CCD立靶密集度测量精度分析

黄士亮，丁　璐，王李笛

(1.中国人民解放军92941部队94分队，辽宁 葫芦岛　125000；2.中国科学院西安光学精密机械研究所，西安　710119；3.西南大学 物理科学与技术学院，重庆　400715)



【装备理论与装备技术】

CCD立靶密集度测量精度分析

黄士亮1，丁璐2，王李笛3

(1.中国人民解放军92941部队94分队，辽宁 葫芦岛125000；2.中国科学院西安光学精密机械研究所，西安710119；3.西南大学 物理科学与技术学院，重庆400715)

针对立靶密集度对武器系统性能的重要性并基于CCD立靶密集度测量原理，对CCD立靶坐标测量精度进行仿真分析，推导出密集度测量的相关计算公式。对密集度测量精度进行了分析，提出了提高设备测量精度的技术措施。

CCD立靶；密集度；精度分析

立靶密集度[1]是表征射击精度的重要指标，是试验鉴定的重要内容。随着装备技术的发展，密集度越来越高，传统木板靶测量手段从测量精度和实时性均不能满足试验鉴定的需求。

CCD立靶采用光电测量技术，可以实现弹着点坐标、密集度、弹序、发射率的快速、精确测量，采用该技术是解决密集度试验数据测试实时性和提高测量精度的有效方法。CCD立靶[2]的测量精度直接关系到试验数据的真实性，是正确、科学给出试验结论的重要依据。为保证研制设备的测量精度必须研究误差组成，分析误差纠正方法，有针对性的提出精度保证方案和对策。

1　CCD立靶测量原理

1.1坐标测量

CCD立靶测量系统对于弹丸着靶的坐标测量是基于交会测量工作原理实现的。CCD立靶测量系统由在同一基线上布设的两台安装有线阵CCD相机的仪器组成[3]。利用两台线阵CCD相机相对向上仰起一定的角度，视轴相交且与基线共面，在空中交会出一个平面共视区域，形成光学立靶。当弹丸渡越靶面时，两台相机会分别记录下弹丸的位置信息，进而可获得弹丸的着靶坐标。如图1所示。两台相机分别位于A、B两处，相对仰起45°，A、B连线称为基线s，靶心距基线高度为h。两台线阵CCD相机视轴AO、BO交于O点，两台CCD相机的视场交会形成空间靶面[4]。

图1　CCD立靶坐标测量原理图

在靶面平面内，以点O为坐标原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，射向为Z轴。系统工作时，通过炮口信号触发两台CCD相机同步记录弹丸过靶坐标。当弹丸渡越靶面时，弹丸分别成像于两台相机的CCD光敏面上，然后将包含目标信息的信号传送到测量系统的前端机内进行数据处理。由于弹丸具有一定的弹径，根据数字图像处理算法，提取弹丸图像的中心作为弹丸过靶的着靶点。在靶面上对应的着靶点记为点P。

P点对两台CCD相机的仰角分别为α、β；则P点在XOY坐标系中的坐标可由式(1)、(2)给出。

(1)

(2)

1.2密集度

立靶密集度测量就是通过射击试验,获取弹丸散布坐标,采用数理统计方法,得到射弹散布误差和散布中心。如图2所示,立靶密集度就是一组目标着靶散布围绕散布中心的密集程度[5]。

图2　弹丸着靶散布示意

弹丸散布偏差[6]用E表示,以长度单位计量,它是射击密集度的一种标志量。对某散布轴偏差的大小,表明目标对该散布轴集中或分散的程度。弹丸散布偏差小,射弹密集；弹丸散布偏差大，则射弹分散。弹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)。

得到弹丸着靶坐标后，可进一步进行密集度计算。设试验组数为m(i=1,2,…,m),每组试验发数为n(j=1,2,…,n)，每发弹的坐标用(xi,yi)表示。则本组平均弹着点坐标为

(3)

(4)

可得到本组射击密集度(弹丸散布偏差，均方差)：

从已加固的两种方案比较看，渡槽采用碳纤维补强加固处理涉及的工程内容相对较少，工程施工专业技术要求虽高，但复杂程度略低，对原渡槽结构损伤较轻，施工工期较短，工程规模可控，投资较少，获得处理效果较好。

(5)

(6)

整个试验的射击密集度：

2　CCD立靶测量精度分析

2.1坐标测量误差

CCD立靶弹丸着靶点坐标测量误差主要由基线测量误差和系统测角误差构成[7]。根据误差独立原则，依式(1)、式(2)可得出CCD立靶坐标测量误差为

(9)

