新型精度射擊激光模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

蘆永軍，曲艷玲，張萍，王麗梅，鄭建洲

（1.大連民族學(xué)院光電子技術(shù)研究所，遼寧大連 116605; 2.大連光程光電科技有限公司，遼寧大連 116600）

新型精度射擊激光模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

蘆永軍1，2，曲艷玲1，張萍1，王麗梅1，鄭建洲1

（1.大連民族學(xué)院光電子技術(shù)研究所，遼寧大連 116605; 2.大連光程光電科技有限公司，遼寧大連 116600）

針對目前激光射擊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)存在的諸多問題，提出了一套新型精度射擊激光模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案將激光圖像遠(yuǎn)距離成像與激光彈著點(diǎn)數(shù)字化自動(dòng)判讀技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了激光模擬射擊系統(tǒng)的緊湊化及便攜式實(shí)用化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)采用了高分辨率長焦且高攝遠(yuǎn)比（1∶2）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離靶面圖像信息的實(shí)時(shí)捕捉與同步數(shù)字化。數(shù)字圖像傳遞至微機(jī)后再經(jīng)過灰度化、二值化、光斑質(zhì)心位置提取計(jì)算及中值濾波等算法處理，可以消除背景雜散信號干擾影響，同時(shí)確定彈著點(diǎn)位置。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)方案新穎、原理簡單可靠、精度高、無需專用靶、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的推廣和應(yīng)用前景。

激光;模擬射擊;光學(xué)設(shè)計(jì);圖像處理

百米精度射擊是部隊(duì)輕武器射擊的重要訓(xùn)練科目，直接反映了單兵乃至部隊(duì)的戰(zhàn)斗力水平。目前該科目的訓(xùn)練還主要依靠實(shí)彈射擊完成，但是實(shí)彈射擊存在成本高、安全性差、效率低等缺點(diǎn)，制約了單兵射擊水平的快速提高。近幾年國內(nèi)也研發(fā)出一些以激光模擬代替實(shí)彈的相關(guān)研究和訓(xùn)練器材［1－4］，目前普遍采用大規(guī)模光敏二極管陣列組成的電子靶作為激光彈著點(diǎn)接收單元，而該類系統(tǒng)存在成本高、系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、線路冗長、抗干擾性差且精度低等固有缺點(diǎn)。本文提出一種全新的激光精度射擊模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案［5－6］，采用了高攝遠(yuǎn)比（1∶2）望遠(yuǎn)系統(tǒng)遠(yuǎn)距離圖像捕捉及同步數(shù)字圖像處理技術(shù)，整套儀器具有結(jié)構(gòu)緊湊、原理簡單可靠、精度高、無需專用靶、射擊激光源與儀器分離、成本低、操作簡單等諸多技術(shù)優(yōu)勢，更具有大規(guī)模推廣使用的前景。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

采用半導(dǎo)體激光器作為發(fā)射光源，利用其體積小、重量輕、響應(yīng)速度快及光電轉(zhuǎn)化效能高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)射擊發(fā)射器的便攜性和高效性，易于在槍支上裝配且不影響原槍的使用效果。目前激光射擊模擬系統(tǒng)之間主要的區(qū)別在于靶面的選擇和彈著點(diǎn)信息的傳遞及提取方式上。電子靶和光電接收靶系統(tǒng)［7］需要進(jìn)行專用靶設(shè)計(jì)，激光信號就地接收處理及彈著點(diǎn)信息遠(yuǎn)距離傳送至射手位置處，對于百米精度射擊科目無法避免地存在冗長的數(shù)據(jù)傳輸線路鋪設(shè)問題，更無法實(shí)現(xiàn)實(shí)彈射擊與模擬射擊的快速切換。本方案采用專門設(shè)計(jì)的高攝遠(yuǎn)比望遠(yuǎn)系統(tǒng)［8－9］，將百米目標(biāo)射靶圖像實(shí)時(shí)成像至數(shù)字?jǐn)z像機(jī)光敏面上，然后將數(shù)字圖像傳遞至微機(jī)進(jìn)行圖像處理，消除圖像背景噪聲及提取激光射擊光斑位置信號。由于信息的處理全部在電腦上快速完成，實(shí)現(xiàn)了無需專用射擊靶的目的，靶面圖像信息提取及處理完全在射手位置處完成，為整套儀器緊湊及便攜性設(shè)計(jì)提供了可行性。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)實(shí)現(xiàn)了圖像信息的數(shù)字化，便于實(shí)現(xiàn)彈著點(diǎn)數(shù)據(jù)快速提取、計(jì)算、分析及自動(dòng)報(bào)靶和成績保存等功能，使該激光模擬射擊系統(tǒng)使用更加方便且更逼近于實(shí)際射擊情形，使射擊訓(xùn)練更加科學(xué)、高效。

