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光电跟踪测量仪器的设计及研究现状
光电跟踪测量仪器的设计及研究现状
2012年5月
摘要
光电跟踪测量仪器集合了光机电技术于一体，主要应用航空航天观测设备、武器制导、及靶场光电测量仪器等领域。
本文首先详细介绍了光电跟踪测量仪器的整体设计内容，然后主要阐述了其中的光学系统与光电传感系统的基本原理及发展现状，最后简要介绍了光电跟踪测量仪器在一些领域的研究现状。
关键词：
光电跟踪测量光学系统光电传感系统
第一章前言
一般光电跟踪测量系统用来实施空间目标的精确位置测量，其广泛应用于制导武器、航空航天观测设备以及靶场光电测量仪器等领域，按其应用领域基本上可以分为以下三类：
1.1天文望远镜
用于天文观测和天文测量，也就是用它来观察和测量天体。
天文望远镜一般焦距很长，视场较小，跟踪速度和加速度很小，但测量精度要求很高。
1.2靶场光测设备
主要用于弹道测量，从其发展历史来看，是应靶场弹道测量，特别是火箭、导弹弹道测量的需要形成其独有的一类综合光学精密仪器。
最早期的是电影经纬仪，随着现代技术的发展，已经形成了装备有电视、红外、和激光跟踪测量，电影记录的光电跟踪经纬仪。
在发展过程中应卫星业务运行和管理的需要，发展出了深空网概念。
这一类仪器焦距较长，视场也不大，跟踪速度和加速度要求愈来愈高，但其跟踪精度和测量精度要求极高。
1.3光电跟踪仪
光电跟踪仪主要用来为火器指示目标，给出目标空间位置信息。
由于电子对抗的发展，雷达信号往往受到强有力的干扰，而影响到整个火控系统的有效性，因此愈来愈多的火控系统装置有光电跟踪仪，作为雷达的补充，同时还可以提高对目标指示的精度。
第二章光电跟踪测量仪器的整体设计内容
2.1目标信息通道（光、电传感器）的设计
2.1.1目标信息通道的配置
为了适应对各种不同目标的跟踪和测量需要，现代的光电跟踪测量仪器往往配置了多种测量、记录传感器。
最典型的有电影摄影记录，电视跟踪测量、红外跟踪测量、激光测距、激光跟踪测量传感器，目视观察望远镜，以及微波测距测速雷达。
在进行方案设计阶段，首先应该根据用户的要求，诸如目标种类，目标、背景和大气的特性，对目标的跟踪测量的作用距离，捕获目标的能力，跟踪测量的精度指标，对测量的实时性要求选择目标信息通道（传感器）的种类和主从排序。
如果用户要求以精度为主，配置以摄影记录为主；如果以测量的实时性和自动跟踪为主，则配置以电视测量传感器为主；如果以对低温目标的跟踪测量为主，则配置上以红外（热成像）跟踪测量传感器为主，当然红外传感器还可以分成中红外（3～5m）和长波红外（8～12m）。
为了满足单站测量的要求，可以配置激光测距机，由于雷达小型化技术的进步，最近还有用测距测速微波雷达配置到光电跟踪仪器上的趋势。
2.1.2光学设计
光学设计的内容包括：
镜头参数选择、望远镜头类型的选择、波长和波长范围的选择、变倍、调光和调焦方案的选择及光路设计。
（1）望远镜头的参数，最主要的有焦距、相对孔径和视场。
测量精度的要求决定了焦距的长短，当测量精度要求很高时，例如摄影记录测量或测量电视最长的焦距可以到达5～10m，但由于摄影胶片画幅或成像探测器尺寸有限，视场角就会变得很小，因此一般采用1～3m焦距。
而对于连续变倍的捕获电视或红外传感器的望远镜头一般在1m之内。
焦距过长，相对孔径很难做大，勉强做大了，使得重量和体积急剧的增大，会使整个测量仪器的造价很高。
相对孔径确定了望远镜头的集光能力，也就直接影响到跟踪和测量目标的作用距离，摄影记录和跟踪测量电视的相对孔径一般在1/8～1/12。
而对于连续变倍的捕获电视或红外传感器的望远镜头的相对孔径一般为1/10～1/3。
视场实际上由所选的胶片画幅大小或是电视成像探测器的尺寸与焦距所确定，一般在10′～40′之间，视场太小会影响跟踪的成功率。
而对于连续变倍的捕获电视和红外传感器的视场要来得大，这是由于捕获目标的要求，其视场一般取相应的摄影记录和跟踪测量电视视场的2～3倍。
（2）光电跟踪测量仪器传感器使用得最多的有牛顿式和卡塞格林两种折反式望远镜头。
