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第32在第4娘］ 201 l年7月 应用光学 Journal of Applied Optics 文章编号1002-2082 2011 04-0709-05 远距离动目标实时测试系统设计 玉春艳，王美竭，周庆才，王路，鲍智康 （长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022 Vol. 32 No. 4 Jul. 2011 摘要设计的动目标实时测试系统，主妥用于检查武器系统在“零飞”工作方式下的系统联动 精度，测试被测系统的跟踪瞄准误差。在对远距离、动目标的监测中，采用双光路设计，长焦距、 短焦双筒结构，也切换方式等实现对远、近目标的实时观测，双光筒安装在同一机体上，通过偏 心镜框、偏心图等保证两者的同轴度要求，夹具具有俯仰、方位的微调机构，方便在校炮时光轴 与炮轴线一致性调节，并可实现数据的高精度、高保真测量。对焦距为50mm和300mm的镜 筒静态测角精度进行了测试。实测结果表明系统测角精度分别小于0.4 mrad和0.2 mrad，完 全满足指标妥求。该测试系统采用模块化设计，满足可靠性与通用性要求，可广泛应用于军事 和民用等诸多领域。 关键词应用光学；动目标；跟踪精度；测量系统 中图分类号TN206;TH7 45 文献标志码A Real-time test system for long range moving_ targets WANG Chun-yan, WANG Mei-juan, Zhou Qing-cai, WANG Lu, BAO Zhi-kang School of Optoelectronic Engineering , Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China Abstract A real-time test system for moving targets was designed to test the system coordina- tion accuracy of weapon system operating at “0-fly”mode, and measure the tracking and point- mg error. In th巳surveillanceof long range moving targets, the system adopted double optical paths, a binocular tube of long focus and short focus. and an electric switching device to carry out the real-time observation for long and short range targets. The binocular tube was installed at the same machine body to ensure the concentricity by means of eccentric frame and eccentric ring. The fixture had fine tuning mechanism of pitch and azimuth to regulate the boresight be tween optical axis and gun axis. The measurement data with high precision and high fidelity were obtain巳d.The static angle measurement accuracy of the tubes with 50 mm and 300 mm focal length was tested, and the experimental results showed that the accuracy was less than 0. 4 mrad and 0. 2 mrad respectively, which met the target requirements. This modular test system is reliable and can be widely used in military and civil applications. Key words applied optics; moving targets; tracking accuracy; measurement system 引言 零飞测试系统（I］是对武器系统瞄准精度的检 查，用于考核火炮系统在进行真实目标试验时，在 收稿日期2010-09-29;修回日期2010-09-29 弹丸飞行时间等于零的状态下，火炮炮管是否直 接指向目标。