光电经纬仪跟踪测量的基本定位技术
《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
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 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 (3)
1.5本章小结 (4)
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 (5)
2.1.1地心坐标系 (5)
2.1.2跑道坐标系 (6)
2.1.3测量坐标系 (6)
2.1.4辅助坐标系 (7)
2.2直角坐标系之间的转换 (7)
2.3目标空间定位方法 (8)
2.3.1单站定位 (8)
2.3.2双站交会定位 (9)
2.3.3纯测距信息定位 (10)
2.4本章小结 (10)
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
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。
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。
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]。
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。
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。
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。
《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
《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
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“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。
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。
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。
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 =D S其中：δ为竖角。 cos ? 2、高差公式 + ? =δ其中：i为仪器高，L为目标高。 h- i D L tg 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；
仪器水准仪水准尺观测者 日期2012.6.24 记录者 视距测量记录 测站：A 测站高程：仪器高： 照准点号下丝读数 上丝读数 视距间隔 中丝读数 l 竖盘读数 L 垂直角 α 水平距 离 D 高差 h 高程 H I 2349 2500 2°8’40”30.16 2651 302 B 2354 2500 2°28’50”29.54 2650 296 测站：B 测站高程：仪器高： 照准点号下丝读数 上丝读数 视距间隔 中丝读数 l 竖盘读数 L 垂直角 α 水平距 离 D 高差 h 高程 H A 2353 2500 1°7’30”29.59 2649 296 C 2319 2500 1°54’27”34.06 2660 341 班级小组三姓名 11工管测量实习
仪器水准尺观测者 日期记录者 视距测量记录 测站：C 测站高程：仪器高： 照准点号下丝读数 上丝读数 视距间隔 中丝读数 l 竖盘读数 L 垂直角 α 水平距 离 D 高差 h 高程 H B 2320 2500 1°47’20”34.27 2663 343 D 2417 2500 3°6’50”16.95 2587 170 测站：D 测站高程：仪器高： 照准点号下丝读数 上丝读数 视距间隔 中丝读数 l 竖盘读数 L 垂直角 α 水平距 离 D 高差 h 高程 H C 2408 2500 3°57’30”17.11 2580 172 E 2380 2500 2°36’40”22.85 2609 229 班级小组姓名