卡塞格林光路具有轴向尺寸紧凑、可以布置成穿轴形式等优点，但其中心遮栏比较大，当跟踪仪作高低角运动时存在视场转动（需加装消旋棱镜组件）等缺点。
牛顿式光路的缺点是轴向尺寸大，但由于其中心遮栏比较小，理想传函较高；杂光小，光学镜组加工工艺性较好；装调工艺相对简单；没有视场转动等优点。
当焦距比较短，尤其是连续变焦距时，望远镜头一般还是采用折射式光路。
（3）所用的光谱波长和波长范围，完全决定于目标的光谱特性，大气传输特性和记录介质。
记录介质包括摄影胶片和各种成像探测器，摄影胶片的感光波长范围一般为200nm，其中心波长的变化一般在100nm左右。
各种成像探测器变化较大，例如硅基底的CCD器件，其敏感的波长范围为400～1100nm，但由于短波处大气散射很严重，往往反而会降低信噪比，而波长大于900nm，由于器件的原因也不应用，一般为500～900nm左右。
根据目标的光谱特性，再仔细地权衡。
总的来说，要根据总的信噪比或目标与背景的对比度来选择中心波长和波长范围。
（4）变倍主要是通过变换焦距来实现，从长焦到短焦变化，一是可以增大相对孔径，提高目标在像面上的照度；二是可以增大视场。
对于折反式望远镜头，一般采用定倍率的变倍方式，通常为2～3档。
对于连续变倍（折射光路）一般倍率为10倍，或20倍。
由于光学技术的发展，愈来愈多地采用连续变倍，连续变倍时可以在测量过程中没有任何间断地进行变倍，使视场从大到小，或从小到大，对跟踪测量带来很大方便。
但在设计和制造时，要特别仔细，视场中心在连续变倍中不能有明显的幌动，否则会影响跟踪的平稳性，或者造成跟踪失败；由于要进行空间位置的精确测量，镜头上还应有精确的实时焦距输出，以供归算时用。
（5）为了适应不同亮度目标和不同背景亮度（一天昼变，季节变化，或不同太阳高角），都能具有最佳的目标背景的对比度和最佳的信噪比，以及不致造成像面照度太小而目标信号弱或像面照度太大而使信号饱和，望远镜头光路中要设置调光手段，一般用两种调光方法结合起来，达到很宽的调光范围。
一是采用间断变换定衰减率的一组中性滤光片进行有级的调光；二是通过两块中性变密度盘的相对运动来实现连续调光。
但这二种调光方法的滤光器应放置在孔径光栏中，不影响相对孔径，否则会使镜头的传递函数下降。
通常在光路中还设置一组颜色滤光片，用来适应不同的目标和背景情况的光谱滤波，提高目标背景的对比度。
由于CCD器件技术的发展，CCD成像器件本身还带有电子快门，快门的曝光时间可以变化几百倍。
因此跟踪测量电视往往采用三种调光方式，实现更宽的调光范围。
对于摄影记录来说，摄影机上还设有机械快门，进一步进行调光控制。
（6）由于被跟踪测量目标可以在几十米到几十公里，甚至上百公里的范围内变动，以及外场的温度可以从－30℃到＋45℃跨度上变化，为了适应这种变化获得目标的清晰图像，望远镜头上要设计自动调焦组件，分为温度调焦和目标距离调焦，光路中调焦光学元件可以是调焦透镜组，也可以是两块光楔。
2.1.3结构设计
光学设计完成之后，能否使光学设计获得的质量得到保证，除了光学元件的加工和装配工艺是重要因素之外，结构设计是关键。
结构设计应保证有足够的刚度和精度，热稳定性，在力学环境下的结构稳定性，装配校正的工艺适应性和检验时的可能性，以及操作、维修和保养的方便性；并且还要使结构的体积和重量最小，具有对各种外场环境（例高温、低温、湿热、风沙、油雾、盐雾，以及霉菌）的抵抗能力，在各种力学环境（运输、振动和冲击）下的可靠性，外形和线条的美观大方，以及仪器整体的协调性。
由于计算技术的发展（包括硬件和软件），使我们可以在设计阶段应用计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程分析（CAE），对结构进行详细的分析和仿真，提高设计、研制和生产的一次成功概率。
2.1.4记录介质和图像传感器的选择
在摄影记录时，记录介质是电影胶片，选择参数主要有胶片种类、规格、影像分辨力、感光速度、γ值和灰雾度等。
在进行光学设计和结构设计时就应该根据选用的胶片来进行综合匹配。
图像传感器的参数主要有光谱响应范围、像元尺寸、像元数、曝光灵敏度、饱和曝光量、动态范围、等效噪声、时钟频率等。
在进行光学设计和结构设计时就应该根据选用的成像探测器进行综合匹配。
