羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬器光學(xué)耦合組件的設(shè)計(jì)＊

劉敏林 劉伯運(yùn) 劉燕紅

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

光學(xué)方位儀在實(shí)際航海使用過程中是為了觀測遠(yuǎn)距離目標(biāo)或星體，因此其光學(xué)系統(tǒng)為望遠(yuǎn)系統(tǒng)，對于近距離視景無法進(jìn)行觀測，而在室內(nèi)模擬訓(xùn)練過程中，使用近距離視景來模擬遠(yuǎn)距離目標(biāo)［1～2］。因此，為解決上述模擬訓(xùn)練中存在的實(shí)際問題，設(shè)計(jì)了羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬器。

羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬器將為被測試人員提供與真實(shí)使用情況完全一致的光學(xué)方位儀功能，該模擬器能夠?qū)崿F(xiàn)觀測水平目標(biāo)和非水平目標(biāo)的功能，并且可以配合其它設(shè)備一起使用，達(dá)到準(zhǔn)確顯示出目標(biāo)的方位角等與真實(shí)使用時(shí)完全一致的參數(shù)的目的。

本模擬顯示系統(tǒng)由光學(xué)耦合組件、動(dòng)態(tài)圖像生成顯示芯片、測角及讀數(shù)裝置、主計(jì)算機(jī)及其實(shí)時(shí)景象生成系統(tǒng)組成。其中光學(xué)耦合組件的功能是將圖像顯示單元生成的可見光動(dòng)態(tài)景象準(zhǔn)直出射，使人通過羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬系統(tǒng)觀察到清晰的、相當(dāng)于無窮遠(yuǎn)的模擬景象。為此，光學(xué)耦合組件是羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬器中的核心部件。

2 光學(xué)耦合組件的光路設(shè)計(jì)

光學(xué)耦合組件的出瞳位置與觀測者的瞳孔位置完全重合，光學(xué)耦合組件的出瞳直徑略大于瞳孔直徑，以避免頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)丟失視場，即光學(xué)耦合組件的出瞳完全覆蓋觀測者的瞳孔，消除觀測過程中產(chǎn)生的漸暈，模擬真實(shí)的使用情況［3］。

設(shè)計(jì)過程中考慮了對軸上像差和軸外像差的校正。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以校正軸外像差為主，尤其是影響成像清晰度的慧差、像散和垂軸色差。

最終根據(jù)系統(tǒng)的像差要求，經(jīng)過大量的理論計(jì)算，確定了光學(xué)耦合組件的初始結(jié)構(gòu)，本光學(xué)耦合組件采用了五片單透鏡。五片單透鏡分別采用了ZLAF2、K9、LAK4、ZF6、K9等光學(xué)材料，相互配合，有效地消除了系統(tǒng)的球差和正弦差，并且盡可能地減小每個(gè)鏡片的相對孔徑，從而減小系統(tǒng)的高級像差；選取了恰當(dāng)?shù)牟ＡЫM合，有效地消除了系統(tǒng)的色差、像散和近軸慧差［4～7］。設(shè)計(jì)過程中使用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行像差校正優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定了光學(xué)耦合組件的具體結(jié)構(gòu)，其光路如圖1所示。

圖1 光學(xué)耦合組件的光路圖

利用圖1所示的光學(xué)耦合組件的光路設(shè)計(jì)，其傳遞函數(shù)、彌散斑以及場曲和畸變結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 光學(xué)耦合組件傳遞函數(shù)圖

圖3 光學(xué)耦合組件彌散斑圖

3 羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬器光學(xué)耦合組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬器是在原有光學(xué)方位儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，使用原光學(xué)方位儀的所有機(jī)械結(jié)構(gòu)，去除其內(nèi)部所有光學(xué)系統(tǒng)，在其內(nèi)部安裝新光學(xué)系統(tǒng)及視景顯示芯片，并在羅經(jīng)和反射支架上加裝精確測角裝置［8～9］，同時(shí)增加光學(xué)方位儀與主控及視景計(jì)算機(jī)間的接口，通過主控計(jì)算機(jī)控制完成模擬真實(shí)使用情況的目的。

圖4 光學(xué)耦合組件場曲和畸變圖

羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬器與其它設(shè)備配合完成整個(gè)模擬系統(tǒng)的室內(nèi)模擬測試。系統(tǒng)硬件示意圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件示意圖

羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬器的核心為光學(xué)耦合組件，光學(xué)耦合組件中動(dòng)態(tài)圖像生成器采用高分辨率OLED顯示器［10］。本系統(tǒng)采用分辨率為800像元×600像元的高分辨率彩色OLED。

光學(xué)耦合組件中的測角裝置采用Vishay原裝工業(yè)級伺服系統(tǒng)專用精密導(dǎo)電塑料電位器作為角度傳感器，如圖6所示。

該測角裝置為圖5中的7和9，其中心的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支架和反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)軸緊固連接，其外部的固定部分通過其上的三個(gè)定位孔與反射鏡支架和平面反射鏡的固定框體緊固連接，工作工程中，反射鏡支架和反射鏡的相對轉(zhuǎn)動(dòng)角度就會準(zhǔn)確地傳遞到測角裝置上，測角裝置將相對角度值上傳給主計(jì)算機(jī)，從而完成實(shí)時(shí)仿真過程中的角度測量。

