《光电测量技术》课程读书报告
光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术
院（系）名称：电气工程及自动化学院
专业名称：自动化测试与控制系
学生学号：
学生姓名：
指导教师：
哈尔滨工业大学
2016年11月
光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术
目录
第1章绪论............................................................................................ 错误！未定义书签。
1.1课题背景及研究意义 (1)
1.2国内外光电经纬仪技术的研究现状 (1)
1.3光电经纬仪测速方法和应用现状 (3)
1.4报告主要研究内容及结构安排 (4)
1.5本章小结 (5)
第2章跟踪测量理论基础.................................................................... 错误！未定义书签。
2.1常用坐标系及坐标转换 (6)
2.1.1地心坐标系 (6)
2.1.2跑道坐标系 (7)
2.1.3测量坐标系 (7)
2.1.4辅助坐标系 (8)
2.2直角坐标系之间的转换 (8)
2.3目标空间定位方法 (9)
2.3.1单站定位 (9)
2.3.2双站交会定位 (10)
2.3.3纯测距信息定位 (11)
2.4本章小结 (11)
第3章光电跟踪测量............................................................................ 错误！未定义书签。
3.1激光测距仪 (12)
3.2单站双站综合测量 (13)
3.3本章小结 (14)
参考文献.................................................................................................. 错误！未定义书签。
第1章绪论
第1章绪论
1.1 课题背景及研究意义
现代化靶场上的武器控制系统、激光通讯设备或者是天文观测仪器中，为了迅速地发现并精确地跟踪目标，都需要安装光电捕获跟踪与瞄准装置。光电经纬仪作为既能记录目标的运动姿态，又能实现对目标高精度空间测量的靶场光电跟踪测量设备，具有测量精度高、事后可复现、直观性强等优点，因此，在靶场跟踪测量领域得到了广泛的应用[1]。
为了精确地跟踪运动目标，一旦确定运动目标之后，需要将目标的运动轨迹以及运动状态记录下来。而运动目标的外弹道测量数据主要包括两方面的内容：第一，运动姿态；第二，弹道数据：如目标在各跟踪测量时刻的空间位置坐标、速度、距离、航迹倾角、航迹偏角等等[2]。得到目标在当前时刻的速度，对于分析目标的空间运动特性、几何特性、物理特性以及后续跟踪测量时刻对目标的识别、运动过程的模拟仿真、航迹测量等具有非常重要的意义[3]。
在靶场试验中，光电经纬仪对运动目标进行跟踪测量时，只能测得目标在各跟踪时刻的方位角和俯仰角，不能直接输出目标的速度测量值。因此，本文主要针对光电经纬仪不能直接测得跟踪目标的速度值这一问题，开展了光电测量仪器的测速误差分析及提高精度方法这一研究。
利用光电经纬仪输出的方位角和俯仰角的角度值，以及加装激光距仪输出的目标距光电经纬仪的距离，采用相应的数学算法获取目标的速度、加速度与测量时间的函数关系，据此外推目标在下一时刻的空间位置坐标、速度和加速度等运动参数[4]。将目标的速度参数反馈给光电经纬仪自身的伺服控制系统，作为目标继续跟踪捕获的参考。这在光电跟踪测量领域中，对提高光电经纬仪的跟踪测量精度具有非常重要的现实意义，也是今后该领域研究的目标和方向。
1.2 国内外光电经纬仪技术的研究现状
光电经纬仪作为现代化靶场最基本的光电测量仪器，被广泛应用于航空航天以及武器试验等军事科研领域。
从60年代初期开始，国内的一些研究所和高校开始自己研制靶场试验专用光电经
光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术
纬仪。其中，最具有代表性的研制单位是长春光机所和成都光电所，这两个研究所研制的靶场专用大型光电经纬仪代表了国内光电经纬仪技术的最高水平[5]。
图1.1 光电经纬仪
60年代中期，长春光机所就己经研制了第一台光学电影经纬仪。60年代末，第二台光学电影经纬仪成功问世，这台经纬仪安装了光学轴角编码器，并且可以实时地对外输出测量角度值。在70年代生产的经纬仪，己经采用激光测距仪实现激光测距的功能，并且安装有电视实时记录目标序列图像[6]。80年代中期的第四代光学电影经纬仪，己经采用集成电路、微处理机等技术，可以实现变焦距捕获电视、红外、程序引导等多种跟踪手段，并且具有跟踪精度高、测量距离远等优点。如今，在崭新的21世纪，长春光机所所生产的全新光电经纬仪不仅安装了全波段传感器，而且具有大口径、测量精度高、作用距离远的优点，能够全天候的工作，并且具有一定的对抗功能，在靶场光电跟踪测量领域，光电经纬仪己经成为了必不可少的试验工具。
国外的导弹试验靶场配备的光电经纬仪不仅数量多、测量精度高，而且更新换代速度非常快。图1.2是美国的靶场光电经纬仪正在对发射的导弹进行跟踪测量试验的图片。
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第1章绪论
图1.2 国外的光电测量系统
早在1791年，英国的威廉·康格里夫就在英格兰伍尔威奇兵工厂用小型望远镜跟踪了射程高达4570m的“康格里夫”火箭。而真正开创了光学测量界先河的是美国的戈达德夫人，她在1926年，用锡尼柯达摄影机对罗伯特H-戈达德博士的液体火箭研制过程做了摄影记录[7]。1937年，德国的冯布劳恩用阿斯卡尼亚经纬仪加装16mm的摄影机，用于320公里试验射程的V-2火箭轨迹的拍摄。在1940年，第一台电影经纬仪(KTH-41)正式装备德国的佩内明德试验靶场。至20世纪70年代初，美国的太平洋导弹靶场就己经装备了23台电影经纬仪，而大西洋导弹靶场仅次于太平洋导弹靶场。1993年，美国的Boeing Duluth公司研制出了高性能光电测量系统，它具有反应速度快、体积小、质量轻等特点。国外光电经纬仪的型号主要有KTH-500，RA-SUM，EOTS，GEODSS，K-400，RADOT，KINETO，MAST等[8]。
在现代化靶场上，光电经纬仪的工作状态主要有两种：固定站形式和活动站形式。而活动站的工作状态又分为两种：一种是把光电经纬仪安装在车载平台上；一种是把光电经纬仪直接安装到轮船的甲板上。国内靶场的光电经纬仪大都采用固定地基式的工作方式，这种安装方式虽然机动性能差，但钢筋混凝土结构的地基可以使光电经纬仪平稳地工作，且带动误差小。因此，光电经纬仪在跟踪测量过程中产生的测量误差也比较小。本文主要的研究对象是新型具有激光距功能的固定站式大型光电经纬仪。
1.3 光电经纬仪测速方法和应用现状
在靶场上，光电经纬仪对目标进行跟踪测量时，跟踪精度与响应速度是其实现精密跟踪的关键，而获取目标的运动特性是跟踪系统的主要技术要求。其中，目标的运动特性主要包括目标的距离、空间位置坐标、速度及加速度等。因此，获得目标的速度并提