1.1 CCD攝遠(yuǎn)長焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)

該射擊模擬系統(tǒng)中遠(yuǎn)距離長焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)是至關(guān)重要的單元，它必須實(shí)現(xiàn)將100 m處1 m×1 m的靶面圖像高清晰地成像至CCD光敏面上，要求在電腦顯示器上可以清晰地看到胸環(huán)靶的圖像信息。

設(shè)計(jì)戰(zhàn)技指標(biāo)如下:

射擊距離:100 m;胸環(huán)靶尺寸:1 m×1 m;靶環(huán)線寬:2 mm;分辨率:≥1 l p·mm－1;系統(tǒng)總長:＜200 mm;成像景深:50～120 m。

由于激光射擊模擬系統(tǒng)要求對射擊在靶面上的激光圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉和圖像處理，所以首先要求CCD芯片單元具有數(shù)據(jù)高速采集及傳送性能。然而CCD每幀分辨率與幀頻（fps）參數(shù)之間又是制約關(guān)系，同時(shí)要求每幀圖像的高分辨率及數(shù)據(jù)傳送的高速性勢必使CCD處理單元成本急劇增加，所以需要在CCD芯片選型上尋求高速采集性能與最低分辨率指標(biāo)之間的最佳匹配。激光射擊模擬系統(tǒng)要求能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)實(shí)彈射擊的效果，在每分300發(fā)的戰(zhàn)斗射速下精確給出每次射擊成績，所以需要選擇幀頻至少大于20（4倍于射擊頻率）幀的高速CCD芯片。經(jīng)過仔細(xì)論證，設(shè)計(jì)選擇80幀及640×480像素CCD芯片作為最終成像器件。

確定了CCD芯片成像器件后配套光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就有了明確的起始點(diǎn)，即像方極限分辨率限制為1 mm/（2×6 μm）=83.33 lp·mm－1。要求在白天射擊時(shí)靶面光亮度L=2 000 cd·mm－2的條件下設(shè)計(jì)攝遠(yuǎn)系統(tǒng)的相對口徑D/f，因此CCD曝光時(shí)間取標(biāo)準(zhǔn)值t=1/100 s，最低曝光量H為0.1 lx·s，由公式（其中τ為光學(xué)系統(tǒng)總透過率，鍍增透膜后可達(dá)到0.9）得D/f =0.08=1/12，取相對口徑值大于1/12即可。另外，該攝遠(yuǎn)系統(tǒng)要求保證靶面與CCD尺寸的嚴(yán)格對應(yīng)，以確保全部靶面有效圖像信息的利用效率，這將給光學(xué)系統(tǒng)焦距f指標(biāo)的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)提出了較高的要求。

（1）對初始化結(jié)構(gòu)焦距進(jìn)行縮放且設(shè)定系統(tǒng)通光口徑，確定系統(tǒng)基本參數(shù)（焦距、相對口徑）滿足基本光學(xué)設(shè)計(jì)要求。

（2）將系統(tǒng)總長（TOTR）、有效焦距（EFFL）、光斑半徑（Spot Radius）RMS控制參數(shù)、幾何約束條件等建立為評價(jià)函數(shù)，將成像實(shí)際像高（Real ray height）作為視場值，以便精確控制物高與CCD尺寸匹配。

（3）將全部變量（半徑、間隔及玻璃）設(shè)置為變量，進(jìn)行較長時(shí)間的Hammer優(yōu)化，優(yōu)化過程中觀察各透鏡單元光焦度變化并及時(shí)人工干預(yù)，使評價(jià)函數(shù)快速收斂至局部極小值，得到最終設(shè)計(jì)結(jié)果。

1.2 圖像處理及彈著點(diǎn)位置計(jì)算

高分辨率望遠(yuǎn)系統(tǒng)將靶面圖像清晰成像至CCD光敏面上。從光學(xué)上，為提高激光信號的信噪比采用了窄帶干涉濾光技術(shù)，以降低背影雜光的影響。CCD芯片及外圍電路實(shí)現(xiàn)了光學(xué)圖像信息的光電及數(shù)字轉(zhuǎn)化并實(shí)時(shí)傳送至微機(jī)內(nèi)存中。通過Visual c++編制的圖像處理軟件將內(nèi)存中數(shù)字化圖像進(jìn)行灰度、二值化及中值濾波算法除噪處理，得到高對比度的激光光斑圖像。對光斑處各象素坐標(biāo)求和及平均得到質(zhì)心位置，此即為彈著點(diǎn)坐標(biāo)。彈著點(diǎn)位置算法提取的計(jì)算機(jī)軟件工作流程圖如圖1。

