第1章绪论
1.1引言
导弹方位瞄准是指赋予导弹初始飞行方向的过程，其实质是在导弹发射前使导弹的各对称面、轴线，以及惯性器件动量矩的方向用专门的方法相对于发射坐标各轴进行精确定向。导弹发射后，根据瞄准时确立的导弹与发射坐标系的方位关系，发出适当的控制与导引指令，使导弹按照预先在发射坐标系中计算好的弹道轨迹进行飞行。导弹方位瞄准系统是弹道导弹武器系统的重要组成部分，其定向精度的高低直接影响导弹的命中精度[1-3]。
当前，对于导弹方位瞄准系统，通常采用自准直瞄准技术，即通过导弹瞄准仪数字式旋转测角系统引入方位基准。瞄准时用瞄准仪发出光束照射平台棱镜，转动平台使平台棱镜主截面平行于入射光束，入射光束经平台棱镜反射后反射光束原路返回导弹瞄准仪，从而实现方位瞄准[4，5]。
瞄准仪自准直系统原理图（图1.1）系统包括望远系统、准直激光系统，以及光电接收系统。物镜组与分光棱镜1、分光棱镜2，以及调焦镜、目视分划板和目镜组组成望远系统；激光器、聚光镜、准直分划板、反射镜1、负透镜1、分光棱镜2，以及物镜组组成准直激光系统；负透镜组2、反射镜2，以及线阵CCD组成光电接收系统。工作时，激光器发出的光束经聚光镜出射后照亮准直分划板狭缝，携带有准直分划丝像信息的光束，经反射镜/及分光棱镜2反射、分光棱镜1折射，*后经物镜组出射。由于此时准直分划板位于组合物镜的焦平面，因此经望远系统出射光线为平行光。当出射平行光束照射到瞄准棱镜后，经棱镜反射又返回瞄准仪。瞄准仪望远系统接收到反射回来的平行光束后，光线透过物镜组，经分光棱镜2、调焦镜后成像在目视分划板上，此时通过目镜组便可以观察到准直分划板像（亮竖丝）在目视分划板上的成像情况。当平台棱镜主截面平行于自准直望远镜发出的平行光束光轴时，返回光束所成的准直像（亮竖丝）正好位于目视分划板双竖丝中央；若平台棱镜主截面在水平方向上与入射光束的光轴之间存在夹角，当夹角过大时，光束被反射到望远镜的一旁，视场中没有准直像。此时，若转动平台棱镜则可以减小夹角，被反射的光束进入望远镜，成像在分划板上，但不在视场中央；只有夹角为零时，准直分划板亮竖丝像才位于目视分划板双竖丝中央。这样就可以通过观察准直分划板亮竖丝像相对于目视分划竖丝的位置来判定平台棱镜主截面是否平行于入射光束。通过旋转平台棱镜，可以使棱镜主截面严格平行于入射光。这种将自准直望远镜发出的含有准直分划信息的平行光束投射到直角棱镜上，利用反射回来的平行光束在自准直望远镜的目视分划板上成像，通过目镜观察所成的分划像是否与目视分划重合，来判定直角棱镜主截面是否平行于自准直望远镜光轴的原理称为光学自准直原理。
光学自准直系统具有系统结构简单、成本较低等优点，但是也存在明显的不足，即需要依靠操作人员来判断准直像与目视分划板是否重合，因此存在人为主观因素。操作人员的经验对瞄准结果往往会产生很大的影响。此外，受人眼分辨率极限，以及仪器设备瞄准精度的影响，此系统存在较大的瞄准误差。随着技术的进步，为了减少人为主观因素的影响，提高瞄准精度，近年来综合运用光学、电子、数字信号处理等多种技术的光电自准直技术开始得到广泛的应用。相对于光学自准直原理，光电自准直系统增加了光电接收系统（图1.1），经平台棱镜反射返回瞄准仪望远镜的光束经过分光棱镜1时被分束为两部分，一部分成像于目视分划板上，另一部分光线则由分光棱镜2的析光膜反射进入光电接收系统，成像于位于物镜组像方焦平面的线阵CCD上。根据CCD光电转换原理，在CCD光积分时间内，返回的准直像将转换为一维电荷图像，并在时序脉冲的作用下串行输出，之后经放大、A/D转换，由处理器进行数据采集及处理，*后计算准直像中心相对于准直零位的距离，并以角度的形式加以显示。该角度便是棱镜主截面偏离入射光线的水平方位角，称为失准角。相对于光学自准直，光电自准直系统具有精度高、系统操作方便、快捷等优点，因此得以广泛应用[6]。