圖6 測角裝置圖片

其主要的性能指標(biāo)如下：

容差：±10%；

線性度：±0.25%；

輸出平滑度：0.1%；

轉(zhuǎn)軸支撐方式：滾珠軸承；

壽命：10000000轉(zhuǎn)；

振動(dòng)耐受度：15G，10～2000Hz；

使用溫度范圍：－55℃～＋125℃。

精密電位器的信號經(jīng)過專用13Bit模擬量變送器進(jìn)行信號采集和變換之后，可通過RS232、以太網(wǎng)等方式發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)。根據(jù)模擬量測量角度進(jìn)行換算，本測角裝置的測角分辨率可達(dá)0.05°，已經(jīng)完全滿足手控操縱光學(xué)方位儀的角度精度要求。主控計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)換算出當(dāng)前的角度值，并通過該角度值控制視景變換。

模擬器實(shí)際工作過程中主要首先通過在反射鏡支架轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的測角裝置測得反光鏡支架的位置信號，傳送給主計(jì)算機(jī)，主計(jì)算機(jī)通過軟件系統(tǒng)判斷光學(xué)方位儀此時(shí)是處于哪種工作狀態(tài)（即是觀測天空還是水平的目標(biāo)或天體），當(dāng)為觀測天空的目標(biāo)或天體時(shí)，讀取安裝在羅經(jīng)上的測角裝置測出光學(xué)方位儀的方位角信息、讀取安裝在反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的測角裝置測出反光鏡的角度信息，同時(shí)接收上位機(jī)關(guān)于船體水準(zhǔn)及方位的角度信息（即模擬船體搖晃的角度信息），經(jīng)過計(jì)算后實(shí)時(shí)變換顯示芯片上所顯示的天空目標(biāo)或天體，視景顯示芯片所顯示的視景經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后以與原方位儀相同的視場顯示給測試人員，使測試人員觀測到相當(dāng)于無窮遠(yuǎn)的模擬景象；當(dāng)為觀測水平的目標(biāo)或天體時(shí)，讀取安裝在羅經(jīng)上的測角裝置測出光學(xué)方位儀的方位角信息，同時(shí)接收上位機(jī)關(guān)于船體水準(zhǔn)及方位的角度信息（即模擬船體搖晃的角度信息），經(jīng)過計(jì)算后實(shí)時(shí)變換顯示芯片上所顯示的水平面上的目標(biāo)，視景顯示芯片所顯示的視景同樣經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后以與原方位儀相同的視場顯示給測試人員，使測試人員觀測到相當(dāng)于無窮遠(yuǎn)的模擬景象。

4 結(jié)語

羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬器的技術(shù)難點(diǎn)是在原有光學(xué)方位儀上進(jìn)行改造，這樣嚴(yán)格限制了模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，使整體設(shè)計(jì)難度大大增加。光學(xué)耦合組件在保證原有光學(xué)技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)還要考慮光學(xué)系統(tǒng)像面尺寸要與高分辨率圖像顯示芯片尺寸吻合，并且還要考慮結(jié)構(gòu)尺寸，保證光學(xué)系統(tǒng)的尺寸不能與其它元器件發(fā)生干涉，最主要的是要保證光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，由于上述多方面的限制因素使光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大大增加；同時(shí)電器元器件的選擇，控制電路的開發(fā)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)等為了盡可能減小尺寸，難度都大大增加。本羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬器光學(xué)耦合組件的設(shè)計(jì)，將使整個(gè)訓(xùn)練過程更加全面，提高整個(gè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的效能。

［1］Chen Yaobin，Hu Xiaohui，Eberhart R.Cognitivemodels for learning to control dynamic systems［C］／／Proc IEEE International Conference on Neural Networks，2008：12－16.

［2］Eberhart R，Kenndy J.A new optimizier using particleswarm theory［C］／／Proc of the 6th International Symposium on Micro Machine and Human Science.NewYork：IEEE，1995：23－28.

［3］劉文勇.航海儀器［M］.大連：大連海運(yùn)學(xué)院出版社，1993.

［4］J D Maynard，E G Williams，Y Lee.Near－field acoustic holography：Ⅰ.Theory of generalized holography and the development of NAH［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1985，78（4）：1340－1350.

［5］蘭培真航海模擬器視景中地形繪制算法的研究［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，6（4）：230－253.

［6］蘭培真，金一丞，劉丹.船舶操縱模擬器中IBR技術(shù)的研究［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2001（增刊）：345－356.

［7］鐘力，張茂軍，等.360度柱面壘景圖象生成算法及其實(shí)現(xiàn)［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，1999，20（12）：123－234.

［8］趙正魁.三維到二維的射影變換與透視投影［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，1991（2）：20－24.

［9］Shi Y，Eberhart R.Parameter selection in particleswarm optimization［C］／／Proc of the 7th Annual Confon Evolutionary Programming.New York，1998：256－349.

［10］伊文天.方位角的GPS測量方法［J］.測繪與空間地理信息，2008，2（31）：112－116.