多光路光电跟踪系统跟踪精度分析

２０１２年４月１日第３５卷第７期

现代电子技术

ＭｏｄｅｒｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｉｕｅ　　ｑ

Ａｒ．２０１２ｐ

Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．７

多光路光电跟踪系统跟踪精度分析

武林伟，王　辉，王　勇

（）中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州　４５００４７

摘　要：以提高多光路光电跟踪系统的跟踪精度为目的，通过对常见误差因素的种类和影响程度分析，给出了误差的分类和合成计算方法。在理论分析的基础上，对工程实例的跟踪精度做了定量计算，给出了提高光电跟踪系统跟踪精度的建议和方法。

关键词：多光路；光电跟踪系统；跟踪精度；误差分析

）中图分类号：ＴＮ２１４３４　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　文章编号：１００４３７３Ｘ（２０１２０７０１８００３－－－－

Ａｎａｌｓｉｓｏｆｔｒａｃｋｉｎｒｅｃｉｓｉｏｎｆｏｒｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｏｔｉｃｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｃｋｉｎｓｓｔｅｍ　　　　　－　ｙｇｐｇｙｐ　　

，ＷＡＮＧ　，ＷＡＮＧＷＵＬｉｎｅｉＨｕｉＹｏｎ　－ｗ　ｇ

（，）Ｔｈｅ２７ｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏＧｒｏｕＣｏｒｏｒａｔｉｏｎＺｈｅｎｚｈｏｕ４５００４７，Ｃｈｉｎａ　　　　　　　　ｇｙｐｐｇ　　

：ＷｕｒｏｓｅｒｅｃｉｓｉｏｎＡｂｓｔｒａｃｔｉｔｈｔｈｅｏｆｅｎｈａｎｃｉｎｔｈｅｏｆｏｔｉｃｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｃｋｉｎｓｓｔｅｍ，ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｏｆｅｒｒｏｒａｎｄｔｈｅｓｎ　　　　　　　－　　　　　　－ｐｐｐｇｐｇｙｙｙ　　　ｉｖｅｎｔｈｅｓｉｓｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｅｒｒｏｒｓａｒｅｂｍｅａｎｓｏｆｔｈｅａｎａｌｓｉｓｏｎｔｈｅｖａｒｉｏｕｓｋｉｎｄｓｏｆｆａｃｔｏｒｓａｎｄｔｈｅｅｘｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｇｇｙｙ　　，ｆｒｅｕｅｎｔｌｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄｅｒｒｏｒｓ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｓｉｓｏｆｔｈｅｓｅｔｈｅｔｒａｃｋｉｎｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆａｔｒａｃｋｉｎｓｓｔｅｍｒｏｅｃｔ－　　　　　　　　　　　　　ｑｙｙｇｐｇｙｐｊ　　ｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｌｌ．Ｆｉｎａｌｌｒｅｃｉｓｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｅｄｓｏｍｅｓｕｅｓｔｉｏｎｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓａｂｏｕｔｈｏｗｔｏｉｍｒｏｖｅｔｈｅｏｆｔｈｅｏｔｉｃｅｌｅｃｔｒｉｃｉｓ　　　　　　　　　　　　　　－ｑｙｙｐｇｇｐｐ　ｔｒａｃｋｉｎｓｓｔｅｍａｒｅｒｅｓｅｎｔｅｄ．　　ｇｙｐ　

：ｍ；；Ｋｅｗｏｒｄｓｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｏｔｉｃｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｃｋｉｎｓｓｔｅｍ；ｔｒａｃｋｉｎｅｒｒｏｒａｎａｌｓｉｓｒｅｃｉｓｉｏｎ－　　ｐｇｙｇｙｐｙ　　