光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术
高其测量精度，这在光电经纬仪的目标跟踪测量过程中具有非常重要的意义。
通过阅读大量的国内外文献：发现以往光电经纬仪对目标进行跟踪测量试验时，对目标的测速方法和测速精度方面的研究，都是基于目标图像处理或姿态测量等问题，没有进行过系统的研究，并且从没有在真正的意义上提出过测量目标速度及提高其测量精度等方面的研究课题。而且在光电经纬仪的跟踪测量系统技术指标一览表上，也从没有提出过其对目标速度的测量精度这一技术指标。因此，通过光电经纬仪输出的测量数据，计算测量目标的速度、对测速误差来源进行分析及提出提高测速精度的方法显得尤为重要。
由于光电经纬仪不能直接输出运动目标的速度，因此，为了获取跟踪目标的速度及其测量精度，需要对光电经纬仪输出的测量数据进行数据处理。首先，根据光电经纬仪输出的测量数据计算目标的空间位置坐标。其次，采用曲线拟合的方法拟合目标的运动轨迹。最后，对目标的轨迹函数进行微分运算，即可得到对应的速度值。综上，获得了目标的速度值之后，根据函数误差传递原理及误差合成原理分析经纬仪测量误差对速度精度的影响因子。
1.4 报告主要研究内容及结构安排
本文主要针对靶场试验用光电经纬仪不能实时输出跟踪目标的速度这一问题展开研究。利用光电经纬仪输出的目标方位角、俯仰角以及目标距离信息，首先通过坐标计算和坐标转换得到目标的空间位置。其次，采用相应的曲线拟合算法得到目标的运动轨迹曲线函数。最后，通过微分运算得到目标的速度，并分析测速误差的来源，及测量误差对测速精度的影响因子。
因此，本论文的主要研究内容包括以下五个章节：
第一章为绪论。主要介绍了本课题的研究背景和意义，以及光电经纬仪技术的研究现状。重点分析了光电经纬仪测速方法、理论及应用的研究现状和问题。最后介绍了本文的主要研究内容及结构安排。
第二章主要介绍了目标跟踪测量的理论基础。首先阐述了目标空间定位过程中常用的坐标系及其坐标转换方法。其次论述了目前常用的目标空间定位方法及理论，为后面第三章的研究内容做好了铺垫。最后是对第二章节的总结，阐述了基础理论知识的重要性。
第三章给出了测量目标速度的相关算法。通过第二章对于不同分类方法的介绍，提出了光电跟踪测量中目标空间定位的方法一单站双站综合测量方法，在一定程度上提高
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第1章绪论
了空间定位精度，减小了测速误差。其次，提出了采用三次样条插值方法拟合目标运动轨迹。区别于之前的方法，减少了因轨迹拟合过程中带来的拟合残差，使后续对速度的误差分析变得更加简单。
1.5 本章小结
本章主要介绍了报告的研究背景和意义、国内外光电经纬仪技术的研究现状，以及光电跟踪测量系统测速的方法、理论应用和工程应用，在此基础上，提出了本文的主要研究内容及结构安排。
光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术
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第2章 跟踪测量理论基础
2.1 常用坐标系及坐标转换
2.1.1地心坐标系
地心坐标系是全球统一的坐标系，它包括地心球面坐标系、地心空间直角坐标系、地心大地坐标系三种。地心坐标系以地球的质心作为坐标原点，以与大地水准面实现最佳密合的地球椭球面作为其基准面。地心坐标系对航空航天技术、远程跟踪控制技术以及地球科学研究等都具有十分重要的意义，尤其对靶场光电跟踪测量设备而言，地心坐标系作为坐标转换的一个重要中间媒介，起着无可替代的作用。在光测事后数据处理中，地心空间直角坐标系更适用于光电经纬仪测量数据的处理，因此，本文所涉及的地心坐标系均为地心空间直角坐标系[9]。
图2.1 地心空间直角坐标系
如图2.1所示，a O 为地球中心，是地心空间直角坐标系的坐标原点。a Z 轴是地球自转的旋转轴，指向地球自转轴的方向。a X 轴与a Z 轴垂直，由地心指向起始大地子午面与赤道的交点。a Y 轴位于赤道面上，a X 轴与a Y 轴共同构成赤道面，a X 、a Y 与a Z 三轴符合右手定则[10]。
第2章 跟踪测量理论基础
2.1.2跑道坐标系
跑道坐标系是站心坐标系的一种，主要用来确定目标机体上某点相对于跑道上某固定点位的具体位置，通常以跑道上过某固定点的铅垂线和水平面为基准建立符合右手定则的坐标系[11]。
图2.2 跑道坐标系
跑道坐标系的坐标原点b O 通常为目标机体的起飞点或者着陆区阻拦索的中心点。b X 轴通常位于水平面内，由坐标原点指向跑道延伸的方向，其方向为从大地北向东顺时针转过 角度。b Y 轴为过坐标原点的铅垂线，且竖直向上为正方向。b X 轴位于水平面内且过坐标原点，b X 、b Y 与b Z 构成符合右手定则的空间直角坐标系，如图2-2所示。
2.1.3测量坐标系
测量坐标系也是站心坐标系的一种，主要用来描述目标相对测站的空间位置坐标。测量坐标系通常采用垂直坐标系，适用于光电经纬仪和弹道相机等现代化靶场光电测量设备。测量坐标系以设备的垂直轴、照准轴和水平轴的几何交点为坐标原点c O 。c O 即为光电经纬仪的光心。c X 轴过坐标原点c O ，且指向大地北方向。c Y 轴为经过坐标原点c O 的铅垂线，向上为正。c Z 轴与c X 轴同位于过坐标原点c O 的水平面内，与c X 轴、c Y 轴共同构成符合右手定则的坐标系[12]，如图2.3所示。
光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术
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图2.3 测量坐标系
2.1.4辅助坐标系
辅助坐标系又称为过渡坐标系，是为了简化计算或易于建模而专门设立的坐标系，它的坐标原点和三个坐标轴的方向可以任意设置[13]。在获得最终参数估计量之后，需要将坐标值转换到指定坐标系。例如，在光电经纬仪交会测量目标的空间位置时，首先以某观测站为坐标原点求取目标相对于测量坐标系的空间位置，然后通过辅助坐标系将测量坐标系下的坐标转换到发射坐标系下，得到目标在发射坐标系下的空间位置，使得计算过程得到简化。
2.2 直角坐标系之间的转换
以跑道坐标系与地心空间直角坐标系的转换为例，假设目标在跑道坐标系下的坐标可表示为()b b b Z Y X ，在地心空间直角坐标系下的坐标为()a a
a Z Y X ，跑道坐标系坐标原点的天文经度、纬度以及
b X 与正北方向的夹角分别为0L 、0B 、0β，坐标原点相对于地心空间直角坐标系的坐标为()a a
a Z Y X 。 设()βx R 、()γy R 、()ψz R 分别为跑道坐标系
b X 轴、b Y 轴、b Z 轴绕地心空间直 角坐标系旋转角的旋转矩阵，如（2-1）式所示。
第2章 跟踪测量理论基础
()()()???????
??????????????????-=??????????-=??????????-=1000cos sin 0sin cos cos 0sin 010sin 0cos cos sin 0sin cos 0001ψψψψψγγγγγβββββz
y x R R R （2-1）
结合上式可得跑道坐标系与地心空间直角坐标系的转换关系为：
()????
