边栓成
中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南省洛阳市 471009
摘要：在对机载光电系统工作原理介绍的基础上，分析了陀螺仪在机载光电系统中的作用，结合国外典型系统对陀螺仪在光电系统中的应用方向进行了总结，并对陀螺仪的未来发展进行了展望。
关键词：光电系统 陀螺仪 加速度计 地理定位
中图分类号： V243. 5 文献标识码：A
引言：
机载光电系统与一般陆基使用的光电系统存在很大差别，在机载环境下光电系统的使用是建立在动基座基础上的，载体的振动、姿态变化和相对目标的位移都将影响视轴的稳定，并最终对图像质量造成影响。机载光电系统一般采用陀螺仪和伺服控制部件构成的陀螺稳定平台来实现稳像，当平台的瞄准线因干扰力矩和载体姿态变化的作用而偏离原来的方向时，陀螺仪将会敏感到平台变化的姿态角或角速率，经过控制器输出放大后驱动电机反向运动进行补偿，使平台上光学系统的视轴稳定，从而保证了图像序列的输出稳定。
1 光电系统的工作原理
机载光电系统是光机电综合的大系统，通过各部分之间的协调工作完成系统的功能和性能，在光电系统工作过程中，伺服控制部件根据系统指令的要求，驱动安装有光电传感器的光机机构运动，利用陀螺相对惯性空间的稳定能力结合光机框架构成相对空间稳定的万向支架（陀螺稳定平台），使得在此平台上的光学传感器的光轴或瞄准线与机载环境下的振动和姿态运动相隔离，实现对目标的探测和捕获，当捕获目标后根据系统的控制指令与图像跟踪器结合完成对目标的跟踪，并将目标运动信息传送给机上其它任务系统，实现对目标的精确定位[1][2]。
2 陀螺仪特点分析
绕自身对称轴高速旋转的刚体（转子）称为陀螺，以陀螺为核心构成的装置称为陀螺仪。作为姿态传感器，陀螺仪被广泛应用于航天、航空、航海、导弹。车辆等领域，用来测量运动体的角位置和角速度。传统陀螺仪主要为框架式刚体转子陀螺仪，也称作机械陀螺仪。随着新技术、新材料、新工艺的发展，许多新型陀螺仪的大量出现，它们之中已经没有高速旋转的转子，但是它们仍然可以被用来感测物体相对惯性空间的角运动，如激光陀螺仪、光纤陀螺仪、压电陀螺仪等。
陀螺仪由于其固有的对惯性空间的定轴性，为在运动载体上建立空间基准提供了极其重要的物质基础，机载光电系统对陀螺的要求与常规惯性导航系统对陀螺的要求存在一定的差异：惯性导航系统对陀螺的零漂有很高的要求，要求陀螺组件作为惯性基准在长时间工作过程中的稳定性要高，而光电系统的陀螺主要用于对短时间内载机姿态变化和平台自身的角运动进行敏感，其惯性基准也经常因工作方式或操作的变化而变化，因此对陀螺的带宽、瞬时测角精度和噪声等瞬时特性要求较高，陀螺本身的带宽决定着整个光电系统的带宽，而瞬时测角精度和噪声则决定着光电系统的稳定精度。由于机载光电系统对体积和重量的限制，要求其选用的陀螺体积和重量都不能太大，同时要求其在机载环境下能够稳定可靠的工作。目前光电系统较常采用的陀螺是挠性陀螺，以下是对动力调谐陀螺（挠性陀螺的一种）在光电系统中的两种不同工作方式的介绍。动力调谐陀螺的转子转轴在惯性空间的指向由陀螺力矩器施加的力矩来改变，如果将陀螺的角输出通过再平衡回路反馈到力矩器上，使陀螺转子转轴保持与壳体轴一致，则此时陀螺工作在速率模式。由于力矩器施加的力矩与陀螺转子的进动角速度成比例，所以此时光电系统伺服控制部件获得的陀螺数据是稳定平台相对惯性空间的角速率。如果将陀螺的再平衡回路断开，则陀螺工作在位置模式，陀螺输出壳体相对转子转轴之间的角偏差，此时光电系统伺服控制部件获得的陀螺数据是稳定平台相对惯性空间的角度值。在位置模式下转子转轴在空间的指向由外加力矩信号控制，由于动力调谐陀螺转子转轴与壳体轴之间的角偏差很小，因此必须保证转子转轴与壳体轴之间的角偏差不致过大，否则将会出现陀螺的转子转轴与壳体发生碰撞导致陀螺失控。