该瞄准精度直接影响武器系统的射 击命中率，是重要的考核指标之一。 作者简介王春艳1971一〉，女，吉林人，副教授，光学工程专业博士，主要从事现代光学技术与工程方面的研究。 E-mail wcycust.edu. en ChaoXing 710 应用光学 2011,32（的王春艳，等远距离动目标实时测试系统设计 动目标实时测试系统，是解决当火炮系统在 进行动态跟踪时的测试问题。此时，由于火炮目 标测定器、计算机解算、火炮随动系统等环节的影 响，火炮身管的轴线与目标存在偏差，该系统可实 现上述误差的实时测量。 目前，对远距离动目标跟踪精度的测试一般采 用的是定焦光学系统，对于运动目标飞行时的不同 距离，其作用距离、视场角等都受到限制，不能充分 提高视频罔像的质量。本文研究的测试系统可很好 地解决上述问题，提高系统的测量精度，在火控系统 动态跟踪精度测量中是一个新的尝试。 1 系统结构设计 该测试系统由长焦光学系统、短焦光学系统、 CCD成像系统、图像处理系统和工控机等部分 组成。 1. 1 CCD相机的选择 当焦距J50 mm时．选择CCD相机主要是 针对近距离目标图像的跟踪采集，重点考虑相机 的分辨率、灵敏度、像素尺寸、外形尺寸等指标2] 同时也要考虑温度条件、帧频、动态范围等因素。 根据指标要求，选取了Teli公司的CS8630Ci型相 机，其主要技术参数如表I所示。 表lTeli公司CS8630Ci相机主要技术参数 Tablel Main parameters of Teli CS8630Ci camera 项H 分辨率（HV 像素尺寸 帧频 CCD传感器 信噪比 行频率HD 场频率（VD 信号格式 扫描系统 内容 752582 6. 5 m6. 25 m 25 f/s 1/3”隔行扫描 60 dB 15. 625 kHz士1 50 Hz CCIR 625 lines, 50 ficlds/s, 2 I Interlaced 1.0 Vp-p,negative, 75 .n unbalanced 模拟视频输出 时UU 寸量 源头 尺质 电镜 DC 12V士I0,1.3W 标准C接口 29 mmW x 29 mm H x 31 mmD 50 g 当焦距／＝300mm时，对远距离日标跟踪检 测，选取SONY公司的XC-STSOCE相机，其主要 技术参数如表2所示。 表2SONY公司XC-ST50CE相机主要技术参数 Table 2 Main parameters of SONY XC-ST50CE camera 项H 分辨率HV 像素尺寸 帧频 CCD传感器 信噪比 行频率HD 场频率（VD 信号格式 扫描系统 内容 752582 8. 6 m8. 3 m 25 f/s 1/2”隔行扫描 58 dB 15. 625 kHz土1 50 Hz CCIR 625 lines, 50 fields/s, 2 1 Interlaced Vp-p,negative, 模拟视频输出 电源要求 镜头接口 75 .n unbalanced DC 12 V土10.2.ow 标准c－接口 尺寸 质量 1. 2 系统主要参数的确定 44 mmW x 29 mmH x 57. 5 mmD llO g 1. 2. 1 光学系统初始结构参数确定 . 作用距离。在能见度不小于最大作用距离条 件下，对大目标其作用距离为1km12 km; 对小目标其作用距离为0.1 km6 km。 ,.,._,_ 口径、视场角。焦距／＇＝50mm时，D12. 5 mm，水平方向视场w.,5. 5。，垂直方向视场 W y 4. 12。；焦距／＝300mm时，D50mm, 水平方向视场w, 1. 22。，垂直方向视场w.v 0.92。。 ,.,.,. 精度。焦距／＇50 mm 时，实时测量精度为 σx＝σy三三0.5 mrad；焦距／＇＝300mm时，实’ 时测量精度为σx＝σy0.5 mrad。 1. 2. 2 光机设计 1. 2. 2. 1 光学系统的结构及像质 自主研制光学设计软件，确定双胶含初始结 构，优化设计全视场高清晰度成像的光学系统。 优选双胶合透镜的玻璃及半径、厚度，使C光、F 光在0.707带相交，D光的边缘球差消零。优化后 ChaoXing 应用光学20ll ,324 玉春艳，等－远距离动目标实时测试系统设计 711 的长焦光学系统如图l所示，短焦光学系统如图2 所示，图3和图4分别为其MTF曲线图。 ... . .. 3口LAY口UT SR向o5.02fLE IEa“N工GR-1Z、O目N，队lb“ 图1长焦光学系统 Fig. 1 Long focal length optical system u「L二－～－「J♀古二一一二| | -I t,r 』lH忡P.,,c_p 1口1 t』 | 』，『J＇＇；＇＂＇＂＇各叶＂1 ， 飞L,,. S冉＇ Fa川 图2短焦光学系统 Fig. 2 Short focal length optical system ;“. ,., .. , ,,. .