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

目录

摘要 (1)

第一章前言 (1)

1.1天文望远镜 (1)

1.2靶场光测设备 (1)

1.3光电跟踪仪 (1)

第二章光电跟踪测量仪器的整体设计内容 (2)

2.1目标信息通道（光、电传感器）的设计 (2)

2.1.1目标信息通道的配置 (2)

2.1.2光学设计 (2)

2.1.3结构设计 (4)

2.1.4记录介质和图像传感器的选择 (4)

2.1.5图像处理、存储和显示 (4)

2.1.6作用距离分析 (5)

2.2跟踪架的设计 (5)

2.3电控回路的设计 (5)

2.4控制管理的设计 (6)

2.5其它设计内容 (6)

第三章光电跟踪测量仪器的光学系统 (6)

3.1应用的光学器件及原理 (6)

3.2探测器的光学系统原理 (8)

第四章光电跟踪测量仪器的光电传感系统 (8)

4.1光电传感系统的基本原理 (8)

4.2光电传感系统的国内外研究现状 (9)

4.2.1国外研究现状 (9)

4.2.2国内研究现状 (9)

第五章光电跟踪测量仪器的国内外研究现状 (9)

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（3～5μm）和长波红外（8～12μm）。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1～3 m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1 m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200 nm，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400～1100 nm，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900 nm，由于器件的原因也不应用，一般为500～900 nm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。