室内线阵CCD交汇测量捕获率分析

马靖然，雷志勇，王泽民

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032）

室内线阵CCD交汇测量捕获率分析

马靖然，雷志勇，王泽民

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032）

针对室内CCD交汇测量的试验环境，通过添加辅助光源照明，在基于CCD立靶测量原理的条件下，分析了室内立靶影响捕获率的原因，并建立了室内立靶的捕获率模型。该模型能够为室内立靶测量系统的捕获率计算和研究提供依据。同时，对立靶捕获率进行了仿真分析，仿真结果表明，该系统的捕获率能够达到90%。

CCD立靶；测量精度；捕获率；辅助光源

CCD立靶是靶场测试的关键测试设备，CCD作为光电转换式图像传感器，以其灵敏度高、光谱响应宽、分辨率高等一系列特点，而成为现代靶场广泛使用传感器，正逐渐成为现代靶场测试的一种主要手段。在现代靶场的应用当中，以室外进行的大靶面测量试验为主，但是进行室外试验测量对得出的数据精度会造成更多干扰。引起测量误差的因素很多，例如弹丸的姿态分析以及CCD立靶靶面不重叠[1]等。而本文在针对室内试验的条件下，在添加了辅助光源进行照明的前提下，分析和计算了光源对误差的影响，为CCD立靶测量系统实际的应用提供了理论依据。

1 立靶坐标测量原理

在针对室内的测量情况下，选择两部型号性能完全一样的线阵CCD来进行立靶测量。CCD交汇测量要求两部CCD相机在空间的同一平面内并选择相同仰角角度。其优势在于，公共视场可以交汇出有效靶面，得到更准确的数据[2]。也就是说在一部相机捕获弹丸图像的同时，另一部相机也可以获得相应的图像，这样可以保证CCD相机能够采集到最佳的图像信息。不同于室外试验有自然光的照明，所以针对室内试验环境添加辅助光源进行照明。具体方法如图1所示。

图1 线阵CCD交汇测量方法Fig.1 The measurement method of linear CCD intersection

2部CCD相机之间的距离为L，AO为CCD1的视轴，BO为CCD2的视轴，O为2部CCD相机的视轴交点，保证视轴AO和视轴BO以及基线AB在同一平面内，这样2部CCD相机就可以交汇出一个靶面UZDY靶面，通过这个靶面的目标弹丸，将同时成像于CCD1和CCD2。

视轴AO和视轴BO与基线AB的夹角的角度，就是2部CCD相机的仰角角度。由这个角度形成的UZDY靶面就是一个有效的可测靶面。所以由于仰角角度不同，CCD相机摆放方式不同，CCD布站方式也不相同。

当目标弹丸穿过CCD靶面UZDY时，两台CCD相机同时工作，采集到目标图像信号后，将图像转换为数字信号传送到计算机上，并对这些数据进行分析和计算。其中，弹丸过靶坐标任意一点的位置，可以求得：

其中，L为CCD1和CCD2之间的距离，f为镜头焦距，x1、x2分别为弹丸CCD1或CCD2像面所成像位置到像面中心的距离，α、β分别为CCD1和CCD2光轴与水平面之间的夹角[3]。

2 立靶测量捕获率分析

通过分析立靶测量光源的相关特性，便于分析测量数据或者降低误差。以往的误差分析当中，常通过弹丸的攻角来计算弹丸姿态产生的误差。而本文将从下面两个方面来分析在室内条件下CCD立靶当中的误差。

2.1 影响捕获率的原因分析

在试验中，影响系统捕获率的原因是多方面的，例如是CCD镜头、CCD相机设置、以及被测目标弹丸的姿态等几个方面。CCD相机作为立靶测量的主要光学成像设备，在实际试验的应用当中，会存在有一定的透镜畸变，物体点在成像面上实际所成的像与理想成像之间存在光学畸变误差，这种误差就会影响系统捕获率。而CCD相机的具体参数指标，会对不同参数下试验产生不一样的误差。帧扫描速度、灵敏度、信噪比等，针对不同的弹丸都有不同的要求，从而保证计算的精度，降低误差。

