基于加權平均算法的線陣CCD三角定距研究

霍麗鵬,劉曉科

(西安機電信息技術研究所， 西安 710065)

1 引言

巡飛彈集無人機與彈藥優點于一身，既能執行偵察監視任務，又具備自主攻擊的能力，在戰爭初期承擔摧毀或壓制敵軍防空系統和輕型裝甲車輛等任務，是一種高科技武器系統。較低的研制成本使它成為當前靈巧彈藥裝備的研究熱點之一。在現代戰爭中激光近距探測以其優越的性能發揮著越來越重要的作用,激光近炸引信遂成為近炸引信三大體制之一。三角夾差定距是激光近炸引信常用的定距方法，目前國內外利用該方法實現近距離測距已有較高的成熟度。在巡飛彈武器系統中搭載激光近炸引信，可以起到適時引爆戰斗部的重要作用，而起爆時機直接影響了對目標的毀傷效果。目前國內外巡飛彈機載傳感器的研究主要集中在調頻連續波雷達和毫米波/紅外成像技術等方面，而三角夾差激光測距引信在要求定距距離較小時應用較多。由于三角夾差激光定距對激光發射系統和接收系統的基線距離有一定的要求。在定距距離大于20倍基線距離的條件下應用的公開報道的較為少見，這主要是由于彈的外型尺寸限制。因此對小基線探測技術更有待深入研究。本研究中提出一種利用目標散射回波光斑質心識別算法來提高線陣CCD三角夾差定距精度的方法，對應用于小彈徑中需要大距離定距的激光近炸引信的定距起爆控制精度有一定的提高作用。

2 定距方法及光斑質心位置求解分析

三角夾差定距是利用發射系統發散視場與接收視場在探測空間形成的類似菱形區域完成測距或定距。隨著發射系統光軸與接收系統光軸之間的基線距離的減少，探測空間形成的類似菱形區域被拉伸，面積增大，其定距誤差將逐步增大，最終導致無法定距。激光近炸探測系統原理如圖1所示。

圖1 激光近炸探測系統原理示意圖Fig.1 Light path diagram of triangulation

圖1中：為發射與接收基線距離；為三角夾差區域長度；為收發光軸的夾角。由圖1可以看出，用CCD作為接收器件的夾差定距實現了對探測空間菱形區域的像元細分，不同像元視場與發射視場在空間菱形區域內交會在不同位置，實現了定距范圍內的距離分割。從定距角度來說，希望像元在整個菱形區域內分布曲線越接近線性越好，但實際結果并非如此，距離越遠定距精度越低。

基于線陣CCD像素細分定位算法有很多種，其中質心求解是一種比較普遍的應用方法。傳統的質心算法也有多種類型。對于小基線條件下的激光近炸引信線陣CCD定距而言，加權平均算法更有利于提高定位精度。依據激光三角定距系統的定距原理，系統在激光光束的發散角、接收視場角、激光發射和接收部件空間位置確定后，其定距空間的三角區域便已確定，像元位置對應的測試距離也隨之確定。通過對線陣三角夾差光路的分析可以看出，在近距離條件下，單位距離長度內參與空間劃分的線陣CCD像元數量多，定距分辨率和精度比相對距離遠的區域高。距離越遠像元覆蓋區域越大，定距精度隨之下降。

用于引信的激光三角測距或定距系統由于受到空間尺寸、測量時間等的嚴格限制，無法通過改變硬件進一步提升精度。在基線距離確定后，通過對像元的分布計算可知，在定距距離小于20倍基線距離時，其定距精度容易控制，能夠滿足定距離精度要求。當定距距離大于20倍基線距離時，像元分布比較少，特別是在40倍基線距離的位置，這種靠像元位置進行定距的方法有較大的偏差1個像元，依據目前CCD探測器的分辨率和像元尺寸，由此帶來的相對距離偏差達到8%的水平。例如：要求的最大定距距離在6 m時，在該距離處的距離偏差達到0.48 m。對激光引信而言，這難以滿足要求高精度炸點控制的應用場合。

為了采用現有的圖像分析軟件對不同算法的定距精度進行分析，并便于直觀地觀察和測量，采用成像分辨率和所使用的線陣CCD相同的面陣CCD成像器件對基于激光三角測量的探測系統的回波光斑進行二維成像，并抽取位于面陣器件中心一行的數據進行分析。測試中，分別對0.5 m、3 m、5 m三個距離點的光斑按照加權平均算法對波形中心進行光斑的質心求解算法仿真，仿真結果如圖2—圖4所示。

圖2 目標距離0.5 m時光斑質心的仿真曲線Fig.2 The situation of spot centroid at target distance is 0.5 m

圖3 目標距離3 m時光斑質心的仿真曲線Fig.3 The situation of spot centroid at target distance is 3 m

