目標視場位置對經緯儀測角精度的影響*

葉劍鋒，周欣明

(91550部隊，遼寧大連 1 16023)

0 引言

光學經緯儀是現代靶場中重要的測角設備，因測量精度高、布站靈活，不受地面雜波干擾的影響，在外彈道測量的初段占主導地位。隨著微電子學超大規模集成電路工藝的成熟，CCD面陣逐步應用于光學經緯儀，取代電影膠片，成為數據存儲傳輸的載體。數字CCD存在積分時間，也就是曝光時間，會造成脫靶量的輸出滯后，影響測量的精度[1－3]。

電影膠片的曝光時間通常在微秒級[4]，而CCD相機的曝光時間通常在毫秒級[5]，從內同步的角度看，通常可忽略曝光時間對脫靶量的影響。但目標在視場中以一定速度運動時，CCD相機的曝光時間對脫靶量產生的影響大小是否可以忽略，需要進行深入分析。文中結合校飛試驗中的圖像處理工作，采用目標基準數據比較，定量分析由此帶來的測角影響。

1 內同步原理

造成光學經緯儀測角誤差的原因是多方面的，當目標在視場中以一定的速度運動時，內同步是影響測角精度的主要原因，即光學經緯儀角編碼器的響應時間與畫幅響應時間未同步。近年研制的光學經緯儀，CCD的脫靶量與編碼器工作保持同步狀態。從圖1可以看出，采用這種同步模式的CCD相機，在整個系統同步時鐘的上升沿(編碼器鎖存角度數據的時刻)，CCD相機才開始曝光，而CCD相機在曝光結束時刻才完成曝光，此時，畫幅記錄的目標脫靶量信息是與該時刻對應。因此，畫幅脫靶量與角編碼器的信息記錄時刻是未對齊的，由此帶來的影響即為內同步誤差。

圖1 內同步工作狀態示意圖

2 測角精度曲線及分析

在校飛試驗中，采用GPS測量值作為真值，反算各測站的測元真值，與光學經緯儀的測元作差，進行測角精度的比較分析。以某次校飛數據為例，E角經誤差修正處理(三差、折射、部位不一致修正等)后，與真值作差結果如圖2所示。從圖2中可以看出，E角的差值在+5"到－5"間擺動，存在上升和下降的變化趨勢。通常而言，系統誤差應穩定在同一水平上，因此該項誤差的影響因素可能與脫靶量有關。

根據脫靶量計算公式:

式中:ΔE表示E角的脫靶量修正值;E0表示角編碼器的測量值;f表示測量相機的焦距;(x，y)表示目標的脫靶量。可知脫靶量(x，y)是影響ΔE的主要因素。為深入分析，選取差值曲線上的215～260、260～392、750～797和924～1015四段數據，圖3、圖4分別為上述測元對應時刻的脫靶量(x，y)曲線，計算其均值和標準差，結果見表1。其中，215～260段數據，表示E角差值的上升段;260～392段數據，表示E角差值的平穩段;750～797段數據，表示E角差值的零值附近擺動段;924～1015段數據，表示E角差值的下降段。

上述光學經緯儀CCD的圖像尺寸為1280像素×1024像素，圖像中心為639像素×511像素。從表1可以看出:E角差值的上升段，目標在視場中從(861，540)點運動到(430，433)點，運動時長為2.20s，根據脫靶量計算公式，脫靶量Y對測元E角的影響大，由于運動速度快，導致E角差值曲線陡峭，目標的運動經過了脫靶量Y的零點，E角差值亦過零點;E角差值的下降段，目標在視場中從(446，486)點運動到(934，554)點，時長4.55s，運動速度慢，E 角差值曲線平緩，目標的運動經過了脫靶量Y的零點，E角差值亦過零點。E角差值的平穩段和零點附近段，目標在視場中的相對運動小，目標的脫靶量也小，E角差值變化小，趨于平穩。

表1 E角差值均值和標準差統計表

3 內同步誤差的修正方法

目標相對于視場有相對運動時，根據CCD相機的內同步機理，必然影響目標的脫靶量。為此，可以采用根據CCD相機的曝光時間產生使曝光過程的中間時刻(即脫靶量輸出對應時刻)與外同步上升沿(即CCD相機開始曝光時刻)對齊的方法，在硬件上加以實現。

分析多次測量數據發現，在相對較短時間內，脫靶量的值可以用一個不高于二階的多項式進行擬合。假設在相對零時刻，有一組脫靶量測量數據X=[x－n，x－n－1，…，xn－1，xn]，對于這組測量數據，可以采用如式(2)的一個二次多項式來進行比較精確的擬合:

式中系數a、b、c可以用最小二階乘的方法進行求解。解出多項式的系數，則對t∈ [x－n，xn]任意時刻都可以得到關于脫靶量Xt的一個比較理想的估計值。因此，對于同步測量時刻脫靶量，在相對延遲已知的情況下，可以利用它的前后適當點數測量數據的二次多項式，通過多項式擬合數字插值得到測量時刻的脫靶量估計值[7]，進而得到測量時刻脫靶量的較高估計值。使用該方法對上文中校飛E角進行配準，配準后E角與GPS殘差曲線如圖5所示。

圖5 配準后E角的差值曲線

截取目標在視場中的相對運動較大的215～260和924～1015兩個數據段，比較配準前后的E角GPS殘差變化情況，如圖6、圖7所示。配準后的E角GPS殘差曲線變化比配準前明顯平緩，說明該方法可以抑制目標在視場中相對運動較大時產生的誤差。配準后的E角與GPS差值統計情況如表2所示。

表2 配準后E角差值均值和標準差統計表

4 總結

采用CCD相機的光學經緯儀進行測量時，目標在視場中的位置會帶來測角誤差影響，且偏離中心越遠，誤差就越大;因此在操作訓練中，要盡量保持良好跟蹤狀態穩定，目標盡量位于畫幅中心。此外，在經緯儀設計上、事后數據處理工作中，都要認真考慮內同步問題，將影響控制在合理范圍內。

[1]宋彥，高慧斌，郭同健，等.經緯儀控制模態切換時的動態分析和脫靶量躍變抑制[J].光學精密工程，2008，16(11):2158－2163.

[2]趙金宇，李文軍，連遠峰，等.電視跟蹤系統脫靶量動態滯后誤差的修正[J].電光與控制，2004，11(3):20－22.

[3]胡嘯，徐繼明，劉守義.預測技術在經緯儀高精度控制系統中的應用[J].彈箭與制導學報，2008，28(6):287－290.

[4]李威，李朝輝，顏昌翔，等.膠片型空間相機的快門設計和研究[J].光學精密工程，2005(13):9－13.

[5]杜云飛，劉波，胡炳樑，等.全幀CCD數碼相機曝光時間的精確控制[J].光子學報，2009，38(4):1026－1028.