一種用于跟蹤精度檢測(cè)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)

姜昌錄，康 臻，康登魁，李 輝，王楠茜，陳潔婧，張博妮，王生云

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

光電搜索跟蹤系統(tǒng)作為信息化武器裝備的感知和測(cè)量系統(tǒng)，是光電搜索領(lǐng)域的核心光電儀器，是高新武器系統(tǒng)的“眼睛”，集成了紅外成像與探測(cè)、電視、微光夜視、穩(wěn)定平臺(tái)等技術(shù)，主要完成對(duì)目標(biāo)的搜索、偵察、識(shí)別、跟蹤、瞄準(zhǔn)等任務(wù)，廣泛應(yīng)用于機(jī)載、車(chē)載、艦載等武器平臺(tái)及試驗(yàn)靶場(chǎng)。

光電搜索跟蹤系統(tǒng)在搜索跟蹤階段主要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的捕獲和跟蹤，其跟蹤精度參數(shù)是表征光電搜索跟蹤系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)[1-4]。在國(guó)外，美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯和以色列等國(guó)紛紛研究了光電搜索跟蹤系統(tǒng)測(cè)試方法，研制了綜合型測(cè)試設(shè)備。例如美國(guó)諾斯洛普·格魯曼公司研制了EO3 綜合測(cè)試系統(tǒng)，可完成中波和長(zhǎng)波前視紅外（forward looking infrared radar,FLIR）熱成像系統(tǒng)、可見(jiàn)光攝像機(jī)、激光測(cè)距機(jī)等設(shè)備的光軸一致性和跟蹤精度的測(cè)試。在國(guó)內(nèi)，對(duì)于光電搜索跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度的測(cè)量主要有外場(chǎng)檢測(cè)和室內(nèi)檢測(cè)兩種手段[5-8]。例如中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院測(cè)試技術(shù)研究所在外場(chǎng)對(duì)某瞄準(zhǔn)吊艙跟蹤精度進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估，跟蹤精度的測(cè)量不確定度約為100 μrad[9]；長(zhǎng)春光機(jī)所研制的可編程動(dòng)態(tài)靶標(biāo)[10]，主要通過(guò)裝在精密軸系上的軸角編碼器來(lái)顯示和控制平行光管的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤精度的測(cè)量，其工作角速度范圍為0.01°/s～50°/s，角加速度范圍為0～30°/s，跟蹤精度約為50 μrad。但該方法中的動(dòng)態(tài)目標(biāo)角速度范圍和角速度精度在很大程度上受到轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及運(yùn)動(dòng)變形的影響，不能提供隨時(shí)改變方向的目標(biāo)。

本文提出了一種用于室內(nèi)跟蹤精度檢測(cè)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)方案，采用OLED 顯示屏刷新圖像的方式，配合平行光管陣列實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的模擬，具有無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向可隨時(shí)改變、模擬精度高、檢測(cè)成本低等特點(diǎn)，適用于光電搜索跟蹤系統(tǒng)跟蹤性能的評(píng)價(jià)。

1 動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)方案及工作原理

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行光電搜索跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度測(cè)試時(shí)，主要是用模擬器模擬外場(chǎng)環(huán)境下的1 個(gè)被跟蹤目標(biāo)。這個(gè)目標(biāo)一般處于無(wú)窮遠(yuǎn)位置，在光電搜索跟蹤系統(tǒng)的觀瞄具上成像清晰，并且具有一定的角速度和角加速度。

為滿(mǎn)足上述要求，設(shè)計(jì)了基于OLED 發(fā)光的平行光管陣列式目標(biāo)模擬器，其構(gòu)成主要包括：支架、目標(biāo)發(fā)生單元、顯示屏控制模塊、信號(hào)放大和采集電路、計(jì)算機(jī)等，如圖1 所示。

若干個(gè)目標(biāo)發(fā)生單元安裝在一段弧面上，根據(jù)被測(cè)光電搜索跟蹤系統(tǒng)的偏軸量分段排布，指向被測(cè)光電搜索跟蹤系統(tǒng)的相機(jī)中心，目標(biāo)發(fā)生單元的數(shù)量可根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)測(cè)量范圍調(diào)整。單個(gè)目標(biāo)發(fā)生單元由安裝在焦面的OLED 顯示屏、硅光電探測(cè)器和準(zhǔn)直物鏡組成，位置關(guān)系如圖2 所示。