，叫咱；.” ，、、 t吨＂ ．、，.. ［、飞＼ ..,.,._ 飞4』司这 、、ι、毛 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 空间频率/lp mm I I‘. l l ＇。 ,. ，，””吃1 I “ ,. ,.; . I 1噜l，，岖，、ls户’1’ι，，.i 图3长焦光学系统MTF囱 Fig. 3 MTF of the long focal length optical system ” 川 4 14 rlJ 向e 1 、 mvd IR ’.. , ’,, , ,r 1豆、州J e’I ＇川’‘，.， , 巳扣CC J也lI lI t飞飞飞飞二二二 0.7 』0,6 0.5 ,; 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0,, 24 30 36 42 48 54 60 空间颇本／Ir_mm l斗，ν扣「1，，川1、“唱，111 - I 坠 υ v | P斗H 图4短焦光学系统MTF图 Fig. 4 MTF of the short focal length optical system 1. 2. 2. 2 机械结构设计 长焦、短焦光筒共用同一连接机构，与调节平 台相连，其设有方位、水平调节机构，实现光轴与 炮轴平行性的快速精调。图5为系统二维装配图。 I 2 3 4 5 6 7 8 9 LO 11 l.长翠；2光缆组，3长焦光管；4.短罩；5.固定圈；6.短焦光管 7.本体；8固定板；9.螺钉M312;10.压阁；11.尾罩；12.插座 13.螺钉MS8;14.调节平台，15.螺钉M48 图5系统二维装配图 Fig. 5 2d drawings of system assembly 2 测量原理及精度分析 2. 1 测量原理 系统工作时，将设备安装在指定位置，跟随高 炮系统瞄准飞行目标。通过电视测量头获取目标 视频图像，经过CCD相机将光学图像转换成图像 数据送给视频跟踪系统时，图像数据经过分析、处 理，目标信号被提取出来，目标的几何参数和脱靶 量被实时测量和分析计算，输出给便携式工控机， 用于图像实时显示和事后判读及资料存档。跟踪 ChaoXing 712 应用光学2011,324 王春艳，等远距离动目标实时测试系统设计 测量的实况在图像监视器上显示出来，供指挥员 和操作人员观察和监视系统运行状态。利用配套 软件可完成视频图像的实时和事后判读，获取并 统计处理“零飞”偏差量。 2. 2 精度分析 2. 2. 1 长焦光学系统精度分析 当J300 mm时，光学系统艾利斑直径 1. 22. rl 1. 220.56 φ。＝2r＝－一一－2f J 50 3008. 2 m 小于CCD像素尺寸。CCD隔行扫描的判读精 度为 , G 匀U γ－－ m 勺’ 户、u nu nu -- nu一 唱EA－ - o po－－，飞 - n u n6 - - nL - -- b 28. 310 3 σY O. 055 mrad 300 2.2.2 短焦光学系统精度分析 当JSOmm时，光学系统艾利斑直径 1. 22. / 1. 220. 56 φ。＝2r＝一宁了－2f 2 D 12. 5 505. 5 m 小于CCD像素尺寸。CCD隔行扫描的判读 精度为 d a m po nL nu -- nu - 一 o phd - Fhd nhu - - n /“- 一一 σ 26.2510 3 σY O. 25 mrad 50 为满足0.2 mrad的精度要求，判读时应采 用细分，如2细分，则 σ.， O. 13 mrad σYO. 125 mrad 即可满足指标要求。 2. 3 探测能力分析 1）当小目标直径DO.34 m，远距L6km, 焦距户300mm时，像点尺寸DfDl.7 10 5mml7m约等于2个像素，加上艾里斑直 径也＝8.2 m，则φ＝178.225. 2 m，接近3 个像素，可以探测。 0.05 焦距／＝50mm时，像点尺寸D＇＝一一0.34 6000 2.810 6 mm2. 8 m，加上艾里斑直径也＝ 5. 5 m，则φ＝2.85. 58. 3 m，约为1.28个 像素，基本可以探测。 2）当小目标直径D 0. 34 m，近距L 。1km，焦距／＝300mm时，像点尺寸Dfo 300 ＝百E0.34103 1020 m，艾里斑直径队＝ 8. 2 m，则φ＝1020十8.2 1028. 2 m，约占像面 尺寸的1/5，可以探测。 0.05 焦距J50 mm时，像点尺寸D’＝一一－ 6000 0.342.810 6 mm 168 m，艾里斑直径队＝ 5. 5 m，则φ＝1685.5173. 5 m，约为27个 像素，可以探测。 3 实测结果 为了检测该测试装置是否满足参数要求，对 测角精度进行了检测，选择经纬仪为测角精度的 测试设备［4］。