远距离动目标实时测试系统设计研究.pdf

分类号 I 』业 UDC 密级 编号 一 远距离动目标实时测试系统设计研究 T h es t u d yf o rt h eR e a l t i m eT e s t i n gS y s t e mD e s i g n o fR e m o t eM o v i n g T a r g e t s 学位授予单位及代码篓叠堡王苤生 Q 盟2 学科专业名称及代码堂芏王捏 I Q Q Q Q 研究方向丑垡盘堂堇盔丛王壁应盈 申请学位级别亟 指导教师旦医盈盟究基 研究 生垂羞塑 论文起止时间 Q 盟13 二2 Q Q 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的硕士学位论文，远距离动目标实叫测试系统设计 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名．￡羞蠲址年土月j ￡日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和C N K I 系列数掘库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全都或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者笠名玉邋 翱链名自 卫[ L 年王月巫日 L 年上月笪日 摘要 武器装备动态性能是靶场鉴定、定型试验评定系统的重要战术技术指标之一。现 代武器均装备先进的火控系统，其动态性能指标是射击试验前需要检查和考核的主要 宴验项目，为了对武器装备进行正确考核与评定，研制满足现代测试需求的武器装各 动态跟踪精度测量系统是十分必要的。随着武器性能的不断提高，对试验技术也提出 更高的要求，迫切需要研制新的测试仪器，以便提高稳像精度测试能力．从而满足国 防现代化的需求， 本文设计的实时跟踪测量装置，就是为满足上述需要而提出的。该测量装置采用 两套不同焦距的光学系统对远近不同的目标进行跟踪成像．采用电切换方式及图像处 理技术对目标信息进行实时测量输出．通过调节平台及相应夹具安装在被试品上用 于测量被试品的跟踪精度。本文对焦距为5 0 r a m 和3 0 0 r a m 的镜筒静态测角精度进行了 测试．实测结果表明其精度可以达到王O ，4 r a i l 和≤02 m i f 关键词动态跟踪光学设计 精度分析 A B S T R A C T W e a p o n r d y n a n r i cp r o p e r t yi st h ei m p o r t a n tm c f i c a ／a n dt e c h n i c a li n d e x e sw h i c h 桁 i d e n t i f i e ds h o o t i n gr a n g e f i n a l i z et h et e s te v a l u a t i o ns y s t e mM o d e mw e a p o n sa r ee q u i p p e d w i t ha d v a n c e df i r ec o n t r o ls y s t e m s ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei n d e xi st h em a i ne x p e r i m e n t p r o j e c to f i n s p e c t i o na n de x a m i n a t i o nb e f o r es h o o t i n gt e s t ，i no r d e rt Oc o r r e c t l ye x a m i n ea n d a s s e s s 、d e v e l o ps a t i s f i e sm o d e mt e s tr e q u i r e m e n t so fw e a p o n sa n de q u i p m e n td y n a m i c t r a c k i n gp r e c i s i o nm e a s u r i n gs y s t e mi sv e r yn e