新型精度射击激光模拟系统设计研究

芦永军，曲艳玲，张萍，王丽梅，郑建洲

（1.大连民族学院光电子技术研究所，辽宁大连 116605; 2.大连光程光电科技有限公司，辽宁大连 116600）

新型精度射击激光模拟系统设计研究

芦永军1，2，曲艳玲1，张萍1，王丽梅1，郑建洲1

（1.大连民族学院光电子技术研究所，辽宁大连 116605; 2.大连光程光电科技有限公司，辽宁大连 116600）

针对目前激光射击模拟训练系统存在的诸多问题，提出了一套新型精度射击激光模拟系统设计方案。该方案将激光图像远距离成像与激光弹着点数字化自动判读技术结合起来，实现了激光模拟射击系统的紧凑化及便携式实用化设计。系统光学设计采用了高分辨率长焦且高摄远比（1∶2）系统，实现了远距离靶面图像信息的实时捕捉与同步数字化。数字图像传递至微机后再经过灰度化、二值化、光斑质心位置提取计算及中值滤波等算法处理，可以消除背景杂散信号干扰影响，同时确定弹着点位置。该系统具有设计方案新颖、原理简单可靠、精度高、无需专用靶、成本低等优点，具有很大的推广和应用前景。

激光;模拟射击;光学设计;图像处理

百米精度射击是部队轻武器射击的重要训练科目，直接反映了单兵乃至部队的战斗力水平。目前该科目的训练还主要依靠实弹射击完成，但是实弹射击存在成本高、安全性差、效率低等缺点，制约了单兵射击水平的快速提高。近几年国内也研发出一些以激光模拟代替实弹的相关研究和训练器材［1－4］，目前普遍采用大规模光敏二极管阵列组成的电子靶作为激光弹着点接收单元，而该类系统存在成本高、系统构成复杂、线路冗长、抗干扰性差且精度低等固有缺点。本文提出一种全新的激光精度射击模拟系统设计方案［5－6］，采用了高摄远比（1∶2）望远系统远距离图像捕捉及同步数字图像处理技术，整套仪器具有结构紧凑、原理简单可靠、精度高、无需专用靶、射击激光源与仪器分离、成本低、操作简单等诸多技术优势，更具有大规模推广使用的前景。

1 系统整体设计方案

采用半导体激光器作为发射光源，利用其体积小、重量轻、响应速度快及光电转化效能高等优点，可以实现射击发射器的便携性和高效性，易于在枪支上装配且不影响原枪的使用效果。目前激光射击模拟系统之间主要的区别在于靶面的选择和弹着点信息的传递及提取方式上。电子靶和光电接收靶系统［7］需要进行专用靶设计，激光信号就地接收处理及弹着点信息远距离传送至射手位置处，对于百米精度射击科目无法避免地存在冗长的数据传输线路铺设问题，更无法实现实弹射击与模拟射击的快速切换。本方案采用专门设计的高摄远比望远系统［8－9］，将百米目标射靶图像实时成像至数字摄像机光敏面上，然后将数字图像传递至微机进行图像处理，消除图像背景噪声及提取激光射击光斑位置信号。由于信息的处理全部在电脑上快速完成，实现了无需专用射击靶的目的，靶面图像信息提取及处理完全在射手位置处完成，为整套仪器紧凑及便携性设计提供了可行性。数字摄像机实现了图像信息的数字化，便于实现弹着点数据快速提取、计算、分析及自动报靶和成绩保存等功能，使该激光模拟射击系统使用更加方便且更逼近于实际射击情形，使射击训练更加科学、高效。

1.1 CCD摄远长焦望远系统单元设计

该射击模拟系统中远距离长焦望远系统是至关重要的单元，它必须实现将100 m处1 m×1 m的靶面图像高清晰地成像至CCD光敏面上，要求在电脑显示器上可以清晰地看到胸环靶的图像信息。

设计战技指标如下:

