光电经纬仪CCD相机作用距离分析研究

李 霁 段金升

（92941部队44分队 葫芦岛 125001）

1 引言

光电经纬仪是是航空航天研制生产与测量考核中和可靠的安全控制系统的信息源。光测装备担负着高精度的飞行轨迹测量、姿态测量、实况记录获取等任务，是目前靶场普遍采用的测控装备。其作用距离是指在满足一定条件下所能测量到目标的最远距离，是装备最重要的战术技术指标，它的指标直接影响装备布站测量、数据交汇处理、使用方式等方案的决策问题［1］。根据总体设计要求和环境特点，光电经纬仪对海作用距离外场使用条件如下。

目标为30万烛光曳光管；目标距海平面高度≤5m；海平面能见度 ≥20km；大气抖动均方根值 ≤ 2″；太阳高度角 ≥ 5°；观测仰角 ≥ 10°；观测方向与太阳方向夹角 ≥45°。对空作用距离外场使用条件除上述要求外，还增加目标长2m，直径0.5m，有效光辐射面积 ≥1.6m2；反射系数 ≥0.7的要求［2］。

在满足上述目标条件下，对某型口径400mm光电经纬仪装备一般要求对海作用距离要求R≥35km，对空作用距离要求R≥50km。目前根据试验气象资料表明，某航区周围能见度为 ≥20km的天气，占每年天气的总数不到10%；能见度为10km～20km的天气，占每年天气的总数大于50%［3］。因此光电经纬仪可见光CCD相机的作用距离能否达到设计要求，在通常天气下对条件目标测量威力和成像效果是关注的重点问题。本文就某型光测装备可见光CCD相机在外场使用条件下的作用距离进行了分析研究［4］。并结合外场试验测量数据将理论值与实际测量最大值进行比较分析。

2 作用距离研究分析

某型口径400mm光电经纬仪对海作用距离要求R≥35km，其成像条件应满足如下要求：一是目标在成像相机靶面上成像尺寸应大于最小成像的要求；二是目标在成像相机靶面上成像的最小照度要大于探测器最小照度；三是目标和背景之间的对比度应满足能够分辨的要求［5］。

2.1 目标相机靶面成像尺寸分析

成像尺寸与作用距离估算为了保证视频判读对目标进行准确定位与获取判读，目标在CCD相机靶面上成像尺寸应满足视频判读要求目标的最小像元数N≥[Nmin]，其中Nmin是目标在相机靶面上成像最小几何尺寸的像元数，计算公式如下（式中各参数意义及取值见表1）［6］。

表1 目标成像尺寸公式各参数取值

依据上述条件，焦距为3000mm时，N=4.91，满足N≥[Nmin]的判定要求。而且当目标距离大于35km，可视为点目标，点目标成像的弥散效应，使得目标成像像元数大于Nmin，因此，从成像尺寸估算CCD相机作用距离在30km～45km之间。

2.2 目标像面照度分析

为了保证目标成像，并且输出视频信号有足够高的信噪比，目标在相机靶面上照度应满足：Et≥[Emin]［7］。其中Et为目标在探测器靶面上产生的辐照度，其计算公式如下（式中各参数意义及取值见表2）。

表2 目标像面照度公式各参数取值

弥散系数α与光学系统分辨率、成像质量，目标与仪器的相对速度、大气抖动等有关，这里取0.55［8］。D/f为光学系统相对孔径，D/f=400/3000=0.133；CCD相机要求目标的最小照度，某型彩色可见相机的Emin=1.06lx；依据上述条件，焦距为3000mm时，Et=4.59lx，满足Et≥1lx的判定要求。

2.3 目标与背景之间对比度分析

为了满足目标捕获和具备分辨要求，目标和背景的输出信号对比度应大于0.05，即：

目标在探测器像面上产生的辐照度Et计算方法如上节所述，所以背景相机靶面上的照度：背景在探测器像面上产生的辐照度Eb计算公式如下（式中各参数意义及取值见表3）［9］。

表3 目标和背景对比度公式参数取值

考虑目标与太阳夹角45°晴朗天空背景下，综合依据其他条件，焦距为3000mm时，Eb=4.18lx［10］。则目标与背景的对比度为

目标和背景之间的对比度为0.095，根据以往经验，目标和背景之间对比度大于0.05即可分辨和提取，本方案可满足作用距离的指标要求［11］。

综上所述，为了满足光电经纬仪CCD可见光相机外场条件下对海作用距离R≥35km需求，对目标成像尺寸、目标照度以及目标背景对比度进行了估算。同理通过调整焦距（4000mm）和其他参数设置，对空作用距离也满足R≥50km需求，对空对海距离计算结果见表4。

