光电跟踪系统论证与设计

瞿建荣，王小齐，段红建

(西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

引言

在现代武器系统中，已普遍使用光电系统作为目标跟踪的主要手段，以获取目标的精确位置，从而实现对目标的精确打击。当前，光电跟踪系统一般由成像传感器(红外热像仪和电视摄像机)、激光测距机、光电平台、视频跟踪器和稳定跟踪伺服系统等组成，技术趋于成熟，完成目标的截获跟踪，输出目标的方位角、俯仰角和斜距离以及跟踪模式等信息。但由于配置的武器系统不同，用途不同，因此对光电跟踪系统的要求也就不尽相同。为此，提出在论证与设计中必然会遇到一些问题[1]，以期为光电系统论证、指标确定、设计等提供一些具体的参考。

1 光电跟踪系统的构成配置

1.1 传感器的选择

光电跟踪系统中的成像探测器可分为紫外、可见(微光)、红外3类[2]。紫外探测是利用“太阳光谱盲区”的紫外波段，通过对空中来袭目标尾焰的探测来发现并捕获目标，对空紫外探测背景噪声极低，对导弹的火焰与尾焰探测较为有利，但对物体辐射的探测较弱，作用距离较近，因此在远距离武器探测系统中未见使用。激光探测器在光电跟踪系统中主要用于测距。激光测距机采用1.06 μm的脉冲激光测距形式居多，有5 Hz、12.5 Hz、40 Hz等多种重频，一般对反导的重频要求更高些；CO2激光器波长为10.6 μm，处于大气透射窗口，与长波红外的波段相匹配，是提高测距能力及发展的方向。可见光探测器系统分白光电视系统和微光电视系统。白光电视系统目前普遍采用1/3′或1/4′CCD器件，但随着大视场/高分辨要求增强，大面阵的探测器使用逐渐增多。光学系统以连续变焦、定焦变倍、多路切换等多种形式并存。虽然微光四代管采用门控电源和低晕圈技术，能在包括黄昏和拂晓的各种光照条件下工作，但在白天仍然较难控制其光强而容易被损坏，因此在武器火控中主要使用的是白光电视系统。红外探测系统受能见度的影响小，可全天时使用，因此随着探测器的发展得到了广泛使用。目前基本是中波和长波并存,对于探测尾焰类目标则用中波更有效，在湿度大的地区则使用短波较好一些。

普遍来说，红外探测系统比电视系统的应用环境要好，但在高湿条件下，电视更有优势，且电视图像更为直观，这是两者通常还同时配置的主要原因。

1.2 光电平台的构成配置

独立光电跟踪系统的传统设计主要有“T型”和“U型”架式两种类型，即激光测距机、电视摄像机、红外热像仪各自独立成组合，并分置于光电座俯仰轴的左右两侧或置于U型架内。“T型”优点是加装简便，维修调试方便。“U型”优点是传感器集中，光轴跨度小。但由于各传感器独立而造成了总体体积很难减小，为此，光学系统出现了“光路融合”的新构想，即将电视、红外、激光3个传感器共用主镜和主光路，并用分光、反光镜将其接收的光信号引至相应的各个传感器上，这样，装在光电座上的仅仅是一个光学头，克服了三轴分离的缺点，但这种技术方案由于透过率降低的原因对作用距离影响较大，且难度大、装调复杂、维修性差，因此没有被普遍采用。究竟采用什么形式，应根据系统需求确定，且应以最简单、最可靠、便于系统维护等为准则。若系统对体积要求不是非常高，且光轴合一形式不能真正做到波段融合时，还是应以传统方式为好。

2 核心指标确定的主要因数

光电跟踪系统主要用于火控或制导，对应于武器系统的作用距离、射击精度、反应时间等要求来分解，光电系统核心指标有作用距离、跟踪精度、响应速度、工作范围等。

2.1 确定作用距离的主要因数

光电系统的作用距离是依据武器最大射击距离、系统反应时间造成的目标飞行距离和射击到最大距离所需时间造成目标飞行距离等确定。

光电系统根据作用距离进一步确定其内在指标，主要有：视场、能量、灵敏度、分辨率等。而红外或电视的视场又与系统的目标导引精度、截获概率、截获目标最大速度等相关，激光的束散角及能量又与跟踪精度相关。

