罗经光学方位仪模拟系统设计研究＊

刘敏林 刘伯运

（海军工程大学动力工程学院 武汉 430033）

1 引言

罗经光学方位仪模拟系统设计主要目的是为了解决光学方位仪在实际室内模拟训练时的使用问题。由于光学方位仪在实际航海使用过程中是为了观测远距离目标或星体，因此其光学系统为望远系统，而在室内模拟训练过程中，是使用近距离视景来模拟远距离目标，而原有光学方位仪对于近距离视景无法进行观测，因此，为解决上述模拟训练中存在的实际问题，设计本模拟系统。

2 系统设计

本光学方位仪模拟系统将为被测试人员提供与真实使用情况完全一致的光学方位仪功能，通过本模拟系统能够实现观测水平目标和非水平目标的功能，并且可以配合其它设备［1～3］一起使用，达到准确地显示出目标的方位角等与真实使用时完全一致的参数目的。

本罗经光学方位仪模拟系统是在原有光学方位仪的基础上进行改造，使用原光学方位仪的所有机械结构，去除其内部所有光学系统，在其内部安装新光学系统及视景显示芯片，并在罗经和反射支架上加装精确测角装置，同时增加光学方位仪与主控及视景计算机间的接口，通过主控计算机控制完成模拟真实使用情况的目的［4～6］。

本模拟系统与其它设备配合完成整个模拟系统的室内模拟测试。系统硬件示意图如图1所示。

本模拟系统的技术难点是在原有光学方位仪上进行改造，这样严格限制了模拟系统的结构尺寸，使整体设计难度大大增加，主要是光学系统的设计难度增加，在保证原有光学技术指标的同时还要考虑光学系统像面尺寸要与高分辨率图像显示芯片尺寸吻合以及结构尺寸。保证光学系统的尺寸不能与其它元器件发生干涉，最主要的是要保证光学系统的成像质量，由于上述多方面的限制因素使光学系统的设计难度大大增加；同时电器元器件的选择，控制电路的开发设计、机械结构的总体设计等为了尽可能减小尺寸，难度都大大增加［7～8］。

图1 系统硬件示意图

本模拟显示系统由光学耦合系统、动态图像生成显示芯片、测角及读数装置、主计算机及其实时景象生成系统组成。

光学耦合系统的功能是将图像显示单元生成的可见光动态景象准直出射，使人通过罗经光学方位仪模拟系统观察到清晰的、相当于无穷远的模拟景象；光学耦合系统的出瞳位置与观测者的瞳孔位置完全重合，光学耦合系统的出瞳直径略大于瞳孔直径，以避免头部运动时丢失视场，即光学耦合系统的出瞳完全覆盖观测者的瞳孔，消除观测过程中产生的渐晕，模拟真实的使用情况。

动态图像生成显示芯片的作用是接收实时景象计算机生成系统的视频信号，并将视频信号转化成可视图像显示出来。

测角装置的作用是测出反射镜及其支架的角度信息和光学方位仪的方位角信息，并将信号传送给主计算机。

主计算机及其实时景象生成系统由图形工作站及相应的软件组成，利用相应的建模软件在图形工作站上建立模拟景象、目标模型及背景干扰，存贮在图形工作站内。通过实时读取测角装置生成的角度生成控制指令，控制模拟视景的相应变化，从而实现罗经光学方位仪观测视景的模拟［9］。

模拟训练系统主要技术指标［11］如下：

像元数：800×600

帧频：60帧

最高对比度：30∶l

灰度级：≥256级

视场：单视场（暂定40°，可根据实际情况设计）

图像非均匀性＜2%

图像综合质量：畸变：＜2%；各种像差弥散：0.3像元；不平行度＜0.1′；

无拖尾现象，无像元漂移；

输入信号：VGA

工作寿命：＞50000小时。

3 光学系统指标的确定

3.1 耦合系统出瞳距的确定

由于本模拟系统是直接与人眼对接，在综合考虑机械结构空间、光学设计难度适中等因素后，最终确定光学耦合系统的出瞳距为10mm。

3.2 耦合系统出瞳孔径的确定

在一般情况下人眼的瞳孔直径为2mm～8mm，结合本模拟系统的实际使用情况，本系统的出瞳直径应略大于瞳孔直径，最终确定本系统的出瞳直径为10mm。

3.3 耦合系统焦距的确定

耦合系统的焦距与耦合系统的视场角和所选用的显示芯片的尺寸有关，本模拟系统的视场角为40°（暂定），所选用的显示芯片的尺寸为0.61英寸，因此本模拟器的焦距f可由式（1）进行计算：

其中，L为显示芯片的有效尺寸（由于是圆视场，因此有效尺寸为短边长）；θ为模拟器的视场角。

经过计算本模拟器耦合系统的焦距为12.77mm。

3.4 耦合系统弥散斑直径的确定

耦合系统弥散斑直径指标的确定主要取决于所选用液晶屏的像素大小。液晶屏的像素大小可根据式（2）进行计算：

其中，L为液晶屏的有效尺寸（由于是圆视场，因此有效尺寸为短边长）；H为液晶屏的有效分辨率（该有效分辨率为600）。

经过计算，耦合系统的弥散斑直径应小于15.5μm。

4 结语

本光学方位仪模拟系统的设计，将添补航海室内模拟训练中对光学方位仪使用训练方向的空白［10～11］，使整个训练过程更加全面，提高整个模拟训练系统的效能。

［1］船舶配套设备选用手册［M］.江苏船舶杂志社，1998.

［2］周永余，徐江宁，高敬东.舰船导航系统［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［3］刘英贤.航海学［M］.大连：大连海事大学出版社，2002.

［4］刘文勇.航海仪器［M］.大连：大连海运学院出版社，1993.

［5］朱道宗，范邹.数字方位仪设计与实现［J］.舰船电子工程，2011（11）.

［6］于倩，张珣，高立勋.新型步进式数字方位仪研究与设计［J］.杭州电子科技大学学报，2008（2）.

［7］陈发光.潘杰.方位定位在航海模拟中的仿真研究［J］.中国水运，2012（3）.

［8］兰培真，邱志雄，金一丞，等.船舶操纵模拟器罗经设置研究［J］.中国航海，2004（1）.

［9］郑梓祯.蔡迎波，等.舰船导航系统试验与鉴定［M］.北京：北京工业出版社，2005.

［10］徐方友.国外船舶导航技术新进展［J］.船舶工业技术经济信息，2004（7）.

［11］寇连坡，肖建兵.航海仪器的现状与未来发展［J］.青岛远洋船员学院学报，2003（4）.