圖4 目標距離5 m時光斑質心的仿真曲線Fig.4 The situation of spot centroid at target distance is 5 m

從仿真測試的結果可以看出，采用光斑質心求解算法在0.5 m和3 m距離具有較高的精度。在5 m距離處計算所獲得的光斑質心位置和實際情況存在明顯偏差。

3 基于加權平均算法的CCD三角定距方法

3.1 加權平均算法分析

原理分析結合仿真結果表明在3 m以下2種算法的差距不大，但在定距范圍的遠端，由于CCD像元的分布不均，越遠越稀少，所以各個像元應該具有不同的權重系數。采用加權平均的方法可以縮小這種CCD分布不均帶來的誤差。根據激光引信距離60倍。在這樣的條件下，對于質心位置求解方法分以下2種情況討論：

1) 對于測試距離小于20倍基線距離的情況，通過對回波信號數字化后，找到波形的最大值(對應像元為)，見圖5所示，其質心位置求解方法

圖5 測試距離<3 m的光斑質心曲線Fig.5 The solution of the spot centroid with a distance <3 m

=(+)2

2) 對于測試距離大于20倍基線距離的情況，通過對回波信號數字化后，找到波形的最大值(對應像元為)，其質心位置求解方法

=·+·+·+

·+·

其中：、、、、為加權系數。

加權系數的取值依據不同的系統不同，與系統的具體設計參數有關。針對具體的線陣CCD三角定距系統，為獲得加權系數的取值，采用相同分辨率、相同光敏單元尺寸及間距的面陣CCD進行等效試驗，以決定加權系數初始取值，然后在線陣CCD三角定距系統中，對加權系數進行微調，使定距精度達到最佳。在具體的線陣CCD三角定距系統中，給出的一組加權系數典型的取值：

=10,=10,=20,

=30,=40

采用該組數據，對算法效果進行驗證，結果如圖6所示。

圖6 測試距離>3 m的光斑質心曲線Fig.6 The solution of the spot centroid with a distance >3 m

3.2 定距實時性分析

采用CCD器件作為接收端時，曝光(積分)時間越長，輸出的回波信號也越強。由于面陣器件幀輸出時間過長而不能滿足系統實時性要求，故在定距系統的接收端采用線陣器件。在回波信號信噪比為3 dB條件下，線陣CCD一幀輸出時間約為850 μs。

激光近炸引信定距系統安裝完成后，對線陣CCD的像元與測試距離進行標定，依據標定值來確定光斑幾何中心對應的像元位置，建立定距系統的像元與距離對應關系。然后將距離-像元對應關系寫入引信信號處理器的存儲器中，引信信號處理器在完成光斑位置求解算法后，通過查表法完成定距功能，并進一步實施定距起爆控制。信號處理采用并行處理方式，在線陣器件輸出一幀850 μs內可以采集到足夠多像元的輸出數據，保證在1個像元上得到1次采樣并完成數據處理運算，具有較高的信息獲取速度及處理速度。例如，在巡彈平臺中，由于其速度一般不超過100 m/s。線陣CCD輸出數據的時間以及引信信號處理的時間合計不超過1 ms，由此帶來的定距誤差小于0.1 m，對激光引信定距誤差的影響在系統可接收范圍內，滿足定距實時性要求。

4 試驗

在基于某型巡飛彈外形尺的基線要求下搭建定距平臺，對用波形中心法和加權平均法的2種定距系統進行比較。定距樣機的總體結構和實物如圖7所示。

圖7 定距系統的結構及實物簡圖Fig.7 Structure and physical sketch of ranging system

在發射端、接收端及光學系統保持一致的條件下，用2種定距樣機對目標板進行定距精度室內外測試。目標板反射系數為40%，根據夾差系統結構定距范圍確定為0～6.5 m。每個距離點測量10次取平均值，分別計算出定距誤差和測量的標準差，如圖8、圖9所示。

圖8 2種方法10次定距誤差曲線Fig.8 Comparison ofrange errors for 10 times between the two methods

圖9 2種方法10次定距標準差曲線Fig.9 Comparison ofrangestandard deviation for 10 times between the two methods

通過對定距結果分析可以看出：CCD線陣三角夾差定距時在0～3 m范圍內，2種定距方法差別不大。在3～6.5 m的距離范圍中利用加權平均的目標質心算法定距，誤差明顯小于波形中心算法。

5 結論

對線陣CCD三角夾差原理進行了分析，提出在小基線條件下采用加權平均法優化三角夾差定距區域內遠端的定距精度，試驗結果表明：采用加權平均法的三角夾差定距系統不僅提高了定距精度而且具有更小的多次測量標準差。

該方法可應于用巡飛彈等小口徑彈藥外型尺寸限制下的激光近炸引信定距。定距精度的提高使激光近炸引信能更加精確地控制起爆時機，提升武器系統的引戰配合效能。