c e s s a r y A sw e a p o n st o i m p r o v et h e p e r f o r m a n c et h e t e s t t e c h n i q u ea l s op u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t t h e u r g e n tn e e dt o d e v e l o pn e x At e s ti n s t r u m e n t 、S Oa st oi m p r o v eo i sp r e c i s i o nt e s t i n ga b t i l t 3 ．“ S O 觞t Om e e tt h e n e e d so f n m i o n a ld e f e r i s em o d e r n i z a t i o n T h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no f t h er e a l t i m et r a c k i n gm e a s u r e m e n td “’i c e ．w h i c hi st O m e e t t h en e e d sa n dp r o p o s e sT h e m e a s l 】r i n gd e v i c eu s e s t w od i f f e r e n t f o c a l l e n g t ho f o p t i c a l s ys I e mf o rd i f f e r e md i s t a n c e st a r g e tt r a c k i n gi m a g i n g ．a d o p t se l e c t r i c a ls w i t c h i n gm o d ea n d i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e so ft a r g e t si n f o r m a t i o nf o rr e a l - t i m em e a s u r e m e n to u t p u t ．b y a d j u s t i n gt h ep l a t f o r ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gf i x t u r ei n s t a l l e d i nt e s tp r o d u c ti su s e dt O m e a s u r et e s tp r o d u c tt r a c k i n gp r e c i s i o n 。f nt h i sp a p e r5 0 m ma n d3 0 0 m mf o c a ll e n g t ho f t h e t u b ef o rt h es t a t i ca n g l em e a 5 u R m e n ta c c u r a c yW a St e s t e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d t h a ti t sa c c u r a c yc a nr e a c h s04 m i la n d ≤02 m i [ K e ”t w d s I 、n a m i et r a c k i n gO p t i c a ld e s i g n P r e c i s i o na n a bs i s 摘要 A b s t r a c t 第一章绪论 目录 ，1 引言⋯⋯⋯⋯⋯ 2 羽内外发展现状 ⋯⋯ 3 研究的目的和意义 4 眨艾主要研究内容 ⋯ 第二章跟踪钡4 试系统总体方案 ⋯5 6 2 1 系统工作原理 2 ．2 仪器结构组成及特点 2 ．3 系统功能 2 ．4 主要技术指标 第三章光学系统总体设计 8 ．9 3 1 长焦系统总体设计 1 l 32 短焦系统总体设计⋯ 2 6 第四章机械结构设计及电控系统原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 1 机械结构营溶设计 3 0 4 ．