2.2 确定跟踪精度的主要因数

跟踪精度决定于武器系统的射击精度要求。

对于火炮系统来说，根据火炮毁歼概率，结合火炮的散布精度，推算火力系统精度和火控系统精度，火控系统再分解为目标现在点跟踪精度和未来点解算精度，光电跟踪精度实际也就是目标现在点跟踪精度。

对于导弹系统来说，分为目标跟踪、导弹跟踪。目标跟踪精度与火炮武器系统中的光电跟踪精度相同。而导弹跟踪实际是完成测角，与制导方式相关，对于打了不管的(末寻的)，则跟踪精度需保证目标进入末寻的探测器的市场内；对于全程制导的，则需根据命中要求(直接命中、毁歼半径)来确定精度要求，直接命中的由目标外形尺寸和距离决定，精度要求一般非常高；有毁歼半径的由毁歼半径和距离决定，相对好一些，但同样距离越远则要求越高。

光电系统跟踪精度主要分为光电跟踪系统坐标系下的精度、武器系统平台坐标系下的精度，通常指的是后者。光电跟踪系统坐标系下的精度较高，主要决定于伺服特性，通常可以达到0.1 mrad以内。而武器系统坐标系下的光电跟踪系统精度主要决定于轴系平行性、探测器的成像延时特性、分辨率、视频跟踪解算精度、平台跟踪伺服特性、平台机械特性(正交性、变形等)和数据传输特性等，目前系统误差可以达到0.4 mrad。而对于该指标的考核，目前通常采用的是与真值比较的方法，因此将引进一些误差：真值测量系统的测量误差、两者坐标系的标定误差(通常武器系统与测量系统统一转换到大地坐标系)、时间对准误差引起的误差等，所以在数据处理时必须进行修正。

2.3 确定响应速度的主要因数

跟踪平台的响应速度主要为最大调转速度(加速度)、最大跟踪速度(加速度)、最小平稳跟踪速度等。最大调转速度(加速度)是与系统的响应时间相关联的，如要求1.5 s实现180°调转则其最大调转速度指标不能低于120°/s，并直接决定了跟踪器的驱动能力。在最大调转速度(加速度)满足情况下，最大跟踪速度(加速度)对于伺服系统来说是可以很高的，但受到视频跟踪器的限制，因此系统的最大跟踪速度(加速度)不宜过高。最小平稳跟踪速度直接决定着跟踪精度，因此对跟踪平台的摩擦力矩、伺服噪声、最小解算控制分辨率等需精心控制，目前基本可以实现0.03°/s。

2.4 确定工作范围的因数

跟踪平台的工作范围在方位方面主要有有限角工作和周视工作两大类，俯仰方面通常是有限角工作，方位方面主要是根据系统对光电系统是否需要周视的要求来确定。有限角工作的最大好处是信号传输可以直接用电缆连通实现，而不用滑环，但最大问题是控制好有限角工作的保护，正常的有限角工作范围控制有软件限制、硬件电气控制和机械保护，软件限制要满足系统的最大工作范围要求，硬件电气控制是对软件限制失效后的保护，机械保护是最后防护。机械保护的位置(角度)远大于软件限制和硬件限位，而且要具有很高的机械刚度，能够承受伺服机构的高速大转动惯量的刚性撞击。另外对于有限角工作的难题是如何实现高速运动与接近工作范围极限角度时的减速制动的合理控制，且保证动态高速指标的实现。

3 根据核心指标对光电系统内部指标的考虑因数

3.1 与作用距离相关的指标

3.1.1 成像传感器视场

除了需考虑与系统的目标导引精度、截获概率、截获目标最大速度、搜索范围等相关因数外，主要考虑的是保证在最大作用距离时成像的目标大小满足人员观察或视频跟踪器自动跟踪的要求，其决定了最小可跟踪目标的大小。