表4 判定条件计算结果

3 作用距离试验

为了保证视频判读对目标进行准确定位，靶面上成像尺寸Nmin等参数按照表1选取，依据距离式（6）得到对海作用距离理论值为38.7km，同理可得对空作用距离理论值为51km。

作用距离试验依据当时实际天气、温湿度、地理环境等条件进行，光测装备布设于高约100m的高山上A点上，视线无遮挡且当天能见度大于20km［12］。目标艇上立杆架设30万烛光曳光管（外形尺寸60.6mm×267mm，发光强度I≥30万坎，燃烧时间t≥ 80s），航速18kn～22kn，沿经纬仪对海岸线垂直方向按预定航路直线航行，在1个有效航次内，分别在B、C、D、E、F点依次间隔约5km依次听令遥控分别点燃1只曳光管，其中由于在F点之前发现目标所成像素越来越少，图像越来越弱，所以未到F点之前约43km处遥控点燃曳光管［13］。

光电经纬仪实时跟踪记录图像数据信息和时间信息，北斗船载用户台和基准站分别记录目标艇和基准站的定位信息，经差分站差分后得到实时的距离位置信息。表5和图1分别给出了光电经纬仪CCD可见相机对海作用距离试验数据处理结果。B、C、D、E、F点分别为点燃第一到第五支曳光管点燃时刻距离A点位置距离，最大距离为各点曳光管跟踪消失或燃尽消失时刻距离A点位置。图2为试验实时跟踪目标动态图像［14］。

图1 对海作用距离试验数据处理曲线

图2 对海作用距离试验实时跟踪目标图像

表5 对海作用距离试验数据处理结果

同理在能见度和环境条件不变的情况下，通过跟踪长2m，直径0.5m，反射系数 ≥0.7的目标，实际任务中选取外形尺寸和反射率相仿的无人机，并在无人机两翼分别加装30万烛光曳光管与北斗机载用户台基准站分别用于记录目标艇和基准站的定位信息，差分站布设于距离基准站5km的高山站点，基准站与差分站差分后得到实时的距离信息。无人机沿海岸线一侧做往返直线航行，进入点为A点，退出点为G点，无人机飞行航速控制在60km/h～80km/h，在1个有效航次内，分别在在A点与G点之间的B、C、D、E点设置位置记录点。

表6统计出了光电经纬仪CCD可见相机对空跟踪无人机作用距离试验数据处理结果。B、C、D、E点为曳光管点燃、继续燃烧到曳光管熄灭时刻距离A点位置距离，数据点数是记录的数据容量大小及其所占比率［15］。图3为对空跟踪无人机试验实时跟踪目标动态图像。最终得到跟踪无人机对空最远作用距离达到58.8km。

图3 对空作用距离试验实时跟踪目标图像

表6 对空作用距离试验数据处理结果

所以通过距离试验可以得到400mm口径光电经纬仪CCD可见相机对海作用距离最大值43.62km，对空作用距离最大达到58.8km。与前述理论计算所得数值比较，均大于理论数值，而且数值比较接近，说明理论计算的准确性；且满足对30万烛光目标，光电经纬仪CCD相机对海作用距离大于35km，对空大于50km的要求。

4 结语

经过上述较详细的理论分析及试验论证，可以得出如下结论：一是从对海试验结果看，第五支曳光管的有效数据较少，不到第四支曳光管的有效数据的一半，从第一支到第五支数据量逐渐减少，图像逐渐模糊，说明随着距离增加成像的像元数不断减少，直至目标消失。而且对海距离试验在最后时刻不是由于CCD相机探测器无法探测到目标，而是由于受到地球曲率影响不能通视目标了。二是在两次试验过程中如果不点亮曳光管，当被测目标为反射目标时，CCD相机探测器的作用距离难以达到要求。由于CCD相机探测器受天气影响巨大，所以CCD的可见光探测光波基本湮灭在海上的水汽雾气和空中的云层中。因此，光电经纬仪测量装备需“择天气而行”。