CCD立靶坐标测量系统精度仿真分析

ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ
ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ
ｓｙｓｔｅｍ
ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｄａｔａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｉｎｅａｒ ＣＣＤ；ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｏ
引
仁了
ＣＣＤ立靶坐标测量系统用于武器射击时自动测量弹着点坐标，并计算弹着点密集度．４ 测量． Ｉ
ｍ靶面最大测量误差‰。４—３．０ ｍｍ，％。“一３．０
ｍｍ．
万方数据
３６０
测
试技术
学报
２００９年第４期
Ｏ．８ Ｏ．７
ｌ・Ｏ ０．８
目０．６
Ｆ ０．５
０．４ Ｏ．５
量０．６ 寸
０・４
８专
（ａ）Ｉ ｍＸＩ ｍＣＣＤ立靶精度图形
３．０ ２．５
３．０ ２．５
望２．ｏ
ｄ １．５ Ｌ０ ２ ２
黑
ｐ
２．ｏ １．５ １．Ｏ ２ ２
２００９年第２３卷第４期
（总第７６期）
测
试
技
术
学
报
Ｖ０１．２３
Ｎｏ．４
２００９
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＥＳＴ ＡＮＤ
ＭＥＡｓｕＲＥＭＥＮＴ ＴＥｃＨＮＯＬｏＧＹ
（Ｓｕｍ Ｎｏ．７６）
文章编号：１６７１—７４４９（２００９）０４．０３５８—０４
ＣＣＤ立靶坐标测量系统精度仿真分析
李 华１，李国富１’２，雷 蕾１’２
２系统交汇原理
弹丸的空间坐标由二台线阵ＣＣＤ电视经纬仪交汇测量获得，如图２所示，采用正交布站，线阵ＣＣＤ 电视经纬仪分别安装在Ａ，Ｂ两处，Ａ，Ｂ两点连线称为基线ｓ，基线Ｓ确定了靶面大小．若以Ａ，Ｂ两台 ＣＣＤ相机主光轴交点为坐标原点，建立坐标系，横向为Ｚ轴，纵向为ｙ轴．在视场范围内，任何被测弹着 点Ｉ（ｚ，ｙ）相对于Ａ，Ｂ的高角为口，ｐ，ＡＢ＝ｓ，ｙ一１８０。－－ａ－－ｐ，则被测弹着点的空间坐标数学表达式为
（ｂ）４ｒｅＸ４ｍＣＣＤ立靶精度图形 圈４坐标误差三维分布
Ｆｉｇ．４
Ｔｈｅ
３Ｄ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ
ｅｒｒｏｒ
４试验验证
４．１系统试验方法 系统交付验收时，在距枪口１２０ ｍ处架设１块１ ｍ×１ ｍ的木板靶，调整木板靶与射向垂直，在木板 靶前架设ＣＣＤ靶，靶面为１ ｍ×１ ｍ．调整ＣＣＤ靶使之坐标原点与木板靶坐标原点相对应．用自动步枪 分别向木板靶的左上、右上、中心、左下、右下区域单发射击，每个区域射击２０发普通弹．以木板靶上测 量的弹丸着靶坐标为真值检测ＣＣＤ靶的坐标测量精度．靶面区域划分如图 ５所示． ４．２坐标测量精度计算方法 坐标测量精度计算公式为
吼一
（３）
巳２
（４）
Ｆｉｇ．５
圈５靶面区域划分
Ｔｈｅ
ｐａｒｔｉｔｉｏｎ
ｏｆ
ｔａｒｇｅｔ
ｒｅｇｉｏｎ
式中：以为ＣＣＤ靶方向测量精度；ｏ为ＣＣＤ靶高低测量精度；ｚｉ为第ｉ发弹 方向坐标在木板靶上的测量值；弘为第ｉ发弹高低坐标在木板靶上的测量值；ｚ∥为第ｉ发弹方向坐标在 ＣＣＤ靶上的测量值；ｙ∥为第ｉ发弹高低坐标在ＣＣＤ靶上的测量值；Ａ。为方向坐标在木板靶上的测量值 与在ＣＣＤ靶上的测量值之差的平均值；Ａｙ为高低坐标在木板靶上的测量值与在ＣＣＤ靶上的测量值之差
ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ｉｓ １ ｍ ａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ
０．８ ｍｍ Ｘ １．０ ｍｍ ａｎｄ
３．０ ｍｍ Ｘ
ｃａｎ
３．０ ｍｍ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ
４ ｍ．Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ａｐｐｌｙ
Ｏｐｔｉｃｓ，２０００。２１（５）ｌ