(10)

图3　全靶面坐标测量误差

2.2密集度计算分析

由于射击散布服从正态分布，根据密集度计算式(5)、式(6)，计算弹丸散布的均方差即密集度。这里首先对x方向进行分析。

用ΔEx表示密集度增量，它有n个变量，对于每一个xj它有一个对应的测量误差Δxj，由多元函数增量算法可得：

(11)

由式(5)对xj求偏导并代入式(11)，可得：

(12)

(13)

依据柯西不等式，则有:

(14)

同样可得：

结合设备研制经验，同时考虑到实际使用条件及环境影响，对理论计算结果取误差放大系数K=3，则4 m×4 m靶面密集度测量误差： ΔEx<10 mm，ΔEy<10 mm。

3　影响测量精度的关键因素及相关对策

从前述分析计算可以看出，密集度的精度主要由坐标测量精度决定。系统的坐标测量是基于交会法完成的[9]。交会法测量的数学表达式在几何光学范畴，是一种完善描述，不存在原理误差[10]。那么，影响测量误差的误差源仅为公式中的各个参量，具体为系统设备两个CCD线阵相机系统的光轴指向角α、β，交会角γ(γ=180°-(α+β))，两相机间距离S等；也就是说，误差主要来自α、β、S的贡献[11]。

其中光轴指向角α、β的精度由仪器的视轴晃动误差、倾斜误差、装调误差及线阵相机读数的量化误差、镜头畸变误差等决定。视轴晃动误差、倾斜误差及装调误差由仪器在加工、装配及调试中产生；线阵相机读数的量化误差与选用线阵相机的像元数及配置的光学镜头的视场有关；CCD立靶采用的镜头一般视场都比较大，镜头均存在一定的畸变，可以通过校正的方法消除或减小畸变，满足系统要求，校正时使用的仪器装备本身存在稳定度和测量误差等，进而会影响畸变校正的结果，产生畸变校正误差。

提高测量精度的关键措施是：

1) 优化仪器机械结构设计，改进工艺，提高零部件的加工、装配精度，满足使用要求；

2) 满足要求及条件允许时，保持光学镜头视场不变，选用像元数更多的线阵CCD相机，可以有效减小线阵相机读数的量化误差，提高测量精度；

3) 提高相机间距S的测量精度。

4　结束语

本文所述的精度分析及提高测量精度的措施，已成功应用于研制的多套CCD立靶测量设备中。该方法对于CCD立靶测量系统的进一步研究具有实际参考价值，提供了可供借鉴的方法和经验。

[1]王苗，李华．CCD立靶测量系统捕获性能研究[J].光子学报，2009，38(6)：1539-1542.

[2]王苗，徐玮．CCD立靶弹丸攻角测量[J].光电工程，2011，38(9)：30-34.

[3]王宝元，衡刚，等．火炮立靶密集度测量方法[J].测试技术学报，2011，25(6)：529-535.

[4]张玲霞，马彩文，等． 靶场光电经纬仪多台交会测量数据的一种处理方法[J].测绘学报，2003，32(2)：139-142.

[5]刘同现,宋卫东,宋丕极,张玉荣.线阵CCD用于飞行弹丸攻角测定的研究[J].光电子技术，2002,22(4):228-230.

[6]王宝元,衡刚,周发明,吴会民.火炮立靶密集度测量方法[J].测试技术学报,2011,25(6):529-535.

[7]毛英泰.误差理论与精度分析[M].北京:国防工业出版社,1982:24.

[8]蔡逸群.高射频武器弹着点坐标测量系统的研制[D]．南京:南京理工大学，2011．

[9]王向军,韩双来.弹落点坐标测量系统的快速校准方法及精度分析[J].光学精密工程,2005,13(6):686-690.

[10]武江鹏，宋萍，郝创博，等.多弹丸时空散布参数测试方法仿真研究[J].兵工学报，2015(10):1967-1974.

[11]张淑琴.空间交会对接测量技术及工程应用[M].北京:中国宇航出版社,2006.

(责任编辑周江川)

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

黄士亮(1968—)，男，高级工程师，主要从事武器装备试验与鉴定研究。

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：黄士亮，丁璐，王李笛.CCD立靶密集度测量精度分析[J].兵器装备工程学报，2016(9):28-31.