CCD立靶密集度測量精度分析

黃士亮，丁　璐，王李笛

(1.中國人民解放軍92941部隊94分隊，遼寧 葫蘆島　125000；2.中國科學院西安光學精密機械研究所，西安　710119；3.西南大學 物理科學與技術學院，重慶　400715)

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【裝備理論與裝備技術】

CCD立靶密集度測量精度分析

黃士亮1，丁璐2，王李笛3

(1.中國人民解放軍92941部隊94分隊，遼寧 葫蘆島125000；2.中國科學院西安光學精密機械研究所，西安710119；3.西南大學 物理科學與技術學院，重慶400715)

針對立靶密集度對武器系統性能的重要性并基于CCD立靶密集度測量原理，對CCD立靶坐標測量精度進行仿真分析，推導出密集度測量的相關計算公式。對密集度測量精度進行了分析，提出了提高設備測量精度的技術措施。

CCD立靶；密集度；精度分析

立靶密集度[1]是表征射擊精度的重要指標，是試驗鑒定的重要內容。隨著裝備技術的發展，密集度越來越高，傳統木板靶測量手段從測量精度和實時性均不能滿足試驗鑒定的需求。

CCD立靶采用光電測量技術，可以實現彈著點坐標、密集度、彈序、發射率的快速、精確測量，采用該技術是解決密集度試驗數據測試實時性和提高測量精度的有效方法。CCD立靶[2]的測量精度直接關系到試驗數據的真實性，是正確、科學給出試驗結論的重要依據。為保證研制設備的測量精度必須研究誤差組成，分析誤差糾正方法，有針對性的提出精度保證方案和對策。

1　CCD立靶測量原理

1.1坐標測量

CCD立靶測量系統對于彈丸著靶的坐標測量是基于交會測量工作原理實現的。CCD立靶測量系統由在同一基線上布設的兩臺安裝有線陣CCD相機的儀器組成[3]。利用兩臺線陣CCD相機相對向上仰起一定的角度，視軸相交且與基線共面，在空中交會出一個平面共視區域，形成光學立靶。當彈丸渡越靶面時，兩臺相機會分別記錄下彈丸的位置信息，進而可獲得彈丸的著靶坐標。如圖1所示。兩臺相機分別位于A、B兩處，相對仰起45°，A、B連線稱為基線s，靶心距基線高度為h。兩臺線陣CCD相機視軸AO、BO交于O點，兩臺CCD相機的視場交會形成空間靶面[4]。

圖1　CCD立靶坐標測量原理圖

在靶面平面內，以點O為坐標原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，射向為Z軸。系統工作時，通過炮口信號觸發兩臺CCD相機同步記錄彈丸過靶坐標。當彈丸渡越靶面時，彈丸分別成像于兩臺相機的CCD光敏面上，然后將包含目標信息的信號傳送到測量系統的前端機內進行數據處理。由于彈丸具有一定的彈徑，根據數字圖像處理算法，提取彈丸圖像的中心作為彈丸過靶的著靶點。在靶面上對應的著靶點記為點P。

P點對兩臺CCD相機的仰角分別為α、β；則P點在XOY坐標系中的坐標可由式(1)、(2)給出。

(1)

(2)

1.2密集度

立靶密集度測量就是通過射擊試驗,獲取彈丸散布坐標,采用數理統計方法,得到射彈散布誤差和散布中心。如圖2所示,立靶密集度就是一組目標著靶散布圍繞散布中心的密集程度[5]。

圖2　彈丸著靶散布示意

彈丸散布偏差[6]用E表示,以長度單位計量,它是射擊密集度的一種標志量。對某散布軸偏差的大小,表明目標對該散布軸集中或分散的程度。彈丸散布偏差小,射彈密集；彈丸散布偏差大，則射彈分散。彈丸散布偏差除以射程Z,以角度的形式表示立靶密集度,即高低散布密集度:Ex/Z(rad)；方位散布密集度:Ey/Z(rad)。

得到彈丸著靶坐標后，可進一步進行密集度計算。設試驗組數為m(i=1,2,…,m),每組試驗發數為n(j=1,2,…,n)，每發彈的坐標用(xi,yi)表示。則本組平均彈著點坐標為

(3)

(4)

可得到本組射擊密集度(彈丸散布偏差，均方差)：

從已加固的兩種方案比較看，渡槽采用碳纖維補強加固處理涉及的工程內容相對較少，工程施工專業技術要求雖高，但復雜程度略低，對原渡槽結構損傷較輕，施工工期較短，工程規?？煽?，投資較少，獲得處理效果較好。

(5)

(6)

整個試驗的射擊密集度：

2　CCD立靶測量精度分析

2.1坐標測量誤差

CCD立靶彈丸著靶點坐標測量誤差主要由基線測量誤差和系統測角誤差構成[7]。根據誤差獨立原則，依式(1)、式(2)可得出CCD立靶坐標測量誤差為

(9)

(10)

圖3　全靶面坐標測量誤差

2.2密集度計算分析

由于射擊散布服從正態分布，根據密集度計算式(5)、式(6)，計算彈丸散布的均方差即密集度。這里首先對x方向進行分析。

用ΔEx表示密集度增量，它有n個變量，對于每一個xj它有一個對應的測量誤差Δxj，由多元函數增量算法可得：

(11)