3.1.2 成像传感器灵敏度

对电视和红外，除了分辨率，另外一个重要指标就是目标成像对比度，该指标主要由光学系统参数与探测器参数决定。主要考虑的是保证在最大作用距离时，目标经过大气传输后提供的成像目标对比度满足人员观察或视频跟踪器自动跟踪的要求，它决定了最小可跟踪对比度，目前对成像传感器输出的目标图像最小对比度的基本要求是5%。

3.1.3 视频跟踪器的主要性能因数

视频跟踪器主要涉及多路视频同时处理能力、最小可跟踪对比度、最小可跟踪目标大小、最大可跟踪目标速度、解算分辨率等。多路视频同时处理能力一般要求为两路，即红外热像仪和电视摄像机的视频；最小可跟踪对比度主要是考虑信号噪声基本水平，目前基本都定为3%；最小可跟踪目标大小主要与目标截获虚警率和反应时间等指标相关，对视频跟踪器本身可以做到1个像元的跟踪。最大可跟踪目标速度主要与视频信号处理区域范围有关，原则是确保2个视频场之间目标移动不超出处理区域，若跟踪处理区域为视场的1/X，则最大可跟踪目标速度为25/X倍视场；虽然视频解算跟踪精度与跟踪算法密切相关，但解算分辨率实际更是一个根本性决定因数，同时它需与成像传感器的分辨率匹配。

3.1.4 激光测距机主要性能因数

激光测距能力主要涉及测距距离、测距精度、重复频率、工作时间、动态回波率等。测距距离由跟踪距离来确定，决定于激光发射功率、接收灵敏度、光学系统参数等设计指标；测距精度通常是由其分辨率决定的，目前通常指标为5 m；重复频率决定于系统火控解算的精度要求，决定于激光充/放电能力和冷却散热能力，对于火控来说，目前最常用的是12.5 Hz；工作时间主要是根据作战时连续测距的要求和批次间隔要求等确定，同样主要与激光充/放电能力和冷却散热能力相关,对于作用距离为15 km的系统来说，连续工作时间和间隔时间都定为90 s是合理的；动态回波率实际是一个系统指标，它与系统跟踪的系统误差、随机误差、轴系误差及激光的束散角(有效)等直接相关，通常激光回波率是根据火控解算精度要求提出的，在跟踪精度基本确定情况下，可变的也就是束散角，由此也就决定了束散角，而束散角又与激光测程直接相关，因此对激光动态回波率与跟踪指标等需综合考虑，而根据现代技术水平实现80%的动态回波率是有保证的。

3.2 与跟踪精度相关的指标

光电跟踪系统由光电探测器、视频跟踪器、跟踪伺服系统、数据链等功能部分组成，精度也就与各个环节相关，跟踪精度通常分为系统误差和随机误差。根据光电系统跟踪主要涉及的环节分析，其系统误差源主要包括：光电系统的光轴固定误差(0.2 mrad)、光轴漂移误差(0.15 mrad温度变化±10°)、视频跟踪器解算误差、光电轴对准误差(视频跟踪器最小解算分辨率的一半)、变焦(变视场)的轴跳误差(0.1 mrad)、机械正交误差(0.1 mrad)、伺服系统的不灵敏区误差(0.1 mrad)、伺服系统零点漂移误差、动态滞后误差(0.1 mrad)[3]、旋变精度误差(0.1 mrad)、伺服系统噪声误差、伺服系统量化误差、稳定跟踪平台结构变形误差(0.05 mrad)、稳态风力矩误差等(0.1 mrad)。随机误差源主要包括：视频跟踪器解算随机误差(一般按2像元计算)、轴承的颤动误差(0.05 mrad)、阵风引起的误差(0.2 mrad)、载体扰动引起的误差(0.05 mrad)。

以上论述的是相对于自身光电平台坐标系下的精度，对系统来说，还有坐标系的转换、数据传输延时等因数。

3.3 与响应速度相关的指标

3.3.1 最大调转速度(加速度)

根据该项技术指标以及伺服执行机构的转动惯量和静阻力矩来确定执行电机的最大功率(最大堵转力矩)，工程中一定要有必要的功率储备。

3.3.2 最大跟踪速度(加速度)

