《光学学报》依托中国光学学会优质资源，将持续组织策划“中国光学学会光学科技奖”专辑，以更好地介绍中国光学学会光学科技奖相关成果的最新研究现状和未来发展方向。“2021年度中国光学学会光学科技奖”专辑已正式出版。
本文来源于2021年度中国光学学会光学科技奖二等奖获得者——中科院长春光机所余毅研究员课题组，重点围绕靶场光电测量相关技术的研究发展现状和研究进展加以总结，被选为《光学学报》“空间、大气、海洋与环境光学”SAME专题刊2023年第6期内封面文章。
封面解析
返回舱返回过程中，地面光电跟踪测量设备完成返回器空中目标观测工作，获得回落过程图像，为回收任务提供了重要的信息和数据。靶场光电测量设备利用光学成像采集目标信息，经交汇计算等处理得到所需参数，能够满足多种应用场景下实况记录、高精度测角、高分辨率成像的需求，是航天器发射回收测控系统中的重要组成部分，被广泛应用于军事目标的探测。
文章来源：余毅, 刘震宇, 孙志远, 刘海波. 靶场光电测量设备发展现状及展望. 光学学报, 2023, 43(6): 0600002
导读
2020年12月，嫦娥五号返回器携带月球样品，在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。2021年9月，神舟十二号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称“中科院长春光机所”)研发中心团队研制的地面光电跟踪测量设备，参与了相关观测任务，并获得设备返回过程的清晰图像，为实现航天器定位提供了重要数据，保障回收任务取得圆满成功。
光电测量：保障靶场测量任务。靶场光电测量系统以光学成像和光电探测为基础，将光学、机械和电子学部件组成一体化测量设备，用以测量、记录飞行目标的运动轨迹、姿态以及目标的红外辐射特性和可见光特征。以光电经纬仪为主要代表的光电测量设备，是靶场应用最早的测量设备，也是靶场最基本的测量手段之一。
随着近年来航天活动覆盖空域的逐步拓展和频次的增加，日益频繁的任务和有限的人力之间的矛盾日渐突出，对靶场光电测量设备的测量能力也提出了新的要求，在确保高精度测量、高分辨成像能力的同时，期望单站设备在图像和角度信息以外能获取更多的目标特征信息，能适应更多类型的测量平台，具有更强的机动性。
关键技术介绍
1. 红外辐射特性测量技术：推动我国国防信息化的功臣之一
有别于传统的图像特征识别技术，红外辐射特性测量技术在提供目标的外形和轮廓信息之外，还提供了目标的辐射亮度、辐射强度等信息。在信息化作战的需求下，红外辐射特性测量技术可以结合计算机数据库技术，建立典型军事目标及场景的辐射特性数据库，并对其红外辐射特性进行规律性分析。
经过近二十年的发展，传感器从最初的中波红外波段扩展到了短波红外、中波红外和长波红外波段，被测目标也从最初的静止红外伪装靶变为高速飞行目标。红外辐射特性测量设备获得了大量宝贵的实测数据，对我国国防信息化武器装备辐射特性数据库的建立起到了至关重要的推进作用。
红外辐射特性测量技术在靶场的主要应用有红外导引性能评估、目标重要段落的红外辐射特性测量、红外预警及目标识别等。未来的研究方向主要涉及辐射定标方法优化、大气传输修正精度提升、目标特性数据库建立等关键技术。
2. 轻量化设计：靶场光电测量的趋势
传统的靶场光电测量设备通常以固定站或落地工作模式为主，对其机动性要求不高，因此对重量没有过多限制。但是随着设备逐渐由固定站向机动式转变，轻量化已经成为设备设计中必须考虑的因素。
