光電經(jīng)緯儀CCD相機(jī)作用距離分析研究

李 霽 段金升

（92941部隊44分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

光電經(jīng)緯儀是是航空航天研制生產(chǎn)與測量考核中和可靠的安全控制系統(tǒng)的信息源。光測裝備擔(dān)負(fù)著高精度的飛行軌跡測量、姿態(tài)測量、實況記錄獲取等任務(wù)，是目前靶場普遍采用的測控裝備。其作用距離是指在滿足一定條件下所能測量到目標(biāo)的最遠(yuǎn)距離，是裝備最重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，它的指標(biāo)直接影響裝備布站測量、數(shù)據(jù)交匯處理、使用方式等方案的決策問題［1］。根據(jù)總體設(shè)計要求和環(huán)境特點，光電經(jīng)緯儀對海作用距離外場使用條件如下。

目標(biāo)為30萬燭光曳光管；目標(biāo)距海平面高度≤5m；海平面能見度 ≥20km；大氣抖動均方根值 ≤ 2″；太陽高度角 ≥ 5°；觀測仰角 ≥ 10°；觀測方向與太陽方向夾角 ≥45°。對空作用距離外場使用條件除上述要求外，還增加目標(biāo)長2m，直徑0.5m，有效光輻射面積 ≥1.6m2；反射系數(shù) ≥0.7的要求［2］。

在滿足上述目標(biāo)條件下，對某型口徑400mm光電經(jīng)緯儀裝備一般要求對海作用距離要求R≥35km，對空作用距離要求R≥50km。目前根據(jù)試驗氣象資料表明，某航區(qū)周圍能見度為 ≥20km的天氣，占每年天氣的總數(shù)不到10%；能見度為10km～20km的天氣，占每年天氣的總數(shù)大于50%［3］。因此光電經(jīng)緯儀可見光CCD相機(jī)的作用距離能否達(dá)到設(shè)計要求，在通常天氣下對條件目標(biāo)測量威力和成像效果是關(guān)注的重點問題。本文就某型光測裝備可見光CCD相機(jī)在外場使用條件下的作用距離進(jìn)行了分析研究［4］。并結(jié)合外場試驗測量數(shù)據(jù)將理論值與實際測量最大值進(jìn)行比較分析。

2 作用距離研究分析

某型口徑400mm光電經(jīng)緯儀對海作用距離要求R≥35km，其成像條件應(yīng)滿足如下要求：一是目標(biāo)在成像相機(jī)靶面上成像尺寸應(yīng)大于最小成像的要求；二是目標(biāo)在成像相機(jī)靶面上成像的最小照度要大于探測器最小照度；三是目標(biāo)和背景之間的對比度應(yīng)滿足能夠分辨的要求［5］。

2.1 目標(biāo)相機(jī)靶面成像尺寸分析

成像尺寸與作用距離估算為了保證視頻判讀對目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位與獲取判讀，目標(biāo)在CCD相機(jī)靶面上成像尺寸應(yīng)滿足視頻判讀要求目標(biāo)的最小像元數(shù)N≥[Nmin]，其中Nmin是目標(biāo)在相機(jī)靶面上成像最小幾何尺寸的像元數(shù)，計算公式如下（式中各參數(shù)意義及取值見表1）［6］。

表1 目標(biāo)成像尺寸公式各參數(shù)取值

依據(jù)上述條件，焦距為3000mm時，N=4.91，滿足N≥[Nmin]的判定要求。而且當(dāng)目標(biāo)距離大于35km，可視為點目標(biāo)，點目標(biāo)成像的彌散效應(yīng)，使得目標(biāo)成像像元數(shù)大于Nmin，因此，從成像尺寸估算CCD相機(jī)作用距離在30km～45km之間。

2.2 目標(biāo)像面照度分析

為了保證目標(biāo)成像，并且輸出視頻信號有足夠高的信噪比，目標(biāo)在相機(jī)靶面上照度應(yīng)滿足：Et≥[Emin]［7］。其中Et為目標(biāo)在探測器靶面上產(chǎn)生的輻照度，其計算公式如下（式中各參數(shù)意義及取值見表2）。

表2 目標(biāo)像面照度公式各參數(shù)取值

彌散系數(shù)α與光學(xué)系統(tǒng)分辨率、成像質(zhì)量，目標(biāo)與儀器的相對速度、大氣抖動等有關(guān)，這里取0.55［8］。D/f為光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑，D/f=400/3000=0.133；CCD相機(jī)要求目標(biāo)的最小照度，某型彩色可見相機(jī)的Emin=1.06lx；依據(jù)上述條件，焦距為3000mm時，Et=4.59lx，滿足Et≥1lx的判定要求。

2.3 目標(biāo)與背景之間對比度分析

為了滿足目標(biāo)捕獲和具備分辨要求，目標(biāo)和背景的輸出信號對比度應(yīng)大于0.05，即：

目標(biāo)在探測器像面上產(chǎn)生的輻照度Et計算方法如上節(jié)所述，所以背景相機(jī)靶面上的照度：背景在探測器像面上產(chǎn)生的輻照度Eb計算公式如下（式中各參數(shù)意義及取值見表3）［9］。

表3 目標(biāo)和背景對比度公式參數(shù)取值

考慮目標(biāo)與太陽夾角45°晴朗天空背景下，綜合依據(jù)其他條件，焦距為3000mm時，Eb=4.18lx［10］。則目標(biāo)與背景的對比度為

目標(biāo)和背景之間的對比度為0.095，根據(jù)以往經(jīng)驗，目標(biāo)和背景之間對比度大于0.05即可分辨和提取，本方案可滿足作用距離的指標(biāo)要求［11］。

