CCD交汇系统靶面分辨力的计算机仿真研究1

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

1999年8月ACTAARMAMENTARIIAug.󰀁1999

CCD交汇系统靶面分辨力的

计算机仿真研究*

吕海宝󰀁杨华勇󰀁罗武胜󰀁曹聚亮

(国防科技大学机械电子工程与仪器系)

摘要󰀁在分析CCD交汇测量系统靶面分辨力的基础上,通过计算机仿真,得到了用两个CCD交汇和用三个CCD交汇构成的靶面分辨力的分布规律。研究结果表明,用三个CCD交汇构成的靶面不但提高了系统的目标捕获率,而且大大提高了靶面分辨力。

关键词󰀁CCD;坐标测量;分辨力;计算机仿真

近年来国内外都将CCD技术广泛应用于靶场试验测试技术中[1,2]。CCD交汇测量系统采用非接触式光电测量技术,它在对空间动态目标进行坐标定位的应用中显示出独特的优越性。该系统主要技术指标之一是靶面分辨力。本文对其进行了深入研究,在分析的基础上,通过计算机仿真,得到了分辨力的靶面分布规律,从而可以指导靶面设计和后续试验研究。

1󰀁CCD交汇测量原理

在竖直平面内放置两个线阵CCD图像传感器,它们的主光轴在空间交于一点,视场交汇区域构成一个竖直的测量光电靶面(简称靶面),其内任意一点在两个CCD上各有一个像点与之对应。根据在CCD上的像高,靶面内任意一点的坐标就可以很简便地计算出来。

然而,传统的两个线阵CCD组成的交汇靶对高速小目标信号的捕获率较低。为了解决这个问题,提出了采用多个CCD组成交汇靶的方案[3]。以三个CCD交汇靶为例,如图1󰀁1所示,由CCD1、CCD2和CCD3等间距放置在外面大圆的圆周上,形成等边三角形布局。三个CCD像机在平面xoy内交汇,光轴分别为OS1、OS2和OS3,三个像机的交汇区域(即靶面)为图中带阴影的圆。当物体穿过靶面时,它只要在其中两个CCD上成像,则其位置就可以被确定。

1998年10月收稿,1999年6月定稿。*

国防试验技术经费资助

图1.1󰀁3CCD交汇系统布局图Fig.1.1󰀁Configurationfigureof

three󰀁CCDintersectionsystem

󰀁252󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁兵󰀁工󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

2󰀁分辨力分析

CCD交汇测量系统的靶面分辨力定义为:如图2󰀁1所示,在交汇靶面任意一点M上放置一个半径为r的物体,当该物体在其中某个CCD上的成像恰好只占据一个CCD像元尺寸时,该物体直径(2r)的倒数就是该点的分辨力;取靶面上所有点的分辨力的最大值作为该系统的靶面分辨力。很显然,为了满足对高速小目标的准确捕获,CCD交汇测量系统必须具备较高的靶面分辨力。

图1󰀁1中,已知线阵CCD的像元数为N,像元尺寸为w0󰀁w0,CCD像机透镜的焦距为f,则其视场角为2󰀁=2arctg

N󰀁w0

2f。设靶面直径为D,󰀁OS1S2=󰀁OS2S1=

󰀁0=30󰀁。则此时基线长d0为

d0=|S1S2|=|S2S3|=|S3S1|󰀁=2󰀁

D/2D󰀁cos󰀁󰀁cos󰀁0=0

sin󰀁sin󰀁

(2.1)

第20卷

图2󰀁1󰀁物体在一个CCD上成

像的原理图

Fig.2.1󰀁Schematicofimaging

ononeCCD

󰀁󰀁由图1󰀁1可知,三个CCD中心坐标分别为:S1(-d0/2,-(d0󰀁tg󰀁0)/2);S2(d0/2,-(d0󰀁tg󰀁0)/2);S3(0,d0/(2󰀁cos󰀁0))。由图2.1可知,物体中心M对于三个像机的主光线分别为MS1、MS2和MS3,主光线与光轴的夹角分别为:󰀁󰀁1、2和󰀁3。

y-yS1

󰀁=󰀁MSO=arctg-󰀁110

x-xS1

󰀁2=󰀁MS2O=󰀁3=󰀁MS3O=

arctg

y-yS2

-󰀁0

x-xS2

(2.2)(2.3)(2.4)

x-xS3

arctgy-y

S3

于是,中心点M在三个CCD上的像点分别为P1、P2和P3,像点到CCD中心Oi󰀁的距离称为像高,分别为h1、h2和h3[3]。

hi=|Oi󰀁Pi|=|f󰀁tg󰀁i|󰀁󰀁(i=1,2,3)

(2.5)

󰀁󰀁要使物体能被CCD分辨,它在CCD上成像时理论上应占据一个像元以上。故图2󰀁1中的|Oi󰀁Pi󰀁|应为

|Oi󰀁Pi󰀁|=hi+w0/2󰀁󰀁(i=1,2,3)

所以,当靶面上的物体在各个CCD上成像只占一个像元时,物体的半径分别应为

ri=|MSi|󰀁sin󰀁i󰀁󰀁(i=1,2,3)

(2󰀁7)式中

󰀁i=|MSi|=

arctg

|Oi󰀁Pi󰀁|

-󰀁i󰀁󰀁(i=1,2,3)f

22(2.6)(2.7)(2.8)(2.9)

(x-xSi)+(y-ySi)󰀁󰀁(i=1,2,3)

利用以上公式可以得到3个半径尺寸:r1、r2、r3。其中,r1表示靶面内点M上的一个物体在CCD1上成像占据一个像元时物体应有的半径;r2表示靶面内点M上的一个物体在第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁CCD交汇系统靶面分辨力的计算机仿真研究