目前针对中大型光电经纬仪的轻量化设计涉及主反射镜及支撑部件、跟踪架、支撑平台等，其中主反射镜是经纬仪光学成像的核心部件，在对其进行轻量化设计的同时，除了考虑其常规力学性能外，还须进一步保证其面型精度满足要求。而跟踪架及支撑平台等在减重过程中不仅要考虑其静态重力载荷作用下的变形，而且要求其在经纬仪自身伺服系统激励或运输设备激励下远离共振频率，从而保证设备的工作和运输稳定。
针对靶场光电测量设备的轻量化的方式一般有以下几种：1）以设备整体在外场的使用效果或者设备零部件在实验室的检测结果为依据，设计人员根据实践经验进行减重；2）在设计阶段，通过仿真分析对结构件的性能进行评估，进而改进结构，最终通过评估-改进-再评估-再改进的方式实现结构的优化迭代；3）采用结构优化算法对零部件进行轻量化设计，包括参数优化、形状优化和拓扑优化三类。其中参数优化和拓扑优化是当前使用较多的方法，拓扑优化可以在无初始设计方案的基础上快速实现从无到有的概念设计，而参数优化则可以针对详细设计方案进行进一步优化改进。这类方法由于目标明确，迭代过程直观，不需人为干预，成为目前较为流行的轻量化方法。
图6 基于刚架和壳体耦合拓扑优化获得的转台设计方案
3. 光雷一体化：未来靶场目标信息多源化的主要技术途径之一
光电测量系统的基本测量元素有方位、俯仰、目标图像、目标特性等；雷达的基本测量元素有方位、俯仰、距离、径向和切向速度、目标雷达散射截面积（RCS）、目标一维和二维像等。
光学测量受天光及雨雾环境影响严重，且无法提供距离信息，但是相比于毫米波雷达探测，光学探测设备具有分辨率高、测角精度高等特点；雷达探测受跟踪空间目标能力差的制约，成像分辨率及人眼易读性低，但其受天气环境影响小。
上述两种主要测量手段均有其优势和局限性，随着目标探测需求的提高，设备性能要求剧增。单一的光学或雷达探测模式已经难以满足测量需求，因此有必要在单一设备上集成光学与雷达两种测量模式，形成探测机制互补，提升单站设备的目标识别能力与作战效能，有效增强设备的环境适应性。
光雷一体化测量有两种技术路线，一种是在光电望远镜的两侧加挂雷达天线，采用搭建积木的方式将两者共同安装在同一精密跟踪平台上，另一种则是光学与雷达共用主光学望远镜的共孔径方式。积木架构的光雷一体系统结构简单，在靶场的应用较多。光雷共孔径系统目前仍在概念设计和关键元器件研制阶段，尚未进行工程化应用，后续将在该方向持续发力。
光学与雷达共一体化测量系统在轻量化、环境适应性及多源信息融合等方面具有明显优势，两种探测机制结合，能够获得新的数据产出，提升地面光电测控设备的观测能力，是未来靶场目标信息多源化的主要技术途径之一。
总结与展望
提高靶场光电测量设备单站的性价比、使用的便捷性和灵活性是当前设备的主要发展趋势之一，红外辐射特性测量、轻量化设计、光雷一体化测量是其中几项主要关键技术。
目前，靶场光电测量设备相关技术已经取得了长足进展，但在性能改进方面仍面临诸多挑战。因此，对靶场光电测量相关技术的研究发展现状和研究进展加以总结，以期更加合理地指导这一领域的未来发展，对于提升靶场光测能力具有重要的实践意义。
课题组介绍
通讯作者简介
余毅，研究员，博士生导师，中科院长春光机所精密仪器与装备研发中心主任，所学术委员会委员。中国科学院光电精密制造技术工程实验室主任，吉林省拔尖创新人才，全国光电测量标准化技术委员会委员。长期从事靶场光学测量总体技术和红外特性测量技术研究，作为我国重要的靶场光测装备研制团队的技术带头人，主持完成了多个型号的靶场光学装备研制任务，多项国家863科技计划项目、科技部重点研发计划等。发表SCI、EI论文32篇，授权专利44项。获省部级科技奖励5项。
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