第1章绪论
1.1靶场光学设备特征
靶场光学测量系统指的是利用光学成像原理采集飞行目标信息，经数据处理后得到目标的飞行轨迹参数与目标特性参数，并获得飞行实况图像资料的专用测量系统，是导弹、卫星等航天飞行器类测控系统的重要组成部分[1]。从功能方面，靶场光学设备要完成飞行目标的参数测量任务，具有鲜明的应用特征；从设备组成和研制方面，靶场光学设备是一个由多系统组成的高技术精密仪器，具有强大的技术发展特征。
光学设备在我国靶场的应用可以追溯到20世纪60年代，其主要任务是完成靶场试验的起飞漂移测量、弹道测量、飞行景象测量、落点测量和关键事件记录等。六十多年来，靶场对于光学设备的需求应用，无论是功能、性能或场景，均发生了翻天覆地的变化。但是，无论怎么变化，光学测量的基本原理没有变，某一项技术的突破会给设备带来形式和性能上的巨大变革。
本书通过梳理光学设备发展的历史和脉络，从系统工程的角度研究光学设备应用和发展的规律性，以期引领设备的技术发展，扩大光学设备的应用范围，使光学设备更好地服务于行业领域。
1.1.1应用特征
传统的光学仪器由单个或多个光学器件组合构成。光学仪器主要分为两大类，一类是成实像的光学仪器，如幻灯机、照相机等；另一类是成虚像的光学仪器，如望远镜、显微镜、放大镜等。
早期的光学仪器主要是指在可见光波段内使用的普通光学仪器，*常见的包括望远镜、瞄准镜、潜望镜等，通常结构简单，功能单一。随着靶场的兴起和发展，以及测量元素的增多和多元技术的综合应用，光学仪器已不是简单的镜片组合，而是融合了光学、机械、计算机等多项技术的综合设备，因此把这种融合了多种技术的、复杂的大型光学仪器称为光学设备。随着靶场光学设备进入蓬勃发展的阶段，各种类型的光学设备投入试验中，大量的高速相机、电影经纬仪、弹道相机等光学设备装配靶场，为卫星、导弹的测量控制作出了重要贡献。随着空间技术的发展，各种光学仪器随遥感卫星被送入太空，气象卫星、资源卫星、侦察卫星等都离不开光学设备[2]。
典型战略地地导弹的正常飞行弹道一般可分为三段，即主动飞行段、自由飞行段和再入飞行段。导弹飞行试验过程中，常用光学设备测量其主动飞行段和再入飞行段的精密弹道参数、光学物理特征参数，记录飞行实况图像，并对自由飞行段的景象特征进行记录。在航天发射过程中，常用光学设备对运载火箭进行弹道测量、起飞漂移量测量和实况记录，供实时监视、指挥和事后分析使用。天文台和空间目标监视系统使用光学设备进行空间目标的跟踪测量、目标外形测量、光度和光谱测量等，以完成非合作空间目标的精密轨道测量和目标识别。根据光学设备的特点，其在导弹航天靶场的具体作用可概括如下。
1）弹道测量
光学设备采用多站交会或单站定位体制获得导弹、火箭的高精度弹道参数，也可用于其他飞行器的全程和遭遇段测量。
2）飞行实况记录
光学设备以清晰、直观的图像记录形式完成导弹和火箭的点火、起飞、离架、转弯、级间分离、再入及遭遇段的实况景象收集，为飞行指挥、飞行安全判断、性能评定和故障分析提供实时影像资料。
3）物理特征参数测量
光学设备可以测量飞行目标的红外辐射特性、火焰的光谱特征和发光亮度、发光强度、温度等物理特征参数，建立特征目标数据库，为目标监视、目标识别、特征判断、攻防对抗等活动提供数据支撑[3]。
本书中光学设备特指功能完善的中大型光学设备，多用于靶场测量或装载到空间卫星上，完成对目标远距离的飞行轨道测量、景象测量、辐射特性测量和其他关键事件的监测任务。这类光学设备的特点是光学镜头口径大、探测距离远、测量精度高、结构复杂。功能完善的中大型光学设备的研制工作，从需求立项开始，经过论证、评审、设计、研制、安装测试、交付使用、保障维护，甚至改造升级直到退出服务，是一个完整的系统工程的过程[4]。在整个过程中，系统工程的理念一直得到了贯彻和应用，但并没有明确提出。直到近三十年，系统工程的概念被比较明确地提到工程应用上。在光学设备的研制与应用过程中，由科学到工程，系统工程的理念和方法得到了长足的发展。由于信息科学和工程的发展逐步完善，任何一个大系统中的每一个小系统，都被理解为系统的一部分进行总体设计，共同完成所赋予的使命任务。