253

CCD2上成像占据一个像元时物体应有的半径;r3表示靶面内点M上的一个物体在CCD3上成像占据一个像元时物体应有的半径。

如果不考虑CCD3,只考虑CCD1和CCD2两个CCD交汇的情况。此时2CCD交汇系统的靶面内点M上分辨力为RM=1/2󰀁max(r1,r2)。所以,2CCD系统的靶面分辨力为

R2CCD=min(靶面内所有点M上的分辨力RM)

其中,min(󰀁)为取极小值函数(下同)。

为了提高系统对高速小目标的捕获率,采用3个CCD如图1󰀁1所示构成3CCD交汇靶面,于是3个CCD两两交汇构成了3个子靶面。

对于CCD1和CCD2交汇子靶面,靶面内点M上分辨力为

1RM1=2󰀁max(r,r)

12

󰀁󰀁对于CCD2和CCD3交汇子靶面,靶面内点M上分辨力为1RM2=

2󰀁max(r2,r3)󰀁󰀁对于CCD3和CCD1交汇子靶面,靶面内点M上分辨力为

1RM3=2󰀁max(r,r)

13

故3CCD交汇系统靶面内点M上的分辨力为

RM=max(RM1,RM2,RM3)

其中,max(󰀁)为取极大值函数。

所以,3CCD交汇系统的靶面分辨力为

R3CCD=min(靶面内所有点M上的分辨力RM)

(2.15)(2.14)(2.13)(2.11)(2.10)

(2.12)

󰀁󰀁在3CCD交汇测量系统中,只要其中两个CCD能分辨物体,则系统就可以分辨[3]。

3󰀁研究结果

根据上述(2󰀁1)~(2󰀁10)式,用计算机计算由CCD1和CCD2交汇构成的直径为3m的圆形靶面上的靶面分辨力分布情况,可以得到图3󰀁1所示的靶面分辨力分布的三维图。从图中可以看出,2CCD交汇时靶面分辨力以y轴对称分布。而且靶面内离基线S1S2最近点的分辨力最佳,为0󰀁88/mm;分辨力最差的点有两个,为0.42/mm。由此得到这种情况下的系统靶面分辨力为0.42/mm。

为了进一步提高系统的靶面分辨力,采用3个CCD交汇构成靶面。根据(2󰀁1)~(2󰀁15)式,计算直径为3m的圆形靶面上的靶面分辨力分布情况,可以得到图3󰀁2所示的靶面分辨力分布的三维图。从图中可以看出,3CCD交汇时靶面分辨力也呈轴对称分布,对称轴有三条,分别为图1󰀁1中的OS1、OS2和OS3。而且靶面分内辨力最佳的点有3个,分别为离基线S1S2、S2S3和S1S3最近的三个点,分辨力为0.88/mm;而分辨力最差的点也有3个,分辨力为0.52/mm。由此得到这种情况下的系统靶面分辨力为0.52/mm。可见,靶面分辨力得到了明显提高。而且,从图3󰀁1和图3󰀁2对比发现,整个靶面的三分之二范围内分辨力都有较大的改善。󰀁254󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁兵󰀁工󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

第20卷

图3󰀁1󰀁2CCD交汇靶面上的分辨力分布图Fig.3.1󰀁Resolutiondistributiononthetarget󰀁areaformedbyCCD1andCCD2

图3.2󰀁3CCD交汇靶面上的分辨力分布图Fig.3.2󰀁Resolutiondistributiononthetarget󰀁areaformedbythreeCCDs

4󰀁结论

(1)2CCD交汇系统的靶面分辨力呈轴对称分布,且靶面内离基线最近点的分辨力最佳,而离CCD最远的两点分辨力最差。

(2)3CCD交汇系统的靶面分辨力呈轴对称分布,有三条对称轴,靶面内分辨力最佳和最差的点各有3个。

(3)理论分析与仿真计算表明,采用3个CCD交汇构成靶面不但提高了对高速小目标的捕获率,而且可以改善靶面分辨力的分布情况,提高系统的靶面分辨力。

在实际建靶时,可以根据需要采用3个或更多个CCD构成测量靶面,以便得到较高的目标捕获率和系统靶面分辨力。

参考文献

1󰀁王跃科,杨华勇等.CCD图像传感器技术的现状及应用前景.光学仪器,1996,18(5):16~192󰀁王群等.CCD在靶场应用的探讨.兵器试验,1985(1):1~8

3󰀁吕海宝,杨华勇等.多CCD交汇测量技术研究.光电工程,1998,25(2):14~19

COMPUTERSIMULATIONFORRESOLUTIONINTHECCDINTERSECTINGTARGET󰀁PLANE

LuHaibao󰀁YangHuayong󰀁LuoWusheng󰀁CaoJuliang

(DepartmentofMechatronicsEngineeringandInstrument,NationalUniversityofDefenseTechnology)

Abstract󰀁󰀁AfteranalyzingtheresolutiondistributionintheCCDintersectingtarget󰀁plane,resolutiondistributionresearchisperformedbymeansofcomputersimulation.First,inordertocalculatetheresolution,formulasarederivedcorrespondingrespective󰀁lytothetwo󰀁CCDsystemandthree󰀁CCDsystem.Then,theregularitiesoftheresolu󰀁tiondistributioninthetarget󰀁planewithadiameterof3metersareacquiredcorrespond󰀁ingly.Asseenfromthethree󰀁dimensionalfiguresoftheresolutiondistribution,itcanbeconcludedthatthemeasurementsystemwiththreeCCDsnotonlyincreasesthecap󰀁tureefficiencyoftheobject,butalsoimprovestheresolutiondistributioninthetarget󰀁plane.

Keywords󰀁󰀁chargecoupleddevice,coordinatemeasurement,resolution,computersimulation