仪器水准尺观测者 日期记录者 视距测量记录 测站：E 测站高程：仪器高： 照准点号下丝读数 上丝读数 视距间隔 中丝读数 l 竖盘读数 L 垂直角 α 水平距 离 D 高差 h 高程 H D 2381 2500 2°6’16”22.75 2609 228 F 2399 2500 2°15’20”20.17 2601 202 测站：F 测站高程：仪器高： 照准点号下丝读数 上丝读数 视距间隔 中丝读数 l 竖盘读数 L 垂直角 α 水平距 离 D 高差 h 高程 H E 2401 2500 2°9’00”19.97 2601 200 G 2320 2500 1°47’30”35.77 2678 358 班级小组姓名
用经纬仪测量视距及高差的步骤及方法 淮安供电公司市郊农电葛进进 一、三脚架架设操作步骤及方法 1、架设前，先把三脚架的三条腿拉出张开，三脚架的高度和测量者的下巴高度相等，然后钮紧。 2、对准被测物的方向，将三脚架有前支架支在标桩前向两脚处（约50cm），再把后两脚左右分开，使支架底盘中点能对准地面上的标桩，并尽量让三脚架的底座大概水平，然后将两脚支好。 3、三脚架架好后，打开经纬仪箱，左手抓住仪器支架，右手托住仪器底部，放在三脚架上，并使仪器架底座的方向与三脚架座的方向一致，旋上下面的旋钮。（注意：未旋上旋钮前，左手不能松开仪器） 1、经纬仪对中时，双手握住三脚架两面左右支架，前后左右移动，目光通过光学对中器（可以向外拉或旋转，来调节清楚）寻找中心桩，（可将脚放在中心桩处）进行对中。(中心桩在前向前移动，中心桩在后向后移动，中心桩在左向右移动，中心桩在右向左移动。) 2、光学对中器对准中心桩后，将三个支架用脚轻踩一下。 三、经纬仪整平的操作步骤及方法 1 2、粗整平：用微调整三角支架升降使仪器圆水准器的水泡调至居中；方法：可用精整平的方法，用长条水准管两次来调整圆水准器的水泡。 调整水平泡的技巧：如果水泡在水准器中心的左边，则三脚架螺旋逆时针转，如果在右边，则顺时针转。 3、精整平：精调调整仪器三脚螺旋旋钮，使横向水准管的水泡居中。 精调的方法： 第一步，仪器支架与前面两个三脚螺旋旋钮调致平行后，用两手同时向内或向外慢慢旋转前面两个三脚螺旋旋钮，使水准管水泡调到中央； 第二步，把仪器旋转90度。使仪器支架与第三个三脚螺旋旋钮在一直线上，调整第三个三脚螺旋旋钮，向内或向外慢慢旋转，使水准管水泡调到中央， 以上二步骤反复进行，直至横向水准管的水泡全部居中为止。 四、测量视距 1、对中、整平以后，把望远镜对向被测目标，旋转目镜调焦手轮（靠近眼的黑旋钮），使十字线清晰。 2、把望远镜上的光学瞄准器准星大致对准被测点，转动望远镜上望远镜调焦手轮（远离眼的银色旋钮）使被测点使远处测量物最清晰，并在十字线附近。 3、经纬仪瞄准目标后，锁紧水平制动手轮。再转动望远镜的水平微动旋钮（最下面侧过来的大银色旋钮）使望远镜中的十字线的中线靠近标尺。 4、旋紧度盘和望远镜上的制动螺旋（在正面靠近读数显微镜旁，三个最上面的小银色旋钮），再转动度盘和望远镜上的垂直微动旋钮（中间的黑皮旋钮）来调节中丝，让中丝大约对准备1.3米~1.5米， 5、打开右侧上面的采光镜，关下面的采光镜。 6、观看显微镜角度镜，如能看到说明角度垂直，如不垂直，则调整采光镜旋钮（左侧下面有白色横线的旋钮）到看到刻度盘清楚， 7、调整微调：先调整角度垂直手轮（左侧上面大的银色旋钮），使左、右两边的0对齐，
光电跟踪系统中位移传感器的作用 调焦单元作为大型光电跟踪系统的重要组成部分，不仅对调焦的精度有着严格要求，工作环境以及调焦机构的体积也是设计时需要考虑的重要因素，因此对小型宽温调焦单元的研究有着重要的工程实用价值。目前望远镜自动调焦技术主要有两种，一种是测距法自动调焦，另一种是基于图像评价函数的自动调焦。不论采取哪种调焦技术，都离不开位置传感器。它的外形体积、检测精度和温度适应性在很大程度上决定着整个调焦单元的性能。 有研究工作者按照目前国内外位移传感器的现状和发展趋势，通过对比各种位移传感器的优缺点，得出电感式位移传感器检测精度高、体积小，且工作温度范围大，同时非接触测量的工作原理使得它物理寿命无限长，可用于环境适应性、可靠性要求苛刻的精密测量中，明确了选用电感式位移传感器作为研究对象。 然后分析Sanseer差动电感式位移传感器的分类和测量原理，并对其输入/输出特性以及噪声来源加以分析。针对该传感器输出信号中随机噪声对测量精度的直接影响，重点开展了信号滤波算法的研究，对比了限幅滑动平均滤波算法和卡尔曼滤波算法，并在此基础上对传感器性能进行了测试和补偿，大大提高了传感器的检测精度。 接着设计了基于LDR型电感式位移传感器的自动调焦机构，针对调焦控制器微型化、可移植、接口灵活的要求搭建了以DSPFPGA为主控制器的硬件实验平台，对硬件平台中各个部件的选型和功能进行了阐述，设计了对光栅尺和电感式位移传感器两路位移数据进行同步采集的软件流程，并从检测精度、工作温度等方面横向对比电感式位移传感器和其他类别位移传感器的性能。 深圳市申思测控技术有限公司，专业致力于传感器技术研发、设计、生产制造和销售为一体的高科技企业。公司主营产品为LVDT位移传感器、电涡流位移传感器、非接触式位移传感器、接触式位移传感器、拉绳式位移传感器、直线位移传感器、高精度位移传感器、差动式位移传感器、电阻式位移传感器、磁致伸缩液位传感器、电容式液位传感器、电感
