光电跟踪测量原理

第1章 绪论

1.1 光电跟踪测量的地位和作用

1.2 光电跟踪测量系统的组成

1.3 光电经纬仪与光电跟踪测量设备

1.4 国内外发展状况

本章小结

思考题

第2章 轴角测量

2.1 概述

2.1.1 轴角测量系统在光测仪器中的作用和地位

2.1.2 经纬仪测角

2.1.3 数字测角

2.1.4 数字显示系统

2.1.5 轴角编码器的分类及特点

2.1.6 角度的度量

2.2 绝对式光电轴角编码器

2.2.1 光学码盘

2.2.2 码盘参数

2.2.3 组成及主要性能指标

2.3 增量式光电轴角编码器

2.3.1 光栅与莫尔条纹

2.3.2 光栅盘与指示光栅

2.3.3 光栅盘参数

2.3.4 组威

2.4 其他类型的轴角编码器

2.4.1 电刷式轴角编码器

2.4.2 电容传感器轴角编码器

2.4.3 旋转变压器轴角编码器

本章小结

思考题

第3章 跟踪系统

3.1 概述

3.1.1 自动控制系统

3.1.2 跟踪系统

3.1.3 光电跟踪系统

3.1.4 系统主要性能指标

3.2 跟踪系统中的电动机

3.2.1 直流电动机

3.2.2 直流伺服电动机

3.2.3 直流力矩电动机

3.2.4 无刷直流电动机

3.2.5 直流测速发电机

3.2.6 交流测速发电机

3.2.7 交流伺服电动机

3.2.8 步进电动机

3.3 调速系统

3.3.1 调速的含义和调速指标

3.3.2 脉宽调制(PWM)调速方式

3.3.3 脉冲宽度调制器电路

3.3.4 典型调速系统

3.4 引导跟踪系统

3.4.1 地位和任务

3.4.2 系统的构成和工作

3.4.3 控制部分

3.5 半自动跟踪控制系统

3.5.1 半自动跟踪控制系统简介

3.5.2 两类操纵器跟踪性能对比

3.5.3 系统性能分析

3.6 自动跟踪系统

3.6.1 红外自动跟踪控制系统

3.6.2 激光自动跟踪控制系统

3.6.3 电视自动跟踪控制系统

3.7 数字跟踪系统

3.7.1 数字调速回路

3.7.2 数字测速

3.7.3 数字控制系统的新问题

3.7.4 典型数字调速回路

3.7.5 数字控制系统中的具体问题

3.8 复合控制

3.9 提高跟踪系统跟踪精度的一些途径

本章小结

思考题

第4章 电视跟踪测量技术

4.1 概述

4.2 电视脱靶量测量的几个基本问题

4.2.1 电视脱靶量测量系统的基本组成

4.2.2 图像

4.2.3 几何成像

4.2.4 图像的分解

4.3 闭路电视基本原理

4.3.1 闭路电视的组成及工作原理

4.3.2 电视摄像机的组成与工作原理

4.3.3 电视摄像机的种类与特性

4.3.4 电视扫描原理

4.4 电视脱靶量测量原理

4.4.1 电视摄像管脱靶量测量原理

4.4.2 CCD摄像机脱靶量测量原理

4.5 电视自动跟踪原理

4.5.1 基本原理

4.5.2 某电视跟踪系统分析

4.6 主要技术指标与检测

4.6.1 电视视场与检测

4.6.2 电视探测距离与分辨力关系

4.6.3 脱靶量测量精度

4.7 电视测量技术的发展方向

本章小结

思考题

第5章 红外跟踪测量技术

5.1 红外自动跟踪控制原理

5.2 红外探测器

5.3 红外成像

5.4 红外成像脱靶量测量

5.4.1 红外成像跟踪基本知识

5.4.2 形心跟踪

5.4.3 相关跟踪

5.4.4 平均绝对差分算法

5.4.5 序列相似性检测算法

5.4.6 目标图像边缘检测

5.4.7 目标图像识别

5.4.8 目标图像捕获

5.4.9 图像跟踪器

5.5 非成像式脱靶量测量原理

5.5.1 非成像式脱靶量测量系统组成

5.5.2 调制盘式跟踪器

5.5.3 非调制盘式跟踪器

5.5.4 非调制盘型红外脱靶量测量系统简介

5.6 红外测量系统主要技术指标

……

第6章 激光跟踪测量技术

第7章 典型光电跟踪测量系统

参考文献

…… 2100433B

《光电跟踪测量原理》本书共分7章，内容包括光电跟踪测量的概述、轴角测量、跟踪系统、电视跟踪测量技术、红外跟踪测量、激光跟踪测量技术、激光跟踪测量技术、典型光电跟踪测量系统。《光电跟踪测量原 理》可作为光电工程、控制与测试专业的本科生教材，也可供相关专业师生和从事跟踪测量专业的科技人员参考。