该指标通常是对伺服系统来说的，而且是在保证跟踪精度情况下的技术指标，因此，必须由伺服控制系统的总体性能确定。

3.3.3 最小平稳跟踪速度

即伺服控制系统的最小误差响应角速度，它由伺服控制系统的低速性能决定，主要取决于速度反馈测量器件的精度，控制信号精度、伺服机构的死区和非线性特性也是决定该项性能的因素。

3.3.4 最大可跟踪目标速度

受制于视频跟踪器的目标解算速度。通常，在伺服控制系统初次响应视频跟踪器给出的目标相对于光轴的误差过程中，目标运动速度较大；但在跟踪运动目标的过程中，目标运动速度相对较小。

3.5 其他相关的指标

3.5.1 同步时统规范

系统工作可以分为同步和异步，一般对于数据交换率比较低的采用异步工作方式，如手动控制信号的传输等；对于数据交换频繁且周期性很强的采用同步工作方式，以便于减少数据传输的等待、冲突、干扰等。光电系统图像频率是50 Hz，传统上现代系统基本也都采用的是50 Hz的同步时序，一般来说主要是该同步下的数据交换率够用，再者不用建立图像传感器处理、显示的新标准，同时可以保证多个成像传感器的同步成像，消除激光发射时的干扰等。

3.5.2 接口数传规范

数据传输规范目前基本都为“总线”通信方式，串行总线通信基本是点对点之间采用，与系统其他单元间关联性很少；并行总线通常是数据交换量大且面向所有相关联的单元，可以使数据共享，且便于数据记录和系统诊断。

3.5.3 安装要求

光电系统是系统的一个重要组成部分，前面两条描述的是电气通信关系，另外，与系统必然有直接的机械接口关系，而机械接口最主要的是安装接口平面之间的平面度要求，他涉及安装引起变形对光轴的影响，此与光电系统刚度直接相关；平面度的好坏还涉及不同工作角度时与系统轴系之间的偏差一致性问题，在平面度较差时必须采用不同角度修正的方法来保证系统精度。

3.5.4 体积与质量

实际上在传感器与系统构成配置确定后，体积与质量也就基本确定。将传感器与光电平台紧密结合设计时，可以适当减小体积，但可能需与可维性、单体独立性等方面综合考虑。选用不同的材料对质量的影响较大，而考虑振动与冲击条件更是影响光电平台的材料选择的重要因数。

4 与系统关联的技术

4.1 导引截获

光电系统由于视场较小，因此一般需要搜索导引才能观察目标，尤其是对空中的高速目标且无参考物的情况。导引最核心的问题是导引精度，由搜索系统本身输出的精度、坐标系间标定误差、时间因数等决定能否导引到光电系统的视场内。因此光电系统的视场指标是与导引精度相关联的，另外就是截获概率指标同样决定了视场。一般来说光电系统的视场是搜索系统输出精度的3σ，可保证导引截获80%的概率。

导引指令发出时刻与光电导引到位时刻，由于涉及到机械运动，因此一般间隔了较长时间，在精度达到要求情况下，虽然目标导引进入了视场，但由于目标是高速运动的，往往是导引在视场边缘，因此从截获转为跟踪需要合理控制，否则容易甩掉目标。目标在图像边缘，则表明角误差较大，若直接用该角误差控制伺服驱动平台，将引起平台的高速运动，而图像跟踪的视频跟踪器受跟踪波门的大小限制，限定了其最大跟踪速度，因此若平台高速运动超出了其限制时，会将目标甩出视场。由此在光电截获转跟踪时，必须应使稳定跟踪器截获转跟踪时的速度与视频跟踪器的最大可跟踪速度相匹配，才能保证其平稳过渡。

4.2 轴系关系

在武器系统中，除了光电跟踪系统的光电轴外主要还有武器轴(火炮或导弹)、雷达(搜索、跟踪)、制导系统光电轴等。光电系统与火炮轴的平行性是为保证高的毁歼概率；光电系统与搜索雷达轴的平行性是为提高导引截获概率；光电跟踪系统与制导系统轴系的平行性是为保证弹目的测角精度。

