火箭發射時的口令"光學雷達跟蹤正常"是什麼意思

　　2016-11-04 08:32:10　來源: 科學大院

　　火箭發射時，我們常常聽到那句口令「光學雷達跟蹤正常」。機架三軸相互垂直，水平軸和照準軸可以繞垂直軸在水平面內旋轉。自動跟蹤時電視跟蹤器測量目標相對其光軸的角量，送伺服系統的位置迴路形成閉環自動跟蹤。針孔模型主要由光心C、像面和光軸組成。

　　（原標題：火箭發射時，口令「光學雷達跟蹤正常」是什麼意思？）

　　

　　作者：焦菁（中國科學院國家空間科學中心）

　　火箭發射時，我們常常聽到那句口令「光學雷達跟蹤正常」。這裡的「光學雷達」到底是什麼？跟蹤又是怎麼個跟蹤法？且聽我一一道來。

　　我們平時說的「光學雷達」，是利用光學手段探測的一種雷達，通常指激光雷達，不過這種雷達目前並沒有普及到火箭發射領域。而本文提到的火箭發射時的口令「光學雷達跟蹤正常」，實際上應該是「光學和雷達跟蹤」，這裡光學對應的設備是光電經緯儀，雷達指精密跟蹤測量雷達。

　　光電經緯儀，這是什麼東東？

　　它長這樣——光電經緯儀及結構圖

　　

　　光電經緯儀由跟蹤機架、成像系統、測角系統、激光跟蹤測量系統、微機控制和處理系統組成，具體結構如上圖。

　　光電經緯儀對目標的跟蹤依賴於經緯儀機架。

　　經緯儀機架為三軸（垂直、水平、照準）地平裝置。機架三軸相互垂直，水平軸和照準軸可以繞垂直軸在水平面內旋轉。望遠鏡（攝像機）裝在水平軸上，其主光軸為照準軸，並與水平軸垂直，可繞水平軸在垂直平面內旋轉。

　　在垂直軸和水平軸上分別裝有軸角編碼器（或光學碼盤）。照準軸繞垂直軸旋轉的角度由裝在垂直軸上的軸角編碼器給出（相對某一基準方位），稱為方位角；照準軸繞水平軸旋轉的角度由裝在水平軸上的軸角編碼器給出（水平基準為零基準），稱為俯仰角（高低角）。也就是說，照準軸是雷達鏡頭對準的方向，鏡頭可以繞著垂直軸左右轉圈，繞著水平軸前後翻轉，這就實現了各個方向的轉動。

　　

　　發射中光電經緯儀如何跟蹤？

　　光電經緯儀跟蹤通常有自動、隨動、半自動跟蹤三種基本工作方式。

　　自動跟蹤時電視跟蹤器（紅外跟蹤器、激光跟蹤器）測量目標相對其光軸的角量，送伺服系統的位置迴路形成閉環自動跟蹤。

　　隨動跟蹤使用理論彈道數據經計算機處理后引導經緯儀跟蹤目標，或用雷達等設備的跟蹤結果引導經緯儀跟蹤目標。

　　半自動跟蹤時，操作手通過瞄準鏡觀察目標並操作單桿控制經緯儀跟蹤目標。

　　自動跟蹤對夜間發射的背景簡單、目標特徵明顯的目標（比如火焰）有很好的跟蹤效果，一般情況易跟蹤丟失。隨動跟蹤依賴於雷達的引導，而雷達的引導數據誤差較大，還需要人工半自動修正。

　　所以，自動跟蹤是根據鏡頭裡看到的位置計算鏡頭該怎麼調整；隨動跟蹤是根據設定的軌道或者雷達探測數據計算目標位置，帶動其跟著轉；而人工半自動，就得有人主動調整了。

　　實際上光電經緯儀對目標的跟蹤通常採用自動或隨動跟蹤狀態結合半自動修正方式。這樣就實現了跟蹤目標。

　　發射時的直播畫面怎麼來的？

　　原理很簡單，我們可以把光學經緯儀的成像模型簡化為針孔成像模型。針孔模型主要由光心C（攝影中心）、像面和光軸組成。光心到像面的距離為焦距f，光心為經緯儀機架三軸（垂直、水平、照準）的交點。

　　

　　光電經緯儀實際工作時，跟蹤系統保持照準軸始終指向目標，空中飛行目標經過鏡頭光學系統的匯聚，又經過調光調焦，使目標清晰成像在像面上，像面即膠片平面。

　　對數字成像經緯儀來說，像面是CCD或CMOS成像器件的靶面；對紅外攝像機而言，像面是紅外成像器件的靶面，這類設備直接輸出數字圖像，同時絕對時刻、光軸的角度數據也採用數字方式與圖像數據同步存儲。

　　

　　火箭點火升空時刻的光學跟蹤畫面

　　

　　拋整流罩時刻的紅外監測圖像

　　說完了光學跟蹤，接下來我們再聊聊雷達跟蹤。

　　跟蹤測量雷達如何找到目標？

　　以天宮二號發射為例，天宮二號發射時，雷達跟蹤所用的設備是精密跟蹤測量雷達。

　　精密跟蹤測量雷達是20世紀50年代後期誕生的，因為近幾十年來導彈衛星航天技術的迅猛發展，先前的中等精度跟蹤雷達已經滿足不了實際需求了。

　　跟蹤雷達的原理，就是通過一個細管觀測目標，管越細，瞄得越准，獲得的目標數據越精確。

　　要精密，就要雷達信號的尖銳，經過雷達主反射面（俗稱大鍋）聚焦以後，雷達在空中形成的波束只有1.2度，是由兩片橢圓形葉子狀的信號疊加而成的，但是真正對目標有用的，只有信號疊加的中間的0.4度。也就是說，目標必須在這個0.4度的空間里，才有可能被穩定跟蹤而獲得精確的數據。一旦目標超過這個範圍，就無法做到誤差收斂，導致丟失。

　　在捕捉目標時，首先要把目標捕捉進這個0.4度的範圍內，生成的誤差才可以生成反饋信號推動天線轉動。

　　0.4度是個什麼概念呢，就比如你從一個內直徑很小的長管子的視野里找尋天空中的一架飛機，碰不巧的話這輩子都找不到了。這個時候，你要想快點找到飛機，就需要一個輔助的裝置了，那就是一台低精度的雷達。

　　低精度雷達波束有6度寬，掃開以後，能夠形成一個最寬12度的波瓣。由於跟蹤的有效收斂角度的問題，只有將目標限制在6度觀察範圍內，才能獲得有效的反饋電壓實現自跟蹤。

　　一旦實現自跟蹤，就能將目標角度信息縮小到1度以內。低精度雷達捕獲了目標，就可以通過跟蹤誤差獲得的反饋電壓，推動雷達天線隨著目標的運動而運動。

　　然後嘞？它怎麼帶動高精度雷達呢？

　　一個辦法是，通過雷達碼盤（就是度盤），獲得雷達的天線指向的角度（目標水平方位角和垂直俯仰角），將這兩個角度折算到大地角度，再傳輸給高精度雷達，高精度雷達根據自己的位置信息（大地測量結果），折算出目標相對於自己的角度信息，雷達操作手將天線轉動到該位置附近，或者直接將角度信息錄入，自動帶動天線轉動到該位置，然後只要在1度的誤差範圍內搜索就可以發現目標了。

　　參考資料：

　　1.http://www.up-china.com/product_p.aspx?id=27(長春奧普光電技術有限公司)

　　2.《精密測量激光雷達技術》，王德純，電子工業出版社，2006.