大型光学设备一般是由光学系统、机械系统、伺服控制与跟踪系统、测角系统、探测器及成像系统、数据存储与处理系统、计算机系统、时间统一系统等组成的综合测量系统，能够适应恶劣的天气状况和复杂的地理环境，完成远距离条件下复杂目标的测量任务[5]。
1.1.2发展特征
早期的光学设备是以光学与机械结构相结合为主，通过光学胶片成像的光学仪器，因此又被称为电影经纬仪。电影经纬仪的成像能力和清晰度与光学系统的口径、摄影频率、胶片的灵敏度和颗粒度有关。因为胶片需要经过冲洗、显影、定影才能看到成像效果，所以电影经纬仪的实时性应用受到很大限制。应用单位还需配备相应的胶片洗印人员、暗室和洗印设备等。
新技术的发展推动光学设备的发展，大致可看作有三次飞跃，**次飞跃是电视和红外技术的应用，使光学设备摆脱了照相机的束缚，看到目标飞行的实况景象和效果；第二次飞跃是计算机技术的全面应用，实现了系统自动控制和自动跟踪；第三次飞跃是微电子技术的应用，集成化程度大大提高，设备不再使用分立元件，从结构到保障完成了一个质的飞跃。
随着光电成像技术的发展，电视测量技术应用到靶场光学设备中，电荷耦合器件（CCD）替代了电影胶片，电影经纬仪更新换代成了光电经纬仪，用户不但可以实时看到成像效果，而且可以做到实时影像的记录和传输，比电影胶片大大前进了一步[6]。早期的CCD多是黑白两色，慢慢发展为彩色，图像的色彩更加丰富，可观赏性、可解读性和信息量得到了很大的提高，目标飞行过程中的各种关键事件和图像细节也得到了充分的展示。
自动控制和微电子技术的发展和应用，使得设备向集成化、自动化的程度飞速发展。由于芯片制造技术的高度发展，不但硬件系统设计可以做到高度集成化，体积和质量减小，环境适应能力增强，更适宜车载和机载模式，而且所有的信息都能在桌面实时显示并完成一键操作。
我国的靶场光学设备，根据系统结构组成、使用性能和自动化程度大致可分为五代。**代光学设备是双人双座椅的手摇操作模式，方位和高低的转动跟踪分别由两人控制，图像记录介质是黑白胶片，这种模式操作难度大，跟踪目标时两个操作手必须配合默契才能完成测量任务；第二代光学设备将双人操作改为单人单杆操作，图像记录介质仍以黑白胶片为主；第三代光学设备加装了电视、红外、激光跟踪和激光测距等分系统，能够实现自动跟踪，但仍然以半自动跟踪为主，红外探测器还没有实现凝视式靶面设计，通过十字形结构扫描完成脱靶量提取；第四代光学设备取消了机上的单杆操作机位和以胶片为记录介质的摄影记录系统，操作单杆安置在主控台上，基本上实现了电视、红外等方式的自动跟踪功能，彩色电视系统得到了广泛应用，红外记录系统实现了大面阵凝视式器件，信息记录以数字化为主；第五代光学设备的自动化能力和数字化特征更加凸显，具备了红外辐射特性测量的功能，能对目标进行红外辐射特性测量，也可以用于空间目标监视。
从以上技术发展规律的描述看，随着智能化技术的发展，光学设备在智能控制、智能图像处理等方面的性能一定会得到更大的提高，同时在信息处理和应用方面也会得到更充分的发展，相信第六代光学设备的性能一定会在人工智能（AI）技术的主导下更加完善。
总之，随着靶场测量需求应用的多样化，光学设备向着小型化、轻质化、自动化程度高、环境适应性强、高机动性、可以自由拆装组合等方向发展，实现环境适应能力强、外场工作和待机时间长、高机动性、高可靠性，满足多种场景和随机测量任务的需求。
1.2光学设备基本原理
光学设备是指利用物体反射的光或自身发出的光作为信息的载体，采用合适的光电转换介质进行采集、记录、处理，得到想要的信息和结果的一类设备或仪器。
