基于CCD線陣的立靶測量系統精度分析?

孫晏濤

（92941部隊43分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

在各類武器的射擊試驗中，確定彈丸坐標對于武器的研發、定型等有著重要的意義。關于彈丸坐標的測量方法，目前主要有如下幾種：靶板法（木靶或網靶）、聲學靶、光電坐標靶等。

靶板法是指在預定的測試地點豎立一面木板或網布，射擊結束后，人工讀取上面留下的彈孔坐標。此方法雖然簡單易操作、可靠性高，但是無法實時處理數據，易產生較大的人工誤差，并且當射彈數較多時，由于彈孔重疊可能出現漏測。

聲學靶利用聲敏器材，通過測定超音速彈丸產生的激波到達每個傳感器的時間差，采用相應的數學模型反向結算出彈著點坐標。此方法目前僅能對超音速彈丸進行測試，抗干擾能力差，且射頻不能過高。大靶面測量時，激波到達聲傳感器的傳播路徑更長，易受到各種因素的干擾，從而產生較大的定位誤差。

光電坐標靶包括天幕靶和CCD交匯立靶。天幕靶通常由至少4個光幕陣列組合而成，通過測量彈丸穿過光幕陣列的時間反推坐標。此方法的測量精度很高，但存在安裝條件嚴苛、便攜性差等問題。

CCD交匯立靶采用2臺或以上的CCD相機，其視角在空中交匯而成虛空立靶，彈丸過靶時會留下陰影位置信息，根據該信息即可結算出彈丸過靶坐標。此方法結構簡單、測量精度高，目前已被廣泛使用，隨著CCD相機像素分辨率的提高，其測量精度有望進一步提升。

2 CCD立靶測量系統的組成

系統結構如圖1所示。射擊時，在彈丸穿過靶面的瞬間，CCD相機捕獲到彈丸目標，通過數傳系統將目標信號傳輸至中心站，經過數據處理，實時解算彈著點坐標，并計算出立靶密集度。

圖1 CCD立靶測量系統結構圖

3 交匯測量原理

如圖2所示，兩臺CCD相機分別固定于A、B兩處，采用正交法則布站，即兩相機光軸夾角為90°，每臺相機相對于基線（即AB連線）的夾角均為45°。

圖2 系統測量原理

以兩條光軸交點O為坐標原點，水平方向為X軸，垂直方向為Y軸，射向為Z軸。在靶面范圍內，任一被測彈著點P相對于A，B的仰角為α、β。γ=180°-α-β ，AB=s。

P點在XOY坐標系中的坐標可由式（1）、（2）給出：

根據式（1）、（2）可知，參數s，α，β，γ都對測量精度產生影響［1］，根據誤差傳播理論［2］，可推導出P點坐標的測量誤差表達式：

將式（1）、（2）代入式（3）、（4），可得：

4 誤差仿真

根據坐標x和y的誤差公式進行仿真，仿真流程如圖3。

圖3 仿真程序流程圖

仿真條件如下：

1）靶面長度分別取1m×1m，4m×4m，對應的基線長度分別為2m，8m。

2）基線誤差 σs=2mm ，測角誤差 σα=σβ=60"，σγ=2σα。

得到不同靶面下各點坐標誤差分布三維圖，如圖4所示。

圖坐標誤差分布圖

從圖4可以看出：

1m×1m靶面的最大測量誤差σxmax1×1=0.9mm，σymax1×1=0.9mm ；

4m×4m靶面的最大測量誤差σxmax4×4=3.5mm，σymax4×4=2.6mm 。

5 影響測量精度的主要因素及相應對策

結合誤差仿真及工程實踐可知，靶面坐標的測量精度與s、α、β、γ這4個參數高度相關（其中γ=180°-α-β），也就是說，誤差主要來自于s、α、β 的貢獻［3］。

基線測距精度σs主要取決于測距工具的精度，而測角精度σα、σβ由儀器的裝調誤差及CCD相機讀數的量化誤差等決定。其中，裝調誤差由儀器在加工、裝配及調試中產生；量化誤差與相機的像元數及配置的光學鏡頭的視場有關。

因此，提高測量精度的措施如下：

1）使用高精度的激光測距儀，提高相機間距s的測量精度；

2）優化儀器的機械結構設計，提高零部件的加工、裝配精度；

3）保持光學鏡頭視場不變，選用像元數更多的線陣CCD相機。

6 結語

本文根據CCD立靶測量系統的工作原理，對系統測量精度進行了理論分析，建立了系統測量精度數學模型，進行了計算機仿真計算，論述了影響測量精度的主要因素，并提出了相應對策。文中所述的提高測量精度的措施，已成功應用于多套CCD立靶測量設備中。本文對于CCD立靶測量系統的進一步研究具有實際參考價值，提供了可供借鑒的方法和經驗。CCD立靶測量設備在響應速度、測量精度等方面具有巨大的優勢，同時測量原理簡單、直觀，今后將得到更加廣泛的應用。