????????? ??+-??? ??-+??????????=??????????b b b o y o x o z o o o a a a Z Y X R B R L R Z Y X Z Y X βππ22 （2-2） 其他坐标系间的转换同理。
2.3 目标空间定位方法
2.3.1单站定位
靶场上，单台光电经纬仪对目标进行跟踪测量时，只能得到目标的方位角和俯仰角，只根据测角信息不能测得目标在每个时间点的空间位置，因此，在光电经纬仪上加装激光测距仪，并在目标机体上加装激光合作目标。这样，不仅可以获得目标在每一时间序列上的方位角i A 、俯仰角i E 的测量值，还可以得到目标距光电经纬仪光心的距离值i R ，进而可以得到目标的空间位置坐标，如图2.4所示。
光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术
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图2.4单台光电经纬仪匹配激光测距仪定位
由此可见，单台光电经纬仪匹配激光测距装置，观测站能够获得目标的距离值R 、方位角A 、俯仰角E 三个信息，完全可以确定目标的空间位置[14]。靶场上采用单台光电经纬仪对目标进行空间定位比较容易实现，因此，单站定位方法得到了越来越广泛的应用。但单站测量的定位精度低于双站交会测量的定位精度，尤其是当目标距光电经纬仪较远时，激光测距仪的测距精度明显降低，更降低了单站测量的定位精度。
2.3.2双站交会定位
在光电经纬仪不安装激光测距装置或目标机体不加装激光合作目标的情况下，单台光电经纬仪不能获得目标的空间位置，只能利用满足交会测量条件（两观测视线在同一平面内且相交）的两台光电经纬仪通过交会测量测得目标的空间位置坐标。
图2.5双站交会定位
如图2.5所示，A 、B 两站各有一台光电经纬仪，21O O 、分别为两台经纬仪的光心位置，它们之间的距离为L 。当目标位于i M 点时，其在测量水平面的投影点，A 、B 两台经纬仪测得的目标的方位角和俯仰角分别为i i i E A A 121、、。
双站交会测量的定位精度高于单站测量的定位精度，但低于多站交会测量并采用融合算法处理获取目标空间位置的精度[15]。总的来说，双站交会定位方法计算过程较简单，
第2章跟踪测量理论基础
测量精度较高，实用性比较强。
同理，多站交会与双站交会测量类似，多台经纬仪要同时满足多站布站的原则，多台经纬仪输出的测量数据较多，为提高测量精度需要切换交会公式，因此数据的利用率低，且带来较多的误差项，后续误差计算较麻烦，因此，本文不过多赘述。
2.3.3纯测距信息定位
基地的光电经纬仪一般安装有激光钡」距仪，可以测得目标距经纬仪光心的距离值，在事后光测数据处理中，只要有三个或三个以上的激光测距元就可以确定目标的空间位置。当有三个测站时，我们可以根据测站间的空间几何关系求解目标的空间位置坐标，因此也称为3R测元定位法。
图2.6 3R测元定位
2.4 本章小结
本章主要介绍了光电经纬仪跟踪测量的理论基础：
一、常用坐标系；如地心空间直角坐标系、测量坐标系、跑道坐标系、辅助坐标系。
二、坐标系之间的转换；介绍了几种常用坐标系之间的转换关系，为后续目标空间定位打好基础。
三、几种常用的目标空间位置的测量方法。通过在实际工程中的应用，对比数据处理的复杂程度和精确度，为后面目标空间定位方法的选取提供了依据，并为计算分析目标的速度提供了参考。
光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术
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第3章 光电跟踪测量
3.1 激光测距仪
激光测距仪是通过测量激光往返目标所需的时间来确定目标距离的一种传感器。激光测距仪因结构简单、探测距离远、响应时间快等优点，被广泛应用于靶场光电跟踪测量领域[16]。目前，靶场的光电经纬仪大都通过激光测距仪完成高精度空间测距，与测量电视输出的数据配合实现单站高精度空间定位。
图3.1激光传感器工作原理图
一般情况下，靶场的光电经纬仪上安装的激光测距子系统由激光器、激光发射装置和接收装置以及处理电路组成。如图3.1所示，传感器工作时，由激光二极管向目标发射脉冲宽度极窄的激光脉冲，经目标反射后激光脉冲向各个方向散射，部分散射光返回到传感器的接收装置，记录并处理从激光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可确定目标的距离[16]，如式（3-1）所示。
t c R ??=2
1 （3-1） 其中，R 即为光电经纬仪的光心距目标机体的距离，c 为光速，t ?为激光脉冲从激光二极管发射到返回至接收器被接收的时间。
第3章 光电跟踪测量
激光测距的误差主要包括系统误差和随机误差，系统误差事后可得到修正。测距过程中随机误差的来源主要有：计数器分辨率产生的误差；晶振频率稳定度产生的误差；触发器和放大器延时产生的误差。因此，激光测距仪测距过程中产生的总误差。为：
232221σσσσ++= （3-2）
一般情况下激光测距仪的测距精度可做到m 1≤σ。
3.2 单站双站综合测量
在靶场光电跟踪测量试验中，利用满足交会测量条件的两台光电经纬仪输出的观测数据就可以确定运动目标在任一时刻的空间位置坐标。但是，当目标位于两台经纬仪的基线上方时，通过计算目标的空间定位误差知道定位误差为极大值，此时，不易选用交会测量方法[17]。因此，本文给出了一种新的测量目标空间位置坐标的方法一单站双站综合测量方法，基本流程图如图3.2所示[18]。
图3.2基本流程图
光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术
图3.3经纬仪布站图
采用单站双站综合测量方法测量目标的空间位置坐标，在理论上解决了双站交会测量过程中出现极大测量误差的情况，以及单站定位过程中目标易丢失的情况，因此，有助于提高目标的空间坐标测量精度，进而提高目标的测速精度[19]。之后，基于三次样条插值法就可以拟合出目标运动轨迹[20]。
根据光电经纬仪输出的测量数据，通过单站双站综合测量方法得到了目标在各时间节点的空间位置坐标，即获得了目标的空间离散运动轨迹。而获取目标的连续运动轨迹往往是求取目标速度和加速度的前提和必要条件，因此，选择采用插值方法来获取目标运动轨迹的变化规律。鉴于高次插值既不稳定也不收敛的特点，而低次插值既具有收敛性又具有一定的稳定性，因此，选择低次插值方法更具有实用意义。低次插值方法虽然在插值区间具有连续性，但在插值节点处的一阶导数却不存在，而三次样条插值函数由分段三次曲线并接而成，不仅在连接点上二阶导数连续、具有二阶光滑度，还克服了高次插值既不收敛又不稳定的特点，因此，更适合运用于目标速度和加速度的进一步求取[20]。具体方法可参照相关专业参考书，本报告中不再赘述。
3.3 本章小结
本章首先主要给出了一种新的光电跟踪测量定位方法：单站双站综合定位方法。这种方法不仅克服了多站融合测量数据冗余及数据利用率不高的弊端，还解决了双站交会
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第3章光电跟踪测量
测量中会出现极大测量误差的情况，大大地提高了目标空间定位精度。
光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术