不同的光学波段反映物体的不同物理特征信息，如红外波段、紫外波段等；光的偏振特性可以反映物质与光相互作用的另一种物理特征。利用不同的物理特征可以完成对目标的跟踪与识别[6]。如果光学设备只记录物体的二维光学信息，所成的像就是物体的二维图像。
传统的靶场光学测量由布设在不同位置的光学设备对空中运动目标进行测量，记录目标不同时刻的方位角度值和俯仰角度值，通过两台设备的交会处理，得到目标的位置信息。对运动目标通过连续的测量和处理，就能得到空中目标的运动轨迹。一台光学设备能够同时完成角度信息和距离信息的测量，如加装激光测距或雷达测距的光学设备就可以实现单站定位。
靶场光学设备要满足用户对测量信息种类的要求，包括角度信息、图像信息、距离信息、物理信息等，必须具备相应的测量手段，且具有对原始信息进行深度数学加工处理的方法，以完成多元目标信息测量的要求，这些信息包括运动特性、位置特性、关键影像信息、物体物理特性参数，即红外辐射特性、紫外辐射特性、偏振特性、可见光波段的散射强度等[7]。
1.2.1总体指标设计流程
一个产品的总体指标是指从产品设计和应用角度出发提出的全面技术要求。要成功研制适合测量运用的光学设备，必须明确相关的使用条件和测量要素，具体包括以下四个方面的内容。
一是测量目的和要求。
对用户提出的使用要求进行综合分析时，应*先根据工作任务的要求确定所设计产品的性质，如单纯的探测仪器，或者具有跟踪和搜索能力的仪器。
二是测量目标的特征。
应在分析工作对象、背景特性和运动关系的基础上做出性能要求和工作波段的初步选择。
三是测量环境条件。
光学仪器的工作环境对设备性能的发挥非常重要，环境条件包括大气条件、地理环境、光照条件和背景条件等。
四是设备的设计和制造水平。
设备指标要满足测量需求。同时，受到当时技术和制造水平限制，脱离实际的技术条件和经济条件，指标也往往难以实现。在确定系统总体指标时除考虑使用要求外，还应顾及系统设计条件可能达到的技术工程水平，并做出综合判断和处置[8]。
这些条件和要素构成了研制光学设备的基础。
光学系统设计的*要任务是根据用户提出的使用要求，规划设计合适的光学系统。根据系统工程原理，光学系统设计是一项包含综合分析、权衡决策、协调平衡的复杂工作，需要一定时间和技术的综合处理才能完成。进行光学系统设计时，*先应根据使用要求进行综合分析拟定总体设计指标。使用要求是从用户的使用角度出发提出来的，在系统设计时应对使用要求进行综合分析以明确光学设备的具体任务、性能要求、工作对象的特性以及工作环境条件，在此基础上着手拟定光学系统应有的总体设计指标。
光学系统的总体设计指标拟定完成后，要从仪器的结构形式及信息处理方法两个方面综合考虑，进行总体方案设计。设计中应充分考虑可供使用的研制生产基础及仪器的效费比这两个重要因素，因此，系统总体方案设计是个权衡决策的工作过程。具体部件的设计是在总体方案设计初步确定后进行的。部件设计时可能会对总体方案提出种种需要协调解决的问题或者某些修改意见，这时总体设计应对各有关部件做协调平衡工作或对总体方案做适当修改[9]。设计完毕后即可进行试制，做成样机后进行实际试验测试，根据实验结果再对原设计进行某些修改，然后进行试制、试验及产品鉴定，确认合格后方可进行定型生产。
以上各环节是光学仪器总体设计中通常需要经过的工作进程，对某些结构较简略或较成熟的产品可适当缩短试制定型过程。例如，常用的红外系统设计包括系统结构总体设计和系统信息总体设计两个大方面。根据仪器应有的功能及总体参数要求，应进行合适的结构形式设计、探测器设计、光学系统设计及伺服机构设计，这些属于系统结构总体设计的内容。为保证仪器工作性能要求
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