弹丸姿态，是指弹丸在高速飞行时的形态，一般用攻角作为描述弹丸飞行姿态的重要参数。攻角是指弹丸飞行方向的空气来流与速度矢量的夹角，当弹丸有攻角飞行时，就会对测量的结果造成影响，造成一定的偏差[4]。

2.2 捕获率分析

2.2.1 捕获率模型建立

文中引入室内立靶测量，不同于室外立靶测量试验，就需要为CCD立靶提供的背景照明光源，而发光器件要求满足足够的亮度，又要具均匀稳定体积小等特点，所以这里选用高亮度的发光二极管阵列作为光源。由发光二极管构成的线光源射向CCD镜头，作为背景照明光源，当弹丸从光源和CCD立靶之间 ，光源发出的光线被弹丸遮挡而在CCD像面上形成阴影图像，从而实现CCD立靶对弹丸的捕获。而在光源射向CCD镜头时，其光源的明暗照射会对弹丸捕获产生影响而造成一定的误差，通过分析误差采取相应措施，提高捕获率。

如图1所示，针对多元阵列光电探测器的光谱特性，采用高亮度发光二极管设计线光源，因为发光二极管属于均匀漫射体，在其发光立体角范围内，发光亮度在各个方向上都是相等的。所以在发光二极管垂直照射的面上，各个方向上的发光强度[5]如式（3）。

其中I1为垂直方向的发光强度，每个发光二极管都是独立的光源，不同的发光二极管发出的光线互不相干。

在我国，不论是枪弹还是炮弹，大多数弹丸都是选择钢为材质，在表面覆铜，其目的之一是提高抗腐蚀能力，另一方面可以使钢更容易加工成形，但是其铜表面在LED线光源照射下会对CCD捕获造成一定影响。

设弹丸反射LED光的反射率为ρ，弹丸的有效反射面积为Sa，对目标弹丸的照度为Se，那么弹丸反射的光亮度为：

那么，根据照度定理，发光强度为 Iθ的LED投射到CCD的靶面照度为：

其中，D1为光学系统有效通光孔径，R为目标的距离，τ0为光学系统透过率，τ1为滤光片透过率[6]。

在CCD像元上的目标照度为：

其中，D1为光学系统有效通光孔径，f为焦距，τ1为滤光片透过率。

设Ei为入射到CCD的光照度，若Ei与时间T无关，则CCD的曝光量[7]可以表示为：

参考室外立靶捕获率分析，在CCD分辨能力和目标与背景对比度等条件下，依据光学特性原理，可以得到，在采用主动照明方式的室内CCD立靶测量的情况下，系统对弹丸的捕获率为：

上式中，Ss是目标成像的单位面积，Rs为CCD的光谱响应度，t1为子弹过靶时间[8]，T为一帧内的积分时间，Hd为CCD的灰度值。

2.2.2 系统捕获率仿真

在室内靶道的6 m×6 m靶面中，采用7.62 mm步枪进行实弹射击，照明光源选择波长为680 nm，出射角为60°，圆头型直径为8 mm的高亮度LED作为发光器件，在此条件下，根据式（8），对捕获率进行仿真分析如图2所示。

由仿真结果可知：当在满足一定条件下的室内进行测量，对目标弹丸的捕获率Pd=96.13%，该立靶坐标测量系统实现了对弹丸目标的捕获。建立的捕获率模型通过仿真可以得出，系统的捕获率大于90%，能够满足室内靶场试验的需要。

3 结 论

图2 捕获率仿真Fig.2 The simulation of capture rate

本文所述的捕获率模型在现有的室内CCD交汇测量的基础上，针对室内立靶的测量要求，分析了室内立靶坐标测量以及在采用发光二极管作为线光源前提下的光学特性，对于室内CCD立靶测量系统的进一步研究具有实际的参考价值，根据不同的参数设置可以得出不同条件下的系统捕获率，能够满足不同的室内立靶需要，设计出满足条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稿件编号：201112120

马靖然（1985—），女，吉林吉林人，硕士研究生。研究方向：信号与信息处理。