趙志剛 王德飛 劉 虎 謝安寧 尚 乾 陳明亮

（中國人民解放軍63895部隊 孟州 454750）

1 引言

光電吊艙作為一種重要的偵查告警平臺，具有集成度高、輕巧便利、譜段覆蓋面廣和技術成熟度高等優(yōu)勢，在民用和軍事領域應用非常廣泛［1～2］。尤其在軍事領域，已經(jīng)成為機載、艦載和車載偵查裝備必不可少的部分。特別是作為無人偵察機的核心部分，填補了有人駕駛飛機進行戰(zhàn)術偵查的固有限制，展示出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。幾次局部?zhàn)爭也表明，具備先進光電吊艙技術的國家，在戰(zhàn)爭制信息權的爭奪中，具備碾壓優(yōu)勢，為直接攻擊提供了強大的支持。幾十年來一直是各國競相研發(fā)、推廣應用的熱點［3～6］。

陀螺傳感器是光電吊艙的核心器件之一，在干擾力矩、噪聲和溫度等因素的作用下，光電吊艙啟動后陀螺會發(fā)生慣性漂移，這種漂移會導致光電吊艙的光學視軸也隨著漂移，最終影響光電吊艙的技術指標精度。因此，必須采用相應的措施對光電吊艙陀螺的漂移進行補償。通常，對陀螺漂移的補償采用對陀螺輸出值進行積分并求取平均值來實現(xiàn)；或者利用組合導航原理，對陀螺輸出值進行算法補償。但這些技術都需要在光電吊艙上加裝GPS 或者其他傳感器，增加了設備的成本，更重要的是，增大了設備的體積、重量，與未來戰(zhàn)爭中光電吊艙向高度集成、靈巧便利的發(fā)展趨勢相悖［7～13］。

為了減少甚至消除陀螺漂移對光電吊艙指示精度的影響，文章提出了一種基于圖像視場匹配的光電吊艙陀螺漂移補償方法，在不增加額外附屬設備的條件下，實現(xiàn)光電吊艙陀螺漂移的自動補償。實測檢驗證明，補償方法簡便可行，具備一定的工程應用價值。

2 陀螺漂移的原因

光電吊艙中陀螺漂移誤差主要由陀螺固有因素和外在環(huán)境因素共同引起。

1）陀螺固有因素

機械結構方面：體現(xiàn)在使用過程中會有各種干擾力矩作用在陀螺儀上，這些力矩就像掛在框架上的重物一樣，會使陀螺儀進動，使陀螺轉(zhuǎn)軸相對慣性空間漸漸偏離起始位置，從而破壞了陀螺儀的定軸性，對陀螺儀使用造成誤差。

構成器件方面：噪聲是導致陀螺漂移的主要因素，噪聲一般為白噪聲，包括散粒噪聲、相對強度噪聲、熱噪聲，以及不占主要成分的熱相位噪聲、量化噪聲和其他環(huán)境引入的噪聲等，其產(chǎn)生的主要原因是為了構成陀螺的干涉光路，保證光路互易性以及靈敏度的最優(yōu)化，在光路中引入了各種器件。但由于這些器件的性能不佳以及器件引入與光纖的對接所帶來的光軸不準、接點缺陷引起的附加損耗和散射等，將產(chǎn)生破壞互易性的新因素，進而產(chǎn)生漂移。

2）外在環(huán)境因素影響

溫度的影響：溫度對于陀螺的影響主要為溫度變化、溫度變化率和溫度梯度三個方面［14］。溫度變化對光纖陀螺的影響為陀螺工作溫度變化將導致光源發(fā)出的光不穩(wěn)定，其波長將隨溫度發(fā)生變化。同時，光纖折射率也將發(fā)生變化導致相位變化。另外，光纖發(fā)生線膨脹，導致光纖長度變化。根據(jù)光纖陀螺工作原理，溫度引起的這些變化都將引起陀螺漂移；溫度變化率對光纖陀螺的影響為溫度變化率通過影響光纖環(huán)的內(nèi)部溫度分布，造成光纖環(huán)圈內(nèi)部膨脹以及折射率不均勻面對在其中傳輸?shù)膬墒猱a(chǎn)生不同的影響，由此引入非互易相移，產(chǎn)生光纖陀螺漂移。溫度梯度對光纖陀螺的影響為當外界溫度變化時，殼體內(nèi)對溫度敏感的光纖環(huán)器件會經(jīng)歷一次熱傳導過程，改變殼體內(nèi)光纖和光纖環(huán)本身的性能以及光纖環(huán)內(nèi)部的溫度場分布，從而引入非互易相移，進而產(chǎn)生陀螺漂移。