圖 2 目標(biāo)發(fā)生器組成示意圖Fig.2 Schematic of target generator composition

其工作原理為：通過(guò)程序控制OLED 顯示屏上的發(fā)光單元按照設(shè)定的次序和時(shí)間間隔依次發(fā)光，經(jīng)平行光管后形成1 個(gè)具有不同角速度的無(wú)窮遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。OLED 顯示屏顯示圖案為十字目標(biāo)，當(dāng)OLED 顯示屏顯示十字目標(biāo)時(shí)，會(huì)觸發(fā)硅光電探測(cè)器，信號(hào)放大和采集電路等與硅光電探測(cè)器連接并采集電流信號(hào)進(jìn)行放大，用于對(duì)OLED顯示屏的發(fā)光時(shí)刻進(jìn)行記錄。根據(jù)OLED 顯示屏上每個(gè)十字目標(biāo)的位置和硅光電探測(cè)器記錄的時(shí)刻信息，計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和加速度，實(shí)現(xiàn)勻速和加速等模式的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)模擬。

2 動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)結(jié)果

為了使動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器具有無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向可隨時(shí)改變、模擬精度高等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)方案主要解決基于OLED 顯示屏生成目標(biāo)的目標(biāo)發(fā)生單元設(shè)計(jì)、顯示屏控制模塊設(shè)計(jì)等問(wèn)題。

2.1 目標(biāo)發(fā)生單元設(shè)計(jì)

單個(gè)目標(biāo)發(fā)生單元由安裝在焦面的OLED 顯示屏、硅光電探測(cè)器和準(zhǔn)直物鏡組成。

2.1.1 準(zhǔn)直物鏡設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器采用如圖1 所示的弧面結(jié)構(gòu)，要求被測(cè)光電搜索跟蹤系統(tǒng)在弧面結(jié)構(gòu)的會(huì)聚中心，弧面結(jié)構(gòu)承載的目標(biāo)發(fā)生單元設(shè)計(jì)不能與被測(cè)光電搜索跟蹤系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)空間位置干涉，設(shè)計(jì)目標(biāo)發(fā)生單元前端面拼接形成的圓半徑為900 mm。

已知被測(cè)光電搜索跟蹤系統(tǒng)的接收口徑約為30 mm～60 mm，通過(guò)光路模擬，被測(cè)光電搜索跟蹤系統(tǒng)接收單個(gè)目標(biāo)發(fā)生單元發(fā)出的光的視場(chǎng)范圍約為4°。根據(jù)圓半徑900 mm 和單個(gè)目標(biāo)發(fā)生單元視場(chǎng)4°這2 個(gè)參數(shù)，可以計(jì)算出單個(gè)目標(biāo)發(fā)生單元的最大機(jī)械直徑為Φ63 mm。因此，設(shè)計(jì)準(zhǔn)直物鏡口徑為Φ60 mm。按照《JB/T 7399—94 平行光管》推薦的參數(shù)，設(shè)計(jì)準(zhǔn)直物鏡焦距為600 mm，視場(chǎng)角為±2°，焦面大小約為42 mm，準(zhǔn)直物鏡MTF 數(shù)據(jù)如圖3 所示，準(zhǔn)直物鏡的空間分辨率可達(dá)到100 lp/mm，十字目標(biāo)以單個(gè)發(fā)光單元計(jì)算為0.2 mm，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)十字目標(biāo)的清晰準(zhǔn)直發(fā)射[11-12]。

2.1.2 OLED 顯示屏參數(shù)設(shè)計(jì)

OLED 顯示屏的設(shè)計(jì)，主要根據(jù)準(zhǔn)直物鏡的參數(shù)計(jì)算OLED 顯示屏的尺寸，以及根據(jù)模擬連續(xù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的要求計(jì)算OLED 顯示屏的發(fā)光單元尺寸。

首先，準(zhǔn)直物鏡的焦距為600 mm，視場(chǎng)為4°，因此OLED 顯示屏的長(zhǎng)度要大于42 mm；其次，為了模擬1 個(gè)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，對(duì)OLED 顯示屏的發(fā)光單元間距有一定限制。假設(shè)光電搜索跟蹤系統(tǒng)跟蹤速度為ω＝1°/s～100°/s，電視攝像機(jī)的幀頻為f＝60 Hz，電視攝像機(jī)的小視場(chǎng)為0.2°，則在1 幀圖像內(nèi)，光電搜索跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度范圍為ω/f＝0.016°～1.67°。在空間位置上，要求前后2 幀圖像內(nèi)都有發(fā)光單元，即0.2°視場(chǎng)內(nèi)要布置2 個(gè)以上發(fā)光單元，則發(fā)光單元尺寸要小于1 mm?？刂芆LED 顯示屏的刷新時(shí)間，避免丟失目標(biāo)的情況發(fā)生。