０　引　言

现代的光电跟踪系统多由可见光电视、红外热像仪、激光测距机、激光指示器等多种传感器组成，主要用探测，目标的捕获、跟踪、指示和以实现对战场的侦察、

角误差解算，在各种雷达、火控等武器系统中取得了越跟踪精度是光电跟踪系统重要的来越多的应用。其中，

指标之一，能够直接反映出系统的综合性能。

不过，多光路光电跟踪系统是一种光、机、电高度综合的复杂系统，光机电的三种误差相互耦合传递，不同

１］

。光路的对准精度对系统精度影响的机理也比较复杂［

捕获和精确跟踪，一般由光学系统、图像传感器、跟踪处伺服控制系统和结构基座等组成

。理器、

图１　光电跟踪系统组成示意图

光电跟踪系统主要误差源来源于系统内的各类环节，结合光电跟踪系统的组成和工作模式，将主要从以上环节进行分析。

１．２　影响跟踪精度的误差源分析１．２．１　光学系统引起的误差

在多光路光电跟踪系统中，平台上通常安装有电视红外热像仪和激光测距机等多套光学系统，某摄像机、

多光路光电跟踪系统如图２所示

。

所以在工程应用中，需要根据实际情况分析影响跟踪精并有针对性地提出提高系统跟踪精度的度的主要因素，

方法，满足系统指标的要求。１　光电跟踪系统跟踪精度

１．１　光电跟踪系统跟踪误差主要来源

如果要对光电跟踪系统的跟踪精度进行分析准确，不仅必须清楚影响跟踪精度的主要误差源，还应清楚这些误差源的误差分布。

如图１所示，光电跟踪系统要实现对目标的探测，

收稿日期：２０１１１０２９－－

图２　某多光路光电跟踪系统

在多光路光电跟踪系统中，光学系统误差主要包括

第７期

２］

：以下几个方面［

武林伟，等：多光路光电跟踪系统跟踪精度分析

１８１

统的整体性能影响比较大。跟踪处理器引起的误差如图４所示

。

）电视、（红外和激光三个光轴的平行度误差：电１

视、红外和激光的光轴为系统的跟踪瞄准线，必须保持否则系统的跟踪精度将无法保证。平行，

（）电视、红外、激光和基准（安装基准或其他传感２

器如雷达指向）的平行度，保证此类基准为讨论系统跟踪精度的前提。

）滚轴、（俯仰轴和方位轴三轴的位置度和垂３直度。

（）电轴与光轴的平行度偏离：由于调试不当或调４

试设备精度不够，会造成系统电轴与光学系统中心（光轴）偏离。

１．２．２　图像传感器引起的误差

影响图像传感器的误差有探测器的分辨率、灵敏信噪比，以及探测器惰性、滞后等。分辨率和灵敏度度、

将决定图像的清晰度和成像质量，对系统的跟踪精度和稳定性有较大影响。

同时，图像传感器中心与光学镜头光轴中心对准误差对变焦距光学系统影响较大，主要存在以下因素：（）由于光学系统工艺设计、装配和调试引起的光１

轴变化和光轴抖动；

（）因变焦距、聚焦引起的光轴偏移；２（）外力振动或环境温度等变化引起的光轴偏移；３

（）变焦、聚焦引起的光轴重复性误差，如图３所４

）图３（是变焦前图像，示是变焦后引起的光轴误差，ａ（）图３是变焦后图像

。ｂ

图４　跟踪处理器跟踪引起的误差

１．２．４　伺服系统引起的误差

伺服系统引起的误差主要表现在动态滞后。动态滞／是控制器延时、后是由于目标运动引起的一项误差，ＤＡ

］３

。伺转换延时、执行机构响应速度等这些原因造成的［

服控制机构带来的误差因素还包括框架摩擦力矩、静态平衡力矩、动态振动力矩、陀螺漂移、采样频率、不垂直机械加工精度、刚性、装配误差、噪声干扰和控制方程度、

参数的选择等。伺服系统引起的误差如图５所示