由式(5)對xj求偏導并代入式(11)，可得：

(12)

(13)

依據柯西不等式，則有:

(14)

同樣可得：

結合設備研制經驗，同時考慮到實際使用條件及環境影響，對理論計算結果取誤差放大系數K=3，則4 m×4 m靶面密集度測量誤差： ΔEx<10 mm，ΔEy<10 mm。

3　影響測量精度的關鍵因素及相關對策

從前述分析計算可以看出，密集度的精度主要由坐標測量精度決定。系統的坐標測量是基于交會法完成的[9]。交會法測量的數學表達式在幾何光學范疇，是一種完善描述，不存在原理誤差[10]。那么，影響測量誤差的誤差源僅為公式中的各個參量，具體為系統設備兩個CCD線陣相機系統的光軸指向角α、β，交會角γ(γ=180°-(α+β))，兩相機間距離S等；也就是說，誤差主要來自α、β、S的貢獻[11]。

其中光軸指向角α、β的精度由儀器的視軸晃動誤差、傾斜誤差、裝調誤差及線陣相機讀數的量化誤差、鏡頭畸變誤差等決定。視軸晃動誤差、傾斜誤差及裝調誤差由儀器在加工、裝配及調試中產生；線陣相機讀數的量化誤差與選用線陣相機的像元數及配置的光學鏡頭的視場有關；CCD立靶采用的鏡頭一般視場都比較大，鏡頭均存在一定的畸變，可以通過校正的方法消除或減小畸變，滿足系統要求，校正時使用的儀器裝備本身存在穩定度和測量誤差等，進而會影響畸變校正的結果，產生畸變校正誤差。

提高測量精度的關鍵措施是：

1) 優化儀器機械結構設計，改進工藝，提高零部件的加工、裝配精度，滿足使用要求；

2) 滿足要求及條件允許時，保持光學鏡頭視場不變，選用像元數更多的線陣CCD相機，可以有效減小線陣相機讀數的量化誤差，提高測量精度；

3) 提高相機間距S的測量精度。

4　結束語

本文所述的精度分析及提高測量精度的措施，已成功應用于研制的多套CCD立靶測量設備中。該方法對于CCD立靶測量系統的進一步研究具有實際參考價值，提供了可供借鑒的方法和經驗。

[1]王苗，李華．CCD立靶測量系統捕獲性能研究[J].光子學報，2009，38(6)：1539-1542.

[2]王苗，徐瑋．CCD立靶彈丸攻角測量[J].光電工程，2011，38(9)：30-34.

[3]王寶元，衡剛，等．火炮立靶密集度測量方法[J].測試技術學報，2011，25(6)：529-535.

[4]張玲霞，馬彩文，等． 靶場光電經緯儀多臺交會測量數據的一種處理方法[J].測繪學報，2003，32(2)：139-142.

[5]劉同現,宋衛東,宋丕極,張玉榮.線陣CCD用于飛行彈丸攻角測定的研究[J].光電子技術，2002,22(4):228-230.

[6]王寶元,衡剛,周發明,吳會民.火炮立靶密集度測量方法[J].測試技術學報,2011,25(6):529-535.

[7]毛英泰.誤差理論與精度分析[M].北京:國防工業出版社,1982:24.

[8]蔡逸群.高射頻武器彈著點坐標測量系統的研制[D]．南京:南京理工大學，2011．

[9]王向軍,韓雙來.彈落點坐標測量系統的快速校準方法及精度分析[J].光學精密工程,2005,13(6):686-690.

[10]武江鵬，宋萍，郝創博，等.多彈丸時空散布參數測試方法仿真研究[J].兵工學報，2015(10):1967-1974.

[11]張淑琴.空間交會對接測量技術及工程應用[M].北京:中國宇航出版社,2006.

(責任編輯周江川)

Accuracy Analysis of CCD Vertical Target Dispersion Measurement

HUANG Shi-liang1,DING Lu2,WANG Li-di3

(1.Department 94 of the No. 93941stTroop of PLA, Huludao 125000, China;2.Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics of Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China;3.School of physical Science and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China)

On vertical target density of the importance of performance of weapon system, and based on the measurement principle of CCD vertical target, we analyzed the measurement precision of the position of the system, and deduced relevant formula about dispersion measurement. The measurement precision of dispersion was analyzed. According to the analysis accuracy of the result, we put forward the technique measure the of improving the measurement accuracy of equipment.

CCD vertical target; density; accuracy analysis

2016-03-16；

2016-04-08

黃士亮(1968—)，男，高級工程師，主要從事武器裝備試驗與鑒定研究。

10.11809/scbgxb2016.09.007

format:HUANG Shi-liang,DING Lu,WANG Li-di.Accuracy Analysis of CCD Vertical Target Dispersion Measurement[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(9):28-31.

TJ206；TP202

A

2096-2304(2016)09-0028-04

本文引用格式：黃士亮，丁璐，王李笛.CCD立靶密集度測量精度分析[J].兵器裝備工程學報，2016(9):28-31.