淺談光電跟蹤系統(tǒng)ATP技術

【摘 要】光電跟蹤成像系統(tǒng)，不管是應用在何種場合，只要是對運動目標進行成像，都有捕獲、跟蹤和瞄準(ATP)的要求。在確定ATP的性能要求之前，首先要明確ATP的基本概念。不管是捕獲、跟蹤或瞄準，都存在不確定性的、隨機因素，即都存在一個捕獲概率、跟蹤概率和腦準概率的問題。本文詳細介紹了ATP技術在空間光通信系統(tǒng)中的重要性，對ATP系統(tǒng)的結構、工作原理以及關鍵技術指標進行了重點研究。

【關鍵詞】光電跟蹤系統(tǒng);ATP;跟蹤和瞄準

0.引言

空間光通信正是以其傳輸碼率高、功耗低、抗干擾能力強等一系列優(yōu)點而發(fā)展起來的一項高新技術，各國都非常重視對空間光通信的研究工作。而窄的激光發(fā)射光束導致了光束對準中許多技術上的挑戰(zhàn)，對捕獲、跟蹤和瞄準(Acquisition、Tracking、Pointing-ATP)技術的研究也就顯得尤其重要。

1.跟蹤和瞄準誤差

捕獲，捕獲定義為在預計的目標可能存在的區(qū)域(一般稱為不確定區(qū)域)對所需要目標的識別；跟蹤，跟蹤定義為儀器祝軸〔Los)相對目標祝抽的晃動。跟蹤的目的在于穩(wěn)定儀器的祝抽，使級蹤誤差和動態(tài)向應性能滿足規(guī)定的指標；瞄準(Pointing)，瞄準定義為儀器視抽相對目標視軸的平均取向。瞄準的目的在于使儀器祝軸和目標視軸之間誤差(平均伯差和標準偏差)滿足瞄準精度指標。

跟蹤誤差和瞄準誤差如果都是以儀器視軸為參考的話，則它們都包含系統(tǒng)誤差(誤差平均值m)和隨機誤差(RMS值)。兩者的誤差源是不同的，根據(jù)光電跟蹤系統(tǒng)的用途不同，對系統(tǒng)誤差和隨機誤差的要求側重點有所不同。對于測量應用，要求隨機誤差盡可能小，因為它們是不能修正的，會直接影響測角誤差，而系統(tǒng)誤差是可以修正的。對于激光光束瞄準應用，如空間激光通信、激光定向武器等，要求系統(tǒng)誤差盡可能小，同時隨機誤差也盡可能小，以使儀器視鈾為中心的發(fā)射激光束最大能量密度瞄準目標。為此，常常采用復合軸伺服系統(tǒng)結構工作原理。這種系統(tǒng)實質(zhì)上是在跟蹤回路基礎上又加一個瞄準回路，對跟蹤回路誤差進一步校正，使儀器視軸和目標視軸之間的誤差進一步減小。復合鈾伺服系統(tǒng)中的瞄準回路一般是在光學望遠鏡主光學系統(tǒng)光路中，插入一個快速定位反射鏡，通過瞄準回路的伺服控制改變發(fā)射激光光束的方向，使它更準確的瞄準目標。由于跟蹤誤差和瞄準誤差中，都包含有隨機誤差成分，所以，它們都可以看做是隨機變量。對于隨機變量，可以用它們的楊卒密度和概率來描述它們的統(tǒng)計特性和用誤差的平均值與標準偏差來描述它們的數(shù)值特征。應該指出，在捕獲、跟蹤和瞄準之間并沒有一個嚴格明確的界限。捕獲的任務在于在預計的目標可能存在的區(qū)域內(nèi)從背景中識別出所需要的目標，同時，它還有粗跟蹤的任務，即識別出目標以后將目標引入跟蹤視場，以便轉(zhuǎn)入跟蹤工作方式。在跟蹤和由準之間也沒有嚴格明確的界限，有時，把瞄準叫做精跟蹤。

2.光電跟蹤系統(tǒng)ATP性能要求

2.1捕獲性能要求

對于ATP光電系統(tǒng)，捕獲的要求是顯而易見的，不能成功地、及時地捕獲到目標，就使光電系統(tǒng)的所有其他功能不能發(fā)揮。對于捕獲撮基本的性能要求是捕獲橫串和捕獲時間兩項性能指標。由于面陣CCD具有高靈敏度和簡空間分辨率的優(yōu)良性能，所以在光電路蹤成像系統(tǒng)中，選擇而陣CCD做為捕獲傳感器是比較理想的。捕獲時間是ATP光電系統(tǒng)捕獲性能要求的另一個重要指標。捕獲時間和光電系統(tǒng)的用途和捕獲工作方式有關。希望捕獲時間盡可能地短，以便迅速的探測和識別所得要的目標，轉(zhuǎn)入跟蹤工作方式。

2.2跟蹤柱能要求

跟蹤的目的在于撼定光電跟蹤成像系統(tǒng)的視軸，使視軸的晃動即跟蹤誤差小于所希望的數(shù)值。允許的最大跟蹤誤差，一般說來，為儀器分辨串的一小部分。對于空間激光通信系統(tǒng)或空間定向能武器系統(tǒng)，這個誤差為衍射權限角的一小部分。對于地面天文望遠鏡系統(tǒng)，這個誤差應該小于或等于大氣湍流引起的圖像晃動量。對于地面光電跟蹤經(jīng)緯儀系統(tǒng)，這個誤差是儀器測角誤差的誤差源之一，由于它是隨機誤差不能通過校準方法補償，所以應該限制為儀器測角誤差的一小部分。最大允許的跟蹤誤差，做為光電跟蹤成傍系統(tǒng)的一個重要設計參數(shù)，是一項主要的跟蹤性能要求。

2.3瞄準性能要求

瞄推性能要求是在跟蹤工作基礎上，進一步減小儀器視軸和目標視軸之間的誤差，滿足瞄準誤差指標的要求。對于激光光束瞄準的應用，如激光定向武器、空間激光通信等，儀器視軸即為激光光束的中心軸。光電跟蹤系統(tǒng)采用燎平面陣列傳感器，如面陣CCD或四象限雪燃光二極管，做為跟蹤和瞄推傳感器。當瞄準誤差源主要是傳感器噪聲或者瞄準誤差溫的各個組成分項相差不大酌情況下，則瞄準誤差總和服從正態(tài)分布律(常稱高斯分布律)。

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