４０—４３．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［２］费业泰．误差理论与数据处理［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４：８４—８６． ［３］李华，雷蕾，常何民，等．ＣＣＤ立靶对暗弱高速飞行弹丸的捕获研究口］．光子学报，２００８，３７（６），１２３８—１２４１．
中图分类号：ＴＰ３９１．１ 文献标识码：Ａ
Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＣＣＤ—－Ｂａｓｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｔａｒｇｅｔ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ
ＬＩ Ｈｕａｌ，ＬＩ Ｇｕｏｆｕｌ一，ＬＥＩ Ｌｅｉｌｔ２
（１．Ｘｉ’ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ
（１．中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安７１０１１９；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９）
摘要：
根据ＣＣＤ立靶坐标测量系统的工作原理，对系统测量精度进行了理论分析，建立了系统测量精度
数学模型，利用计算机仿真技术对其进行仿真计算，１ ｍ靶面的测量精度为０．８ ｍｍＸｌ．０ ｍｍ；４ ｍ靶面的测 量精度为３．０ ｍｍＸ３．０ ｍｍ．通过理论计算和试验结果的对比，证明该数学模型可准确描绘系统的测量精度． 关键词：线阵ＣＣＤ测量精度；数学模型；仿真
Ｌｉ Ｈｕａ，Ｌｅｉ Ｌｅｉ，Ｃｈａｎｇ Ｈｅｍｉｎ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｉｎｉｃａ。２００８。３７（６）ｌ １２３８．１ ２４１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
ｏｎ
ｃａｐｔｕｒｅ
ｒａｔｅ
ｏｆ ｔｈｅ ＣＣＤ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｓｙｓｔｅｍＤ］．Ａｃｔａ
Ｐｈｏｔｏｎｉｃａ
万方数据
５
ｍ，测角误差以＝即一６０”，乃
＝厂矿以．将以上参数输入计算机程序，得到不同靶面下各点坐标
误差分布三维图，如图４所示． 从图４可以看出：
１ ＩＴＩ×１
ｍ靶面最大测量误差‰。ｌ一０．８
ｍｍ，Ｏ＇ｙｍａ；１—
田３仿真程序流程
Ｆｉｇ．３＂Ｉｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｃｈａｒｔ
１．０ ｍｍ； ４ ｍＸ４
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１１９，ＣｈｉｎａＩ
ｏｆ
Ｓｃｈｏｏｌ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ
Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９。Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＣＣＤ—ｂａｓｅｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔａｒｇｅｔ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｌ
Ｊ
标测量误差表达式
２一等ｓｉｎ ２一—ｉ五丁８１ｎ ｙ＝等ｓｉ‘ｎ卢一ｓ／２． １万ｓ
ｙ
ｐ一５／２／， ｐ一５’
２
ｐ一５‘
由式（１）知，系统的结构参数ｓ，口，ｐ，ｙ都对测量精度产生影响‘¨，根据误差传播理论‘引，可推导出，点坐
醒＝（警）２优２＋（笔）２虻２＋‘邪ａｚ）２弗＋（万ａｚ）２盯；， ｑ２＝（筹）２谚＋（髦）２程＋‘郅ａｙ）２嵋＋（孤ａｙ）２钟２．
参考文献：
［１］高听，苏建刚，张光明．ＣＣＤ摄象机交汇测量目标脱靶量布站分析［Ｊ］．应用光学，２０００，２１（５）：４０—４３．
Ｇａｏ Ｘｉｎ，Ｓｕ
Ｊｉａｎｇａｎｇ，Ｚｈａｎｇ