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第三节经纬仪的使用 一、安臵仪器 安臵仪器是将经纬仪安臵在测站点上，包括对中和整平两项内容。对中的目的是使仪器中心与测站点标志中心位于同一铅垂线上；整平的目的是使仪器竖轴处于铅垂位臵，水平度盘处于水平位臵。 1．初步对中整平 （1）用锤球对中，其操作方法如下： 1）将三脚架调整到合适高度，张开三脚架安臵在测站点上方，在脚架的连接螺旋上挂上锤球，如果锤球尖离标志中心太远，可固定一脚移动另外两脚，或将三脚架整体平移，使锤球尖大致对准测站点标志中心，并注意使架头大致水平，然后将三脚架的脚尖踩入土中。 2）将经纬仪从箱中取出，用连接螺旋将经纬仪安装在三脚架上。调整脚螺旋，使圆水准器气泡居中。 3）此时，如果锤球尖偏离测站点标志中心，可旋松连接螺旋，在架头上移动经纬仪，使锤球尖精确对中测站点标志中心，然后旋紧连接螺旋。 （2）用光学对中器对中时，其操作方法如下： 1）使架头大致对中和水平，连接经纬仪；调节光学对中器的目镜和物镜对光螺旋，使光学对中器的分划板小圆圈和测站点标志的影像清晰。 2）转动脚螺旋，使光学对中器对准测站标志中心，此时圆水准器气泡偏离，伸缩三脚架架腿，使圆水准器气泡居中，注意脚架尖位臵不得移动。 2．精确对中和整平
（1）整平 先转动照准部，使水准管平行于任意一对脚螺旋的连线，如图3-7a 所示，两手同时向内或向外转动这两个脚螺旋，使气泡居中，注意气泡移动方向始终与左手大拇指移动方向一致；然后将照准部转动90°，如图3-7b 所示，转动第三个脚螺旋，使水准管气泡居中。再将照准部转回原位臵，检查气泡是否居中，若不居中，按上述步骤反复进行，直到水准管在任何位臵，气泡偏离零点不超过一格为止。 （2）对中 先旋松连接螺旋，在架头上轻轻移动经纬仪，使锤球尖精确对中测站点标志中心，或使对中器分划板的刻划中心与测站点标志影像重合；然后旋紧连接螺旋。锤球对中误差一般可控制在3mm 以内，光学对中器对中误差一般可控制在1mm 以内。 对中和整平，一般都需要经过几次“整平—对中—整平”的循环过程，直至整平和对中均符合要求。 二、瞄准目标 （1）松开望远镜制动螺旋和照准部制动螺旋，将望远镜朝向明亮背景，调节目镜对光螺旋，使十字丝清晰。 （2）利用望远镜上的照门和准星粗略对准目标，拧紧照准部及望远镜制动螺旋；调节物镜对光螺旋，使目标影像清晰，并注意消除图3-7 经纬仪的整平
光电跟踪仪伺服控制系统原理及发展现状 2012年 6 月
目录 摘要 (1) 第1章引言 (2) 第2章光电跟踪仪伺服控制系统的基本原理 (3) 2.1计算机控制单元 (3) 2.2环路控制单元 (3) 第3章光电跟踪仪伺服控制系统的关键技术 (5) 3.1瞄准线稳定技术 (5) 3.2复合控制技术 (5) 3.3等效复合控制与预测滤波技术 (6) 3.4共轴跟踪技术 (6) 3.5复合轴控制技术 (7) 3.6其它高精度控制技术 (8) 第4章光电跟踪仪伺服控制系统的国内外发展现状及趋势 (9) 4.1国内外发展现状 (9) 4.2发展趋势 (9)
摘要 光电跟踪仪中的伺服控制系统是光电跟踪设备的重要组成部分，其跟踪精度是衡量光电跟踪设备的主要指标，实现高精度跟踪控制，成为许多高精度光电跟踪设备必须解决的难题之一。因此要获得高精度的光电跟踪仪，必须深入了解其伺服控制系统。 本文从光电跟踪仪伺服控制系统的基本原理、关键技术及其国内外发展现状与发展趋势三方面对其进行了介绍，为伺服控制系统的设计及研究提供了参考。 关键词：光电跟踪，伺服控制系统，跟踪精度
第1章引言 光电跟踪伺服控制系统是一个包括光电探测、信号处理、控制系统及精密机械等几部分组成的复杂设备。它的主要功能是根据光电传感器送来的目标位置偏差信号的大小及方向控制伺服电机驱动跟踪轴，减小偏差，实现对目标的光电闭环自动跟踪，其具有实时性、精度高的特点，在靶场测量、武器控制、航空等各种军用与民用领域有着广泛的应用。 随着现代技术的发展、目标机动性能的增强，对光电跟踪仪的伺服控制系统要求越来越高，要求其响应更快、稳定和跟踪精度更高。某些系统甚至要求跟踪精度达到1μrad。多年来，国内外的科技工作者在提高光电跟踪仪伺服控制系统跟踪精度方面进行了深入的伺服控制策略方面的研究。 为此，深入了解光电跟踪仪伺服控制系统的工作原理、关键技术的应用与研究及国内外发展现状，对于探讨进一步提高其性能指标的方法具有重要的意义。
经纬仪的使用说明书 说明书和操作技巧 满意答案 好评率：100% J6、J6E光学经纬仪使用说明书 一、仪器的用途和特点 本仪器的测角精度：水平方向一测回的方向误差不大于±6"；天顶距测量中误差不大于±9"，适用于低等控制测量，地形测量，矿山测量和工程导线测量等。本仪器具有下列特点： 1、望远镜采用内调焦系统（J6E 为正像内调焦系统），主物镜为三片分离型结构。分划板设有双丝和单丝，便于照准不同目标，水平和垂直分划丝上均有供测距用的视距丝。望远镜孔径大，鉴别率高，成像清晰，用于观测远近目标均适宜。 2、度盘读数采用光学带尺读数系统，在同一视场内可同时直接读取水平角和天顶距，并公用一个照明系统，使用方便，读数快速、精确。 3、对点器系一小型望远镜，用于对地面点进行观测，其物镜可随照准部转动；易于发现和消除对点误差，仪器还附有测锤，便于在不同条件下的对点工作。 4、竖轴采用强制定心球面导轨滚珠支承的半运动式轴系（结构示意图见下图），定向及置中精度高，对温度不敏感，不易卡死。由于强制定心和大型球面滚珠支承的摩擦力距较大，运转时有轻微“沙 沙”声，但绝不影响使用。 5、基座内设有防偏扭簧片，通过此簧片将基座上、下体作半刚性联接，可防止扭转，消除偏扭误差。 6、按用户要求可提供管状定心磁针。 7、仪器出厂前均经环境模拟试验和防霉、防雾处理，经久耐用。仪器可在－25°C ～＋40°C 环 境温度下工作。 二、仪器的主要技术参数 望远镜 成像 J6 倒像 J6E 正像 放大率 J6 28倍 J6E 29倍 物镜有效孔径 40毫米 视场角1°20′ 视距乘常数 100 视距加常数 0 鉴别率<3.6″ 调焦范围 2米～∞ 物镜壳外径φ46-0.05毫米 望远镜长度 180毫米 显微镜放大率 水平读数系统 73倍 竖直读数系统 74倍 读数系统 水平度盘分划直径 93.4毫米
《光电测量技术》课程读书 报告 院（ 系 ） 名 称 ： 电气工程及自动化学院 专业名 称 ： 自动化测试与控制系 学生学 号： 学生姓 名： 指导教 师 ： 哈尔滨工业大学 2016年11月
第1 章绪论. ............................................. 错误! 未定义书签。 1.1 课题背景及研究意义 0 1.2 国内外光电经纬仪技术的研究现状 0 1.3 光电经纬仪测速方法和应用现状 (2) 1.4 报告主要研究内容及结构安排 (2) 1.5 本章小结 (3) 第2 章跟踪测量理论基础. ..................................... 错误! 未定义书签。 2.1 常用坐标系及坐标转换 (4) 2.1.1 地心坐标系 (4) 2.1.2 跑道坐标系 (4) 2.1.3 测量坐标系 (5) 2.1.4 辅助坐标系 (5) 2.2 直角坐标系之间的转换 (5) 2.3 目标空间定位方法 (6)
2.3.1 单站定位 (6) 2.3.2 双站交会定位 (7) 2.3.3 纯测距信息定位 (7) 2.4 本章小结 (7) 第3 章光电跟踪测量. ...................................... 错误! 未定义书签。 3.1 激光测距仪 (9) 3.2 单站双站综合测量 (9) 3.3 本章小结 (10) 参考文献. ................................................ 错误!未定义书签。