振動的影響：光波的偏振態(tài)受到磁場影響會發(fā)生變化，這種變化方式與光的傳播方式有關，這種現(xiàn)象稱為磁光法拉第效應。由于應用環(huán)境中不可避免的會存在磁場，因此磁光法拉第效應也會影響陀螺的非互易效應，產(chǎn)生漂移［15～16］。

3 補償原理

光電吊艙在啟動后（各分系統(tǒng)均正常工作），將方位∕俯仰調(diào)整至零位，然后處于慣性靜止狀態(tài)。在光學視場內(nèi)選擇目標進行觀瞄，同時開始計時。Δt 為目標觀瞄時間，一般選擇4s～6s。在選取目標時，原則是輪廓清晰、辨識度高、特征明顯，且目標與背景的相似度大于30%～50%為宜。計時結束后，通過計算得到在Δt 時間內(nèi)目標在光學視場中的方位移動像元數(shù)（Δx）和俯仰移動像元數(shù)（Δy）。計算示意圖如圖1 所示，p 和p'為目標移動前后的位置。根據(jù)目標在光學視場中方位和俯仰兩個方向的移動的像元數(shù)、光學系統(tǒng)焦距f 和成像探測器的像元大小l ，計算Δt 時間內(nèi)光電吊艙視軸漂移的方位角度A 和俯仰角度E：

依據(jù)視軸漂移的方位和俯仰角度，得到陀螺方位和俯仰方向的漂移補償參數(shù)ωA和ωE為

漂移補償?shù)臉藴蕿檠a償閾值，由光學系統(tǒng)中允許的每秒最大視場漂移角度計算得到，為光電吊艙當前視場的1%，即：

式中，n 為光學成像探測器方位和俯仰像元數(shù)中的較大值。

具體方式為首先計算補償閾值φ，然后判斷漂移補償參數(shù)ωA和ωE是否大于補償閾值φ，如果大于補償閾值φ，將ωA和ωE代入陀螺的采樣程序，進行同值反向陀螺漂移補償。如果陀螺方位和俯仰漂移補償參數(shù)都不大于補償閾值，說明光電吊艙的陀螺漂移量可以忽略，不需要進行任何操作處理。

圖1 光電吊艙視場角計算示意圖

4 試驗驗證及分析

為了驗證補償方法是否有效，在某型光電吊艙上進行了實測（該吊艙未加裝GPS等額外的傳感器進行陀螺漂移補償）。按照文中提出補償原理，首先進行了陀螺采樣程序編寫，然后注入到操作軟件中，最終通過軟件界面上的俯仰∕方位“零漂+”或“零漂-”進行步進式調(diào)整，實現(xiàn)陀螺的漂移補償。軟件操作界面如圖2 所示。光電吊艙加電之后，待各項功能正常運行后，手動操作光電吊艙選擇輪廓清晰、辨識度較高的目標進行觀瞄。確定好目標后，操作光電吊艙，使得視場中心的十字靶心指向目標中心，然后開始定時監(jiān)視，查看光電吊艙的陀螺漂移情況。選擇十字靶心指向目標中心的時刻為T0，采集視頻圖像，然后每間隔30s，采集一副圖像，按照光電有效攻擊時長40s～60s 的時段估算，采集4 副圖像為一組。未采用任何補償技術的光電吊艙的陀螺漂移如圖3 所示。同時還記錄了對應時刻的光電吊艙方位∕俯仰角度，如圖4所示。

圖2 陀螺漂移補償操作軟件界面

圖3 補償前90 s內(nèi)靶心漂移圖（（a）～（d）相鄰兩圖間隔30 s）

由圖可知，陀螺在未進行漂移補償前，90s內(nèi)的十字靶心圖像出現(xiàn)了較大的偏移。在T0時刻，十字靶心準確指向目標中心區(qū)域；T30時刻，十字靶心飄向目標中心區(qū)域的右上方；在T60和T90時刻漂移量進一步增大，如果光電吊艙距離觀瞄目標較遠，從T30時刻即可視為脫靶，無法繼續(xù)進行后續(xù)動作。從光電吊艙對應時刻的方位∕俯仰角度來看，T0到T90，方位發(fā)生了0.6253°的漂移，俯仰發(fā)生了0.5917°的漂移，屬于較大角度的漂移，必須進行技術干預。