射击距离:100 m;胸环靶尺寸:1 m×1 m;靶环线宽:2 mm;分辨率:≥1 l p·mm－1;系统总长:＜200 mm;成像景深:50～120 m。

由于激光射击模拟系统要求对射击在靶面上的激光图像进行实时捕捉和图像处理，所以首先要求CCD芯片单元具有数据高速采集及传送性能。然而CCD每帧分辨率与帧频（fps）参数之间又是制约关系，同时要求每帧图像的高分辨率及数据传送的高速性势必使CCD处理单元成本急剧增加，所以需要在CCD芯片选型上寻求高速采集性能与最低分辨率指标之间的最佳匹配。激光射击模拟系统要求能够准确实现实弹射击的效果，在每分300发的战斗射速下精确给出每次射击成绩，所以需要选择帧频至少大于20（4倍于射击频率）帧的高速CCD芯片。经过仔细论证，设计选择80帧及640×480像素CCD芯片作为最终成像器件。

确定了CCD芯片成像器件后配套光学系统的设计就有了明确的起始点，即像方极限分辨率限制为1 mm/（2×6 μm）=83.33 lp·mm－1。要求在白天射击时靶面光亮度L=2 000 cd·mm－2的条件下设计摄远系统的相对口径D/f，因此CCD曝光时间取标准值t=1/100 s，最低曝光量H为0.1 lx·s，由公式（其中τ为光学系统总透过率，镀增透膜后可达到0.9）得D/f =0.08=1/12，取相对口径值大于1/12即可。另外，该摄远系统要求保证靶面与CCD尺寸的严格对应，以确保全部靶面有效图像信息的利用效率，这将给光学系统焦距f指标的准确实现提出了较高的要求。

（1）对初始化结构焦距进行缩放且设定系统通光口径，确定系统基本参数（焦距、相对口径）满足基本光学设计要求。

（2）将系统总长（TOTR）、有效焦距（EFFL）、光斑半径（Spot Radius）RMS控制参数、几何约束条件等建立为评价函数，将成像实际像高（Real ray height）作为视场值，以便精确控制物高与CCD尺寸匹配。

（3）将全部变量（半径、间隔及玻璃）设置为变量，进行较长时间的Hammer优化，优化过程中观察各透镜单元光焦度变化并及时人工干预，使评价函数快速收敛至局部极小值，得到最终设计结果。

1.2 图像处理及弹着点位置计算

高分辨率望远系统将靶面图像清晰成像至CCD光敏面上。从光学上，为提高激光信号的信噪比采用了窄带干涉滤光技术，以降低背影杂光的影响。CCD芯片及外围电路实现了光学图像信息的光电及数字转化并实时传送至微机内存中。通过Visual c++编制的图像处理软件将内存中数字化图像进行灰度、二值化及中值滤波算法除噪处理，得到高对比度的激光光斑图像。对光斑处各象素坐标求和及平均得到质心位置，此即为弹着点坐标。弹着点位置算法提取的计算机软件工作流程图如图1。

图1 弹着点位置判读计算流程图

2 设计结果与讨论

经过Zemax优化后得到的光学系统结构图如图2。该结构中采用双胶合正组与三胶合负组的摄远形式，主平面在光学系统外，可以实现高的摄远比（1∶2），使系统整体更加紧凑。采用多种光学玻璃的组合可以有效地校正色差。各透镜合理分配光焦度可以有效地控制初级和高级相差。两个胶合透镜组的结构具有简单紧凑、加工装调方便且精度高等优点，符合军用标准。对于CCD成像系统的光学质量评价最方便有效的工具就是传递函数，图3给出了摄远定焦系统各视场不同空间频率下的传递函数值，从中可以看出，各视场MTF值比较接近且在CCD极限分辨率（83.3 lp·mm－1）处达到0.35以上，满足光学成像设计要求且有余量，以保证在实际系统加工及装调误差下仍给出高的成像质量。按像方达到CCD极限分辨率83.3 lp·mm－1及摄远系统横向放大倍率计算，靶面目标分辨率为0.29 lp· mm－1。摄远系统实际有效焦长为350 mm，工作F/#为7.87，入瞳直径为45 mm，总长为180 mm。实际装调好的CCD摄远系统拍摄的100 m处胸靶图如图4，从中可以看出图像清晰，分辨率满足使用要求。激光射击模拟系统主机图片如图5。整套系统的设计思路决定了该系统能够具有高精度、操作简单、成本低、对使用场地要求低、无需专用靶等优势，更加实用且可靠。