激光跟踪测量系统( Laser Tracker System )是由单台激光跟踪仪构成的球坐标系濒量系统，是一种大范围、大尺寸设备的、实时动态跟踪的高精度新型测量仪器。它集成了激光干涉测距、光电探测术、精密机械、计算机和现代控制技术以及数值计算理论等，能对空间运动目标跟踪并实时测量目标的三维坐标。激光跟踪仪是一种精密的三维坐标测量仪器，它具有精度高、速度快、便于移动等优点。

激光跟踪仪的结构设计、测距和跟踪方式与全站仪不同，测程仅到35m,重达30 多公斤，只适合作室内工业测量。激光跟踪测量系统在大型工件测量、定位、校准、安装及在线加工等方面，都是最有效、性价比最高的测量设备。

激光跟踪仪测量系统的软件有数据管理/处理模块及控制/测量模块，商业化软件有Leica 公司的Axyz CDM/LTM。控制/测量模块可作静态的单点平均测量、球面拟合测量，还可对动态目标进行连续跟踪测量，进行连续采样、格网采样和表面测量等，还具有搬站功能。 2100433B

跟踪误差视频跟踪器误差

视频跟踪器误差是纯粹的图像处理自身的误差，是以判断图像像元的最小分辨率来定义的。通常跟踪器的误差不大于l/2像素。根据光电系统所采用的红外热像仪或电视摄像机的视场，可以很方便地估算出对应不同视场时像元数的尺寸大小。

跟踪误差视频跟踪器噪声

视频跟踪器的噪声是信号处理电路造成的，正常情况下，跟踪器噪声不大于一个像素。同理，可根据光电系统所采用的光电传感器视场计算出对应不同视场时像元数的尺寸大小，从而得到视频跟踪器噪声造成的跟踪误差。

跟踪误差通信延迟

取差器对目标的跟踪算法以及将误差以一定的时间报告给CPU，这种时间延迟将影响跟踪精度。报告延迟通常小于一帧，即20 ms。

跟踪误差稳定误差

造成瞄准线稳定误差的主要因素如前所述。跟踪误差是和瞄准线稳定误差密切相关的，瞄准线的晃动直接导致跟踪误差的形成。

跟踪误差跟踪控制回路误差

跟踪控制回路是由视频取差器，通过对目标瞄准点与瞄准线之间取差作为指令输入，经由跟踪控制器、滤波器、放大器、驱动器、电动机等去驱动万向架和光电传感器跟踪目标。并通过光电传感器瞄准线的位置构成闭环回路。该回路伺服性能的好坏，即稳态误差的大小和系统的动态品质等，均和跟踪误差密切相关。

光学跟踪测量系统是武器靶场试验和航天发射中使用的一种跟踪测量系统。它利用光学测量和成象原理，测量、记录目标的运动轨迹、姿态、运动中发生的 事件，以及目标的红外辐射和视觉（可见光）特征。光学跟踪测量设备通常由摄影机、跟踪或监视设备和数据处 理设备组成。多台设备通过适当组合，构成光学跟踪测量系统。光学跟踪测量系统主要分为三类。

光学跟踪弹道测量设备

用来获取被测目标在空间随时间变化的位置、速度和加速度等数据，是对航天器、武器系统进行鉴定的改进设计，以及编制武器射表的重要依据，所用设备主要有电影经纬仪、弹照相机和固定摄影机。

光学跟踪姿态和事件测量设备

主要有跟踪望远镜和高速摄影机，用来获取目标的飞行姿态和事件数据，如目标的滚动，俯仰和偏航， 以及发射时间、遭遇时间和脱靶量。

光学跟踪目标特征测量设备

用于对目标红外信号特征和可见光信号特征进行测 量。60年代以来激光、红外、电视等光电新技术和电子计算机的发展，为靶场跟踪测量提供了新手段，出现激光 雷达、电视跟踪测量设备和激光-电影经纬仪复合设备等新一代光学跟踪测量设备。这些设备保持了传统光学 跟踪测量设备测量精度高、目标影象直观和设备机动性好等优点，克服了传统光测设备需多台同时工作、数据 处理周期长的缺点，实现了单站实时测量。例如激光雷达根据激光束的方位角、俯仰角和激光测距，可确定目 标的空间位置，由距离随时间变化求得速度，由速度变化求得加速度，测量精度高。电视自动跟踪系统利用目标 与背景或周围物体的比较跟踪数据。光学跟踪测量系统的发展趋势是进一步提高激光雷达的作用距离，应用图 象识别和处理技术提高光学跟踪测量设备的捕获跟踪能力、测量精度，利用计算机技术提高光学跟踪测量系统 自动化程度，更好发挥系统的综合效能。