稳定精度是衡量光电系统稳定效果的一个重要指标，它是指陀螺稳定平台在某一时刻相对于当时的惯性基准（陀螺惯性轴方向）的随机偏差角。针对具体的光电系统，稳定精度并不是越高越好，单纯追求高的稳定精度将会使整个系统的功耗、重量和成本大大提高，光电系统对于稳定精度的要求主要由成像传感器的视场和分辨率决定，在相同分辨率的前提下，视场越小，对稳定精度的要求就越高，对陀螺仪的指标要求也越苛刻。
3 陀螺仪在典型光电系统中的应用
机载光电系统利用陀螺相对惯性空间的稳定能力结合光机框架构成相对空间稳定的陀螺稳定平台，使得在此平台上的光电传感器的光轴或瞄准线与机载环境下的振动和姿态运动相隔离，稳定地指向目标，对于成像式传感器来说，这将大大减小角振动引起的图像模糊，提高成像质量。陀螺作为惯性敏感元件，分别感应平台在空间方向的角运动，在各种光电系统中得到了广泛的应用。
陀螺仪在光电系统中的稳定方式分为直接稳定方式和间接稳定方式。
直接稳定方式中陀螺仪是直接安装在稳定平台上的，利用陀螺仪直接敏感由指令和载机运动引起的视轴角运动，陀螺反馈得到的偏差在控制器校正后，经功率放大电路，驱动执行机构带动框架运动，使视轴按期望的速度转动，抵消载机运动的影响。陀螺测量的角度或角速度反映了视轴在惯性空间上的运动的角度或角速度。间接稳定（捷联稳定）是将陀螺安装在稳定平台以外的基座上或与载体固联的结构体上，测量到的是载体角运动，通过与框架的角度信息综合，解算得到的视轴角度作为反馈用于对稳定环架的稳定控制。据稳定轴的数量，陀螺稳定平台可分为单轴、两轴和三轴稳定平台，机载光电系统一般采用两轴或者三轴，结合可以改变视轴指向的框架数又分为两轴两框架稳定、三轴三框架稳定和两轴四框架稳定。一般情况下，战斗机飞行在航向、俯仰和横滚三个方向上的角运动均有较大的量值，稳定平台仅有航向、俯仰方向的两轴稳定不能隔离横滚方向的旋转，在飞机机动过程中，图像会发生旋转，造成观察困难和图像跟踪器不正常跟踪或给出的跟踪偏差不正确，因此需要设计三轴稳定平台。对于直升机、无人机和大型固定翼飞机，飞机的姿态运动主要在航向、俯仰方向，横滚运动在二十几度范围内而且滚动速度慢，在这些飞机上装备的光电系统采用两轴稳定平台，可以减小光电系统整体的设计复杂程度和重量。
加速度计是用来感受输出与载体运动加速度成一定函数关系的电信号的测量装置，是惯性导航中确定载体速度、位置等导航参数的基本元件。随着捷联惯性导航系统的快速发展，将陀螺仪与加速度计组合构成惯性测量单元实现光电系统对地面目标的地理跟踪和定位已成为国外机载光电产品的一个重要功能。地理跟踪是继图像跟踪之后形成的另一种目标跟踪技术，该技术利用机载设备获得载机的空间位置，光电系统的姿态由其安装的惯性测量单元进行解算，最终确定自身及目标的地理参考坐标，达到对目标闭环跟踪的目的。地理跟踪过程不需要通过处理视频获取目标相对瞄准线的偏差位置，因而跟踪目标时不受视线遮挡的影响，可以有效降低操作人员的瞄准压力。