测量时，调整好光路，同紧夹具，经 纬仪电十字目标及精确的角度值，当经纬仪旋转 一定角度时，读取目标在CCD成像面上移动了几 个像元，得到一个像元代表的角度值，即为该套设 备的测角精度。测得数据如下表所示。 表3焦距50mm镜筒静态测角精度实测数据 Table 3 Results of static angle measurement accuracy of cylindrical tube with 50 mm focal length 方位2 3 经纬仪读数差35 41” 27’9” 39’41” CCD坐标差84 64 92 测角精度σ0. 124 mrad 0. 123 mrad 0. 124 mrad 平均值a3σ＝O. 372mrad 俯仰2 3 经纬仪读数差30’6” 39’15” .[7’51” CCD坐标差70 92 112 测角丰rr度σ0. 125 mrad 0. 124 mrad 0. 124 mrad 平均值/3σ＝O. 372 mrad 结论静态测角精度＜O.4 mrad，满足指标要求 ChaoXing 应川光学2011,32（的主存艳．等远距离动日标实时测试系统设计 713 表4焦距300mm镜筒静态测角精度实测数据 Table 4 Results of static angle measurement accucacy of cylindrical tube with 300 mm focal length 方位1 2 3 经纬仪读数差30’8” 34’59” 36’7” CCD坐标差318 370 381 1日1］角精度σ0. 028 mrad 0. 027 mrad 0. 028 mral 平均值 33σ＝O. 084 mrad 俯仰2 3 经纬仪读数差9’19” 9’39” 8’10” CCD坐标差98 102 90 测角精度σ0. 028 mrad 0. 028 mrad 0. 028 mrad 平均值33σ＝O. 084 mrad 结论静态测角精度＜O.2 mrad，满足指标要求 4 结论 本文研究结果表明光学系统设计合理，符合 项目要求。该系统通过长、短焦切换可实现远近 目标的精确测量。根据实测过程中遇到的问题可 知，对于不同目标，由于其反射波长不同，需根据 具体情况匹配CCD相机与滤光片，才能保证测量 结果的精确度。另外．还特别指出，对于动态测量 系统，一定要保证可调环节越少越好，这样才能保 证系统t作时的可靠性。 参考文献 [1] 杨玉华，龚坚．一种新型的武器系统试验、训练设备 零飞仪试验［J].火力与指挥控制，1991,191, [2] [3] 4 6-53. YANG Yu-hua, GOIG Jian. A new type of weapon system testing, training equipment 0 fly instrument testing [J]. Fire Control . Command Control, 1994, 19 l 16 53. in Chinese with an English ab- stract 朱捷，肖鑫．安振迪．基于零飞测试的高炮武器系 统动态、精度研究［J].兵t向动化，2007,26 5 70-72. ZHU Jie, XIAO Hui-xin, AN Zhen-di. Archibald weapon dynamic track precision based on zero-test [J]. Ordnance Industry Automation, 2007. 26 5 70- 72. in Chinese with an English abstract 王春陷，秦宏字，王志坚．火炮动态跟踪精度测量系 统全数字零飞仪[J］.长春理工大学学报，2004, 274 ,44 48. WANG Chun-yan, QIN Hong-yu, WANG Zhi-jian. The dynamic stable testing and tracking precision system for cannon system full digital O fly instru- ment [J]. Journal of Changchun University of Sci- ence and Technology, 2004,. 27 4 44-48. in Chi’ nese with an English abstract [4] 项树林，徐宁．一种改进的光电经纬仪两站交会测量 方法［J].应用光学，2009,30 1 80-83. XIANG Shu lin, XU Ning. Improved for in tersection measurement with two photoelectric theod- olitcs[J]. Journal of Applied Optics, 2009, 30 1 80- 83. in Chinese with an English abstract ChaoXing