Stand and methodology for studying line-of-sight stabilization errors in scanning optical-electronic surveillance systems

Markushin G.N., Chekhov M.A., Chivanov, A.N., Simanovsky M.M., Korotaev, V.V., Ryzhova, V.A.

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Маркушин Г.Н., Чехов М.А. Чиванов А.Н., Симановский М.М., Коротаев В.В., Рыжова В.А. Стенд и методика исследования погрешностей стабилизации линии визирования в сканирующих оптико-электронных системах наблюдения // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 2. С. 76–86. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-02-76-86

Markushin G.N., Chehov M.A., Chivanov A.N., Simanovskii M.M., Korotaev V.V., Ryzhova V.A. Stand and methodology for studying line-of-sight stabilization errors in scanning optical-electronic surveillance systems [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 2. P. 76–86. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-02-76-86

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Subject of the study. A stand and methodology for error analysis of line-of-sight stabilization systems of optical-electronic surveillance systems. Objective of the work. Development and creation of stands that allow to study the errors of the line-of-sight stabilization systems of the OESS when simulating independent effects of angular sinusoidal oscillations and vibrations in specified frequency ranges with the possibility of placing the OESS below the pumping center. Method. Experimental studies of the errors of line of sight stabilization of the channels of the optical-electronic system located on a single stabilized platform. Main results. A stand has been developed that provides imitation of sinusoidal oscillations on the platform of the line of sight stabilization system of the optical channels of optical-electronic surveillance systems. Based on the developed stand and vibration
stand, measuring stands have been formed for research, testing and calibration of various line of sight stabilization systems. Experimental studies of a two-axis stabilization system based on a device with a double gimbal suspension with gyrostabilized elevation and azimuth tracking drives showed that the stabilization error of the system channel sightlines in azimuth and elevation does not exceed 12 arcsec with angular oscillations in the frequency range from 0.1 to 5 Hz. When exposed to random broadband
vibrations in the frequency range from 1 to 2000 Hz, the error is 15 arcsec and increases by 45% at the resonance frequency of the structure.

Keywords:

optical-electronic surveillance system, sinusoidal oscillation stand, sightline, stabilization error, error assessment technique

OCIS codes: 120.2440, 040.7190, 230.0040, 010.1320

References:

1. Денисов А.В., Попов В.В., Логунов С.В., Карев П.В. Оптико-электронный комплекс детального наблюдения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 1. № 1. С. 24–31. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2020-20-1-24-31
Denisov A.V., Popov V.V., Logunov S.V., Karev P.V. Optical-electronic complex of detailed surveillance // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2020. V. 20. № 1. P. 24–31. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2020-20-1-24-31
2. Yun-Han Chang, Shang-Yen Tsai, Chi-Wai Chow, ChihChun Wang, Deng-Cheng Tsai, Yang Liu, ChienHung Yeh. Unmanned-aerial-vehicle based optical camera communication system using light-diffusing fiber and rolling-shutter image-sensor // Optics Express. 2023. V. 31. Iss. 11. P. 18670–18679. https://doi.org/10.1364/OE.492547