国外典型光电系统基本上均采用陀螺仪与加速度计实现对视轴的稳定和对目标的地理定位和地理跟踪，典型产品包括加拿大L3公司生产的MX系列光电系统。该系列光电系统是一种先进的多光谱成像系统，根据系统体积和配置的差异能够满足昼夜间对目标侦察、识别和定位等能力的需求，具备地理定位和地理跟踪的功能。MX系列产品包括MX-8、MX-10/10D、MX-15/15D、MX-20/20D和MX-25/25D等，能够装备多种型号的无人机及其他飞机平台。MX-8系统光电传感器主要包括中波红外热像仪、彩色可见光摄像机、激光测距机和激光照明器，主要用于对地面侦察成像和定位。MX-8系统通过4轴陀螺稳定和6轴被动振动隔离，稳定精度达到35μrad，光电转塔直径为211mm，高度为262mm，重量为6.8kg。MX-10系统光电传感器主要包括中波红外热像仪、可见光摄像机、低照度摄像机、激光测距机和激光照明器等，主要用于对地面侦察成像和定位。MX-10系统通过4轴陀螺稳定和6轴被动振动隔离，光电转塔直径为260mm，高度为355mm，重量为16.8kg。MX-10D系统主要传感器与MX-10系统相同，增加了激光照射器，能够引导激光制导武器，MX-10D系统通过4轴陀螺稳定和6轴被动振动隔离，稳定精度达到20～25μrad，光电转塔直径为270mm，高度为374mm，重量为19.5kg。MX-15系统光电传感器主要包括中波红外热像仪、可见光摄像机、可见光侦察摄像机、低照度侦察摄像机、激光测距机和激光照明器等，主要用于对地面侦察成像和定位。MX-15系统通过4轴陀螺稳定和6轴被动振动隔离，稳定精度达到5μrad，光电转塔直径为394mm，高度为481.3mm，重量为45.4kg。MX-15D系统的光电传感器在MX-15系统的基础上增加了低照度侦察摄像机、激光照射器、激光光斑跟踪器和短波红外摄像机等，在对地面侦察的同时能够引导激光制导武器攻击目标。MX-15D系统通过4轴陀螺稳定和6轴被动振动隔离，稳定精度达到5μrad，光电转塔直径为419mm，高度为495mm，重量为51.4kg。MX-20系统光电传感器主要包括中波红外热像仪、彩色低照度摄像机、可见光侦察摄像机、低照度侦察摄像机、激光测距机和激光照明器等，主要用于对地面侦察成像和定位。MX-20系统通过5轴陀螺稳定和6轴被动振动隔离，稳定精度达到4μrad，光电转塔直径为533mm，高度为666mm，重量为90.7kg。MX-20D系统的光电传感器在MX-20系统的基础上增加了激光照射器和激光光斑跟踪器等，在对地面侦察的同时能够引导激光制导武器攻击目标，MX-20D系统稳定精度、体积与MX-20系统相同，重量增加到95kg。MX-25系统光电传感器主要包括中波红外热像仪、可见光摄像机、低照度摄像机、可见光侦察摄像机、低照度侦察摄像机、激光测距机和激光照明器等，主要用于对地面侦察成像和定位。MX-25系统通过5轴陀螺稳定和6轴被动振动隔离，稳定精度达到3μrad，光电转塔直径为652mm，高度为767mm，重量为118kg。MX-25D系统的光电传感器在MX-20系统的基础上增加了激光照射器和激光光斑跟踪器等，在对地面侦察的同时能够引导激光制导武器攻击目标。MX-25D系统稳定精度、体积和重量与MX-25系统相同。
4 展望
陀螺仪作为关键的惯性敏感器件，在机载光电系统中得到了广泛的应用，能够有效保证光电传感器清晰稳定的成像，伴随着技术的不断进步，陀螺的性能将会进一步提高，体积将会更小，重量将会更轻，在完成传统稳定图像功能的基础上，将会向目标定位、目标跟踪等不同的应用方向发展。
参考文献：
[1]纪明 许培忠 徐飞飞，武装直升机光电系统发展与对策，应用光学，2010年第31卷第1期 pp1-7
[2]王合龙.机载光电系统及其控制技术[M].北京：航空工业出版社，2016
作者简介：边栓成（1981-），男，河北辛集人，汉，系统工程专业硕士，高级工程师，研究方向为光电系统设计。