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 ，化算成和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 。 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。 A B D v i i l l ′ H A H B H A h h ′ L =Kl ′ N M E N ′ M ′ α α φ 大地水准面 图8-5 视线倾斜时的视距测量原理
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 ′就是假设视距尺和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 =α2 sin + h- v i Kl 2 （8-6） 式（8-6）为视线倾斜时高差的计算公式。 二、视距测量的施测和计算 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。 （4）根据尺间隔l、垂直角α、仪器高i及中丝
实验四经纬仪视距测量与钢尺量距及直线定向 （综合性实验） 一、目的与要求 1、通过本综合实验使学生认识距离和高差测量的常用方法、各自的优、缺点和根据实际应用精度要求选择合适的测量方法； 2、掌握经纬仪视距法测量两点间水平距离、高差及其计算方法； 3、掌握用钢尺量距的一般方法，量距的相对较差应小于1/3000；并验证视 距测量的结果； 4、学会用罗盘仪测定直线的磁方位角，建立直线的方向的概念，定向误差 应小于1°。 二、实验组织和实验用具 5人/组。观测1人，记录、计算1人，立尺1人，前尺手1人，后尺手1人，定向及罗盘仪观测1人； DJ6级光学经纬仪1台，视距尺一把； 钢尺一把（30m），测钎一束，标杆3根。 三、方法和步骤 在地面上选择约70m的A、B两点，做上标记（或打下木桩，钉上小钉作为标记），在直线AB两端的外侧竖立上标杆。 （一）经纬仪视距法测量 1、在标记的A点安置、整平好经纬仪（使用锤球对中即可），量取仪器高i，竖直方向转动望远镜，观测竖盘读数的变化规律，写出竖直角的计算公式。 2、盘左瞄准B目标上的视距尺，用十字横丝切于标尺指定的分化处（0.8m、1.0m、1.2m…），读出下、上丝读数，记录于相应的表格中； 3、转动竖盘指标管水准器微动螺旋，使竖盘指标管水准气泡居中，读取竖盘读数L，记录并计算出竖直角α。 4、在相应的记录计算表格中完成视距测量的计算工作；
5、每个同学观测、记录计算一次，记录计算使用“测量实验（实习）记录计算手簿”：视距测量记录表。 （二）钢尺量距 1、往测：后尺手执持零端将尺零点对准A点，前尺手持尺盒并携带标杆和测钎沿A→B方向前进，行至一尺段（20m）处停下，听定向人员指挥左、右移动标杆插在AB的直线上；拉紧钢尺并保持水平，在整尺注记处插下测钎（或做下标记）。两尺手同时提起尺前进，后尺手行至测钎（或标记处），同前述方法依次丈量各尺段。最后不足一整尺段时，前尺手应仔细量出余长并记录；后尺手所收测钎数即为整尺段数，记录并计算AB距离。 2、返测：由B点向A点，按往测的方法量测BA的距离。 3、计算AB距离的平均值及相对较差，且检核相对较差是否超限。 4、记录计算使用“测量实验（实习）记录计算手簿”：钢尺量距（一般方法）记录表。 （三）罗盘仪定向 1、在A点安置罗盘仪，对中整平后，用瞄准装置瞄准B点标杆，旋松磁针的固定螺丝，放下磁针，待磁针静止后，读取磁针北端在刻度盘上的读数，即为AB直线的磁方位角。 2、在B点安置罗盘仪，同上述方法测定BA直线的磁方位角（即为AB直线的反磁方位角）。 3、检核正、反磁方位角的互差是否超限，计算方位角的平均值。 （四）实验成果分析 对上述两种距离测量的方法从优、缺点及精度等方面进行比较分析，从而理解根据实际应用精度要求选择相应的测量方法。 四、预习内容 《现代普通测量学》（王侬主编，清华大学出版社）第五章。