2.1.5图像处理、存储和显示
目标在视场中的图像和其在空间位置（球坐标）信息一般有六个应用通道，一是供弹道测量用；二是供光电跟踪仪自身自动跟踪目标用；三是引导其它光电跟踪仪或雷达用；四是弹道实时处理后供安全控制用；五是实时处理、显示后供本机操作人员和指控中心用；六是记录后供事后处理用。
因此设计时对这六个信息通道都要规划好。
其中供自身自动跟踪目标用的信息通道，根据目标的几何特性、光谱特性和运动特性可以相应有以下四种跟踪方式：
点跟踪、边缘跟踪、形心跟踪和相关跟踪的图像信息处理。
在摄影记录时，存储体是胶片，事后使用胶片判读仪来读取和处理信息。
在电视和红外跟踪传感器时，用录相机记录，存储体是磁带，事后用视频处理器进行回放和处理。
当图像和空间位置信息需要引导其它设备，或远距离显示时，还应设计好信息的传输通道。
2.1.6作用距离分析
当上述的几个设计内容中的参数初步选定后，就应该对目标信息通道的各种传感器能达到的作用距离进行分析。
根据作用距离分析来进一步修正上述的设计参数，或者应用各种滤波技术，诸如空间滤波、光谱滤波，或其它可以提高信噪比或目标背景对比度的技术措施。
其中选择更高质量的成像传感器，往往是提高作用距离最有效的办法。
2.2跟踪架的设计
通常跟踪架设计内容大体有以下几个部分：
（1）跟踪架选型和配置。
是地平式还是极轴式，以及各个信息通道传感器在仪器上的配置。
（2）站点的安装和使用形式。
是固定站点的固定式，还是车载活动式，车载活动式又分为主机工作时不下载车的完全活动式和工作时从载车上卸载，下落到地基环上的半活动式。
（3）轴系设计。
包括水平轴系和垂直轴系设计，两个轴系是决定光电跟踪测量仪器测量精度的关键组件。
（4）照准架和底座设计。
它们是联结两个轴系以及其它部件的核心组件。
照准架和底座设计好坏在一定程度上决定了仪器的刚度、体积，以及整机装配和调整性能。
（5）机械联结的接口设计。
主要包括各种光学跟踪测量传感器、驱动电机、导电环、各种传动部件、角位置传感器、各种机上电气箱和操作显示面板，以及各种限位机构与调平机构和照准架、底座、水平轴系和垂直轴系之间的接口，同时还要考虑机上布线的方便和可靠。
（6）轴系精度分析和误差分配。
（7）刚度分析（即模态分析）。
（8）外形设计。
要求整体协调、美观、大方。
2.3电控回路的设计
（1）伺服控制类型的选择。
根据跟踪精度、跟踪角速度和角加速度的要求来选择伺服控制类型，使其既能符合角速度和角加速度的要求，同时又能满足跟踪精度要求。
（2）回路控制精度分析。
（3）回路控制稳定性分析。
（4）软件设计。
（5）可靠性设计。
（6）故障检测设计。
2.4控制管理的设计
现代的光电跟踪测量仪，一般是用微计算机进行整机任务调度、信息通道各种传感器的相互协调工作。
因此要求进行以下设计：
（1）配置规划。
（2）方案选择。
（3）软件设计。
（4）接口协议。
（5）可靠性设计。
（6）软件测试。
2.5其它设计内容
除了上述的四大部分的设计内容之外，还应根据用户需求，以及用户场地的配置要求，进行二次电源设计、主机载车设计、控制车设计、通讯手段设计、外场检测辅助装置设计等。
第三章光电跟踪测量仪器的光学系统
3.1应用的光学器件及原理
（1）望远镜
（a）天文望远镜（b）伽利略望远镜（c）地面望远镜
图3-1望远镜光路简图
（2）畸变光路
图3-2畸变镜头光路简图
畸变系统：
任一子午面内的焦距或放大率和其它子午面的不同。
（3）转像和正像电路
图3-3转向光路简图
可以用多组转像透镜通过长而窄的光路传递像。
在每一转像镜后面的像面上放置一场镜，增加光能的传递。
每一场镜使前一转像透镜的孔径成像于后一个转像透镜的孔径上。
（4）投影光路和聚光器
图3-4投影光路简图
反射器:
当反射器为球面镜时,光源在其曲率中心上。
聚光器（或场镜）：
使光源在投影透镜孔径上成像。
光源像应完全填满投影透镜的孔径，以获得最大效率。
一般由一个或几个镜组组成，每个镜组的球差要求做得最小，这可以用薄透镜三级像差方程来实现。
3.2探测器的光学系统原理
图3-5探测器光路简图
当光学系统的物镜焦距为f、有效孔径为A、半视场角为，探测器直径为D时，其相对孔径为：