图2 摄远定焦系统光学结构图

图3 摄远定焦系统各视场传递函数图

图4 摄远定焦系统拍摄靶面照片

图5 新型射击模拟系统样机照片

3 结论

本文提出了一套新型精度射击激光模拟系统设计方案，采用摄远高分辨率长焦摄远系统，实现了靶面信息的实时捕捉及数字图像处理，区别于其他射击模拟系统，具有原理方案简单可靠、精度高、无需专用靶、成本低、易于推广等优点，不仅可以应用于部队射击训练，而且可以推广至警察训练及民用射击娱乐等方面。

［1］赵建军，侯彦东.基于激光技术的高炮射击训练模拟系统［J］.激光技术，2003，27（6）:567－571.

［2］闫瑞杰，何小刚，柴婷婷.新型激光无线打靶系统的设计［J］.太原理工大学学报，2006，37（1）:104－107.

［3］黄建军，余建华，将明，等.自动步枪激光模拟射击系统［J］.应用激光，2001，21（1）:41－46.

［4］戴炳明，任宏岩，张雏.智能型光电打靶模拟训练系统［J］.半导体光电，1998，19（3）:197－199.

［5］芦永军，曲艳玲，宋敏.高精度射击激光模拟系统:中国，200710157998.6［P］.2007－11－08.

［6］芦永军，曲艳玲，宋敏.高精度激光射击模拟系统图像采集器:中国，200720015715.x［P］.2007－11－16.

［7］于庆广，张晓明，王浩，等.CCD视频采集系统设计与实现［J］.仪器仪表学报，2006，27（6）:1365－1367.

［8］高志山.紧凑型内调焦全站仪物镜设计［J］.南京理工大学学报，2004，28（5）:502－506.

［9］李晓艳，钟伯亮.内调焦摄远镜头的光学设计［J］.光学技术，2002，28（4）:299－301.

The Research to Newly Precisely Simulative Laser Shooting System Design

LU Yong－Jun1，2，QU Yan－ling1，ZHANG Ping1，WANG Li－mei1，ZHEN Jian－zhou1
（1.Optoelectronic Institute，DaLian Nationalities University，DaLian Liaoning 116605，China 2.Da Lian Optical Path Opto－electronic Co.Ltd，DaLian Liaoning 116600，China）

To overcome the inherent problems of current laser simulative shooting systems，a new type system design schedule of precise shooting training is developed.The long distance laser imaging and automatically digital image processing of laser shooting spot technique are combined together to realize the compact and convenient design target.A high resolution and long focal length telephoto CCD system is designed and used to achieve the purpose of target image acquisition from a long distance and conversion to digital signal simultaneously.The digital image sent to computer is processed by using algorithm of gray－scale transformation，binary image transformation，median filter to obtain the precise position of laser spot coordinate and at the same time to remove the background noise signal.This system has the merits of newly design schedule，simple theory，high precision，no need of specific target，low price，etc.Therefore，the system has a prosperous application and market prospect.

laser;simulative shooting;optical system design;image processing

TB852.1;O439

A

1009－315X（2011）03－0270－04

2011－03－07;最后

2011－03－07

中央高校基本科研业务专项资金资助项目（DC10040120）。

芦永军（1976－），男，内蒙古乌海人，副教授，博士，主要从事光学设计与光电检测研究。

（责任编辑 邹永红）