光学制导及其稳像技术

光学制导及其稳像技术

李宗泽

国营长虹机械厂 541002

摘要：随着科学技术的迅速发展，光学系统不但要在静态下成像质量良好，而且还要在动态下能够正常工作。稳像光学仪器的设计己然成为了光学工作者研究的重点之一。本文介绍了图象稳定的理论基础、稳像技术的发展现状及各类稳像技术基本原理及特性，同时论述了光学制导中的两个重要问题，导弹光学寻的器稳像新技术和发射导弹时导弹瞄准系统的稳像技术。

关键词：光学制导  稳像技术  导弹光学

引言

光学稳像技术的含义就是通过光学元件对光学仪器整体或对光学仪器中的某个组成部件进行稳像，可以让光学仪器在受到扰动的条件下，仍能使被观察的目标成清晰稳定的像。

稳像技术的应用非常广泛，如经纬仪、水准仪、望远镜、数码相机、手机镜头、瞄准镜等越来越多的光学仪器中都应用了稳像技术。

随着材料科学、MEMS传感器、执行器技术、微电子技术的发展进步，稳像技术也在快速发展，具有稳像功能的光学产品如雨后春笋般越来越多的应用于我们的生活中，由此可见，随着科学技术的进步，无论是在军用领域还是民用领域，对具备稳像功能的光学产品的需求已经越来越大，如何使稳像光学产品更加小型化、轻型化、智能化成为光学工程领域一个重要的研究课题。

一、稳像技术分类

1.1机械式稳像技术

机械式稳像技术也称作机电结合式稳像技术，是最早使用的稳像技术，通常利用陀螺稳定平台衰减低频振动或通过减振装置来隔离载体振动，抑制高频振动的影响，实现稳像，这也是提高平台稳定精度的一种途径。高精度平台稳像的系统较为复杂与庞大，增加了系统的功耗和重量，因其结构复杂、体积大、成本高，故不适用于小型舰船和飞机上。

1.2光学稳像技术

光学稳像技术是指在稳像光学仪器的光学系统中，有一个或多个相对应于固定在壳体上的光学系统能够运动的光学零件或组件（也叫光稳元件），当仪器受到载体扰动绕任意轴微转时，该稳像元件能够保持稳定不动，或者相对光学系统微转一个角度，使出射的光束方向或像点的位置保持不动，即能满足像稳定的要求。而稳像元件若想保持稳定，就需要有稳定机构，稳定机构按其工作原理，有惯性稳定机构，电磁稳定机构等。而目前最常用的是惯性稳定机构，其中又包括重力惯性和陀螺定轴性两种。

光学稳像按其参考系可分为相对于绝对空间的稳像和相对于相对空间的稳像；按其光稳元件所在的平行光路或会聚光路可分为平行光路稳像和会聚光路稳像。根据各部件的组成及其功用，光学稳像装置有折射部件的、反射部件的、混合式的、光纤维式的，利用光学仪器本身的光学性质和构造的“无稳像部件”系统。

1.3电子稳像技术

电子稳像技术是采用数字图象处理的方法直接对视频图象序列进行处理，获得图象帧之间偏移并进行补偿。电子稳像具有更精确、更灵活、体积小、价格低、能耗小、易于操作的特点。电子稳像不仅可以稳定光学系统的移动，也可以对目标进行跟踪，可能补偿任何形式的图象，且不依赖任何的支撑体系。可见利用电子稳像技术进行图象稳像将是现代稳像技术的重要发展方向之一。


电子稳像技术相比于光学稳像具有补偿方法灵活、功耗低、质量轻、体积小、成本低等优点。但是，在成像系统进行一定范围扫描、局部目标移动时易出现误判断；同时还在考虑平移、旋转和多目标观察中有一定的图象捕捉困难；其固有的特性也决定了它难以适应高频率、大幅度振动的情况。随着成像系统数字化的逐步发展，电子稳像技术将以补偿方式灵活、体积小、成本低等诸多优点，应用于更多的数码成像系统中。随着摄像、照相系统对稳像精度要求的不断提高，如何发挥现有稳像技术的优势，同时又避免其缺点成为稳像技术发展的焦点之一。

二、光学稳像系统动态光学理论分析

图象不稳定的实质是光学系统受到载体的扰动后的光轴与目标之间存在无效的随机相对运动，即平移和角运动。平移是被摄目标和成像系统之间存在相对平行运动，如跟拍运动目标、车载拍摄等，此时图象在像平面上的运动量与被摄距离成反比。角运动是指成像系统绕像平面附近的轴发生转动，如手持摄像机的抖动、车载成像系统的晃动等，此时图象在像平面上的运动量与转动角度和系统焦距成正比，相对角运动对图象的影响是最严重的。

动态光学理论是研究光学系统及元件动态成像特性的一门科学。动态光学系统是相对静态系统而言的，是以动态光学理论为基础设计的光学系统，是光学系统元件运动或相互间运动的系统。

三、导弹光学寻的器稳像新技术

在点源信号中光学系统将来自目标的红外辐射会聚到调制盘的一个点上，只要像差比较小，能实现方位测量就可以了。所以通常的作法是将光学系统做成陀螺转子的一部分，用陀螺的定轴性来解决光轴的稳定，用陀螺的进动来实现对目标的跟踪。这种系统由于目标像点在陀螺三轴交点上.而且由装在此处的光电探测器转变为电信号输到信息处理电路当中去，所以一般不讨论严格稳像这件事。

在图象信号制导中，如果采用前述结构，只要光轴与陀螺转子轴不重合运转中存在抖动，便会发生图象模糊现象，不能获得高质量的制导信息。解决这一问题的根本办法是光学系统不参与陀螺转子的旋转，较普遍的作法是把光学系统和探测器装在内环上，然而这又有两个问题，一是光电探测器体积重量较大，特别是中远红外成像寻的器，不管是扫描式还是凝视式，还得将探测器制冷，使接到陀螺内环上的引线增加，导致对陀螺进动的干扰；二是陀螺极轴转动惯量与赤道轴转动惯量之比急剧下降，必须在内环上设置相当复杂的章动阻尼器。

四、导弹瞄准系统的稳像技术

导弹对目标瞄准误差是限制某些导弹制导精度的主要因。因此稳定视线、平稳跟踪以及跟踪中跳动是必须解决的问题。这对于在活动体上发射的导弹尤为关键。

对于光轴系统，例如既有可见光瞄准具激光照射器又有热像瞄准具的系统，有人从精度、重量、风险、成本、全天候等十个方面对三十多种可能的组合进行了理论分析和实验比较，认为以共用框架系统为最佳。

五、结束语

本文介绍了图象稳定的理论基础、稳像技术的发展、各类稳像基本原理及特性，并概述了光学稳像的基本原理。光学制导技术的发展与应用，也带动了相关技术的发展。如为适应精确制导武器所用的体积小、重量轻、效率高的光学系统，带动和促进了现代二元光学、微光学技术的开发、设计与生产。带动和促进了红外、激光与可见光电视成像传感器技术与器件的发展。带动了光学信息处理的微电子技术发展，带动了光学干扰、抗干扰与目标光学隐身技术的研究与发展。光学制导技术，在武器系统中的应用和装备水平，在一定程度上，反映一个国家现代化武器技术水平。

参考文献

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