。

图５　伺服控制系统引起的误差

１．２．５　信号处理延迟

信号处理延迟主要包括图像探测器延时、跟踪处理器延时和控制系统动态响应等。图像传感器延迟包括光机扫描和视频合成两个环节，跟踪处理器的延迟包括

４］

／。目标帧存数据存取、脱靶量计算等环节［ＤＡ转换、

的运动和镜头的移动，也可能造成目标与背景像质降低

造成目标跟踪性能的整体下降。总及其他不确定因素，

的时间延迟造成的跟踪误差已经很大，必须加以补偿，

图３　变焦引起的光轴误差

补偿的办法是加入目标速度前馈控制，实现对运动目标的快速跟踪，同时外推插值。１．２．６　电子系统噪声

电子系统噪声包括信号和背景的散弹噪声、暗电

５］

，流、读出噪声等［尤其是传感器及传感器线路的噪声

１．２．３　跟踪处理器引起的误差

图像传感器输出的图像有模拟或数字类型，跟踪处理器处理的为数字图像信号，数字图像的分辨率直接影响系统的跟踪精度和稳定性。

同时如果目标识别、跟踪算法或内部参数选择不当，可能使跟踪处理器无法实现稳定跟踪。如由于目标和背景灰度发生突变、噪声干扰等，不管是质心算法、相跟踪点一般会产生像素级的跳变，特别对地关算法等，

面复杂背景，相关算法的误差要根据实际情况，存在误差的累计，属于随机误差，该类误差对光电成像跟踪系

要尽可能降低，否则会对控制系统产生不良影响。首先，噪声降低了传感器的分辨力，从而影响控制系统的其次，噪声限制控制系统的频带宽度，从而影稳态精度；

响控制系统的动态品质。

１．２．７　不垂直度引起的框架解耦误差

光电跟踪系统的框架由加工、装配原因，框架不垂直度与控制系统解算所依据的坐标系有一定偏差，从而

１８２

６］

。带来最终的控制误差［

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２０１２年第３５卷

和使用目的，采用以下技术途径来提高系统的跟踪精度：）通过对光电跟踪系统的跟踪精度分析，（可以进１

行合理的误差分配，完善系统的设计。

）进行合理的分机误差和总误差估算。（２

（）客观评价各分机误差对总误差的影响，考虑实３

际应用和成本进行误差分配。

（）优化设计，尽量减少随机误差。４

）改善伺服控制系统的性能：（提高伺服响应速５

度，减小响应时间，提高跟踪系统的带宽，减小系统响应的动态误差。

（）采取稳定跟踪技术：采用预测滤波算法，根据６

在前面的目标信息以及目标信息的滞后量已知的情况下，预推出当前目标信息，提高光电跟踪系统的稳定性

８］

。和跟踪精度［

１．２．８　其他误差

（）特殊用途：如机载设备、制导武器，图像滚转对１跟踪处理器带来的误差量等。

（）人为因素：用于人眼观察的摄像系统，图像的２

不稳定会使观察者产生疲劳感，进而导致误判和漏判，并且在人工锁定目标时，由于实际使用环境操作不规范或瞄准点不精确等因素，带来不可确定的误差。２　误差的分类与合成２．１　误差分类２．１．１　系统误差

系统误差是指在相同条件下，多次观测值服从某一确定规律（如定值、线形、多项式、周期性等函数规律）的误差。系统误差可通过预先分析误差成因和实验室检测，通过合理的方法减少其误差值。２．１．２　随机误差

随机误差是指在相同条件下，多次观测值服从统计规律（如正态分布、均匀分布等）的误差，主要表现为误差结果的分散性，大小和极性以不可确定的方式变化，产生的原因往往难以具体分析。２．２　误差的合成２．２．１　系统误差的合成