第1 章绪论 1.1 课题背景及研究意义 现代化靶场上的武器控制系统、激光通讯设备或者是天文观测仪器中，为了迅速地发现并精确地跟踪目标，都需要安装光电捕获跟踪与瞄准装置。光电经纬仪作为既能记录目标的运动姿态，又能实现对目标高精度空间测量的靶场光电跟踪测量设备，具有测量精度高、事后可复现、直观性强等优点，因此，在靶场跟踪测量领域得到了广泛的应用[1]。 为了精确地跟踪运动目标，一旦确定运动目标之后，需要将目标的运动轨迹以及运动状态记录下来。而运动目标的外弹道测量数据主要包括两方面的内容：第一，运动姿态；第二，弹道数据：如目标在各跟踪测量时刻的空间位置坐标、速度、距离、航迹倾角、航迹偏角等等[2]。得到目标在当前时刻的速度，对于分析目标的空间运动特性、几何特性、物理特性以及后续跟踪测量时刻对目标的识别、运动过程的模拟仿真、航迹测量等具有非常重要的意义[3]。 在靶场试验中，光电经纬仪对运动目标进行跟踪测量时，只能测得目标在各跟踪时刻的方位角和俯仰角，不能直接输出目标的速度测量值。因此，本文主要针对光电经纬仪不能直接测得跟踪目标的速度值这一问题，开展了光电测量仪器的测速误差分析及提高精度方法这一研究。 利用光电经纬仪输出的方位角和俯仰角的角度值，以及加装激光距仪输出的目标距光电经纬仪的距离，采用相应的数学算法获取目标的速度、加速度与测量时间的函数关系，据此外推目标在下一时刻的空间位置坐标、速度和加速度等运动参数[4]。将目标的速度参数反馈给光电经纬仪自身的伺服控制系统，作为目标继续跟踪捕获的参考。这在光电跟踪测量领域中，对提高光电经纬仪的跟踪测量精度具有非常重要的现实意义，也是今后该领域研究的目标和方向。 1.2 国内外光电经纬仪技术的研究现状 光电经纬仪作为现代化靶场最基本的光电测量仪器，被广泛应用于航空航天以及武 器试验等军事科研领域。 从60 年代初期开始，国内的一些研究所和高校开始自己研制靶场试验专用光电经纬仪。其中，最具有代表性的研制单位是长春光机所和成都光电所，这两个研究所研制的靶场专用大型光
方法简介 视距测量是利用经纬仪、水准仪的望远镜内十字丝分划板上的视距丝在视距尺（水准尺）上读数，根据光学和几何学原理，同时测定仪器到地面点的水平距离和高差的一种方法。这种方法具有操作简便、速度快、不受地面起伏变化的影响的优点，被广泛应用于碎部测量中。但其测距精度低，约为：1/200-1/300。 一、视距测量原理 1．视线水平时的距离与高差公式 欲测定A、B两点间的水平距离D及高差h，可在A点安置经纬仪，B 点立视距尺，设望远镜视线水平，瞄准B点视距尺，此时视线与视距尺垂直。求得上，下视距丝读数之差。上，下丝读数之差称为视距间隔或尺间隔。 2．视线倾斜时的距离与高差公式 在地面起伏较大的地区进行视距测量的，必须使视线倾斜才能读取视距间隔。由于视线不垂直于视距尺，故不能直接应用上述公式。 二、视距测量的观测与计算 施测时，安置仪器于A点，量出仪器高i，转动照准部瞄准B点视距尺，分别渎取上、下、中三丝的读数，计算视距间隔。再使竖盘指标水准管气泡居中(如为竖盘指标自动补偿装置的经纬仪则无此项操作)，读取竖盘读数，并计算竖直角。用计算器计算出水平距离和高差。 三、视距测量误差及注意事项 1．视距测量的误差 读数误差用视距丝在视距尺上读数的误差，与尺子最小分划的宽度、水平距离的远近和望远镜放大倍率等因素有关，因此读数误差的大小，视使用的仪器，作业条件而定。 垂直折光影响祝距尺不同部分的光线是通过不同密度的空气层到达望远镜的，越接近地面的光线受折光影响越显著。经验证明，当视线接近地面在视距尺上读数时，垂直折光引起的误差较大，并且这种误差与距离的平方成比例地增加。 视距尺倾斜所引起的误差视距尺倾斜误差的影响与竖直角有关，尺身倾斜对视距精度的影响很大。
光电跟踪测量系统多传感器融合跟踪设计与实现 【摘要】本文从多传感器结构设计、融合跟踪算法两方面，进行了光电跟踪测量系统多传感器融合跟踪的设计与实现方法研究。设计了一套集可见光测量、红外测量和激光测量为一体的光电跟踪测量系统，实现了适应不同环境背景下的单站定位测量功能。 【关键词】光电跟踪测量系统；传感器；融合跟踪 The Design and Realization of multiple sensors Fusion Tracking for the photoelectrical theodolite （Troops 91351，Qiao Tie-ying，Yang Hai-qing） Abstract：Though design the multiple sensor frame and fusion tracking arithmetic，This paper designed and realization of multiple sensors fusion tracking for the photoelectrical theodolite.A photoelectrical theodolite is designed which is be maked up of the visible light measurement，the infrared measurement and the laser measurement，the single station location measurement function is realized for the different environmental contexts. Key words：photoelectrical theodolite；sensor；Fusion Tracking 1.引言 目前，光电测量技术得到了极大的发展，其中可见光测量技术、红外测量技术和激光测距技术日益成熟，多种型号多种功能的光电跟踪测量系统在不同的军用民用领域得到了广泛应用。如果在一套光电测量系统中，做到取长补短，综合可见光、红外光等多种测量技术融合跟踪，并形成单站定位能力，将大大提高光电跟踪测量系统的功能，在各种应用领域发挥更大作用。 2.多传感器结构设计 2.1 传感器的特点与功能 为实现近、远程目标的捕获跟踪和单站定位能力，选择测量电视系统、变焦距捕获电视系统、中波红外测量系统、长波红外测量系统和激光测距系统，集成安装在同一套光电跟踪测量系统上。 测量电视焦距较长，主要完成对目标的高精度测量，兼顾对目标的捕获和跟踪；变焦距捕获电视焦距变化范围大，可实现对近距离目标的捕获、跟踪，采用广播级的3CCD彩色相机，图像具有良好的质量；中波红外系统主要实现低能见度时对目标的捕获、跟踪和测量；长波红外系统可在夜间实现对目标的捕获、跟踪和测量，同时也可分辨目标的轮廓；激光测距系统实现对目标距离的测定，实现光电跟踪测量系统单站定位的功能。 2.2 总体布局与结构 光电跟踪测量系统中的经纬仪配备的传感器较多，总体布局与设计的原则是最大限度的集中于主视轴周围，以减少各传感器间轴系误差对总测角精度的影响。图中测量电视系统位于中心主视轴，捕获电视和激光测距系统在测量电视上方，中波红外系统和长波红外系统位于测量电视下方。结构如图所示。 2.3 垂直轴系结构设计 2.3.1 功能和组成 由于垂直轴系形成跟踪架的方位轴线，实现方位角测量、跟踪驱动、角速度反馈功能，所以，垂直轴系精度将直接影响水平轴系和跟踪架精度，对经纬仪总
水 准 测 量 基本知识 1.水准测量原理 工程上常用的高程测量方法有几何水准测量、三角高程测量、GPS 测高及在特定对象和条件下采用的物理高程测量，其中几何水准测量是目前高程测量中精度最高、应用最普遍的测量方法。 如图2-1所示，设在地面A 、B 两点上竖立标尺（水准尺），在A 、B 两点之间安置水准仪，利用水准仪提供一条水平视线，分别截取A 、B 两点标尺上读数a 、b ，显然 A B H a H b +=+ A 、 B 两点的高差h AB 可写为 AB h a b =- A 点高程H A 已知， 求出 B 点高程 B A AB H H h =+ 我们规定A 点水准尺读数a 为后视读数，B 点水准尺读数b 为前视读数。 图 2-1 如果A 、B 两地距离较远时，可以用连续水准测量的方法。中间可设置转点TP （临时高程传递点，须放置尺垫），如图2-2所示 11h a =， 333h a b =-，……， n n n h a b =-。 123......AB n i h h h h h h =+++=∑
