CCD立靶操作誤差的改善方法研究

王澤民，李 靜，雷志勇

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

作為一種非接觸式光電測量技術(shù)，CCD立靶由于其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量精度高、實(shí)時性強(qiáng)和自動化程度高[1-2]等諸多優(yōu)點(diǎn)，而在現(xiàn)代靶場中動態(tài)飛行目標(biāo)（如彈頭等）的射擊精度和立靶密集度測量領(lǐng)域得到較為廣泛的研究和應(yīng)用[1-2]。CCD立靶最主要的技術(shù)指標(biāo)之一是坐標(biāo)測量精度，引起坐標(biāo)測量誤差的因素有很多，以往對CCD立靶測量誤差的分析都集中在對坐標(biāo)求解模型的分析，通過對模型求偏微分，研究各參數(shù)的測量誤差與系統(tǒng)對目標(biāo)坐標(biāo)測量誤差之間的關(guān)系[3-6]，往往忽略了CCD立靶的結(jié)構(gòu)模型偏差所引入的測量誤差。CCD立靶的結(jié)構(gòu)模型偏差主要是指在工程實(shí)際應(yīng)用過程中，由于現(xiàn)場布靶操作失誤等原因造成兩CCD相機(jī)的探測視場不重疊，這種現(xiàn)象使得坐標(biāo)求解模型與結(jié)構(gòu)模型之間的對應(yīng)關(guān)系出現(xiàn)了失真，從而引入系統(tǒng)測量誤差[7]。

1 CCD立靶操作誤差分析

1.1 CCD立靶坐標(biāo)測量原理

CCD立靶由兩臺結(jié)構(gòu)和性能完全相同的線陣CCD攝像機(jī)組成，且使其光軸交匯，兩個線陣CCD相機(jī)的探測視場共面且垂直于彈道方向，構(gòu)成測試靶面。測試時，沒有彈丸穿過靶面時，CCD對背景進(jìn)行成像；當(dāng)有彈丸穿過測試靶面時，其對背景光形成遮擋，而在兩臺CCD像面上形成陰影圖像，通過對彈丸圖像的處理提取出彈丸中心像素坐標(biāo)，結(jié)合測試系統(tǒng)在靶道的布置參數(shù)，即可解算出彈丸的過靶坐標(biāo)。彈丸過靶坐標(biāo)測量原理如圖1所示。f為鏡頭焦距，A1、A2分別為彈丸在 CCD1和 CCD2像面上成像的像素坐標(biāo)，α1、α2分別為CCD1和CCD2光軸與水平面之間的夾角，L為兩臺CCD之間的距離，如圖1所示。

圖1 線陣CCD交匯測量原理Fig.1 The measurement principle of linear CCD intersection

當(dāng)彈丸從靶面內(nèi)任意點(diǎn)P（x，y）點(diǎn)穿過靶面時，彈丸坐標(biāo)計(jì)算如下。

如果已知彈丸的過靶坐標(biāo)，則可根據(jù)公式（1）和公式（2）反求A1和A2

1.2 CCD光幕對準(zhǔn)誤差分析

在CCD立靶的實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場布靶時如果光幕對準(zhǔn)出現(xiàn)偏差，就會出現(xiàn)圖2和圖3所示兩種情況。

圖2 兩CCD存在距離Fig.2 There is distance between the two CCD

為分析方便，以像面I XO1Y為基準(zhǔn)平面，目標(biāo)飛行軌跡直線與平面 XO1Y 的交點(diǎn)為 P（x0，y0，0），與像面 II的交點(diǎn)為P′（x0′，y0′，z0′）。 使得目標(biāo)在像面 II上的像素位置偏離 A20至A2，根據(jù)公式（1）和公式（2）計(jì)算彈丸的坐標(biāo)（x′，y′），（x′，y′）與（x，y）的差值即為靶面不重疊所產(chǎn)生的測量誤差。假設(shè)目標(biāo)飛行軌跡直線方程為：

從圖中可以看出，出現(xiàn)靶面不重疊情況直接影響到目標(biāo)在像面II上的中心像素位置，推導(dǎo)后得出圖2中彈丸成像像素位置為：

圖3 兩CCD存在水平夾角Fig.3 There is horizontal angle between the two CCD

圖3中彈丸成像像素位置見式（7）。

1.3 水平調(diào)節(jié)誤差分析

現(xiàn)場布靶時如果水平調(diào)節(jié)出現(xiàn)偏差，就會出現(xiàn)圖4所示情況。

圖4 垂直夾角造成的不重疊Fig.4 There is vertical angle between the two CCD

推倒后得到彈丸在像面II上中心像素位置見式（8）。

2 改善方法

在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用鋼卷尺靠平的方法消除d、γ、φ，該方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，缺點(diǎn)是存在一定誤差。靶面平行距離d的產(chǎn)生主要是由于在布靶操作時，采用鋼卷尺進(jìn)行靠平時，由于鋼卷尺未拉直而存在彎曲以及未將鋼卷尺與測試設(shè)備上的基準(zhǔn)線嚴(yán)格靠平而產(chǎn)生，一般情況下，d=5～10 mm，γ=0.5～2°。 垂直夾角不重疊主要是由于水平調(diào)節(jié)誤差造成的，一般采用精度為30”的玻璃水泡，實(shí)際應(yīng)用中，φ=0.3～0.5°。這些操作誤差會對系統(tǒng)測量精度造成較大影響，尤其在大靶面測量中，必須予以嚴(yán)格控制，才能可靠的提高系統(tǒng)測量精度。針對實(shí)際情況，本文提出采用激光測距儀雙向?qū)?zhǔn)靠平測距的方法進(jìn)行改善，原理如圖5所示。

圖5 激光測距儀雙向?qū)?zhǔn)靠平原理Fig.5 Principle of two-way alignment using laser rangefinder

如圖5所示，在兩臺CCD測試儀左側(cè)固定一臺激光測距儀，右側(cè)固定一塊刻度板，布靶時，調(diào)整CCD測試儀使激光測距儀分別對準(zhǔn)對面刻度板上的特定位置，該位置由前期實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定獲得，最大限度的減小兩臺CCD探測面之間的距離。并分別測量靶距L1和L2，如果L1與L2不相同，則說明兩臺CCD探測面之間存在水平夾角，調(diào)整CCD測試儀直至L1與L2相同，實(shí)現(xiàn)對兩臺CCD探測面之間水平夾角的控制。

3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

采用激光測距儀雙向?qū)?zhǔn)靠平測距法后兩臺CCD探測面之間的距離可以控制在2 mm以內(nèi)，水平夾角不超過，利用改進(jìn)后的CCD立靶與未改進(jìn)的CCD立靶測試氣槍彈丸坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)（單位：mm）Tab.1 Test data（unit:mm）

4 結(jié) 論

針對CCD立靶在實(shí)際操作中造成的結(jié)構(gòu)誤差建立了誤差模型，對其產(chǎn)生原因和類型進(jìn)行了分析，為了改善這種情況，提出了激光測距儀雙向?qū)?zhǔn)靠平測距法，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法切實(shí)有效，很大程度上提高了系統(tǒng)的測量精度。下一步將重點(diǎn)研究垂直夾角誤差的控制方法。

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