圖 3 準(zhǔn)直物鏡的MTF 圖Fig.3 MTF diagram of collimator objective

因此，本文中設(shè)計(jì)的OLED 顯示屏的參數(shù)為：發(fā)光單元尺寸0.2 mm×0.2 mm；物理分辨率256×64 pixel；OLED 顯示屏尺寸51.2 mm×12.8 mm。相鄰發(fā)光單元的角度空間角間隔為0.019°，也滿(mǎn)足0.2°視場(chǎng)內(nèi)要布置2 個(gè)以上發(fā)光單元的要求，證明OLED 顯示屏設(shè)計(jì)合理。同時(shí)發(fā)光單元的光亮度為80 cd/m2，屏幕對(duì)比度大于1 000∶1，圖像灰度可調(diào)。

探測(cè)器主要從響應(yīng)波長(zhǎng)、靈敏度、上升時(shí)間和暗電流等參數(shù)入手，經(jīng)過(guò)比對(duì)分析，選用日本濱松公司的S1227—66BR 光電二級(jí)管，其技術(shù)參數(shù)為：響應(yīng)波長(zhǎng)340 nm～1 100 nm，靈敏度0.43 A/W，暗電路20 pA，上升時(shí)間2 μs。

2.2 顯示屏控制模塊設(shè)計(jì)

顯示屏控制模塊用于與OLED 顯示屏通信，控制每塊OLED 顯示屏在正確的時(shí)間發(fā)光，以此來(lái)模擬連續(xù)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)[13-14]，其設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖 4 顯示屏控制模塊原理圖Fig.4 Schematic of display screen control module

顯示屏控制模塊包含通信控制模塊以及運(yùn)動(dòng)軌跡解算模塊。當(dāng)顯示屏控制模塊上電后，通信控制模塊、軌跡解算模塊以及OLED 顯示模塊分別完成上電初始化工作。OLED 顯示模塊1 產(chǎn)生同步時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)無(wú)延遲時(shí)鐘緩沖芯片輸出到OLED顯示模塊2，再到OLED 顯示模塊3，依次實(shí)現(xiàn)所有OLED 顯示模塊時(shí)鐘的同步。當(dāng)OLED 顯示模塊接收到通信控制模塊開(kāi)始顯示指令后，所有的OLED 顯示模塊會(huì)同時(shí)打開(kāi)OLED 背光。

當(dāng)顯示屏控制模塊接收到上位機(jī)發(fā)送的控制指令（包括速度、加速度、初速度、速度上限、目標(biāo)大小和圖像灰度等），運(yùn)動(dòng)軌跡解算模塊將上位機(jī)軟件的指令按照設(shè)置的時(shí)間間隔分發(fā)給所有OLED顯示模塊，同時(shí)反饋連接信息。OLED 顯示模塊將接收到的指令進(jìn)行解析，過(guò)濾掉發(fā)送給485 總線(xiàn)上其他顯示模塊的信息，獲取發(fā)給本模塊的信息，最后進(jìn)行校驗(yàn)并執(zhí)行相應(yīng)的顯示指令。

2.3 信號(hào)放大和采集電路設(shè)計(jì)

單獨(dú)1 個(gè)目標(biāo)發(fā)生器安裝完成后，探測(cè)器在OLED 發(fā)光時(shí)輸出的電流信號(hào)約為20 nA，信號(hào)較弱，需要采用低噪聲電流前置放大器進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)中信號(hào)放大和采集電路選用美國(guó)Stanford Research Systems 公司的SR570 前置放大器，該放大器是1 臺(tái)低噪聲電流放大器，具備1 pA/V 的高增益、1 MHz 帶寬，同時(shí)具備濾波功能，濾波頻率可在0.03 Hz～1 MHz 之間進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)設(shè)置增益級(jí)別，經(jīng)過(guò)放大后的輸出電壓可以達(dá)到V 級(jí)，滿(mǎn)足信號(hào)探測(cè)需要。

3 動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器角速度模擬測(cè)量不確定度分析

動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器最主要的功能是為光電搜索跟蹤系統(tǒng)測(cè)試提供具有一定角速度的動(dòng)態(tài)目標(biāo)。因此，需要對(duì)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器進(jìn)行角速度模擬的測(cè)量不確定度分析[15]，得到角速度ω的數(shù)學(xué)模型為

式中：θ為相鄰發(fā)光單元的角間隔，單位為（°）；t為時(shí)間間隔，單位為s。

各分量相互獨(dú)立，則：

式中：uθ為發(fā)光單元角間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，單位為度（°）；ut為時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，單位為s。

角速度的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

根據(jù)數(shù)學(xué)模型分析，角速度模擬的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來(lái)源有兩項(xiàng)：一個(gè)是發(fā)光單元角間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uθ，一個(gè)是發(fā)光單元發(fā)光時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ut。

