室內(nèi)線陣CCD交匯測量捕獲率分析

馬靖然，雷志勇，王澤民

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

室內(nèi)線陣CCD交匯測量捕獲率分析

馬靖然，雷志勇，王澤民

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

針對室內(nèi)CCD交匯測量的試驗(yàn)環(huán)境，通過添加輔助光源照明，在基于CCD立靶測量原理的條件下，分析了室內(nèi)立靶影響捕獲率的原因，并建立了室內(nèi)立靶的捕獲率模型。該模型能夠?yàn)槭覂?nèi)立靶測量系統(tǒng)的捕獲率計算和研究提供依據(jù)。同時，對立靶捕獲率進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)的捕獲率能夠達(dá)到90%。

CCD立靶；測量精度；捕獲率；輔助光源

CCD立靶是靶場測試的關(guān)鍵測試設(shè)備，CCD作為光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器，以其靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、分辨率高等一系列特點(diǎn)，而成為現(xiàn)代靶場廣泛使用傳感器，正逐漸成為現(xiàn)代靶場測試的一種主要手段。在現(xiàn)代靶場的應(yīng)用當(dāng)中，以室外進(jìn)行的大靶面測量試驗(yàn)為主，但是進(jìn)行室外試驗(yàn)測量對得出的數(shù)據(jù)精度會造成更多干擾。引起測量誤差的因素很多，例如彈丸的姿態(tài)分析以及CCD立靶靶面不重疊[1]等。而本文在針對室內(nèi)試驗(yàn)的條件下，在添加了輔助光源進(jìn)行照明的前提下，分析和計算了光源對誤差的影響，為CCD立靶測量系統(tǒng)實(shí)際的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 立靶坐標(biāo)測量原理

在針對室內(nèi)的測量情況下，選擇兩部型號性能完全一樣的線陣CCD來進(jìn)行立靶測量。CCD交匯測量要求兩部CCD相機(jī)在空間的同一平面內(nèi)并選擇相同仰角角度。其優(yōu)勢在于，公共視場可以交匯出有效靶面，得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[2]。也就是說在一部相機(jī)捕獲彈丸圖像的同時，另一部相機(jī)也可以獲得相應(yīng)的圖像，這樣可以保證CCD相機(jī)能夠采集到最佳的圖像信息。不同于室外試驗(yàn)有自然光的照明，所以針對室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境添加輔助光源進(jìn)行照明。具體方法如圖1所示。

圖1 線陣CCD交匯測量方法Fig.1 The measurement method of linear CCD intersection

2部CCD相機(jī)之間的距離為L，AO為CCD1的視軸，BO為CCD2的視軸，O為2部CCD相機(jī)的視軸交點(diǎn)，保證視軸AO和視軸BO以及基線AB在同一平面內(nèi)，這樣2部CCD相機(jī)就可以交匯出一個靶面UZDY靶面，通過這個靶面的目標(biāo)彈丸，將同時成像于CCD1和CCD2。

視軸AO和視軸BO與基線AB的夾角的角度，就是2部CCD相機(jī)的仰角角度。由這個角度形成的UZDY靶面就是一個有效的可測靶面。所以由于仰角角度不同，CCD相機(jī)擺放方式不同，CCD布站方式也不相同。

當(dāng)目標(biāo)彈丸穿過CCD靶面UZDY時，兩臺CCD相機(jī)同時工作，采集到目標(biāo)圖像信號后，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送到計算機(jī)上，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算。其中，彈丸過靶坐標(biāo)任意一點(diǎn)的位置，可以求得：

其中，L為CCD1和CCD2之間的距離，f為鏡頭焦距，x1、x2分別為彈丸CCD1或CCD2像面所成像位置到像面中心的距離，α、β分別為CCD1和CCD2光軸與水平面之間的夾角[3]。

2 立靶測量捕獲率分析

通過分析立靶測量光源的相關(guān)特性，便于分析測量數(shù)據(jù)或者降低誤差。以往的誤差分析當(dāng)中，常通過彈丸的攻角來計算彈丸姿態(tài)產(chǎn)生的誤差。而本文將從下面兩個方面來分析在室內(nèi)條件下CCD立靶當(dāng)中的誤差。

2.1 影響捕獲率的原因分析

在試驗(yàn)中，影響系統(tǒng)捕獲率的原因是多方面的，例如是CCD鏡頭、CCD相機(jī)設(shè)置、以及被測目標(biāo)彈丸的姿態(tài)等幾個方面。CCD相機(jī)作為立靶測量的主要光學(xué)成像設(shè)備，在實(shí)際試驗(yàn)的應(yīng)用當(dāng)中，會存在有一定的透鏡畸變，物體點(diǎn)在成像面上實(shí)際所成的像與理想成像之間存在光學(xué)畸變誤差，這種誤差就會影響系統(tǒng)捕獲率。而CCD相機(jī)的具體參數(shù)指標(biāo)，會對不同參數(shù)下試驗(yàn)產(chǎn)生不一樣的誤差。幀掃描速度、靈敏度、信噪比等，針對不同的彈丸都有不同的要求，從而保證計算的精度，降低誤差。

彈丸姿態(tài)，是指彈丸在高速飛行時的形態(tài)，一般用攻角作為描述彈丸飛行姿態(tài)的重要參數(shù)。攻角是指彈丸飛行方向的空氣來流與速度矢量的夾角，當(dāng)彈丸有攻角飛行時，就會對測量的結(jié)果造成影響，造成一定的偏差[4]。