2 主要部件设计 4 ．3 主要零件设计 ⋯ ⋯3 3 4 ．4 设备的安装调试 ⋯ 3 5 45 电控系统原理 第五章精度分析与检测结果 5 1 精度分析．． 5 2 目标可探测能力分析 5 ．3 检测结果 第六章结论 ．．4 4 4 4 6 I 系统关键技术 致谢 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯一4 6 第一章绪论 1 1 引言 军用电子测试设备在武器系统中是不可缺少的重要组成部分，也是所有电子产品， 包括武器设备与整机系统及军用电子元器件科研、生产、试验、维修的基本条件和手 段，在国民、军防中起若不可替代的重要作用“1 。 在对远距离动目标的跟踪测试系统中，通常采用变焦光学系统“’，缺点在于对高 速目标的位置变化反应时间慢，达不到实时测量的目的，且不能进行测角精度测量。 目前t 在对远距离动目标进行跟踪成像时．主要面临以下问题距离远、测量目标小 及目标与背景对比度小“1 。为了解决上述问题．国内也有学者应用光电测试设各进行 远距离动目标实时测试系统设计的，但都是一组光学系统和一个C C D 成像器件，其缺 点在于不能够清晰有效地对不同距离的目标进行跟踪成像“1 。 因此，为了解决上述问题，对应运动目标的不同远近，设计出两套不同焦距、不 同口径的光学系统和C C D 器件，用来完成系统对远距离动目标的捕获、跟踪．并提供 目标脱靶量的实时测量与输出。 12 国内外发展现状 121 国内火控系统精度测试发展情况 目前，国内火控系统精度测试的主要问题是主线的控制情况“’。最早的数字式火 控系统是简易火控系统，它是在停止作战的情况下对目标完成跟踪瞄准和射角装定等 功能的，其特点是将瞄准镜通过夹具安装在被测火炮上．使得瞄准镜与火炮共同运动。 随着科技的日益发展．出现了稳定性能更高的瞄准线，即控制主线发展为瞄准线 和火炮轴线双线瞄准运动目标，如指挥仪式火控系统，其特点是瞄准线安装在火炮控 制系统的前端．可以独立使用．实现了与被测火炮轴线的分离，因此其精度非常稳定。 同时由于火炮轴线跟随瞄准线运动，园此它可在作战或行进时实时地完成跟踪、瞄准 和承担射角装定等任务。指挥仪式火控系统在工作中．瞄准线与火炮轴线由于同时作 用于目标，大大提高了对目标射击的命中率，成为当前火控系统的主要型式之一。在 此基础上，又发展出了两个瞄准线控制系统，分别安装在车长和炮长处，可同时对两 个运动目标进行跟踪瞄准，称之为双指挥仪式火控系统，国外也称为摧．歼式火控系统， 其优点在于扩大了视场范围，提高了反应速度，成为陆战平台武器设备的又一颗光明 璀璨的新星。 伴随着指挥仪式火控系统的蛙展．在计算机图像跟踪处理技术的支持下，进一步 出现丁可自动跟踪运动目标的火控系统，其原理是在瞄准线系统的前端安装一个跟踪 线控制系统，以完成对目标的自动跟踪功能。该系统实现了跟踪线与瞄准线相分离， 是陆战平台火控系统上的叉一次发展．为后来出现的多目标自动跟踪、多目标运动模 型假定及交互式目标信息处理 简称I M M 等功能奠定了技术支持，成为大多数国家 研制新型武器系统的主要参照设备之一，现在日本、以色列等国家己在武器平台上安 装了目标自动跟踪系统。 在高炮系统的精度检测中，高炮的瞄准精度是较为重要的参数之。可供高炮通 用的“零飞测试”系统“1 ，在实弹射击前、后的射弹偏差进行综合分析、分离及排除， 大大提升了整个系统的作战效能。 上世纪8 0 年代末，我国的高炮通用零飞测试系统就采用了先进的电视测量技术和 计算机处理技术，通过大量的试验结果表明，其性能指标完全满足系统试验要求，达 到了8 0 年代国际先进水平．填补了国内空白。 高炮通用零飞测试系统由计算机、长焦距摄像机、视频发射接收机、图像采集卡、 串口通讯接收卡、机械适配嚣、打印机及相应软件组成，如图11 所示。 礼 火炮 印札 创11 高炮通用零飞测试系统图 高炮通用零飞测试系统的工作原理当系统工作时，是在“零飞”状态下火炮随 动火控雷达而进行的目标跟踪。首先调校长焦距摄像机与火炮身管轴线的一致性．计 算机实时监测．并将采集到的火炮“跟踪”目标和火控雷达电视跟踪目标的图像通过 无线发射装置予以输出，得出火控三维球坐标数据．通过比对、评定后即得到火控系 统的综舍误差的圈像。1 。