大多数的红外传感器对光学系统的要求fn0小，也就是孔径A足够大，接收尽可能多的能量，探测器尺寸D尽可能小，得到最佳的信噪比；视场α要足够大。
从理论上来说，可达到的最小的fn0为0.5，而实际上受条件限制，不希望fn0超过1，因此可得A、D、α之间的极限关系：
（理论极限）
（实际极限）
第四章光电跟踪测量仪器的光电传感系统
4.1光电传感系统的基本原理
光电跟踪测量仪的光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。
其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。
通常把光电效应分为3类：
（1）在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等；
（2）在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等；
（3）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。
4.2光电传感系统的国内外研究现状
4.2.1国外研究现状
美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国家之一，在军事和民用领域的应用发展得十分迅速。
在军事应用方面，研究和开发主要包括：
水下探测、航空监测、核辐射检测等。
美国也是最早将光电传感器用于民用领域的国家。
美国的邦纳公司拥有世界最健全的光电传感器产品线，超过12000种产品包括自含式或放大器分离型，限位开关外型或小型传感器，精密检测或长距离检测传感器，检测距离长达305m。
并且拥有行业内最齐全的标准光纤和定制光纤产品。
大部分产品防护等级达到NEMA6P和IP67。
日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光电传感器的研究与开发。
20世纪90年代，由东芝、日本电气等15家公司和研究机构，研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器，日本的电器产品以价格适中质量好而响誉全球。
西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光电传感器的研发和市场竞争。
4.2.2国内研究现状
我国对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远。
目前，已有上百个单位在这一领域开展工作，但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验研制阶段，还无法投入批量生产和工程化应用。
第五章光电跟踪测量仪器的国内外研究现状
目前光电跟踪测量仪的一个重要应用就是作为机载、舰载或星载设备实时跟踪定位目标，精确测量目标的位置、距离、姿态、目标特性等。
美国与西欧一些军事强国在这领域拥有较先进成熟的技术；我国近二三十年在这一领域发展迅速，已经形成了一套较完备的研发应用系统，但由于制造工艺与精度的限制，在跟踪测量精度与误差控制等方面与西方发达国家仍有一些差距。
光电跟踪测量仪器的另一重要应用就是天文望远镜，用于天文观测和天文测量，国内外发展现状如表5-1、5-2所示。
表5-1世界主要国家的大口径光学和红外望远镜
名称
口径（m）
国家
建成时间（年）
CSMT
1x30
美国
在建
Lamoet
1x4
中国
在建
Bolshoi
1x6
俄罗斯
1976
Gran
1x10.4
西班牙
2003
Suharu
1x8.4
日本
1999
表5-2世界主要国家的大口径厘米波射电望远镜
名称
口径（m）
地址
波长（cm）
Fast
1x500
中国
6-300
GBT
1x100
美国
0.3-150
MERLIN
6x25-76
英国
1.3-200
Nancy
1x35-300
法国
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