光电系统与这些基本分属于不同的平台，为保证各轴系在各个位置的平行性，首先需保证各个系统的安装基面平行(各自基面的平面度更是基本的要求)，否则很难保证轴系的一致性；其次，是各轴系平行性一致后，将各系统的伺服零位复位到一致，从而实现控制关系的一致。

轴系测量的方法较多[4-5]，而对于大型武器系统来说，由于其跨度较大，因此靶板法是常用的方法，一般靶板的距离较远，靶板上设定距离的偏差和产品实际的安装偏差不会带来严重影响，如靶板距离产品100 m，若两者瞄准实际造成的偏差为10 mm，则引起平行性误差0.1 mrad。但靶板安置的高低要注意，一般武器系统较高、靶板不高，应使其与产品的高低尽量一致，否则高低差将引起大的误差。

在考核精度时，产品方位和高低轴需与真值测量系统的标定一致，虽然轴系是平行的，但若用基准轴标定而考核电视和红外时，或用电视轴标定而考核红外时，或用红外轴标定而考核电视时，则可能带来误差。其主要原因是标定距离不会太远，轴系间的距离(单体产品的距离)相对较大(通常都在几十厘米)，因此其夹角会带入系统误差，最好的办法是考核什么就用什么标定。

4.3 系统的电磁兼容问题

红外和电视属被动工作方式，机电器件不多且功率较小，因此产生的辐射不多，即对外的主动干扰很小，主要是提高自身的抗干扰能力，但在系统上往往光电系统的图像上就能反映出受干扰，其主要原因是红外和电视视频信号是弱小信号，很容易受到干扰。主要解决措施是光电系统内部的信号地与机壳地要分开、信号传输形式采用多层屏蔽电缆、电缆接插件屏蔽层可靠连接、系统可靠接地等。激光和伺服系统除了提高自身的抗干扰能力外，更主要的是降低辐射。激光产品由于发射的功率较大且发射窗口不能屏蔽，因此对外部的辐射较大，要达标主要靠降低功率和减少工作时间。光电平台伺服系统中采用的机电器件功率较大，因此必须对其采取较好的屏蔽措施才能减少辐射，尤其是动密封环节，而且平台在有限角工作方式下转动方向实现反转时电机功率更大，从而产生的辐射更多，而此动态环节很难处理，因此必须要求电机符合电磁辐射要求。

4.4 信息交互

现代系统信息交换的主要方式是总线形式[6]，有同步和异步之分。同步方式一般都是分时的，时间关系是确定的，数据流量大的情况较适合；异步方式一般是竞争上网的，时间要求不严或通信数据不多情况下较适合。无论是同步还是异步方式，对于光电跟踪系统来说，主要需考虑视频跟踪器的图像处理时间与跟踪平台控制执行时间的顺序关系，对整个跟踪时延的影响，也就是对跟踪精度的影响(在与真值比较中有直接关系)。另外，就是要尽量保证激光的发射是在图像的消隐期，降低激光发射对图像的干扰。

同步的影响。因为光电系统的同步都是直接作用于图像扫描系统的，也就是直接控制成像传感器的行扫描和帧扫描，所以对同步系统的精度要求比较高，由此对外同步的精度需要引起足够重视，否则可能会引起图像的抖动等现象。再者，由于系统的同步是同时送往很多单元的，因此要注意其传输的品质，在系统论证时也需得到保障。

4.5 测距选通

目标背景可能不完全透空或有云层等，则激光测距时会有多目标回波问题，若系统具有多个目标距离处理能力，则激光测距机直接输出多目标的距离值即可；若只要求激光测距机输出一个距离值时，则希望是一个准确的值。在有搜索雷达导引情况下，搜索雷达将会同时送出距离值，此时激光测距机可将此值作为距离选通门限，准确得到目标距离，并在后续跟踪时激光测距机将延续其航路进行选通测距。当采用其他无距离导引时，激光测距机需自行采用变门限的方法，根据目标的建航信息进行距离选通。距离选通可以克服其他干扰，因此一般需要具备该项功能，但对于不同目标其航路有较大的差别，所以距离自动选通的方法不易通用，对应的目标类型应有明确的要求。