在机械结构妁设计方面，扩大丁产品扰应用范围，即更换不 同1 3 径的连接设各及相应的火控雷达、通讯协议、计算机程序后，就可以对不同的武 器系统完成“零飞测试”。其缺点在于图像的存储采用模拟存储方式，即胶片存储或录 像带存储，使得图像信号的信噪比很低，并且难以长期保存。 1 ．22 国外火控系统精度测试发展情况 ≯美国M 6 0 系列主战坦克的火控系统 1 光学测距仪美国M 6 0 系列主战坦克的火控系统配备有哦设备，用来测量目 标距离，可测量范围为5 0 0 m ”4 4 0 0 m ，其放大倍率为1 0 。，视场为4 ，工作时测距仪与 车长瞄准镜的分划机械连接，且与炮长潜望式瞄准镜同步．车长在测距仪看到的目标 景象与炮长在瞄准镜中看到的目标景象一致且重台后就可测出目标距离，得到的距离 信息向弹道计算机输入”1 。 2 炮长瞄准镜美国M 6 0 坦克装备的瞄准镜依照装备的先后顺序．简介如下 ●潜望式双目昼用主瞄准镜早期装备在M 6 0 坦克上。 主动红外潜望式瞄准镜视场8 。．具有昼用光通道和主动红外夜视光通道．夜 视距离1 0 0 0 m ，并有红外光源氙灯固定在火炮防盾上，红外／白光两用。其单 倍系统用于广角近景观察。8 倍系统用于瞄准远方目标。 ●M 1 0 5 C 辅助瞄准镜 ●铰链式单目望远镜即M 1 0 5 D 瞄准镜．安装干M 6 0 A 1 坦克上，放大倍率为8 ’， 视场7 5 ，分划板适用1 0 5 m m 火炮，与火炮并列安装联动。 M 3 5 E 1 微光潜望式瞄准镜M 3 2 瞄准镜的改进型，微光夜视放大倍率为7r ． 视场为7 i 。夜视通道使用了1 个被动式肘形夜视仪，安装了2 5 r a m 第二代像 增强器该瞄准镜取代了M 3 2 瞄准镜，于1 9 7 2 年开始装备M 6 0 A 1 型坦克。 3 } M 3 6 车长罨／夜瞄准镜 4 车长观瞄镜 M 6 0 坦克早期装备有两具双目潜望式瞄准镜X M 3 4 ，用于白天的高射机枪瞄准 X M 3 6 ，主要用于夜间的高射机枪瞄准。将两者改装后形成了昼夜合一的单目潜望式 M 3 6 车长瞄准镜，视场为8 ，其夜视系统采用主动红外装置，夜视运道放大倍率为8 。， 昼用光通道放大倍率分别为1 。和7 。。 M 3 6 E 1 微光潜望式瞄准镜，均用于取代M 3 6 瞄准镜．于1 9 7 2 年装备M 6 0 A 1 坦克。 其与M 3 6 瞄准镜不同之处在于它将主动红外系统改进为微光夜视系统，采用了2 5 r a m 的第二代像增加器。图12 为美国A N T 生产的双筒夜视仪。 图1 ．2 美国A N T 职简夜视仪 俄罗斯“黑鹰”系列主战坦克的火控系统 俄罗斯“黑鹰”系列主战坦克 图1 ．3 的火控系统装备一种新型的数字稳像式火 控系统，性能上与美国M I A l 主艘坦克的火控系统相当，其战斗能力是许多西方新型 坦克所不具备的。其优势特点如下 ●具备全自动目标跟踪、识别和排序功能； ●车长、炮长均具有独立的全景稳定式可见光／热像仪，具有搜索、发现和指示 目标的能力，在无星光夜晚的有效作用距离可选3 7 0 0 米，一改俄制坦克怯于夜战 的弱点．目前西方晟新型热像仪的水平也不过如此。 使用二氧化碳激光测距机代替掺钕钇铝、石榴石激光测距机．安全性能更高， 且测量距离和穿透距离也更远。 能够精确修『E 活动目标的提前量。使用先进的数字式弹道计算机，根据目标距 离与横向运动速度、自身运动速度、火炮耳轴倾斜角和身管磨损量、外界温度、大 气压力、横风速度以及选定的弹种，计算出弹道参数，并有本机自检能力。 当“黑晦”| 三【4 s 千米／，J 、时的速度高速行进时，主炮和并列机枪依然能对运动 ／静止目标实施有敬攻击，命中率高达8 5 ％。“黑鹰”的车长依然拥有超越控制能力， 即可超越炮长操纵火炮对目标进行瞄准射击。 田1 ．3 俄罗斯“黑霹”主战坦克 1 ．23 跟踪精度分析的现状 动态跟踪精度是靶场武器鉴定的重要战术技术指标之一，传统采用对比法进行试 验，其工作原理为在进行校飞试验时，被试武器与真值测量设备的布站位置、航路、 选定的目标都是事先设计好的，试验中在同步信号的控制下，按照设计的录取时俺】间 隔和数据总量，同步连续地对目标进行测量和数据录取，按照制定的数据处理方案进 行数据处理。最后，分析比较被试武器与真值测量设备的试验数据处理结果，判断武 器系统动态跟踪精度是否合格。