如果分项误差中含有系统误差ε则合成误差中系ｉ，统误差εｙ为：εｉｙ＝∑ｘｉｉ＝１

２．２．２　随机误差的合成

ｍ

）采取补偿措施：（实际产品不可避免有误差，可７

根据误差种类和分布，进行补偿。通过软件修正进行补偿，特别是时间延迟造成的跟踪误差，必须加以补偿；同时通过大量的测试和分析，找到误差分布规律，在一定

９］

。程度上也可以进行修正［

３．２　计算跟踪精度

。实例：某光电跟踪系统，跟踪精度要求为０．４ｍｒａｄ根据实际情况，列出对本系统影响较大的跟踪误差：

σ光轴是光轴平行度误差，σ轴系是轴系误差，σ温度是温度引

起光学畸变误差，σ跟踪是跟踪处理器误差，σ伺服是伺服系统误差，σ延迟是信号处理延迟误差，σ装调是系统装调

１０］

：则跟踪精度误差σ跟踪［误差，

跟踪＝光轴＋轴系＋温度＋跟踪＋伺服＋延时＋装调σσσσσσσ

；２ｍｒａｄ　　光轴平行度误差：σ光轴＝０．

２

２

２

２

２

２

２

（）１

那么合成误差中如果分项误差中含有随机误差θｊ，

随机误差θｙ为：

ｍ

θｙ＝

ｍ

ｊ＝１

∑ｙ

ｊ

（）２

；轴系误差：２ｍｒａｄσ轴系＝０．

；温度引起光学畸变误差：１ｍｒａｄσ温度＝０．；跟踪处理器误差：１ｍｒａｄσ跟踪＝０．

；伺服系统误差：２ｍｒａｄσ伺服＝０．；信号处理延迟误差：１ｍｒａｄσ延迟＝０．

；系统装调误差：０５ｍｒａｄσ装调＝０．

，代入公式计算得跟踪精度：满足３８ｍｒａｄσ跟踪＝０．

系统０．４ｍｒａｄ的要求。４　结　语

根据上述误差分析、计算和精度提高措施，对某型光电跟踪系统的跟踪精度进行了分析估算、实验室测量和补偿修正，并在外场进行了试验，理论结果与实际试验结果非常接近。

不过有些问题值得注意，高精度的光电跟踪系统在使用过程中，不仅要考虑系统本身的误差，还要考虑应

（下转第１８６页）　

　　按均方差原理计算得：

＝σ（ｙ）

２．２．３　总误差的合成

若各分项误差中一共包括ｐ个系统误差和ｒ个随

［７］

：机误差，那么合成误差的不确定度φｙ为

２

ｊ＝１

∑２（）

σｘｊ

ｘｊ

）

２

（）３

２

（）４εσｉ±Ｋｙ＝ｙｊ）（φ∑∑ｘｘｉ＝１ｉｊ＝１ｊ

式中：ｘｘεｉ，ｉ为ｊ分别为系统误差和随机误差的分项；

２

第ｉ项系统误差；Ｋｙ为合σｊ项随机误差的方差，ｊ为第

ｐ

）

）

ｒ

２

成误差的置信因数。

３　计算跟踪精度和提高跟踪精度的方法３．１　提高跟踪精度的方法

为保证系统的可靠跟踪和精度测量，根据使用环境

１８６

现代电子技术

２０１２年第３５卷

单边带调制中只采用了一级滤波，有一部分边带未完可以通过多级滤波技术进行改善，其余三种全滤除，

信号仿真过程均正常。在使用ＬａｂＶＩＥＷ的过程中发快捷地实现通信系统的仿真设计。基于现它可方便、

可以在理ＬａｂＶＩＥＷ平台设计的模拟调制解调系统，

工科的教学实验中推广运用，加深对信号和通信等课程的理解和掌握，从而提高学校在理工科的教学水平和质量。

参　考　文　献

［］岂兴明，周建兴，矫津毅．北京：人民邮１ＬａｂＶＩＥＷ８．２［Ｍ］．　

图１２　

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３　结　语

本文首先简单介绍了模拟调制和解调原理，接着基于Ｌ并ａｂＶＩＥＷ软件平台设计了模拟调制和解调系统，分析ＡＭ，比ＳＳＢ，ＤＳＢ，ＶＳＢ这四种信号的仿真结果，较各自在信道传输和功率利用率方面

［１２］

的优缺点。在

檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹

上接第１８２页）　　（

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还有待于进一步的素对系统跟踪性能的影响分析，研究。

作者简介：武林伟　男，河南许昌人，工程师。主要研究方向为光电子技术。１９８０年出生，