跟踪电机驱动的高精度平移导轨上。
为了获得平移信号，在光管内的离焦位置上设置左右两个窗口，其后面各设置一个光电管。
目标直角棱镜相对光管做左右平移运动时，投在离焦平面的离焦返回“像”将出现相应的运动，此时左右光电管将信号出现正比于平移量的差值。
此差值信号转为平移导轨的控制信号并且构成风摆跟踪系统。
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