綜上所述，為了滿足光電經(jīng)緯儀CCD可見光相機(jī)外場條件下對海作用距離R≥35km需求，對目標(biāo)成像尺寸、目標(biāo)照度以及目標(biāo)背景對比度進(jìn)行了估算。同理通過調(diào)整焦距（4000mm）和其他參數(shù)設(shè)置，對空作用距離也滿足R≥50km需求，對空對海距離計算結(jié)果見表4。

表4 判定條件計算結(jié)果

3 作用距離試驗

為了保證視頻判讀對目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，靶面上成像尺寸Nmin等參數(shù)按照表1選取，依據(jù)距離式（6）得到對海作用距離理論值為38.7km，同理可得對空作用距離理論值為51km。

作用距離試驗依據(jù)當(dāng)時實際天氣、溫濕度、地理環(huán)境等條件進(jìn)行，光測裝備布設(shè)于高約100m的高山上A點上，視線無遮擋且當(dāng)天能見度大于20km［12］。目標(biāo)艇上立桿架設(shè)30萬燭光曳光管（外形尺寸60.6mm×267mm，發(fā)光強(qiáng)度I≥30萬坎，燃燒時間t≥ 80s），航速18kn～22kn，沿經(jīng)緯儀對海岸線垂直方向按預(yù)定航路直線航行，在1個有效航次內(nèi)，分別在B、C、D、E、F點依次間隔約5km依次聽令遙控分別點燃1只曳光管，其中由于在F點之前發(fā)現(xiàn)目標(biāo)所成像素越來越少，圖像越來越弱，所以未到F點之前約43km處遙控點燃曳光管［13］。

光電經(jīng)緯儀實時跟蹤記錄圖像數(shù)據(jù)信息和時間信息，北斗船載用戶臺和基準(zhǔn)站分別記錄目標(biāo)艇和基準(zhǔn)站的定位信息，經(jīng)差分站差分后得到實時的距離位置信息。表5和圖1分別給出了光電經(jīng)緯儀CCD可見相機(jī)對海作用距離試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果。B、C、D、E、F點分別為點燃第一到第五支曳光管點燃時刻距離A點位置距離，最大距離為各點曳光管跟蹤消失或燃盡消失時刻距離A點位置。圖2為試驗實時跟蹤目標(biāo)動態(tài)圖像［14］。

圖1 對海作用距離試驗數(shù)據(jù)處理曲線

圖2 對海作用距離試驗實時跟蹤目標(biāo)圖像

表5 對海作用距離試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

同理在能見度和環(huán)境條件不變的情況下，通過跟蹤長2m，直徑0.5m，反射系數(shù) ≥0.7的目標(biāo)，實際任務(wù)中選取外形尺寸和反射率相仿的無人機(jī)，并在無人機(jī)兩翼分別加裝30萬燭光曳光管與北斗機(jī)載用戶臺基準(zhǔn)站分別用于記錄目標(biāo)艇和基準(zhǔn)站的定位信息，差分站布設(shè)于距離基準(zhǔn)站5km的高山站點，基準(zhǔn)站與差分站差分后得到實時的距離信息。無人機(jī)沿海岸線一側(cè)做往返直線航行，進(jìn)入點為A點，退出點為G點，無人機(jī)飛行航速控制在60km/h～80km/h，在1個有效航次內(nèi)，分別在在A點與G點之間的B、C、D、E點設(shè)置位置記錄點。

表6統(tǒng)計出了光電經(jīng)緯儀CCD可見相機(jī)對空跟蹤無人機(jī)作用距離試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果。B、C、D、E點為曳光管點燃、繼續(xù)燃燒到曳光管熄滅時刻距離A點位置距離，數(shù)據(jù)點數(shù)是記錄的數(shù)據(jù)容量大小及其所占比率［15］。圖3為對空跟蹤無人機(jī)試驗實時跟蹤目標(biāo)動態(tài)圖像。最終得到跟蹤無人機(jī)對空最遠(yuǎn)作用距離達(dá)到58.8km。

圖3 對空作用距離試驗實時跟蹤目標(biāo)圖像

表6 對空作用距離試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

所以通過距離試驗可以得到400mm口徑光電經(jīng)緯儀CCD可見相機(jī)對海作用距離最大值43.62km，對空作用距離最大達(dá)到58.8km。與前述理論計算所得數(shù)值比較，均大于理論數(shù)值，而且數(shù)值比較接近，說明理論計算的準(zhǔn)確性；且滿足對30萬燭光目標(biāo)，光電經(jīng)緯儀CCD相機(jī)對海作用距離大于35km，對空大于50km的要求。

4 結(jié)語

經(jīng)過上述較詳細(xì)的理論分析及試驗論證，可以得出如下結(jié)論：一是從對海試驗結(jié)果看，第五支曳光管的有效數(shù)據(jù)較少，不到第四支曳光管的有效數(shù)據(jù)的一半，從第一支到第五支數(shù)據(jù)量逐漸減少，圖像逐漸模糊，說明隨著距離增加成像的像元數(shù)不斷減少，直至目標(biāo)消失。而且對海距離試驗在最后時刻不是由于CCD相機(jī)探測器無法探測到目標(biāo)，而是由于受到地球曲率影響不能通視目標(biāo)了。二是在兩次試驗過程中如果不點亮曳光管，當(dāng)被測目標(biāo)為反射目標(biāo)時，CCD相機(jī)探測器的作用距離難以達(dá)到要求。由于CCD相機(jī)探測器受天氣影響巨大，所以CCD的可見光探測光波基本湮滅在海上的水汽霧氣和空中的云層中。因此，光電經(jīng)緯儀測量裝備需“擇天氣而行”。