新型精度射擊激光模擬系統設計研究

蘆永軍，曲艷玲，張萍，王麗梅，鄭建洲

（1.大連民族學院光電子技術研究所，遼寧大連 116605; 2.大連光程光電科技有限公司，遼寧大連 116600）

新型精度射擊激光模擬系統設計研究

蘆永軍1，2，曲艷玲1，張萍1，王麗梅1，鄭建洲1

（1.大連民族學院光電子技術研究所，遼寧大連 116605; 2.大連光程光電科技有限公司，遼寧大連 116600）

針對目前激光射擊模擬訓練系統存在的諸多問題，提出了一套新型精度射擊激光模擬系統設計方案。該方案將激光圖像遠距離成像與激光彈著點數字化自動判讀技術結合起來，實現了激光模擬射擊系統的緊湊化及便攜式實用化設計。系統光學設計采用了高分辨率長焦且高攝遠比（1∶2）系統，實現了遠距離靶面圖像信息的實時捕捉與同步數字化。數字圖像傳遞至微機后再經過灰度化、二值化、光斑質心位置提取計算及中值濾波等算法處理，可以消除背景雜散信號干擾影響，同時確定彈著點位置。該系統具有設計方案新穎、原理簡單可靠、精度高、無需專用靶、成本低等優點，具有很大的推廣和應用前景。

激光;模擬射擊;光學設計;圖像處理

百米精度射擊是部隊輕武器射擊的重要訓練科目，直接反映了單兵乃至部隊的戰斗力水平。目前該科目的訓練還主要依靠實彈射擊完成，但是實彈射擊存在成本高、安全性差、效率低等缺點，制約了單兵射擊水平的快速提高。近幾年國內也研發出一些以激光模擬代替實彈的相關研究和訓練器材［1－4］，目前普遍采用大規模光敏二極管陣列組成的電子靶作為激光彈著點接收單元，而該類系統存在成本高、系統構成復雜、線路冗長、抗干擾性差且精度低等固有缺點。本文提出一種全新的激光精度射擊模擬系統設計方案［5－6］，采用了高攝遠比（1∶2）望遠系統遠距離圖像捕捉及同步數字圖像處理技術，整套儀器具有結構緊湊、原理簡單可靠、精度高、無需專用靶、射擊激光源與儀器分離、成本低、操作簡單等諸多技術優勢，更具有大規模推廣使用的前景。

1 系統整體設計方案

采用半導體激光器作為發射光源，利用其體積小、重量輕、響應速度快及光電轉化效能高等優點，可以實現射擊發射器的便攜性和高效性，易于在槍支上裝配且不影響原槍的使用效果。目前激光射擊模擬系統之間主要的區別在于靶面的選擇和彈著點信息的傳遞及提取方式上。電子靶和光電接收靶系統［7］需要進行專用靶設計，激光信號就地接收處理及彈著點信息遠距離傳送至射手位置處，對于百米精度射擊科目無法避免地存在冗長的數據傳輸線路鋪設問題，更無法實現實彈射擊與模擬射擊的快速切換。本方案采用專門設計的高攝遠比望遠系統［8－9］，將百米目標射靶圖像實時成像至數字攝像機光敏面上，然后將數字圖像傳遞至微機進行圖像處理，消除圖像背景噪聲及提取激光射擊光斑位置信號。由于信息的處理全部在電腦上快速完成，實現了無需專用射擊靶的目的，靶面圖像信息提取及處理完全在射手位置處完成，為整套儀器緊湊及便攜性設計提供了可行性。數字攝像機實現了圖像信息的數字化，便于實現彈著點數據快速提取、計算、分析及自動報靶和成績保存等功能，使該激光模擬射擊系統使用更加方便且更逼近于實際射擊情形，使射擊訓練更加科學、高效。

1.1 CCD攝遠長焦望遠系統單元設計

該射擊模擬系統中遠距離長焦望遠系統是至關重要的單元，它必須實現將100 m處1 m×1 m的靶面圖像高清晰地成像至CCD光敏面上，要求在電腦顯示器上可以清晰地看到胸環靶的圖像信息。