设试验方法一般用于雷达动态精度试验中．但其存在 动用人力多、耗时长、难度大、试验效率低、试验周期长等多种不足，在现代化的武 器发展中逐渐被淘汰丁。 过去的靶场测试技术主要应用静志测试仪器，随着科技的发展，成像议别跟踪技 术的成熟，渐渐发展出了动态的测试投器．后者主要依靠高灵敏度、高信噪比的C C D 数字相机以及弱信号实时图像处理技术进行武器系统的动态检测，国内一些单位虽然 研蒂喊功丁火炮跟踪精度的橙测设番，如7 1 6 研究所．但通常采用的是模拟相机、模 拟信道及模拟存储方式，使其检测结果不够精确，同时限制了动态范围，其技术手段 仍然是传统的，不仅数据难以得到长期保存，其后续的数据处理也难以满足现代化武 器测试领域的需要。 根据综台对比．目前零飞仪是检测武器系统跟踪精度的主要仪器，该系统广泛适 用于武器系统的陆上对接联调实验，国家靶场鉴定、定型实验、海上系泊、航行实验 以及日常维护和操作训练等。其不足之处在于只有一套光学系统，对运动目标由远至 近飞行的检测没有达到最优状态。本课题在此基础上，拟设计两套光学系统，利用C C D 成像器件进行实时精度测试，对不同距离的目标进行分别成像观察，有利于提高跟踪 测量的精度，并为后续反馈提供数据，使脱靶量得到及时修正，其应用范围将更为广 泛。 1 ．24 目标识别跟踪系统的现状 在军事上，对目标图像的识别跟踪系统主要有 1 红外目标图像识别跟踪系统 该系统由于能够提供较好的目标与背景的对比度，成像效果较高，在能见度较差 的情况下也可以对目标完成探测和跟踪等任务．具有隐藏性好和抗电子干扰性强等特 点。 2 机载微波雷达系统 一直以来．探测空中目标的主要手段是应用机载微波雷达系统．但由于其工作状 态是主动地对目标进行探测，因而存在隐蔽性差、易受电子干扰等缺点。’。 3 红外热像仪 其工作性质决定丁该仪器能够识别伪装，可以探测远处隐蔽的军事目标和强光干 扰下的目标，其红外辐射与可见光相比具有更强的透过雨、雪、雾及烟尘的能力．并 且能够全天候工作．故而广泛应用于对目标的识别跟踪系统中。 以上方法在军事上都得到了广泛的应用，且普遍应用于夜间侦察瞄准、靶场跟踪 测量系统中，但其都存在能耗大，费用高的缺点“”。因此．在满足实际靶场测量精度 要求的情况下．本课题有针对性地采用可见光波段进行靶场实时测量，经济效益高， 可广泛应用于武器设备的精度分析和调校检验中。 1 ．3 研究的目的和意义 1 , 3 1 研究目的 本课题主要用于检查武器系统的跟踪精度。系统工作时，设备跟随武器系统瞄准 飞行目标并在C C D 上拍摄目标图像。根据所i a 录的时间信息、目标距离信息，计算系 统跟随精度和脱靶量。 该设备具有以下特点 1 1 光学系统具有大小不同的两个焦距和口径，既能为操作人员在目标较远时，观 察到小视场高分辨率的工作状态；又能在目标较近时，提供大的观察视野和视场，对 目标进行仔细观察； 2 用来完成系统对远距离动目标的捕获、跟踪，提供目标脱靶量的实时测量与输 出； 剐为后续反馈提供数据，使脱靶量得到及时修正 4 数据能够实时录取、储存视频图像 5 设备使用方便、性能稳定、教费比高，并且满足通用性要求，扩大了测试设备 的应用领域。 1 ．32 研究意义 现代战争对武器系统提出丁更高的综合作战要求．进一步提高其自动化和智能化 程度、提高首发命中率和远距离目标打击能力，是世界武器系统的趋势。动态跟踪精 度的分析，是武器系统指标体系的重要指标之一，直接体现武器系统对目标的打击精 度。因此．对武器系统的跟踪精度的分析，有利于提高武器系统的作战效能，满足国 踌现代化需求。 本课题能够用于检查武器系统的跟踪精度并实时修正脱靶量，保证武器系统各参 数状态的稳定可靠．具有机动性能和良好的电磁兼容能力，通用性强，效费比高，这 对实际的工程项目具有重要的意义。 1 ．4 论文主要研究内容 1 总体方案的确定 根据技术指标及功能要求，确定系统的组成．给出光、机、电的总体设计方案。 根据总计设计方案，对各部分进行具体设计。 2 光学系统的总体设计 包括作用距离的确定，是以光度量为标准，要求达到焦平面上目标的光照度大于 探测嚣需要的最小照度，同时目标和背景在焦平面上照度的对比度大于信号处理要求 的塌小对比度C C D 相机的相关参数确定、分析；与C C D 相机配合使用的光学系统设 计、像差分析。 3 光学元件的机械结构设计及夹具设计 长焦、短焦光学系统安装在同一壳体内．