2.2 捕獲率分析

2.2.1 捕獲率模型建立

文中引入室內(nèi)立靶測量，不同于室外立靶測量試驗(yàn)，就需要為CCD立靶提供的背景照明光源，而發(fā)光器件要求滿足足夠的亮度，又要具均勻穩(wěn)定體積小等特點(diǎn)，所以這里選用高亮度的發(fā)光二極管陣列作為光源。由發(fā)光二極管構(gòu)成的線光源射向CCD鏡頭，作為背景照明光源，當(dāng)彈丸從光源和CCD立靶之間 ，光源發(fā)出的光線被彈丸遮擋而在CCD像面上形成陰影圖像，從而實(shí)現(xiàn)CCD立靶對彈丸的捕獲。而在光源射向CCD鏡頭時，其光源的明暗照射會對彈丸捕獲產(chǎn)生影響而造成一定的誤差，通過分析誤差采取相應(yīng)措施，提高捕獲率。

如圖1所示，針對多元陣列光電探測器的光譜特性，采用高亮度發(fā)光二極管設(shè)計線光源，因?yàn)榘l(fā)光二極管屬于均勻漫射體，在其發(fā)光立體角范圍內(nèi)，發(fā)光亮度在各個方向上都是相等的。所以在發(fā)光二極管垂直照射的面上，各個方向上的發(fā)光強(qiáng)度[5]如式（3）。

其中I1為垂直方向的發(fā)光強(qiáng)度，每個發(fā)光二極管都是獨(dú)立的光源，不同的發(fā)光二極管發(fā)出的光線互不相干。

在我國，不論是槍彈還是炮彈，大多數(shù)彈丸都是選擇鋼為材質(zhì)，在表面覆銅，其目的之一是提高抗腐蝕能力，另一方面可以使鋼更容易加工成形，但是其銅表面在LED線光源照射下會對CCD捕獲造成一定影響。

設(shè)彈丸反射LED光的反射率為ρ，彈丸的有效反射面積為Sa，對目標(biāo)彈丸的照度為Se，那么彈丸反射的光亮度為：

那么，根據(jù)照度定理，發(fā)光強(qiáng)度為 Iθ的LED投射到CCD的靶面照度為：

其中，D1為光學(xué)系統(tǒng)有效通光孔徑，R為目標(biāo)的距離，τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過率，τ1為濾光片透過率[6]。

在CCD像元上的目標(biāo)照度為：

其中，D1為光學(xué)系統(tǒng)有效通光孔徑，f為焦距，τ1為濾光片透過率。

設(shè)Ei為入射到CCD的光照度，若Ei與時間T無關(guān)，則CCD的曝光量[7]可以表示為：

參考室外立靶捕獲率分析，在CCD分辨能力和目標(biāo)與背景對比度等條件下，依據(jù)光學(xué)特性原理，可以得到，在采用主動照明方式的室內(nèi)CCD立靶測量的情況下，系統(tǒng)對彈丸的捕獲率為：

上式中，Ss是目標(biāo)成像的單位面積，Rs為CCD的光譜響應(yīng)度，t1為子彈過靶時間[8]，T為一幀內(nèi)的積分時間，Hd為CCD的灰度值。

2.2.2 系統(tǒng)捕獲率仿真

在室內(nèi)靶道的6 m×6 m靶面中，采用7.62 mm步槍進(jìn)行實(shí)彈射擊，照明光源選擇波長為680 nm，出射角為60°，圓頭型直徑為8 mm的高亮度LED作為發(fā)光器件，在此條件下，根據(jù)式（8），對捕獲率進(jìn)行仿真分析如圖2所示。

由仿真結(jié)果可知：當(dāng)在滿足一定條件下的室內(nèi)進(jìn)行測量，對目標(biāo)彈丸的捕獲率Pd=96.13%，該立靶坐標(biāo)測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對彈丸目標(biāo)的捕獲。建立的捕獲率模型通過仿真可以得出，系統(tǒng)的捕獲率大于90%，能夠滿足室內(nèi)靶場試驗(yàn)的需要。

3 結(jié) 論

圖2 捕獲率仿真Fig.2 The simulation of capture rate

本文所述的捕獲率模型在現(xiàn)有的室內(nèi)CCD交匯測量的基礎(chǔ)上，針對室內(nèi)立靶的測量要求，分析了室內(nèi)立靶坐標(biāo)測量以及在采用發(fā)光二極管作為線光源前提下的光學(xué)特性，對于室內(nèi)CCD立靶測量系統(tǒng)的進(jìn)一步研究具有實(shí)際的參考價值，根據(jù)不同的參數(shù)設(shè)置可以得出不同條件下的系統(tǒng)捕獲率，能夠滿足不同的室內(nèi)立靶需要，設(shè)計出滿足條件的立靶方式和光源。

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Capture rate of linear-CCD intersection measuring system for indoor environment

MA Jing-ran， LEI Zhi-yong， WANG Ze-min
（School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an710032，China）

Indoor CCD intersection measuring the test environment， by adding the auxiliary light source lighting， based on the conditions in the CCD vertical target measurement principle， the analysis of the impact of indoor catch rate target reasons， and the establishment of indoor catch rate target model.According to the model can be supplied the indoor target measurement system’s capture rate and basis research..Meanwhile， take the vertical target capture rate to simulation analysis， simulation results show that the system’s capture rate can achieve 90%.

CCD vertical target； vertical target coordinate； capture rate； additional light source

TP247

A

1674－6236（2012）05-0149-03

2011-12-20稿件編號：201112120

馬靖然（1985—），女，吉林吉林人，碩士研究生。研究方向：信號與信息處理。