1）發(fā)光單元角間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uθ

目標(biāo)發(fā)生器的發(fā)光單元為OLED 顯示屏，相鄰單元距離為0.2 mm，每個(gè)目標(biāo)發(fā)生器的空間角度由經(jīng)緯儀在安裝和測(cè)試前進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)精度約為0.8″，即uθ=0.000 222°。

2）發(fā)光單元發(fā)光時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ut

發(fā)光單元發(fā)光的時(shí)刻信息由S1227—66BR 硅光電二級(jí)管配合SR570 前置放大器進(jìn)行采集，通過(guò)示波器測(cè)量，三者屬于串聯(lián)關(guān)系，其中S1227—66BR 硅光電二級(jí)管的上升時(shí)間為2 μs，SR570 前置放大器和示波器的帶寬都達(dá)到1 MHz。因此，時(shí)間間隔的測(cè)量不確定度分量ut=0.000 002 s。

3）相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

當(dāng)角速度ω為1°/s～10°/s 時(shí)，以3 個(gè)OLED 發(fā)光單元長(zhǎng)度為最小間距進(jìn)行計(jì)算，則θ=0.057°，uθ=0.000 222°，ut=0.000 002 s，t=0.057 s～0.005 7 s，代入（3）式計(jì)算，可得最大值為0.4%。

當(dāng)角速度ω為10°/s～100°/s 時(shí)，以6 個(gè)OLED發(fā)光單元長(zhǎng)度為最小間距進(jìn)行計(jì)算，則θ=0.114°，uθ=0.000 222°，ut=0.000 002 s，t=0.011 4 s～0.001 14 s，代入（3）式計(jì)算，可得最大值為0.3%。

4）相對(duì)擴(kuò)展不確定度

取置信概率為95%，置信因子k=2，則相對(duì)擴(kuò)展不確定度為

Urel=2ucrel＝0.6%～0.8%(k=2)

4 標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)

方案設(shè)計(jì)完成后，對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器進(jìn)行了標(biāo)定。首先，用程序控制每個(gè)目標(biāo)發(fā)生單元，使其中心發(fā)光，并在動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器中心安裝 T3 經(jīng)緯儀，對(duì)每個(gè)目標(biāo)發(fā)生單元進(jìn)行空間角測(cè)量，測(cè)量精度約為0.8″。其次，用程序控制OLED 顯示屏模擬1 個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，使用示波器連接信號(hào)放大和采集電路以及硅光電探測(cè)器，對(duì)OLED 顯示屏的發(fā)光時(shí)刻進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5 所示。本次時(shí)間間隔的測(cè)量數(shù)據(jù)依次為6.620 ms、6.622 ms、6.622 ms、6.620 ms、6.618 ms、6.620 ms，時(shí)間間隔的測(cè)量精度達(dá)到2 μs。

圖 5 示波器記錄發(fā)光時(shí)刻圖Fig.5 Photo of luminescence time recorded by oscilloscope

標(biāo)定完成后，使用某跟蹤儀進(jìn)行模擬跟蹤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)布局如圖1 所示。第1 步，調(diào)節(jié)跟蹤儀以對(duì)準(zhǔn)最左側(cè)的目標(biāo)發(fā)生單元，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序和顯示屏控制模塊驅(qū)動(dòng)OLED 顯示屏產(chǎn)生1 個(gè)十字目標(biāo)，跟蹤儀選定該十字為跟蹤目標(biāo)，然后進(jìn)入跟蹤模式；第2 步，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序設(shè)置十字目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使用跟蹤儀跟蹤，拍攝一段跟蹤視頻，截取5 幀跟蹤圖像，如圖6 所示。每幀圖像都采集到十字目標(biāo)，而且每幀跟蹤圖像的十字圖像清晰，因此可以確定該動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器模擬效果良好。

圖 6 跟蹤圖像Fig.6 Tracking images

5 結(jié)論

本文介紹了一種用于室內(nèi)跟蹤精度檢測(cè)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器，由若干個(gè)平行光管等間隔安裝在支架上，構(gòu)成平行光管陣列，模擬目標(biāo)角度范圍可根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)通過(guò)增加平行光管數(shù)量的方式進(jìn)行擴(kuò)展。該模擬器采用OLED 顯示屏刷新圖像的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬，模擬的動(dòng)態(tài)目標(biāo)角速度范圍可達(dá)1°/s～100°/s，角速度模擬的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.6%～0.8%，具有無(wú)機(jī)械振動(dòng)、可任意改變目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向等特點(diǎn)，滿(mǎn)足光電搜索跟蹤系統(tǒng)室內(nèi)檢測(cè)的需要。