設計戰技指標如下:

射擊距離:100 m;胸環靶尺寸:1 m×1 m;靶環線寬:2 mm;分辨率:≥1 l p·mm－1;系統總長:＜200 mm;成像景深:50～120 m。

由于激光射擊模擬系統要求對射擊在靶面上的激光圖像進行實時捕捉和圖像處理，所以首先要求CCD芯片單元具有數據高速采集及傳送性能。然而CCD每幀分辨率與幀頻（fps）參數之間又是制約關系，同時要求每幀圖像的高分辨率及數據傳送的高速性勢必使CCD處理單元成本急劇增加，所以需要在CCD芯片選型上尋求高速采集性能與最低分辨率指標之間的最佳匹配。激光射擊模擬系統要求能夠準確實現實彈射擊的效果，在每分300發的戰斗射速下精確給出每次射擊成績，所以需要選擇幀頻至少大于20（4倍于射擊頻率）幀的高速CCD芯片。經過仔細論證，設計選擇80幀及640×480像素CCD芯片作為最終成像器件。

確定了CCD芯片成像器件后配套光學系統的設計就有了明確的起始點，即像方極限分辨率限制為1 mm/（2×6 μm）=83.33 lp·mm－1。要求在白天射擊時靶面光亮度L=2 000 cd·mm－2的條件下設計攝遠系統的相對口徑D/f，因此CCD曝光時間取標準值t=1/100 s，最低曝光量H為0.1 lx·s，由公式（其中τ為光學系統總透過率，鍍增透膜后可達到0.9）得D/f =0.08=1/12，取相對口徑值大于1/12即可。另外，該攝遠系統要求保證靶面與CCD尺寸的嚴格對應，以確保全部靶面有效圖像信息的利用效率，這將給光學系統焦距f指標的準確實現提出了較高的要求。

（1）對初始化結構焦距進行縮放且設定系統通光口徑，確定系統基本參數（焦距、相對口徑）滿足基本光學設計要求。

（2）將系統總長（TOTR）、有效焦距（EFFL）、光斑半徑（Spot Radius）RMS控制參數、幾何約束條件等建立為評價函數，將成像實際像高（Real ray height）作為視場值，以便精確控制物高與CCD尺寸匹配。

（3）將全部變量（半徑、間隔及玻璃）設置為變量，進行較長時間的Hammer優化，優化過程中觀察各透鏡單元光焦度變化并及時人工干預，使評價函數快速收斂至局部極小值，得到最終設計結果。

1.2 圖像處理及彈著點位置計算

高分辨率望遠系統將靶面圖像清晰成像至CCD光敏面上。從光學上，為提高激光信號的信噪比采用了窄帶干涉濾光技術，以降低背影雜光的影響。CCD芯片及外圍電路實現了光學圖像信息的光電及數字轉化并實時傳送至微機內存中。通過Visual c++編制的圖像處理軟件將內存中數字化圖像進行灰度、二值化及中值濾波算法除噪處理，得到高對比度的激光光斑圖像。對光斑處各象素坐標求和及平均得到質心位置，此即為彈著點坐標。彈著點位置算法提取的計算機軟件工作流程圖如圖1。

圖1 彈著點位置判讀計算流程圖

2 設計結果與討論

經過Zemax優化后得到的光學系統結構圖如圖2。該結構中采用雙膠合正組與三膠合負組的攝遠形式，主平面在光學系統外，可以實現高的攝遠比（1∶2），使系統整體更加緊湊。采用多種光學玻璃的組合可以有效地校正色差。各透鏡合理分配光焦度可以有效地控制初級和高級相差。兩個膠合透鏡組的結構具有簡單緊湊、加工裝調方便且精度高等優點，符合軍用標準。對于CCD成像系統的光學質量評價最方便有效的工具就是傳遞函數，圖3給出了攝遠定焦系統各視場不同空間頻率下的傳遞函數值，從中可以看出，各視場MTF值比較接近且在CCD極限分辨率（83.3 lp·mm－1）處達到0.35以上，滿足光學成像設計要求且有余量，以保證在實際系統加工及裝調誤差下仍給出高的成像質量。按像方達到CCD極限分辨率83.3 lp·mm－1及攝遠系統橫向放大倍率計算，靶面目標分辨率為0.29 lp· mm－1。攝遠系統實際有效焦長為350 mm，工作F/#為7.87，入瞳直徑為45 mm，總長為180 mm。實際裝調好的CCD攝遠系統拍攝的100 m處胸靶圖如圖4，從中可以看出圖像清晰，分辨率滿足使用要求。激光射擊模擬系統主機圖片如圖5。整套系統的設計思路決定了該系統能夠具有高精度、操作簡單、成本低、對使用場地要求低、無需專用靶等優勢，更加實用且可靠。