4.6 截获概率

截获概率是指目标导引到光电传感器视场内，光电系统成功捕获目标并稳定跟踪的概率。截获是在最大跟踪距离以远进行的，因此光电系统的实际作用距离要比最大跟踪距离要大，这要求设计时需留有足够的余量。

目标捕获时，跟踪平台的控制算法和视频跟踪器的算法都不同于稳定跟踪时的算法，因为在捕获开始时，尚未进入跟踪状态，因此视频跟踪器主要是根据多场视频之间的目标相对关系来判断是否为目标；而当确定为目标后，由于目标的位置可能偏离视场中心较大，引导跟踪平台快速运动时将造成目标在视场内的快速运动，容易超出视场从而丢失目标，因此稳定跟踪平台截获转跟踪时的速度与视频跟踪器的最大可跟踪速度必须匹配，同时需考虑稳定跟踪平台的截获流程，即跟踪平台在调转到什么位置时向视频跟踪器发出捕获指令是合适的，这些对提高光电系统自动截获概率是比较重要的。

4.7 抗干扰

目前对光电系统提出抗干扰能力要求的不多，因此在设计时一般也不予考虑，但该问题必须重视，战场上的环境不会像现在考核时那样干净。对光电系统来说干扰主要来自于图像中目标被干扰，常见的是视场中突然出现其他物体、空中目标穿云、低空飞行时的时隐时现、地面目标的被遮挡、目标施放干扰弹、自身武器系统发射武器时的焰雾影响等，目前主要就是记忆跟踪，我们应该从光谱处理、目标识别算法、目标时间延续性等多方面考虑来解决该问题，以便将来在战场环境下可靠的工作。

5 结束语

以上论述的主要为一些论证与设计中应考虑的一些原则和内在及外部的因数，未涉及具体的设计细节，在具体设计中需根据系统的总体要求再实现细化和量化，反复讨论与设计核准，才能最终确定指标。

[1] 姜会林,杨华民,王黎明,等.军用光电系统总体技术共性问题考虑[J].长春光学精密机械学院学报，1996,19(1)：1-5.

JIANG Hui-lin,YANG Hua-min,WANG Li-ming.et al.Considering commonproblem on the overall technology of the optoelectronic system[J].Journal of Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics,1996,19(1):1-5.(in Chinese with an English abstract)

[2] 贾平，张葆.航空光电侦察平台关键技术及其发展[J].光学精密工程，2003，11(1)：82-88.

JIA Ping,ZHANG Bao.Critical technologies and their development for airborne opto-electronic reconnaissance platforms[J].Optics and Precision Engineering,2003,11(1):88-88.(in Chinese with an English abstract)

[3] 刘小强,芦峰,梁晓东,等.一种光电跟踪复合控制切入反馈控制的误差抑制方法[J].应用光学, 2013,34(1):51-55.

LIU Xiao-qiang,LU Feng,LIANG Xiao-dong,et al.Error reduction of optoelectronic tracking platform for switching from compound control to feedback control[J].Journal of Applied Optics,2013,34(1):51-55.(in Chinese with an English abstract)

[4] 宋严严,王科伟，胡玲，等.光电系统光轴平行性检测方法研究[J].应用光学,2009,30(5):802-805.

SONG Yan-yan,WANG Ke-wei,HU Ling,et al.Parallelism detection of optical axes for electio-opptical system[J].Journal of Applied Optics, 2009,30(5):802-805. (in Chinese with an English abstract)

[5] 李思众,鱼云岐,陈静,等. 一种多光路光轴平行性检测系统[J].应用光学,2013,34(4):644-647.

LI Si-zhong,YU Yun-qi,CHEN Jing,et al.System for parallelism detection of multi-spectrum opoticl axes[J]. Journal of Applied Optics, 2013,34(4):644-647. (in Chinese with an English abstract)

[6] 刘建平,陆培国,成莉,等.光电跟踪仪多传感器数据采集研究[J].应用光学,2009,30(1):60-64.

LIU Jian-ping,LU Pei-guo,CHENG Li,et al.Data acquisition in multi-sensor electro-optical tracker[J]. Journal of Applied Optics, 2009,30(1):60-64. (in Chinese with an English abstract)