于是，可以求得A 、B 之间的高程差 AB i i h a b =-∑∑ B 点高程 B A AB H H h =+. 图 2-2 2.水准仪介绍： 水准仪是提供水平视线的仪器，按精度分，水准仪通常有DS 05、DS 1、DS 3等几种。其中“D ”和“S ”分别为“”和“水准仪”首字汉语拼音的首字母，而下标是仪器的精度指标，即每千米测量中的偶然误差（以mm 为单位）。目前常用的水准仪从构造上可分为两大类：利用水准管来获得水平视线的“微倾式水准仪”和利用补偿器来获得水平视线的“自动安平水准仪”。此外，还有一种新型的水准仪——“电子水准仪”，它配合条形码标尺，利用数字化图像处理的方法，可自动显示高程和距离，使水准测量实现了自动化。 水准仪主要由望远镜、水准器、基座三部分组成。 （1） DS 3微倾式水准仪 1.仪器介绍
,J2-2光学经纬仪使用说明书 目录 ○1仪器用途 ○2仪器主要技术参数 ○3仪器结构 ○4仪器使用方法 ○5仪器的调整 ○6仪器的维护 ○7可供附件 仪器用途 J2-2经纬仪是一种精密光学测角仪器，此种仪器在国防建设、大地测量中占很重要的地位。可以广泛应用于国家和城市的三、四等三角测量。同时亦可用于铁路、公路、桥梁、水利、矿山以及大型企业的建筑，大型机器的安装和计量等工作。 仪器主要技术参数 一测回水平方向标准偏差±2″ 一测回垂直角测量标准偏差±6″ 望远镜正象 物镜通光口径φ40mm 放大倍率30 视场（1000m处）24m 最短视距离2m 乘常数100 加常数不清0 度盘和测微器具 水平度盘直径90mm 垂直度盘直径70mm 全园刻度值勤360 度盘最小格值勤20′ 测微器最小格值勤1′ 自动归零补偿器 补偿精度过±″ 补偿范围±3′ 读数显微镜 水平系统放大率48 x 垂直系统放大率62 x 水准器 长水准器20″/2mm 圆水准器具8′/2mm 光学对点器
视场角7°30′ 调焦范围～6m 仪器重量 净重6kg 毛重9kg 一、望远镜 望远镜成正像、采用了双胶合一分离的物镜和对称式目镜。此种结构的望远镜，其成象质量以及在亮度和清晰方面均较好。 望远镜镜筒的上、下二面均装光学粗瞄准器，以便于在正倒镜观测时均可用其进行粗瞄。筒内装有反光板，以便于夜间观测时用其照明分划板。 望远镜分划板上附有保护玻璃片，以便于当分划板有污点时，可以清除，而不致于有十字丝脱色和其他损伤现象。 逆时针方向转动卡环（7），可根据用户所需，置换不同倍率的目镜。 二、竖轴系 本仪器采用的是半运动轴系。此种轴系的幌动角比标准园式园柱小（在同样参数条件下），轴系中的钢珠和轴套锥面具有自动归心作用，所以间隙的大小对轴的幌动影响不大。 半运动式轴系的优点的摩擦力矩小，耐磨性好，当轴套锥面磨损后，在更换直径不同的钢珠后仍可继续使用。同时温度对其影响也较小。 三、读数系统 本仪器采用了对径符合数字读数方式。因此，我们选用了透射工式度盘和1：1透镜式转象系统。并用移动光楔测微器作为测微系统。 移动光楔测微器的原理是光线通过光楔时，光线会发生转角不变。因此通过光楔移动后，由于光线的偏转点改变了而偏转角不变。因此，通过光楔的光线就产生了平行位移地动以这实现其测微的目的。 四、竖盘指标自动归零补偿器 本仪器采用了悬摆补偿器，它能消除仪器整平后的乘余误差给竖盘读数带来的影响，其原理是当仪器竖轴有一小倾角时，悬挂平板相应地的反向摆转一角度，使得通过平板的光线产生偏移，以此来消除竖轴倾斜时对竖盘读数的影响。支架上的按钮（图2），是用来检查补偿器是否正常工作的，整平仪器后，揿一下按钮，竖盘刻线（读数窗中）互相摆开，然后缓慢回复到初始位置，则补助偿工作正常。否则应排除故障。 仪器使用方法 本仪器配用三爪式基座。 一、置中 1、垂球对中 将三脚架架于测站点之上，悬挂垂球于三脚架三角基座下面的中心固定螺旋的弦线上，并使之对准站点中心，压脚架之脚尖入土中，使三脚架稳固。 仪器从箱中取出，一手握扶照准部，一手握住三角基座，小心地放于三角架头上，转动中心固定螺旋，将仪器轻轻地固定于脚架上，再转动脚螺旋（16），使园水泡（20）居中，将仪器在三角架上精细地移动，使垂球尖端正确对测站点，然后拧紧中心固定螺旋。 若对仪器上面的高点定中心，可自该点挂一垂球，当仪器整平和望远镜视准轴在水平位置时，使粗瞄准器上的红点对准垂球尖端。 2、光学对点器对中 精确的对则使用光学对点器，操作如下：先旋转对点器（18）目镜，使分划板清晰，再拉伸对点器镜管，使对中标志清晰。 滑动仪器，使测站点居于分划板的小圆圈中央。 将仪器照准部转动180°后检查仪器对中情况，然后拧紧中心固定螺旋。 仪器整平后再精细对中一次。
《光电测量技术》课程读书报告 光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术 院（系）名称：电气工程及自动化学院 专业名称：自动化测试与控制系 学生学号： 学生姓名： 指导教师： 哈尔滨工业大学 2016年11月
光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术 目录 第1章绪论............................................................................................ 错误！未定义书签。 1.1课题背景及研究意义 (1) 1.2国内外光电经纬仪技术的研究现状 (1) 1.3光电经纬仪测速方法和应用现状 (3) 1.4报告主要研究内容及结构安排 (4) 1.5本章小结 (5) 第2章跟踪测量理论基础.................................................................... 错误！未定义书签。 2.1常用坐标系及坐标转换 (6) 2.1.1地心坐标系 (6) 2.1.2跑道坐标系 (7) 2.1.3测量坐标系 (7) 2.1.4辅助坐标系 (8) 2.2直角坐标系之间的转换 (8) 2.3目标空间定位方法 (9) 2.3.1单站定位 (9) 2.3.2双站交会定位 (10) 2.3.3纯测距信息定位 (11) 2.4本章小结 (11) 第3章光电跟踪测量............................................................................ 错误！未定义书签。 3.1激光测距仪 (12) 3.2单站双站综合测量 (13) 3.3本章小结 (14) 参考文献.................................................................................................. 错误！未定义书签。
“夜通航”船用光电取证跟踪系统解决方案 我国的海域辽阔，海上执法部门有海监、海事、渔政、海关、公安边防海警部队等执法力量，呈现出多头管理、职能交叉的特点。其中，海监部门的主要职能是对国家管辖海域（包括海岸带）实施巡航监视，查处侵犯海洋权益、违法使用海域、损害海洋环境与资源、破坏海上设施、扰乱海上秩序等违法违规行为，并依照有关法律和规定，根据委托或授权进行其他海上执法工作；海事部门主要负责国家水上安全监督和防止船舶污染、船舶及海上设施检验、海上安全救生等工作；渔政部门的任务是渔业保护和渔业执法；海关部门的职责以缉私；公安边防海警部队的主要任务是维护中国管辖海域的治安秩序。 然而海上执法是—项复杂的工作，夜晚、雾霾天气执法时能见度不良，不仅给船舶航行安全带来很大影响，调查、取证难度大且十分费时。雷达画面显示不够直观，不能直接对周边环境进行判断，或寒潮天气，受风浪影响，船只摇晃，普通监控设备难以在恶劣环境中对重点目标进行跟踪和抓拍取证。因为画面抖动，拉近后目标可能会丢失；夜间使用普通摄像机无法远距离监控，海上执法对产品要求很是严格，需要做到不管白天，晚上，雾天，都要能及时发现目标, 看清对方船名船号以及对方情况。系统要求简单、易于操作。 广州恒威电子科技有限公司成立于2005年，是国家级高新技术企业，专业研发、生产、销售“夜通航”船用光电跟踪取证系统、船用夜视仪、船用微光摄像机、船用雾航仪、船用视频监控系统、船舶防碰撞系统、水上水下搜救系统、海水养殖、海域远程监控系统、智慧边海防监控系统、红外热成像等特种安防产品。积累了陀螺稳定、自动跟踪、AI算法等技术开发，以及船舶、岸基、海基光电系统集成经验，在全国海洋执法船用光电跟踪取证系统领域有一定的影响力。 “夜通航”船用光电跟踪取证系统包括一个带陀螺稳定功能的指向器，以及驾驶室内的显控、录像设备。指向器安装在船上视野开阔的位置。指向器集红外热像仪、激光红外照明器、AI算法、跟踪模块、超低照度摄像机及高性能转台于一体，内置的非制冷氧化钒焦平面红外热像仪，即使在黑夜或雾天航行也能提供清晰的红外热图像。并且内置低照度摄像机，在光线较暗时也能提供高清晰的彩色图像，光线不足时可通过激光红外照明器以及红外热像仪对水面的目标进行搜索、监控。
