劉敏林 劉伯運(yùn)

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要目的是為了解決光學(xué)方位儀在實(shí)際室內(nèi)模擬訓(xùn)練時(shí)的使用問(wèn)題。由于光學(xué)方位儀在實(shí)際航海使用過(guò)程中是為了觀測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)或星體，因此其光學(xué)系統(tǒng)為望遠(yuǎn)系統(tǒng)，而在室內(nèi)模擬訓(xùn)練過(guò)程中，是使用近距離視景來(lái)模擬遠(yuǎn)距離目標(biāo)，而原有光學(xué)方位儀對(duì)于近距離視景無(wú)法進(jìn)行觀測(cè)，因此，為解決上述模擬訓(xùn)練中存在的實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)本模擬系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本光學(xué)方位儀模擬系統(tǒng)將為被測(cè)試人員提供與真實(shí)使用情況完全一致的光學(xué)方位儀功能，通過(guò)本模擬系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)觀測(cè)水平目標(biāo)和非水平目標(biāo)的功能，并且可以配合其它設(shè)備［1～3］一起使用，達(dá)到準(zhǔn)確地顯示出目標(biāo)的方位角等與真實(shí)使用時(shí)完全一致的參數(shù)目的。

本羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬系統(tǒng)是在原有光學(xué)方位儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，使用原光學(xué)方位儀的所有機(jī)械結(jié)構(gòu)，去除其內(nèi)部所有光學(xué)系統(tǒng)，在其內(nèi)部安裝新光學(xué)系統(tǒng)及視景顯示芯片，并在羅經(jīng)和反射支架上加裝精確測(cè)角裝置，同時(shí)增加光學(xué)方位儀與主控及視景計(jì)算機(jī)間的接口，通過(guò)主控計(jì)算機(jī)控制完成模擬真實(shí)使用情況的目的［4～6］。

本模擬系統(tǒng)與其它設(shè)備配合完成整個(gè)模擬系統(tǒng)的室內(nèi)模擬測(cè)試。系統(tǒng)硬件示意圖如圖1所示。

本模擬系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)是在原有光學(xué)方位儀上進(jìn)行改造，這樣嚴(yán)格限制了模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，使整體設(shè)計(jì)難度大大增加，主要是光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度增加，在保證原有光學(xué)技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)還要考慮光學(xué)系統(tǒng)像面尺寸要與高分辨率圖像顯示芯片尺寸吻合以及結(jié)構(gòu)尺寸。保證光學(xué)系統(tǒng)的尺寸不能與其它元器件發(fā)生干涉，最主要的是要保證光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，由于上述多方面的限制因素使光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大大增加；同時(shí)電器元器件的選擇，控制電路的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)等為了盡可能減小尺寸，難度都大大增加［7～8］。

圖1 系統(tǒng)硬件示意圖

本模擬顯示系統(tǒng)由光學(xué)耦合系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)圖像生成顯示芯片、測(cè)角及讀數(shù)裝置、主計(jì)算機(jī)及其實(shí)時(shí)景象生成系統(tǒng)組成。

光學(xué)耦合系統(tǒng)的功能是將圖像顯示單元生成的可見(jiàn)光動(dòng)態(tài)景象準(zhǔn)直出射，使人通過(guò)羅經(jīng)光學(xué)方位儀模擬系統(tǒng)觀察到清晰的、相當(dāng)于無(wú)窮遠(yuǎn)的模擬景象；光學(xué)耦合系統(tǒng)的出瞳位置與觀測(cè)者的瞳孔位置完全重合，光學(xué)耦合系統(tǒng)的出瞳直徑略大于瞳孔直徑，以避免頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)丟失視場(chǎng)，即光學(xué)耦合系統(tǒng)的出瞳完全覆蓋觀測(cè)者的瞳孔，消除觀測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的漸暈，模擬真實(shí)的使用情況。

動(dòng)態(tài)圖像生成顯示芯片的作用是接收實(shí)時(shí)景象計(jì)算機(jī)生成系統(tǒng)的視頻信號(hào)，并將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成可視圖像顯示出來(lái)。

測(cè)角裝置的作用是測(cè)出反射鏡及其支架的角度信息和光學(xué)方位儀的方位角信息，并將信號(hào)傳送給主計(jì)算機(jī)。

主計(jì)算機(jī)及其實(shí)時(shí)景象生成系統(tǒng)由圖形工作站及相應(yīng)的軟件組成，利用相應(yīng)的建模軟件在圖形工作站上建立模擬景象、目標(biāo)模型及背景干擾，存貯在圖形工作站內(nèi)。通過(guò)實(shí)時(shí)讀取測(cè)角裝置生成的角度生成控制指令，控制模擬視景的相應(yīng)變化，從而實(shí)現(xiàn)羅經(jīng)光學(xué)方位儀觀測(cè)視景的模擬［9］。

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)［11］如下：

像元數(shù)：800×600

幀頻：60幀

最高對(duì)比度：30∶l

灰度級(jí)：≥256級(jí)

視場(chǎng)：?jiǎn)我晥?chǎng)（暫定40°，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)）

圖像非均勻性＜2%

圖像綜合質(zhì)量：畸變：＜2%；各種像差彌散：0.3像元；不平行度＜0.1′；

無(wú)拖尾現(xiàn)象，無(wú)像元漂移；

輸入信號(hào)：VGA

工作壽命：＞50000小時(shí)。

3 光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)的確定

3.1 耦合系統(tǒng)出瞳距的確定

由于本模擬系統(tǒng)是直接與人眼對(duì)接，在綜合考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)空間、光學(xué)設(shè)計(jì)難度適中等因素后，最終確定光學(xué)耦合系統(tǒng)的出瞳距為10mm。

3.2 耦合系統(tǒng)出瞳孔徑的確定

在一般情況下人眼的瞳孔直徑為2mm～8mm，結(jié)合本模擬系統(tǒng)的實(shí)際使用情況，本系統(tǒng)的出瞳直徑應(yīng)略大于瞳孔直徑，最終確定本系統(tǒng)的出瞳直徑為10mm。

3.3 耦合系統(tǒng)焦距的確定

耦合系統(tǒng)的焦距與耦合系統(tǒng)的視場(chǎng)角和所選用的顯示芯片的尺寸有關(guān)，本模擬系統(tǒng)的視場(chǎng)角為40°（暫定），所選用的顯示芯片的尺寸為0.61英寸，因此本模擬器的焦距f可由式（1）進(jìn)行計(jì)算：

其中，L為顯示芯片的有效尺寸（由于是圓視場(chǎng)，因此有效尺寸為短邊長(zhǎng)）；θ為模擬器的視場(chǎng)角。

經(jīng)過(guò)計(jì)算本模擬器耦合系統(tǒng)的焦距為12.77mm。

3.4 耦合系統(tǒng)彌散斑直徑的確定

耦合系統(tǒng)彌散斑直徑指標(biāo)的確定主要取決于所選用液晶屏的像素大小。液晶屏的像素大小可根據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算：

其中，L為液晶屏的有效尺寸（由于是圓視場(chǎng)，因此有效尺寸為短邊長(zhǎng)）；H為液晶屏的有效分辨率（該有效分辨率為600）。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，耦合系統(tǒng)的彌散斑直徑應(yīng)小于15.5μm。

4 結(jié)語(yǔ)

本光學(xué)方位儀模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將添補(bǔ)航海室內(nèi)模擬訓(xùn)練中對(duì)光學(xué)方位儀使用訓(xùn)練方向的空白［10～11］，使整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程更加全面，提高整個(gè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的效能。

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