羅經光學方位儀模擬系統設計研究＊

劉敏林 劉伯運

（海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033）

1 引言

羅經光學方位儀模擬系統設計主要目的是為了解決光學方位儀在實際室內模擬訓練時的使用問題。由于光學方位儀在實際航海使用過程中是為了觀測遠距離目標或星體，因此其光學系統為望遠系統，而在室內模擬訓練過程中，是使用近距離視景來模擬遠距離目標，而原有光學方位儀對于近距離視景無法進行觀測，因此，為解決上述模擬訓練中存在的實際問題，設計本模擬系統。

2 系統設計

本光學方位儀模擬系統將為被測試人員提供與真實使用情況完全一致的光學方位儀功能，通過本模擬系統能夠實現觀測水平目標和非水平目標的功能，并且可以配合其它設備［1～3］一起使用，達到準確地顯示出目標的方位角等與真實使用時完全一致的參數目的。

本羅經光學方位儀模擬系統是在原有光學方位儀的基礎上進行改造，使用原光學方位儀的所有機械結構，去除其內部所有光學系統，在其內部安裝新光學系統及視景顯示芯片，并在羅經和反射支架上加裝精確測角裝置，同時增加光學方位儀與主控及視景計算機間的接口，通過主控計算機控制完成模擬真實使用情況的目的［4～6］。

本模擬系統與其它設備配合完成整個模擬系統的室內模擬測試。系統硬件示意圖如圖1所示。

本模擬系統的技術難點是在原有光學方位儀上進行改造，這樣嚴格限制了模擬系統的結構尺寸，使整體設計難度大大增加，主要是光學系統的設計難度增加，在保證原有光學技術指標的同時還要考慮光學系統像面尺寸要與高分辨率圖像顯示芯片尺寸吻合以及結構尺寸。保證光學系統的尺寸不能與其它元器件發生干涉，最主要的是要保證光學系統的成像質量，由于上述多方面的限制因素使光學系統的設計難度大大增加；同時電器元器件的選擇，控制電路的開發設計、機械結構的總體設計等為了盡可能減小尺寸，難度都大大增加［7～8］。

圖1 系統硬件示意圖

本模擬顯示系統由光學耦合系統、動態圖像生成顯示芯片、測角及讀數裝置、主計算機及其實時景象生成系統組成。

光學耦合系統的功能是將圖像顯示單元生成的可見光動態景象準直出射，使人通過羅經光學方位儀模擬系統觀察到清晰的、相當于無窮遠的模擬景象；光學耦合系統的出瞳位置與觀測者的瞳孔位置完全重合，光學耦合系統的出瞳直徑略大于瞳孔直徑，以避免頭部運動時丟失視場，即光學耦合系統的出瞳完全覆蓋觀測者的瞳孔，消除觀測過程中產生的漸暈，模擬真實的使用情況。

動態圖像生成顯示芯片的作用是接收實時景象計算機生成系統的視頻信號，并將視頻信號轉化成可視圖像顯示出來。

測角裝置的作用是測出反射鏡及其支架的角度信息和光學方位儀的方位角信息，并將信號傳送給主計算機。

主計算機及其實時景象生成系統由圖形工作站及相應的軟件組成，利用相應的建模軟件在圖形工作站上建立模擬景象、目標模型及背景干擾，存貯在圖形工作站內。通過實時讀取測角裝置生成的角度生成控制指令，控制模擬視景的相應變化，從而實現羅經光學方位儀觀測視景的模擬［9］。

模擬訓練系統主要技術指標［11］如下：

像元數：800×600

幀頻：60幀

最高對比度：30∶l

灰度級：≥256級

視場：單視場（暫定40°，可根據實際情況設計）

圖像非均勻性＜2%

圖像綜合質量：畸變：＜2%；各種像差彌散：0.3像元；不平行度＜0.1′；

無拖尾現象，無像元漂移；

輸入信號：VGA

工作壽命：＞50000小時。

3 光學系統指標的確定

3.1 耦合系統出瞳距的確定

由于本模擬系統是直接與人眼對接，在綜合考慮機械結構空間、光學設計難度適中等因素后，最終確定光學耦合系統的出瞳距為10mm。

3.2 耦合系統出瞳孔徑的確定

在一般情況下人眼的瞳孔直徑為2mm～8mm，結合本模擬系統的實際使用情況，本系統的出瞳直徑應略大于瞳孔直徑，最終確定本系統的出瞳直徑為10mm。

3.3 耦合系統焦距的確定

耦合系統的焦距與耦合系統的視場角和所選用的顯示芯片的尺寸有關，本模擬系統的視場角為40°（暫定），所選用的顯示芯片的尺寸為0.61英寸，因此本模擬器的焦距f可由式（1）進行計算：

其中，L為顯示芯片的有效尺寸（由于是圓視場，因此有效尺寸為短邊長）；θ為模擬器的視場角。

經過計算本模擬器耦合系統的焦距為12.77mm。

3.4 耦合系統彌散斑直徑的確定

耦合系統彌散斑直徑指標的確定主要取決于所選用液晶屏的像素大小。液晶屏的像素大小可根據式（2）進行計算：

其中，L為液晶屏的有效尺寸（由于是圓視場，因此有效尺寸為短邊長）；H為液晶屏的有效分辨率（該有效分辨率為600）。

經過計算，耦合系統的彌散斑直徑應小于15.5μm。

4 結語

本光學方位儀模擬系統的設計，將添補航海室內模擬訓練中對光學方位儀使用訓練方向的空白［10～11］，使整個訓練過程更加全面，提高整個模擬訓練系統的效能。

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