§3.2 精密光学经纬仪的构造及使用法 控制测量中，需用经纬仪进行大量的水平角和垂直角观测。使用经纬仪进行角度观测，最重要的环节是：仪器整平、照准和读数。我们围绕这三个环节，对光学经纬仪的构造和使用法作如下介绍。 3.2.1 水准器 由前节可知，测角时必须使经纬仪的垂 直轴与测站铅垂线一致。这样，在仪器结 构正确的条件下，才能正确测定所需的角 度。要满足这一要求，必须借助于安装在 仪器照准部上的水准器，即照准部水准器。 照准部水准器一般采用管状水准器。管水 准器是用质量较好的玻璃管制成，将玻璃 管的壁打磨成光滑的曲面，管注入冰点低， 流动性强，附着力较小的液体，并 图3-3 水准轴与水准器轴 留有空隙形成气泡，将管两端封闭，就成 为带有气泡的水准器，如图3-3所示。 1. 水准轴与水准器轴 为了便于观察水准器的倾斜量，在水准管的外壁上刻有若干个分划，分划间隔一般为2mm，其中间点称为零点。 水准器安置在一个金属框架，并安装在经纬仪照准部支架上，所以把这种管状水准器称为照准部水准器。照准部水准器框架的一端有水准器校正螺旋，通过校正螺旋，使照准部水准器的水准器轴与仪器垂直轴正交。 所谓水准器轴，就是过水准器零点O，水准管壁圆弧的切线，如图3-3所示。另外， O 由于水准管的液体比空气重，当液体静止时，管气泡永远居于管最高位置，如图3-3中的' O作圆弧的切线，此切线总是水平的，我们称此切线为水准轴由此可知，位置。显然，过' O与水准器分划中心O重合，这时经纬仪的使其水准轴与水准器轴相重合，即气泡最高点' 垂直轴与测站铅垂线重合，这个过程称为整置仪器水平。 2. 水准器格值 我们知道，当水准器倾斜时，水准 管的气泡便会随之移动。不同的水准器， 虽然倾斜的角度完全相同，各自的气泡 移动量不会完全相同。这是因为不同的 水准器，它们的灵敏度不同。灵敏度以 水准器格值表示。所谓水准器格值，就 是当水准气泡移动一格时，水准器轴所 变动的角度，也就是水准管上的一格所 对应的圆心角。
HEOS-300型船载光电跟踪取证系统
HEOS-300型船载光电跟踪取证设备 产品介绍 中船重工第七一七研究所 武汉华之洋光电系统有限责任公司 二〇一三年一月
HEOS-300型船载光电跟踪取证设备 1产品概述及主要技术特点 HEOS-300型船载光电跟踪取证设备是进行海上搜索跟踪、执法取证的重要设备。具有全天候、速度快、覆盖面广、视距范围大、图像稳定清晰的特点。设备主要提供执法调查所需的最直接和直观的证据，即照片和录像资料，它包括了时间，地理位置，范围和事件过程等内容。调查人员通过已经掌握的证据材料，有针对性地调查相关的船舶、人员和部门，进一步取得有价值的证据，从而确认嫌疑船舶的违法行为成立，以达到惩罚犯罪分子，进行公正执法的目的。 HEOS-300型船载光电跟踪取证设备安装在舰船的顶甲板上，在白天通过彩色CCD电视摄像系统，在夜间通过高性能制冷型红外热成像系统发现、识别和确认目标，对海洋环境、海洋资源和海空目标等进行监视、跟踪和记录取证，达到维护海洋权益，保护海洋环境和资源的目的，并作为海洋执法监察调查取证的依据。该系统可以根据用户的要求，灵活选配多种规格的光学镜头、CCD摄像机、制冷型红外热像仪和红外镜头，HEOS-300采用了计算机自动控制技术、图像信息处理技术、图像稳定技术、自动跟踪等现代高科技，产品主要技术特点： ●采用高端图像传感器和处理模块，提高产品性能； ●采用标准化、模块化设计技术，扩展性好，维修方便； ●采用“三防”、密封设计技术，利于海上恶劣环境长期使用； ●采用先进的图像处理技术、目标跟踪技术，图像稳定清晰； ●采用了先进的陀螺伺服稳定技术，有效隔离船摇； ●采用彩色、黑白和红外热成像系统，即使在完全漆黑的夜晚，也能发 现和识别目标； ●提供RS-485、以太网和多路标准视频接口； ●中国船级社（CCS）认证。 HEOS-300型船载光电跟踪取证设备于2006年获得中国船级社型式认可，装船产品均提供CCS产品证书。HEOS系列船载光电取证设备已
经纬仪视距法测距 视距法测距所用的工具是经纬仪和视距尺。利用经纬仪望远镜中十字丝的上下两根短横丝，在视距尺上读得的上下两数之差以及其他一些数据，即可算出安置仪器点到立尺点的水平距离和高差。一、视距法测距原理 若在等腰三角形中有一条边和一个角为已知，就可以推算出另一条边长，这便是视距法测距的简单工作原理。 二、视距计算公式 （一）视准轴水平时的视距公式 如图，mn p =为视距丝间隔，MFN ∠为定角，F 为物镜前焦点，f 为焦距，s 为物镜离仪器中心的距离，'''N M t =为尺间隔，d’为焦点到视距尺的距离，D’为AB 之间的水平距离。 由图可以看出：MFN ?≌mFn ?，所以有： p f t d =' '，即''t p f d ?= 因 )(''s f d D ++=，故有)(''s f t p f D ++?=。设 p f C =，s f Q +=，则上式改写为：Q t C D +?='' C ——视距乘常数。制造仪器时，一般将C 设计为100。 Q ——视距加常数。对于内调焦望远镜，其加常数接近于0，可忽略不计。 （二）视准轴倾斜时的视距公式 1、水平距离公式
若两点高差很大，则不可能用水平 视线进行视距测量，必须把望远镜视准轴 放在倾斜位置，如尺子仍竖直立着，则视 准轴不与尺面垂直，上面推导的公式就不 适用了。若要把视距尺与望远镜视准轴垂 直，那是办不到的。因此在推导水平距离 的公式时，必须导入两项改正：（1）对于 视距尺不垂直于视准轴的改正；（2）视线 倾斜的改正。水平距离公式为： δ2 S其中：δ为竖角。 =D cos ? 2、高差公式 + ? L h- =δ其中：i为仪器高，L为目标高。 i tg D 三、视距法测距的作业方法 1、将经纬仪安置在测站上，对中、整平； 2、量仪器高i（量至厘米）； 3、将视距尺立于待测点上，用望远镜瞄准视距尺，分别读出上、下视距丝和中丝读数，再读取竖盘读数，并将所有读得的数据记入视距测量手簿中。 4、根据上、下丝视距读数，算出尺间隔t，把竖盘读数换算为竖角，再计算测站到测点的水平距离和高差。
