基于CCD线阵的立靶测量系统精度分析∗

孙晏涛

（92941部队43分队 葫芦岛 125001）

1 引言

在各类武器的射击试验中，确定弹丸坐标对于武器的研发、定型等有着重要的意义。关于弹丸坐标的测量方法，目前主要有如下几种：靶板法（木靶或网靶）、声学靶、光电坐标靶等。

靶板法是指在预定的测试地点竖立一面木板或网布，射击结束后，人工读取上面留下的弹孔坐标。此方法虽然简单易操作、可靠性高，但是无法实时处理数据，易产生较大的人工误差，并且当射弹数较多时，由于弹孔重叠可能出现漏测。

声学靶利用声敏器材，通过测定超音速弹丸产生的激波到达每个传感器的时间差，采用相应的数学模型反向结算出弹着点坐标。此方法目前仅能对超音速弹丸进行测试，抗干扰能力差，且射频不能过高。大靶面测量时，激波到达声传感器的传播路径更长，易受到各种因素的干扰，从而产生较大的定位误差。

光电坐标靶包括天幕靶和CCD交汇立靶。天幕靶通常由至少4个光幕阵列组合而成，通过测量弹丸穿过光幕阵列的时间反推坐标。此方法的测量精度很高，但存在安装条件严苛、便携性差等问题。

CCD交汇立靶采用2台或以上的CCD相机，其视角在空中交汇而成虚空立靶，弹丸过靶时会留下阴影位置信息，根据该信息即可结算出弹丸过靶坐标。此方法结构简单、测量精度高，目前已被广泛使用，随着CCD相机像素分辨率的提高，其测量精度有望进一步提升。

2 CCD立靶测量系统的组成

系统结构如图1所示。射击时，在弹丸穿过靶面的瞬间，CCD相机捕获到弹丸目标，通过数传系统将目标信号传输至中心站，经过数据处理，实时解算弹着点坐标，并计算出立靶密集度。

图1 CCD立靶测量系统结构图

3 交汇测量原理

如图2所示，两台CCD相机分别固定于A、B两处，采用正交法则布站，即两相机光轴夹角为90°，每台相机相对于基线（即AB连线）的夹角均为45°。

图2 系统测量原理

以两条光轴交点O为坐标原点，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，射向为Z轴。在靶面范围内，任一被测弹着点P相对于A，B的仰角为α、β。γ=180°-α-β ，AB=s。

P点在XOY坐标系中的坐标可由式（1）、（2）给出：

根据式（1）、（2）可知，参数s，α，β，γ都对测量精度产生影响［1］，根据误差传播理论［2］，可推导出P点坐标的测量误差表达式：

将式（1）、（2）代入式（3）、（4），可得：

4 误差仿真

根据坐标x和y的误差公式进行仿真，仿真流程如图3。

图3 仿真程序流程图

仿真条件如下：

1）靶面长度分别取1m×1m，4m×4m，对应的基线长度分别为2m，8m。

2）基线误差 σs=2mm ，测角误差 σα=σβ=60"，σγ=2σα。

得到不同靶面下各点坐标误差分布三维图，如图4所示。

图坐标误差分布图

从图4可以看出：

1m×1m靶面的最大测量误差σxmax1×1=0.9mm，σymax1×1=0.9mm ；

4m×4m靶面的最大测量误差σxmax4×4=3.5mm，σymax4×4=2.6mm 。

5 影响测量精度的主要因素及相应对策

结合误差仿真及工程实践可知，靶面坐标的测量精度与s、α、β、γ这4个参数高度相关（其中γ=180°-α-β），也就是说，误差主要来自于s、α、β 的贡献［3］。

基线测距精度σs主要取决于测距工具的精度，而测角精度σα、σβ由仪器的装调误差及CCD相机读数的量化误差等决定。其中，装调误差由仪器在加工、装配及调试中产生；量化误差与相机的像元数及配置的光学镜头的视场有关。

因此，提高测量精度的措施如下：

1）使用高精度的激光测距仪，提高相机间距s的测量精度；

2）优化仪器的机械结构设计，提高零部件的加工、装配精度；

3）保持光学镜头视场不变，选用像元数更多的线阵CCD相机。

6 结语

本文根据CCD立靶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，进行了计算机仿真计算，论述了影响测量精度的主要因素，并提出了相应对策。文中所述的提高测量精度的措施，已成功应用于多套CCD立靶测量设备中。本文对于CCD立靶测量系统的进一步研究具有实际参考价值，提供了可供借鉴的方法和经验。CCD立靶测量设备在响应速度、测量精度等方面具有巨大的优势，同时测量原理简单、直观，今后将得到更加广泛的应用。