对基于光电自准直原理的瞄准系统来说，除了完成光电准直判定与失准角的精确测量，还需要进行基准传递，而基准传递则是通过数字式旋转测角系统实现。该系统通过与方位基准指示设备或者方位基准测定设备配合，实现方位基准信息的精确传递。光电准直测角系统与数字式旋转测角系统共同构成方位瞄准系统的核心。如图1.2所示，通常将这两大系统共同集成于瞄准仪中。光电准直测角系统与数字式旋转测角系统测量精度的高低直接决定了系统的瞄准精度。
但是，以光电准直测角系统与数字式旋转测角系统为核心的导弹瞄准系统对环境的要求较高，在室内稳定单一的环境下可以获得很高的瞄准精度。然而，受工作条件限制，瞄准系统工作于野外复杂环境中时，通常会受到阳光、杂光、能见度、大风、尘埃雨雾、大气湍流、温度变化等外界因素，以及CCD噪声、电子噪声、激光器输出功率不稳定等仪器内部因素的影响。这些干扰因素往往会对自准直测角精度产生很大的影响。因此，如何提高复杂环境下方位瞄准系统的测角精度和抗干扰能力，是一个急需解决的难题。解决这个问题对于有效提高系统的环境适应性具有重要意义。
1.2瞄准系统抗干扰测角技术现状
近年来，针对方位瞄准系统野外环境下抗干扰能力差的问题，研究人员围绕相关的技术问题展开了研究，并针对不同的干扰机制提出一些抗干扰的措施和方法。目前，主要有以下提高方位瞄准系统野外环境下抗干扰测角精度的方法。
1）光谱匹配窄带滤波技术
在野外环境下进行光电自准直时，经棱镜反射返回瞄准仪望远镜的光束不但包含瞄准仪光源发出的准直激光信号，而且还叠加有环境背景杂光。当叠加有环境背景杂光信号的光束成像于CCD像面时，会影响CCD对信号光的定位精度，使信号像元位置发生漂移。因此，需要消除背景杂散光的影响。有学者根据激光良好的单色性，通过设计窄带滤色片来消除杂光的影响，如窄带干涉滤光片、反射滤光片[7-10]等。试验证明，该方法对强光的抑制效果比较明显[11-15]，但是不能削弱与激光频率相近的杂光。当光照较强时，这部分杂光还是会造成光斑的变形，对光斑的定位精度产生影响。
2）激光光源的功率稳恒技术
激光信号的干扰主要由激光器本身特性、外界阳光、杂光、大气环境，以及瞄准距离变化引起。光电自准直测角系统基本上都选用半导体激光器作为激光光源，但电流和温度的变化会引起半导体激光器功率不稳定，影响输出激光的性能。目前的抗干扰措施主要有设计恒流电源增强电流输出的稳定性，通过慢启动电路防止浪涌电流的冲击，通过设置波纹调零电路来减小稳定电源的波纹电压，设计稳功率电路实现激光器输出功率的稳恒控制等[16-18]。此外，还有学者利用比例积分微分（proportional integral derivative，PID）控制网络设计温控系统实现对温度的控制，通过温度传感器检测温度，并利用制冷机构抑制激光器温度的升高，试验验证系统的温度控制精度能达到±0.01℃[19]。虽然这些技术手段可以有效实现激光光源功率的稳恒控制，但是受大气衰减、准直距离变化等环境因素的干扰，到达CCD像面的激光信号还是会有起伏。因此，激光光源功率稳恒技术只能部分消除环境干扰的影响。
3）激光信号去噪技术
激光光斑信号的噪声主要分为两种，一种是时域的噪声，主要由激光束能量分布不均匀、杂光、CCD噪声、电子噪声等原因产生，这种噪声主要服从高斯分布的白噪声[20，21]；另一种是空域的噪声，是由于激光束在大气中传播时受到大气湍流效应的影响，其到达角起伏而发生光斑位置随机抖动的现象[22-25]。