经纬仪及角度测量 第一节 角度测量原理 角度测量包括水平角测量和竖直角测量，是测量的三项基本工作之一。角度测量最常用的仪器是经纬仪。水平角测量用于计算点的平面位置，竖直角测量用于测定高差或将倾斜距离改算成水平距离。 一、水平角测量原理 水平角是地面上一点到两目标的方向线投影到水平面上的夹角，也就是过这两方向线所作两竖直面间的二面角。用β表示，角值范围0o～360 o。如图3-1所示，设A 、B 、C 是任意三个位于地面上不同高程的点，B 1A 1、B 1C 1为空间直线BA 、BC 在水平面上的投影，B 1A 1与B 1C 1的夹角β就是为地面上BA 、BC 两方向之间的水平角。 为了测出水平角的大小，可以设想在B 点的上方水平地安置一个带有顺时针刻画、注记的圆盘，并使其圆心O 在过B 点的铅垂线上，有一刻度盘和在刻度盘上读数的指标。观测水平角时，刻度盘中心应安放在过测站点的铅垂线上，直线BA 、BC 在水平圆盘上的投影是om 、on ，此时如果能读出om 、on 在水平圆盘上的读数m 和n ，那么水平角β就等于m 减去n ，即n m -=β。 因此，用于测量水平角的仪器必须有一个能读数的度盘，并能使之水平。为了瞄准不同方向，该度盘应能沿水平方向转动，也能高低俯仰。当度盘高低俯仰时，其视准独应划出一竖直面，这样才能使得在同一竖直面内高低不同的目标有相同的水平度盘读数。 经纬仪就是根据上述要求设计制造的一种测角仪器。 图3-1 水平角测量原理 图3-2 竖直角测量原理 二、竖直角测量原理 竖直角是同一竖直面内视线与水平线间的夹角。角值范围为-90°～+ 90°。视线向上倾斜，竖直角为仰角，符号为正。视线向下倾斜，竖直角为俯角，符号为负。 竖直角与水平角一样，其角值也是度盘上两个方向读数之差。不同的是竖直角的两个方向中必有一个是水平方向。任何类型的经纬仪，制作上都要求当竖直指标水准管气泡居中，望远镜视准轴水平时，其竖盘读数是一个固定值。因此，在观测竖直角时，只要观测目标点一个方向并读取竖盘读数便可算得该目标点的竖直角，而不必观测水平方向。
第二章CCD成像原理简介 2.1 光电跟踪技术简介 光电跟踪系统的组成框图如图3-1所示，从独立功能单体上分主要由激光测距仪、电视跟踪仪、红外跟踪仪组成；从功能模块分主要有传感器模块、转台及测角和信息处理单元组成。其中电视摄像仪、红外热像仪和激光测距主机为传感器模块，激光信息处理机、图像跟踪处理器、伺服控制和信息管理机为信息处理单元。 图2-1 光电跟踪系统组成框图 光电跟踪系统信息处理采用融合技术。在光电跟踪系统中，信息管理机、电视/红外图像跟踪处理器、激光信息处理机和伺服控制为信息处理单元。信息管理机既负责光电跟踪系统和火控台之间信息的交换，又负责光电跟踪系统内部各信息处理单元之间的信息融合和数据交流;图像跟踪处理器进行电视/红外跟踪仪的图像跟踪信息处理;激光信息处理机是激光测距仪的指控中心和数据处理中心;伺服控制系统实现伺服机动系统的调度。 2.2 CCD成像原理简介 CCD全称为电藕合器件，是英文Charge Couple Device的缩写。它是70年代发展起来的一种以电藕合包形式存储和传输信息的新型半导体器件，是目前应用较多的图像采集装置。用CCD摄像机采集可以采集灰度图，当光源的光照射到场景中的物体上后，物体所反射的光先由CCD接受并进行光电转化，所得到的电信号再经量化就可形成空间和幅度均离散化的灰度图。图像的空间分辨率主要由CCD摄像机里图像采集矩阵中光电感受单元的尺寸和排列所决定，而灰度图的幅度分辨率主要由对电信号进行量化所使用的级数所决定。 至今，CCD摄像仪己从实验室研究走向实际应用阶段，在航空航天、卫星侦察、遥感遥测、天文测量、传真、静电复印、非接触工业测量、光学图像处理等领域都得到了广泛的应用。目前世界上所有极轨和地球静止气象卫星在可见光和红外波段的成像遥感器都采用某种
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。
浅谈光电跟踪系统ATP技术 【摘要】光电跟踪成像系统，不管是应用在何种场合，只要是对运动目标进行成像，都有捕获、跟踪和瞄准(ATP)的要求。在确定ATP的性能要求之前，首先要明确ATP的基本概念。不管是捕获、跟踪或瞄准，都存在不确定性的、随机因素，即都存在一个捕获概率、跟踪概率和脑准概率的问题。本文详细介绍了ATP技术在空间光通信系统中的重要性,对ATP系统的结构、工作原理以及关键技术指标进行了重点研究。 【关键词】光电跟踪系统;ATP;跟踪和瞄准 0.引言 空间光通信正是以其传输码率高、功耗低、抗干扰能力强等一系列优点而发展起来的一项高新技术,各国都非常重视对空间光通信的研究工作。而窄的激光发射光束导致了光束对准中许多技术上的挑战,对捕获、跟踪和瞄准(Acquisition、Tracking、Pointing-ATP)技术的研究也就显得尤其重要。 1.跟踪和瞄准误差 捕获，捕获定义为在预计的目标可能存在的区域(一般称为不确定区域)对所需要目标的识别；跟踪，跟踪定义为仪器祝轴〔Los)相对目标祝抽的晃动。跟踪的目的在于稳定仪器的祝抽，使级踪误差和动态向应性能满足规定的指标；瞄准(Pointing)，瞄准定义为仪器视抽相对目标视轴的平均取向。瞄准的目的在于使仪器祝轴和目标视轴之间误差(平均伯差和标准偏差)满足瞄准精度指标。 跟踪误差和瞄准误差如果都是以仪器视轴为参考的话，则它们都包含系统误差(误差平均值m)和随机误差(RMS值)。两者的误差源是不同的，根据光电跟踪系统的用途不同，对系统误差和随机误差的要求侧重点有所不同。对于测量应用，要求随机误差尽可能小，因为它们是不能修正的，会直接影响测角误差，而系统误差是可以修正的。对于激光光束瞄准应用，如空间激光通信、激光定向武器等，要求系统误差尽可能小，同时随机误差也尽可能小，以使仪器视铀为中心的发射激光束最大能量密度瞄准目标。为此，常常采用复合轴伺服系统结构工作原理。这种系统实质上是在跟踪回路基础上又加一个瞄准回路，对跟踪回路误差进一步校正，使仪器视轴和目标视轴之间的误差进一步减小。复合铀伺服系统中的瞄准回路一般是在光学望远镜主光学系统光路中，插入一个快速定位反射镜，通过瞄准回路的伺服控制改变发射激光光束的方向，使它更准确的瞄准目标。由于跟踪误差和瞄准误差中，都包含有随机误差成分，所以，它们都可以看做是随机变量。对于随机变量，可以用它们的杨卒密度和概率来描述它们的统计特性和用误差的平均值与标准偏差来描述它们的数值特征。应该指出，在捕获、跟踪和瞄准之间并没有一个严格明确的界限。捕获的任务在于在预计的目标可能存在的区域内从背景中识别出所需要的目标，同时，它还有粗跟踪的任务，即识别出目标以后将目标引入跟踪视场，以便转入跟踪工作方式。在跟踪和由准之间也没有严格明确的界限，有时，把瞄准叫做精跟踪。 2.光电跟踪系统ATP性能要求 2.1捕获性能要求 对于ATP光电系统，捕获的要求是显而易见的，不能成功地、及时地捕获到目标，就使光电系统的所有其他功能不能发挥。对于捕获撮基本的性能要求是捕获横串和捕获时间两项性能指标。由于面阵CCD具有高灵敏度和简空间分辨
如图8-5所示，如果我们把竖立在B点上视距尺的尺间隔MN，化算成与视线相垂直的尺间隔M′N′，就可用式（8-2）计算出倾斜距离L。然后再根据L和垂直角α，算出水平距离D和高差h。 图8-5 视线倾斜时的视距测量原理 从图8-5可知，在△EM′M和△EN′N中，由于φ角很小（约34′），可把∠EM′M和∠EN′N视为直角。
而∠MEM ′=∠NEN ′=α，因此 ααααcos cos )(cos cos MN EN ME EN ME N E E M N M =+=+='+'='' 式中M ′N ′就是假设视距尺与视线相垂直的尺间隔l ′，MN 是尺间隔l ，所以 αcos l l =' 将上式代入式（8-2），得倾斜距离L αcos Kl l K L ='= 因此，A 、B 两点间的水平距离为： αα2 cos cos Kl L D == （8-4） 式（8-4）为视线倾斜时水平距离的计算公式。 由图8-5可以看出，A 、B 两点间的高差h 为： v i h h -+'= 式中 h ′——高差主值（也称初算高差）。 α ααα2sin 21 sin cos sin Kl Kl L h ==='
（8-5） 所以 1 sin v i =α2 + h- Kl 2 （8-6） 式（8-6）为视线倾斜时高差的计算公式。 二、视距测量的施测与计算 1．视距测量的施测 （1）如图8-5所示，在A点安置经纬仪，量取仪器高i，在B点竖立视距尺。 （2）盘左（或盘右）位置，转动照准部瞄准B 点视距尺，分别读取上、下、中三丝读数，并算出尺间隔l。 （3）转动竖盘指标水准管微动螺旋，使竖盘指标水准管气泡居中，读取竖盘读数，并计算垂直角α。