3. Буслов И.А., Гордеев А.Е., Доррер Г.А., Кобыжакова С.В., Яровой С.В. Система управления борьбой с природными пожарами на базе беспилотных летательных аппаратов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18. № 2–3. С. 858–863.
Buslov I.A., Gordeev A.E., Dorrer G.A., Kobyzhakova S.V., Yarovoy S.V. Wildfire Control System Based on Unmanned Aerial Vehicles [in Russian] // Bulletin of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2016. V. 18. № 2–3. P. 858–863.
4. Чернецкая И.Е., Спевакова С.В. Мультиспектральное оптико-электронное устройство для автономной мобильной платформы экологического мониторинга // Труды МАИ. 2020. Вып. № 114. https://doi.org/10.34759/trd-2020-114-14
Chernetskaya I.E., Spevakova S.V. Multispectral opticalelectronic device for an autonomous mobile platform for environmental monitoring // Proceedings of MAI. 2020. V. 114. http://doi.org/10.34759/trd-2020-114-14
5. Маркушин Г.Н., Коротаев В.В., Кошелев А.В., Самохина И.А., Васильев А.С., Тимофеев А.Н., Васильева А.В., Ярышев С.Н. Двухдиапазонные оптикоэлектронные системы обнаружения субъектов браконьерского промысла // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 9. С. 36–48. https://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-09-36-48
Markushin G.N., Korotaev V.V., Koshelev A.V., Samokhina I.A., Vasilev A.S., Timofeev A.N., Vasileva A.V., Yaryshev S.N. Dual-band optoelectronic poaching detection systems [in Russian] // Journal of Optical Technology. 2022. V. 89(9). P. 528–536. https://doi.org/ 10.1364/JOT.89.000528
6. Шарафутдинов А.А., Имамутдинов С.А., Мухаметьянова А.Н., Табульдина А.Т., Маннанов Т.А. Применение беспилотных летательных аппаратов для дистанционного мониторинга окружающей среды // Сетевое издание «Нефтегазовое дело». 2018. № 2. C. 99–116. https://doi.org/10.17122/ogbus-2018-2-99-116
Sharafutdinov A.A., Imamutdinov S.A., Mukhametyanova A.N., Tabuldina A.T., Mannanov T.A. Use of unmanned aerial vehicles for remote monitoring of the environment [in Russian] // Online publication "Oil and Gas Business". 2018. № 2. P. 99–116. https://doi.org/10.17122/ogbus-2018-2-99-116
7. Балоев В.А., Бурдинов К.А., Карпов А.И., Кренев В.А., Смирнов А.Е., Яцык В.С. Методика разработки и испытаний систем управления и виброзащиты бортовых оптико-электронных приборов // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 3. С. 24–36. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-03-24-36
Baloev V.A., Burdinov K.A., Karpov A.I., Krenev V.A., Smirnov A.E., Yatsyk V.S. Technique for developing and testing the control and vibration-proofing systems of on-board optoelectronic devices // Journal of Optical Technology. 2021. V. 88(3). P. 131–140. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000131
8. Мордвин Н.Н., Попов Г.Н. Концепция построения оптико-электронных приборов наблюдения универсального назначения // Известия вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 6. С. 34–39.
Mordvin N.N., Popov G.N. Concept of construction of optical-electronic observation devices of general purpose [in Russian] // News of universities. Instrumentmaking. 2009. V. 52. № 6. P. 34–39.
9. Моисеев Г.В., Моисеев В.С. Основы теории создания и применения имитационных беспилотных авиационных комплексов: монография. Казань: Редакционно-издательский центр, 2013. 208 с. (Серия «Современная прикладная математика и информатика») ISBN 978-5-906158-14-7
Moiseev G.V., Moiseev V.S. Fundamentals of the theory of creation and application of imitation unmanned aerial systems: monograph [in Russian] Kazan: Editorial and Publishing Center, 2013. 208 p. (Series “Modern Applied Mathematics and Computer Science”) ISBN 978-5-906158-14-7
10. Дегтярев Г.Л., Файзутдинов Р.Н., Спиридонов И.О., Многокритериальный синтез робастного регулятора нелинейной механической системы // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19. № 11. С. 691–698. https://doi.org/10.17587/mau.19.691-698
Degtyarev G.L., Fayzutdinov R.N., Spiridonov I.O., Multicriteria synthesis of a robust controller for a nonlinear mechanical system [in Russian] // Mechatronics, automation, control, 2018. V. 19. № 11. P. 691–698. https://doi.org/10.17587/mau.19.691-698
11. Смирнов. В.А., Славгородский Д.А. Анализ конструктивных типов систем стабилизации и наведения оптической линии визирования // Известия ТулГУ. Технические науки. 2020. Вып. 9. С. 295–299.
Smirnov V.A., Slavgorodsky D.A. Analysis of design types of stabilization and guidance systems of the optical line of sight [in Russian] // Bulletin of Tula State University. Technical Sciences. 2020. № 9. P. 295–299.
12. Коровин А.В., Савин Д.И. Способ определения координат наземных объектов беспилотным летательным аппаратом с использованием лазерного дальномера // Труды МАИ. 2023. № 128. https://doi.org/10.34759/trd-2023-128-14
Korovin A.V., Savin D.I. Method for determining the coordinates of ground objects by an unmanned aerial vehicle using a laser rangefinder [in Russian] // Proceedings of MAI. 2023. № 128. https://doi.org/10.34759/trd-2023-128-14
13. Малашин Д.О. Система стабилизации изображения с неразрушающим считыванием видеоинформации // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 12. С. 43–49. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-12-43-49
Malashin D.O. Image-stabilization system with nondestructive readout of video information // Journal of Optical Technology. 2020. V. 87(12). P. 733–737. https://doi.org/10.1364/JOT.87.000733
14. Sansan Chang, Jianzhong Cao, Ji Pang, Feihang Zhou, Weining Chen. Compensation control strategy for photoelectric stabilized platform based on disturbance observation // Aerospace Science and Technology. 2024. Volume 145. P. 108909. https://doi.org/10.1016/j.ast. 2024.108909
15. Dongmei Liu, Ligang Tan, Shuai Guo et al. Research on servo control algorithm of photoelectric stabilized platform based on sliding mode active disturbance rejection // Journal of Physics: Conference Series. 2022. V. 2395. https: //doi.org/10.1088/1742-6596/2395/1/012077
16. Wang L., Li X., Liu Y., Mao D., Zhang B. High-precision control of aviation photoelectric-stabilized platform using extended state observer-based Kalman filter // Sensors. 2023. V. 23. P. 9204. https:// doi.org/10.3390/s23229204

17. Балоев В.А., Бурдинов К.А., Карпов А.И., Смирнов А.Е., Яцык В.C., Оценка допуска на точность стабилизации изображения бортовых автоматических оптико-электронных прицельных устройств // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 10. С. 58–67. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-10-58-67
Baloev V.A., Burdinov K.A., Karpov A.I., Smirnov A.E., Yatsyk V.S. Estimation of tolerance on the image stabilization accuracy of on-board automatic optoelectronic aiming devices // Journal of Optical Technology. 2022. V. 89(10). P. 600–606. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000600
18. Симановский М.М., Чиванов А.Н., Дедков А.А., Маркушин Г.Н., Кошелев А.В. Стенд синусоидальных колебаний // Патент RU № 2823550. 2024.
Simanovsky M.M., Chivanov A.N., Dedkov A.A., Markushin G.N., Koshelev A.V. Sinusoidal oscillation stand // Patent RU № 2823550 C1. 2024.
19. Максин С.В., Рассохин В.А, Элинсон В.С., Уманский Б.М., Гилев Ю.В., Дегтярев Н.Г. Система оптического наблюдения // Патент RU № 2388662. 2010.
Maksin S.V., Rassokhin V.A., Elinson V.S., Umansky B.M., Gilev Yu.V., Degtyarev N.G. Optical observation system // Patent RU № 2388662. 2010.