圖2 攝遠定焦系統光學結構圖

圖3 攝遠定焦系統各視場傳遞函數圖

圖4 攝遠定焦系統拍攝靶面照片

圖5 新型射擊模擬系統樣機照片

3 結論

本文提出了一套新型精度射擊激光模擬系統設計方案，采用攝遠高分辨率長焦攝遠系統，實現了靶面信息的實時捕捉及數字圖像處理，區別于其他射擊模擬系統，具有原理方案簡單可靠、精度高、無需專用靶、成本低、易于推廣等優點，不僅可以應用于部隊射擊訓練，而且可以推廣至警察訓練及民用射擊娛樂等方面。

［1］趙建軍，侯彥東.基于激光技術的高炮射擊訓練模擬系統［J］.激光技術，2003，27（6）:567－571.

［2］閆瑞杰，何小剛，柴婷婷.新型激光無線打靶系統的設計［J］.太原理工大學學報，2006，37（1）:104－107.

［3］黃建軍，余建華，將明，等.自動步槍激光模擬射擊系統［J］.應用激光，2001，21（1）:41－46.

［4］戴炳明，任宏巖，張雛.智能型光電打靶模擬訓練系統［J］.半導體光電，1998，19（3）:197－199.

［5］蘆永軍，曲艷玲，宋敏.高精度射擊激光模擬系統:中國，200710157998.6［P］.2007－11－08.

［6］蘆永軍，曲艷玲，宋敏.高精度激光射擊模擬系統圖像采集器:中國，200720015715.x［P］.2007－11－16.

［7］于慶廣，張曉明，王浩，等.CCD視頻采集系統設計與實現［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）:1365－1367.

［8］高志山.緊湊型內調焦全站儀物鏡設計［J］.南京理工大學學報，2004，28（5）:502－506.

［9］李曉艷，鐘伯亮.內調焦攝遠鏡頭的光學設計［J］.光學技術，2002，28（4）:299－301.

The Research to Newly Precisely Simulative Laser Shooting System Design

LU Yong－Jun1，2，QU Yan－ling1，ZHANG Ping1，WANG Li－mei1，ZHEN Jian－zhou1
（1.Optoelectronic Institute，DaLian Nationalities University，DaLian Liaoning 116605，China 2.Da Lian Optical Path Opto－electronic Co.Ltd，DaLian Liaoning 116600，China）

To overcome the inherent problems of current laser simulative shooting systems，a new type system design schedule of precise shooting training is developed.The long distance laser imaging and automatically digital image processing of laser shooting spot technique are combined together to realize the compact and convenient design target.A high resolution and long focal length telephoto CCD system is designed and used to achieve the purpose of target image acquisition from a long distance and conversion to digital signal simultaneously.The digital image sent to computer is processed by using algorithm of gray－scale transformation，binary image transformation，median filter to obtain the precise position of laser spot coordinate and at the same time to remove the background noise signal.This system has the merits of newly design schedule，simple theory，high precision，no need of specific target，low price，etc.Therefore，the system has a prosperous application and market prospect.

laser;simulative shooting;optical system design;image processing

TB852.1;O439

A

1009－315X（2011）03－0270－04

2011－03－07;最后

2011－03－07

中央高校基本科研業務專項資金資助項目（DC10040120）。

蘆永軍（1976－），男，內蒙古烏海人，副教授，博士，主要從事光學設計與光電檢測研究。

（責任編輯 鄒永紅）