圖4 補償前90s內(nèi)靶心方位∕俯仰角度（（a）～（d）相鄰兩圖間隔30s）

操作軟件界面的補償按鈕，先進行初步陀螺漂移補償，觀察十字靶心的漂移速度明顯變緩之后，再進行精細補償調(diào)整。同樣的，選擇輪廓清晰、辨識度高的目標進行捕獲，十字靶心精確指向目標的中心區(qū)域，然后觀察方位和俯仰位置的漂移，進行反向調(diào)整，直至十字靶心穩(wěn)定指向目標中心區(qū)域。對試驗中的光電吊艙進行陀螺漂移補償后，選擇相同的場景、觀瞄目標、光學系統(tǒng)焦距等參數(shù)，進行90s 觀瞄監(jiān)測，在T0、T30、T60和T90時刻的圖像如圖5所示，同時，記錄對應時刻光電吊艙的方位∕俯仰角度，如圖6所示。

圖5 補償后90 s內(nèi)靶心漂移圖（（a）～（d）相鄰兩圖間隔30s）

由圖可知，補償后光電吊艙陀螺的漂移有了明顯改善，90s內(nèi)的漂移量相對較小，十字靶心偏離中心區(qū)域較小，按照光電有效攻擊時長40s～60s的時間評估，采用文章提出的補償技術可以確保十字靶心持續(xù)指向目標，補償方法是有效的。從方位∕俯仰的漂移角度來看，90s 內(nèi)方位漂移了0.0948°，俯仰漂移了0.1053°，與未進行技術補償前的方位∕俯仰漂移量相比，實現(xiàn)了接近1 個數(shù)量級的提高。綜合來看，文中提出的補償技術，對于光電吊艙陀螺的指向穩(wěn)定性是有效的，具備工程應用價值。

從圖中可知，雖然進行技術補償后，光電吊艙的陀螺漂移有了明顯的改善，但依然存在微小的漂移，沒有完全消除。之所以依然出現(xiàn)較小的漂移，分析原因主要有三點。第一點是在光電吊艙陀螺采樣程序編寫時，方位∕俯仰的單次補償步進量稍大，雖然提高了調(diào)整效率，但是影響了補償精度。如果把方位∕俯仰的單次調(diào)整量修改為大的幅值和小的幅值兩種，就可以通過大的幅值實現(xiàn)初始粗調(diào)，然后再通過小的幅值進行后期精調(diào)，操作就會更加科學合理，陀螺漂移補償?shù)木染蜁?；第二點是為了選擇合適的觀瞄目標，同時模擬機載試驗場景，試驗時將光電吊艙放置在了距離地面60多米高的樓房上，同時使用液壓升降車模擬機載平臺。風速、溫度變化和液壓升降車的自身穩(wěn)定性都會對光電吊艙的指示精度產(chǎn)生影響。這種使用場景在補償時不能去除，需要綜合考慮。第三是人為因素。個體的習慣差異、心理素質(zhì)不同，在操作光電吊艙進行試驗時，也會帶來誤差。后續(xù)的試驗中，將會繼續(xù)優(yōu)化陀螺采樣程序，調(diào)整方位∕俯仰的“零漂”步進量，模擬更加逼真的機載試驗場景，強化光電吊艙技術保障人員的實操技能，更好地優(yōu)化光電吊艙陀螺的漂移，全面提升設備性能。

圖6 補償后90 s內(nèi)靶心方位∕俯仰角度（（a）～（d）相鄰兩圖間隔30 s）

5 結語

光電吊艙陀螺的漂移除了影響偵查過程中的指示精度外，還會影響跟蹤過程中的指示精度，尤其是當跟蹤遠距離的小目標時，指示的不穩(wěn)定會使目標不間斷的脫靶。最明顯的表現(xiàn)是帶有激光測距裝置的光電吊艙，在陀螺漂移較大的情況下，對遠距離目標進行照射∕測距時，經(jīng)常會發(fā)生無激光回波信號的現(xiàn)象。因此，對于光電吊艙陀螺的漂移，必須進行有效補償。文中提出的補償方法，不需要增加額外的設備，對于光電吊艙的結構狀態(tài)沒有任何影響，簡單可行，通過試驗證明，該方法可以對光電吊艙陀螺的漂移進行有效的補償，為工程應用提供了有價值的參考。