我们平时说的“光学雷达”，是利用光学手段探测的一种雷达，通常指激光雷达，不过这种雷达目前并没有普及到火箭发射领域。而本文提到的火箭发射时的口令“光学雷达跟踪正常”，实际上应该是“光学和雷达跟踪”，这里光学对应的设备是光电经纬仪，雷达指精密跟踪测量雷达。
光电经纬仪，这是什么东东？
它长这样——光电经纬仪及结构图。
光电经纬仪由跟踪机架、成像系统、测角系统、激光跟踪测量系统、微机控制和处理系统组成，具体结构如上图。
光电经纬仪对目标的跟踪依赖于经纬仪机架。
经纬仪机架为三轴（垂直、水平、照准）地平装置。机架三轴相互垂直，水平轴和照准轴可以绕垂直轴在水平面内旋转。望远镜（摄像机）装在水平轴上，其主光轴为照准轴，并与水平轴垂直，可绕水平轴在垂直平面内旋转。
在垂直轴和水平轴上分别装有轴角编码器（或光学码盘）。照准轴绕垂直轴旋转的角度由装在垂直轴上的轴角编码器给出（相对某一基准方位），称为方位角；照准轴绕水平轴旋转的角度由装在水平轴上的轴角编码器给出（水平基准为零基准），称为俯仰角（高低角）。也就是说，照准轴是雷达镜头对准的方向，镜头可以绕着垂直轴左右转圈，绕着水平轴前后翻转，这就实现了各个方向的转动。
发射中光电经纬仪如何跟踪？
光电经纬仪跟踪通常有自动、随动、半自动跟踪三种基本工作方式。
自动跟踪时电视跟踪器（红外跟踪器、激光跟踪器）测量目标相对其光轴的角量，送伺服系统的位置回路形成闭环自动跟踪。
随动跟踪使用理论弹道数据经计算机处理后引导经纬仪跟踪目标，或用雷达等设备的跟踪结果引导经纬仪跟踪目标。
半自动跟踪时，操作手通过瞄准镜观察目标并操作单杆控制经纬仪跟踪目标。
自动跟踪对夜间发射的背景简单、目标特征明显的目标（比如火焰）有很好的跟踪效果，一般情况易跟踪丢失。随动跟踪依赖于雷达的引导，而雷达的引导数据误差较大，还需要人工半自动修正。
所以，自动跟踪是根据镜头里看到的位置计算镜头该怎么调整；随动跟踪是根据设定的轨道或者雷达探测数据计算目标位置，带动其跟着转；而人工半自动，就得有人主动调整了。
实际上光电经纬仪对目标的跟踪通常采用自动或随动跟踪状态结合半自动修正方式。这样就实现了跟踪目标。
发射时的直播画面怎么来的？
原理很简单，我们可以把光学经纬仪的成像模型简化为针孔成像模型。针孔模型主要由光心C（摄影中心）、像面和光轴组成。光心到像面的距离为焦距f，光心为经纬仪机架三轴（垂直、水平、照准）的交点。
光电经纬仪实际工作时，跟踪系统保持照准轴始终指向目标，空中飞行目标经过镜头光学系统的汇聚，又经过调光调焦，使目标清晰成像在像面上，像面即胶片平面。
对数字成像经纬仪来说，像面是CCD或CMOS成像器件的靶面；对红外摄像机而言，像面是红外成像器件的靶面，这类设备直接输出数字图像，同时绝对时刻、光轴的角度数据也采用数字方式与图像数据同步存储。
火箭点火升空时刻的光学跟踪画面
抛整流罩时刻的红外监测图像
说完了光学跟踪，接下来我们再聊聊雷达跟踪。
跟踪测量雷达如何找到目标？
以天宫二号发射为例，天宫二号发射时，雷达跟踪所用的设备是精密跟踪测量雷达。
精密跟踪测量雷达是20世纪50年代后期诞生的，因为近几十年来导弹卫星航天技术的迅猛发展，先前的中等精度跟踪雷达已经满足不了实际需求了。
跟踪雷达的原理，就是通过一个细管观测目标，管越细，瞄得越准，获得的目标数据越精确。
要精密，就要雷达信号的尖锐，经过雷达主反射面（俗称大锅）聚焦以后，雷达在空中形成的波束只有1.2度，是由两片椭圆形叶子状的信号叠加而成的，但是真正对目标有用的，只有信号叠加的中间的0.4度。也就是说，目标必须在这个0.4度的空间里，才有可能被稳定跟踪而获得精确的数据。一旦目标超过这个范围，就无法做到误差收敛，导致丢失。
在捕捉目标时，首先要把目标捕捉进这个0.4度的范围内，生成的误差才可以生成反馈信号推动天线转动。
0.4度是个什么概念呢，就比如你从一个内直径很小的长管子的视野里找寻天空中的一架飞机，碰不巧的话这辈子都找不到了。这个时候，你要想快点找到飞机，就需要一个辅助的装置了，那就是一台低精度的雷达。
低精度雷达波束有6度宽，扫开以后，能够形成一个最宽12度的波瓣。由于跟踪的有效收敛角度的问题，只有将目标限制在6度观察范围内，才能获得有效的反馈电压实现自跟踪。
一旦实现自跟踪，就能将目标角度信息缩小到1度以内。低精度雷达捕获了目标，就可以通过跟踪误差获得的反馈电压，推动雷达天线随着目标的运动而运动。
然后嘞？它怎么带动高精度雷达呢？
一个办法是，通过雷达码盘（就是度盘），获得雷达的天线指向的角度（目标水平方位角和垂直俯仰角），将这两个角度折算到大地角度，再传输给高精度雷达，高精度雷达根据自己的位置信息（大地测量结果），折算出目标相对于自己的角度信息，雷达操作手将天线转动到该位置附近，或者直接将角度信息录入，自动带动天线转动到该位置，然后只要在1度的误差范围内搜索就可以发现目标了。
作者：焦菁（中国科学院国家空间科学中心）
来源: 科学大院
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