保证了两光轴的平行性。壳体连接调节平 台，调节平台上设有微调机构．可完成方位、俯仰的调节，方便在打炮测试时的炮轴 线与光轴的平行性调节。 4 仪器相关电控系统的分析 5J 精度分析 考察艾利斑直径是否小于C C D 像素尺寸及测量精度是西满足测角精度要求，及相 关指标的检测。 第二章跟踪测试系统总体方案 2 ．1 系统工作原理 该测试仪器主要由光机系统 由长焦镜头、短焦镜头及相应的C C D 数字相机、光 阑、机械外壳等部件组成 、图像处理系统和控制计算机构成。当测试不同的被试品时， 可更换不同的安装夹具，将电视测量头固定在被试品上，实时记录动态目标的跟踪视 频詹号．对视频信号进行处理，得出被测系统的瞄准误差，测试结果可以作为评定被 测系统战技指标的依据。 仪器工作时．跟随运动载体瞄准运动目标，通过光学系统及C C D 相机获取目标视 频图像，经过C C D 相机将光学图像转换成图像数据传输给视频跟踪系统。视频跟踪器 及高速数字图像处理单元主要以数字信号处理器为核一O ，用来完成系统对远距离运动 目标的捕获、跟踪．并提供目标脱靶量的实时测量与输出。当运动目标通过视场时， 系统立刻捕获目标，并给出目标图像的脱靶量，使系统转入稳定跟踪，运用图像处理 技术将目标的几何参数及目标脱靶量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。操作人员可通过图像监视嚣观察到系统运行 的状态。利用配套软件可完成视频图像的实时和事后判读，获取并统计处理系统偏差 量t l J IQ 系统组成示意图如图2 1 所示．内部结构框图如图2 ．2 所示。 斟2 1 组成示意幽 一 图2 ．2 内部结构框图 2 ．2 仪器结构组成及特点 本洲试仪嚣由长焦光学系统、短焦光学系统及相应C C O 相机、机械外壳及调整机 构构成，该仪器具有以下特点 1 1 长焦光管、短焦光管 为了提高瞄准精度，且具有较大视场．该设备设计有长焦光学系统和短焦光学系 统，长焦光学系统主要完成瞄准，短焦光学系统则是为了扩大视场范围。两光管安装 在同一壳体内，短焦光管设计有偏心光轴调节机构．以保证长焦、短焦光轴一致性。 2 光阚和光学密度盘 光阑、变密度盘和彩色滤光片是此设备的备件，它们分别利用螺纹连接安装在物 镜框上，用于改善目标和背景的对比度，可以满足晴天、阴天及灯光、月光下C C D 的 光能量调节范围，使图像更为清晰。 3 1 光楔部件 在长焦光管物镜框上装有双光楔镜，作为方位与俯仰的徽调机构，校正长焦光管 舶零位瞄准。在连续工作中，目标产生微小位移时，用该双光楔随时加以零位校正。 4 1 夹具 设各通过燕尾结构与共具相连接。夹具结构采异i 取半圆铝制多点接触、螺钉夹紧 方式与被试品相连．在较大冲击下不易松动。 5 方位、俯仰调节平台 设备固定在可调平台上，平台连接燕尾槽及燕尾制紧手轮．方位、俯伸调节手轮e 旋动方位、俯仰手轮．使光轴与被试品轴线平行．并用手轮内轮制紧。 该设备在使用中，可随时完成方位与俯仰的调整，这是其它检测瞄准精度仪器所 不具备的功能。 6 1 制紧手轮 为了确保设备与夹具反复安装的一致性和零位精度 轮结构。手轮右旋制紧，左旋松开，并有制紧阻位螺钉 可确保每次安装零位的一致性。 特别设计了可调制紧力的手 当操作者使用而同旋紧力时． 手轮上有4 个制紧螺钉，松丌制紧螺钉．转动手轮凸块位置，可调整燕尾槽的锁 紧力。 7 } 水准泡 光管壳体上方安装水准泡．当设蔷固定在大炮上蚍后，可依据水泡指示来转动夹 具，使光轴和大炮轴线水平。 2 ．3 系统功能 ≯具有视频图像录取功能 通过电视测量头获取目标视频图像，经过高速数字图像处理器处理后．采集并存 储到僵携式工控机中，便于事后处理及资料存档。 具有误差提取、处理功能 利用配套软件可完成视频图像的实时低精度和事后高精度的判读，获取并统计处 理偏差量。 具有接收绝对时及标记时戳功能 可利用自备的授时型G P S 对视频图像及误差数据进行时戳标L 己。 具有自检功能 在实验室条件下，可利用自检程序对设备及相关软件的功能正确性进行检查- 具有零位误差修正功能 可通过用户界面装定修正量，对标定误差进行修正- 2 ．4 主要技术指标 测量精度 々f ’ 3 0 0 r a m ，静态测角精度氏。≤02 r a i l 々f ’ 5 0 r a m ，静惫测角精度氏。