对于时域的噪声，目前光斑信号常用的去噪方法主要有平方滤波方法、中值滤波方法、形态学滤波方法、小波去噪方法等[26-28]。平方滤波方法只相当于使用了一种精度较高的定位算法，本质上并没有滤波，而中值滤波方法和形态学滤波方法都属于简单非线性滤波方法，难以达到较高的精度。张宇等[29]利用小波变换对光斑信号进行处理，用该方法处理后的*线虽然光滑，但是由于分解层数较大，相位偏移较大，光斑中心也随之产生较大的偏移，精度不高。刘丹平等[30，31]提出基于交叉验证和Bayesian估计的小波降噪方法，精度较高，但是这两种方法都较为复杂，对硬件要求较高。
对于空域的噪声，目前主要有两种抑制方法，即外光路封闭法和平均值法。大气湍流是空气折射率变化造成的，如果激光在真空或封闭的介质中传播，则会直线传播，不会产生起伏。基于这一原理，方仲彦等[32]提出一种激光旋光准直技术。Sogard[33]提出一种可以随测量头变化的封闭光路方案。这种方法虽然能基本上消除大气湍流造成的到达角起伏现象，但是只适合工业上高精度固定位置测量的场合，对于方位瞄准无法适用。平均值法是*为常用的方法，目前绝大多数的经纬仪和全站仪都采用这种方法。该方法计算简单、易于实现，但是精度不高。
4）激光光斑中心定位技术
在光电自准直测角过程中，激光光斑中心位置的检测精度会直接影响自准直测角精度。对应用于方位瞄准的高精度经纬仪来说，需要对光斑中心进行亚像素定位。由于在检测过程中，各种噪声的干扰会给光斑定位带来困难，因此寻找抗噪性能强的高精度亚像素算法是提高测角精度的关键。目前，常用的亚像素定位算法有高斯*线拟合法[34]、抛物线拟合法和重心法[35]。它们都是利用光斑信号的特征，通过建立光斑中心与灰度值和位置之间关系的数学模型实现中心的精确定位。随着测量精度要求的提高，各种改进的亚像素算法也被相继提出，如*面迭代算法[36]、平方加权重心法[37]、非线性加权重心法[38]等，它们都是为了增强算法的抗噪能力、提高光斑定位精度。以上这些改进算法都是针对面阵CCD的，对于线阵CCD的改进算法还要结合其特点进行深入地研究。
由于方位瞄准系统涉及光源驱动、激光传输、光学成像、光电转换、像元定位、信号处理、精密角度测量等诸多环节，并且野外环境下干扰因素众多，因此单一的抗干扰技术手段很难有效解决复杂环境下方位瞄准系统高精度测角问题[39-45]。要有效提高瞄准系统的抗干扰能力，必须针对外界不同干扰因素对瞄准系统的影响，在瞄准系统的不同环节采取有针对性的技术措施，构建复合抗干扰瞄准方案。这样才能够有效消除复杂环境对瞄准系统的影响，提高瞄准系统抗干扰能力和测量精度。
1.3本书结构和内容安排
本书以复杂环境下方位瞄准系统高精度测角技术为背景，根据外界干扰对方位瞄准系统的影响机理，围绕相应的抗干扰测角技术展开研究。具体内容安排如下。
第1章绪论。主要阐述方位瞄准系统的意义、基本概念，以及工作原理，对方位瞄准系统抗干扰测角技术的研究现状进行综述，同时介绍全书的结构和内容安排。
第2章复杂环境下CCD自准直测角技术。分析CCD自准直测角原理，包括失准角测量原理、CCD驱动原理，以及CCD信号处理原理。在此基础上，研究基于环境自适应的CCD自准直测角技术，设计自适应准直测角系统，实现CCD变扫描驱动和环境自适应滤波。此外，通过对CCD变扫描驱动，以及各种控制时序的仿真验证系统设计的有效性。
第3章基于光学超分辨理论的焦深延长技术。系统阐述光学超分辨理论，对光学超分辨的概念、发展，以及相关特性参数进行介绍。基于有限视场超分辨理论分别分析高斯光束三区振幅型、二区和三区位相型，连续位相型光瞳滤波器焦点处径向和轴向的点扩散函数（point spread function，PSF）分布，以及焦深特点。重点分析光瞳滤波器结构参数对系统焦深和分辨率的影响机制。在此基础上分别优化设计基于二区和三区光瞳滤波器的超分辨光电接收系统，并通过仿真来验证设计系统的性能。
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