圖1 彈著點(diǎn)位置判讀計(jì)算流程圖

2 設(shè)計(jì)結(jié)果與討論

經(jīng)過Zemax優(yōu)化后得到的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2。該結(jié)構(gòu)中采用雙膠合正組與三膠合負(fù)組的攝遠(yuǎn)形式，主平面在光學(xué)系統(tǒng)外，可以實(shí)現(xiàn)高的攝遠(yuǎn)比（1∶2），使系統(tǒng)整體更加緊湊。采用多種光學(xué)玻璃的組合可以有效地校正色差。各透鏡合理分配光焦度可以有效地控制初級和高級相差。兩個(gè)膠合透鏡組的結(jié)構(gòu)具有簡單緊湊、加工裝調(diào)方便且精度高等優(yōu)點(diǎn)，符合軍用標(biāo)準(zhǔn)。對于CCD成像系統(tǒng)的光學(xué)質(zhì)量評價(jià)最方便有效的工具就是傳遞函數(shù)，圖3給出了攝遠(yuǎn)定焦系統(tǒng)各視場不同空間頻率下的傳遞函數(shù)值，從中可以看出，各視場MTF值比較接近且在CCD極限分辨率（83.3 lp·mm－1）處達(dá)到0.35以上，滿足光學(xué)成像設(shè)計(jì)要求且有余量，以保證在實(shí)際系統(tǒng)加工及裝調(diào)誤差下仍給出高的成像質(zhì)量。按像方達(dá)到CCD極限分辨率83.3 lp·mm－1及攝遠(yuǎn)系統(tǒng)橫向放大倍率計(jì)算，靶面目標(biāo)分辨率為0.29 lp· mm－1。攝遠(yuǎn)系統(tǒng)實(shí)際有效焦長為350 mm，工作F/#為7.87，入瞳直徑為45 mm，總長為180 mm。實(shí)際裝調(diào)好的CCD攝遠(yuǎn)系統(tǒng)拍攝的100 m處胸靶圖如圖4，從中可以看出圖像清晰，分辨率滿足使用要求。激光射擊模擬系統(tǒng)主機(jī)圖片如圖5。整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路決定了該系統(tǒng)能夠具有高精度、操作簡單、成本低、對使用場地要求低、無需專用靶等優(yōu)勢，更加實(shí)用且可靠。

圖2 攝遠(yuǎn)定焦系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

圖3 攝遠(yuǎn)定焦系統(tǒng)各視場傳遞函數(shù)圖

圖4 攝遠(yuǎn)定焦系統(tǒng)拍攝靶面照片

圖5 新型射擊模擬系統(tǒng)樣機(jī)照片

3 結(jié)論

本文提出了一套新型精度射擊激光模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用攝遠(yuǎn)高分辨率長焦攝遠(yuǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了靶面信息的實(shí)時(shí)捕捉及數(shù)字圖像處理，區(qū)別于其他射擊模擬系統(tǒng)，具有原理方案簡單可靠、精度高、無需專用靶、成本低、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以應(yīng)用于部隊(duì)射擊訓(xùn)練，而且可以推廣至警察訓(xùn)練及民用射擊娛樂等方面。

［1］趙建軍，侯彥東.基于激光技術(shù)的高炮射擊訓(xùn)練模擬系統(tǒng)［J］.激光技術(shù)，2003，27（6）:567－571.

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The Research to Newly Precisely Simulative Laser Shooting System Design

LU Yong－Jun1，2，QU Yan－ling1，ZHANG Ping1，WANG Li－mei1，ZHEN Jian－zhou1
（1.Optoelectronic Institute，DaLian Nationalities University，DaLian Liaoning 116605，China 2.Da Lian Optical Path Opto－electronic Co.Ltd，DaLian Liaoning 116600，China）

To overcome the inherent problems of current laser simulative shooting systems，a new type system design schedule of precise shooting training is developed.The long distance laser imaging and automatically digital image processing of laser shooting spot technique are combined together to realize the compact and convenient design target.A high resolution and long focal length telephoto CCD system is designed and used to achieve the purpose of target image acquisition from a long distance and conversion to digital signal simultaneously.The digital image sent to computer is processed by using algorithm of gray－scale transformation，binary image transformation，median filter to obtain the precise position of laser spot coordinate and at the same time to remove the background noise signal.This system has the merits of newly design schedule，simple theory，high precision，no need of specific target，low price，etc.Therefore，the system has a prosperous application and market prospect.

laser;simulative shooting;optical system design;image processing

TB852.1;O439

A

1009－315X（2011）03－0270－04

2011－03－07;最后

2011－03－07

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（DC10040120）。

蘆永軍（1976－），男，內(nèi)蒙古烏海人，副教授，博士，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)與光電檢測研究。

（責(zé)任編輯 鄒永紅）