曼0 ．4 m i l 。 作用距离 在能见度不小于最大作用距离的条件下，作用距离为 夺对大目标I k m ～1 0 k r a 夺对小目标l k m ～6 k i n 。 ≯视场角 夺， 3 0 0 m m 时，水平方向2 12 垂直方向≥0 ．8 9 9 审f 5 0 r a m 时，水平方向 - 5 ；垂直方向≥3 ．7 5 ‘。 判断频率 々实时25 加； 审事后2 5 f r o - 连续录取时间 审视频信号连续录取时间 _ l O m i n 。 第三章光学系统总体设计 光学成像系统的性能对最终成像效果的影响是相当重要的，拥有一套优秀的 光学成像系统对于成像的意义绝不亚于图像传感器的选择。因此，成像效果主要 取决于光学系统的设计和C C D 相机的选择。本章将就光学系统设计、C C D 相机选择等 方面进行论述。 需要指出的是．对远近不同距离的目标进行跟踪成像，国内外普遍使用的是变焦 光学系统，就是通过镜片移动柬放大与缩小需要拍摄的景物，光学变焦倍数越大，能 拍摄的景物远近的范围就越大．由于焦距不确定，无法测试测角精度．故普遍应用于 观察系统中“”。然而，本系统指标要求检测被试品的跟踪精度，需要计算测角精度， 这时就要用到定焦系统。因此，需设计两种不同焦距的光学系统，称为长焦光学系统 与短焦光学系统，分别完成对不同距离目标的跟踪成像。 3 1 长焦系统总体设计 长焦光学系统是对远距离目标进行跟踪成像的光学系统，在实际应用中t 主要应 用于对远距离目标进行跟踪测试，由于焦距较长t 故测量精度较高。 3 1 1 长焦光学系统C C D 相机的选择 系统工作时，被测物体反射光线传播到光学系统，经物镜成像在C C D 器件的靶面 上，C C D 根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信 号．经过滤波、放大处理，通过摄像头的输出端子输出- - 4 、标准的复合视频信号，此 信号经放大和二值化处理后送入微机．再由微机进行数据采集与处理，最后由液晶显 示器输出检测结果。其光电成像系统原理图如下图31 所示。 【鲨H 鏊H 墅H 堕叫鳖H 哥塑H 里I 幽3 1 光电成像系统原理图 由以上原理分析可以看出，成像系统和C C D 器件之间的匹配直接影响者图像的质 量，因此对于光电系统和探测嚣之阳】的匹配的研究是当前光电成像系统研究的一个重 要课题。本章将对成像系统和C C D 选择问题从以下几个方面进行综台分析、考虑。 3 ．1 1 1C C D 灵敏度分析 通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敬度。若一辐射源的发射强度为，，并 在大气中传播，由于大气的散射和吸收，则距离辐射源为月处的辐照度￡，可按平方 反比定律计算“”。 e 吼寺帆⋯ 。“ 式中旷T大气透射率 总小于1 。 大气透射率丁。是很多变量的参数，本文主要考虑水平路程和水平能见度的影响 在晴朗条件下，太阳高角6 0 ，则此时靶面照度E 为 f D l 。渺”“。4 。亏j 32 式中地面照度一E l0 2x 1 0 ‘h 目标反射系数一p 20 ．8 ； 物镜相对孔径号2 物镜透过率一“。o9 ； 大气透过率一r 。。 将参数代八．则靶面照度E 可简化为 E 5 1 0 t a h 33 由公式 33 可以得到下表 表3 ．1 靶面照度参数表 3 1 12 C C D 像面参数分析 c C D 像面尺寸与视场角的大小有关，本系统指标要求长焦镜头视场角水平方向 2 I2 垂直方向≥0 ．8 9 。 同时，C C D 的像元尺寸、像元分辨率与测量精度直接相关。 设成像系统的放大率为卢，根据几何光学成像理论t 则有 卢 { 幅4 ’ 式中为l 被检测物体的大小．Y 为其像的大小。由于，不能大于C C D 的有效光敏 元最大长度，囡此有， 37 5 。的指标要求。 3 ．224 Z E M A X 光学设计 在莳面章节中，已就项目所要设计的光学系统总体结构和主要参数做了详细的分 析，得出光学系统的结构形式和初始结构参数。在这节中．将根掘系统的外形尺寸计 算的结果进行像差设计．评价像质．以小像差互补原刚和系统可行性为主要设计思路。 “””啦叭o } i 得出短焦光学系统优化后的结构参数表如表3 ．1 4 所示，光学系统结构图、像差曲 线图分别如图3 ．