Ｇｕａｎｇｍｉｎｇ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ
ａｎａｌｙｚｉｎｇ
ｏｆ
ａ
ｌｉｎｅａｒ
ＣＣＤ
ａｒｒａｙ
ｃａｍｅｒａ
ｉｎ
ｉｎｔｅｒｓｅｃｔａｎｔ
３仿真计算
根据立靶交汇测量系统的测量精度数学模型及误差分析，在 ＭＡＴＬＡＢ应用环境下，编制了仿真程序，对该ＣＣＤ立靶坐标测量 系统的测量精度进行仿真计算，并与实弹试验结果进行比较分析． 程序流程如图３所示． 分别以１
ｍ×１ ｍ，４ ｍ×４
ｍ靶面为设计实例，利用ＭＡＴＬＡＢ
计算方法，对上述２种靶面的测量精度进行计算与仿真．采用正交 布站，两ＣＣＤ相机主光轴交角为９０。，设靶面长为ｄ，则基线 ｓ＝ｄ／ｔａｎ∞．取基线误差ｃｒｌ＝０．００１
・收稿日期：２００９—０１．１６ 作者简介：李华（１９６８一），男，副研究员，硕士。主要从事光电测控仪器研究．
万方数据
（总第７６期）
ＣＣＤ立靶坐标测量系统精度仿真分析（李华等）
３５９
ｙ
ｏ
激光器
经纬仪
仅＝Ｄ相机
枪口信号 发生器
Ｊ，
ｆ
激光器 经纬仅
● 目‘Ⅻ
厂］
ａ扣相机 中心站
Ｉ一
枪位
一狐
Ｊ０∽
一
／２＼
Ｚ
／
Ｉ ｌ
ｂ
掣‘｜１
丫。
Ｌ一 电台
ｊ／吣
／
圈２系统测量原理
从，
ｉ
～……。…‘・＿…………・……………・………’…。・…．Ｊ
ｌ电台Ｈ
圈１立靶坐标测量系统结构图 ｎ晷１
Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｆ ＣＬ＇Ｄ ｍｅａｓｕ＿ｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ
Ｆｉｇ．２
Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
万方数据
（总第７６期）
ＣＣＤ立靶坐标测量系统精度仿真分析（李华等）
３６１
的平均值；以为计算射弹发数． 剔除异常数据，得出１
ｒｎ×１
ｍ靶面ＣＣＤ靶测量精度为以一０．７ ｍｍ，ｏ＝１．０ ｍｍ．用同样的方法得
到４ ｍ×４ ｍ靶面ＣＣＤ靶的测量精度为以一２．７ ｍｍ，盯，一２．１ ＩＴｌｍ．
４．３理论计算结果与试验结果比较 从前面的分析和试验验证中，可以得到计算机理论仿真计算的系统测量精度和试验验证得到的系统 测量精度．见表１．
结
论
本文对影响ＣＣＤ立靶坐标测量系统精度的因素进行了分析，并通过计算机仿真计算，对比实际试验 数据得出结论：ｌ
ｍ×１ ｍ，４ ｍ×４
ＩＴｌ的ＣＣＤ立靶坐标测量系统的实际测量精度与理论测量精度基本符
合，从而证实了用于理论分析的数学模型可以用来指导工程设备的研制，为更大靶面的ＣＣＤ测量系统的 研制提供了新的仿真手段和方法．
ｓｙｓｔｅｍ，ｗｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｔｓ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ
ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｔａｒｇｅｔ
ａｒｅａ
ｍ×４ ｍ靶面
的ＣＣＤ立靶坐标测量系统已研制成功．系统可实现对暗、小、高速飞行目标的捕获以及着靶坐标的精确
ＣＣＤ立靶坐标测量系统构成
系统结构如图１所示．射击时，在弹丸渡越靶面的瞬间，两个测量单元中的ＣＣＤ相机捕获到弹丸目
标形成目标信号，由数传系统将目标信号传输到中心站微机，由中心站微机对数据进行处理，得出不同靶 面上弹丸的弹着点坐标并计算出立靶密集度．
襄Ｉ理论计算与试验结果
＼磐厨
精度／ｍｏ＼＼
ｏ＇ｚ Ｏ，
Ｔａｂ．１
Ｔｈｅ
ｌLeabharlann Baidu
ｒｅｓｕｌｔ
ｏｆ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｊｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ
ｔｅｓｔ
ｄａｔａ ４ｍＸ４ｍ
ｍＸｌ ｍ
理论最大值
Ｏ．８ １．Ｏ
试验结果
Ｏ．７ １．０
理论最大值
３．Ｏ ３．０
试验结果
２．７ ２．１
从表１可以看出，用上述数学模型仿真计算得到的理论测量精度与实际试验测量精度基本相符，满 足技术指标要求． ５