1 3 、3 ．1 4 所示。 袁3 ．1 4 焦距为5 0 r a m 的光学系统结构参数表 1 、双胶物镜2 、* 像差副鸯月女镜3 、c ∞成像面 图3 1 3 焦距5 0 r a m 光学系统结构图 幽3 1 4 焦距5 0 m m 光学系统点驯圈、传函、球差、场曲曲线圈 3 ．23 分辨军和调 4 传递函数的关系 川视翩定姚慨2 笼丧 导篙一。嘶 即在M T F 曲线上，用人眼视觉闽画一水平线，和M T F 交点对应的空间频率即为光 电系统的分耕率。 由表31 0 可以看出，在分辨率为4 0 线对／r n m 时，不同的物体对比度对应的M T F 值均大于0 , 0 2 6 ，故光电系统可咀分辨4 0 线对／r a m ，其对应分辨率为 ”了靠2 二3 0 0 x 4 0 2 0 ．0 8 3 m 倒 3 2 1 即对于，。㈣3 0 0 的长焦系统可以满足角分辨率小于02 m r a d 的指标要求。 由表3 ．8 可以看出，在分辨率为7 0 线对／m m 时，不同的物体对比度对应的M T F 均大干0 ．0 2 6 ，故光电系统可以分辨7 0 线对／m m ，其对应分辨角为 ”了靠2 j i 靠。0 2 8 6 ”耐 2 2 即对于f t 5 0 m m 的短焦系统可以满足角分辨率小于0 ．5 m r a d 的指标要求， 3 ．24 彩色瘟光片 仪器跟随炮管共同运动，追踪拍摄天空或海洋上空的飞行目标．由于大气环境和 海平面等目标背景的不同，为了能够更加清晰的观测到目标，需要在光学系统中加八 连续衰减器和彩色滤光片，用于改善目标和背景的对比度“”叫“1 。彩色滤光片如图3 , 1 5 所示，本仪器一般采用黄色滤光片进行海洋环境目标的跟踪捕捉。 ●⑨ ■■ 、／。。。一 目3 1 5 彩色滤光片 第四章机械结构设计及电控系统原理 机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关 系实现的。本章节是在总体设计的基础上，根据原理方案．确定结构件的材料、形状、 尺寸、公差、热处理方式和表面状况，并绘出具体的结构图，以体现所要求的功能。 在设计上，力求统筹兼顾，提高产品质量．满足强度要求．形态简单统～，尺寸比倒 协调，造型美观。 4 ．1 机械结构总体设计 根据系统的功能要求，仪器采用长焦、短焦双简结构．此双筒安装在同一机体之 上，将机体固定在调节平台上，与被试品通过夹具连接，可根据使用要求随时更换拆 卸。该机械结构设计有利于 1 保证各光学零件位置和间隙的准确性 2 通过精密调校两个平面反射镜的位置和方向，保证各折转光路的光轴一致性； 3 保证光学零件的同轴一致性； 4 ～体化的结构设计，有利于保证系统实现各项环境条件的要求- 根据以上分析，仪器主要由壳体、长焦光管、短焦光管、调节平台、夹具等部件 组成。总体装配囤如图4 ．1 所示。 3 二 1 长焦镜草2 瓠螺镕≈3 ％ 光管4k 光管5 R 件5 尾罩7L 晦扳8 调节蟒钉9 T 底板l o 尾裆 删4 ．1 总体装配蹦 4 ．2 主要部件设计 42 l 长焦光管 如图42 所示，长焦光管由物镜框、镜罩、镜筒、C C D 相机组成。光学系统装在镜 框内构成长焦物镜，C C D 直接装固在镜筒上．转动物镜框t 可实现无穷远像面的位置 调整。长焦光管与总体壳体用螺纹连接。并可调正C C D 像面。 1 镕罩2 镜筒3 ．C C D “机 图4 ．2 长焦光管装配圈 ／ i 物镜框2 Ⅲ嘲3 n i 脏物镜4 蝶钉M 2 x 4 5 龋嚼6 女镜7k 镜管8 固定嘲9 螺钉M 2 5 1 。线扳1 1 “。相 m 1 2 l U 缝 圈4 ．3 长焦光管二维装配凹 4 ．22 短焦光管 如图44 所示．由偏心镜框、偏心圈、镜筒 在偏心镜框内。在物镜框和光营中装有偏心套， 移．宴现与长焦光管光轴的平行性调整。 C C D 相机、镜罩组成。光学系统安装 转动偏心圈和偏心镜框，可使光轴平 4 1 镜罩2 镜简3 ．C C D 机4 线镕板 幽4 4 短焦光管装配图 l 短棒镜框2 №陶3 偏。嘲4 堆刚s 日脏台透镜6 物镜框7 隔离8 透镜9 女嘲1 0 C C D 相札1 1 电攫 图4 ．5 短焦光管二维装配图 423 壳体 长焦光管、短焦光管、C C D 相机、电路板、内电缆全部装入密封的壳体内。如图 46 所示。壳体采