李 霽 段金升

（92941部隊44分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

光電經緯儀是是航空航天研制生產與測量考核中和可靠的安全控制系統(tǒng)的信息源。光測裝備擔負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，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的最遠距離，是裝備最重要的戰(zhàn)術技術指標，它的指標直接影響裝備布站測量、數據交匯處理、使用方式等方案的決策問題［1］。根據總體設計要求和環(huán)境特點，光電經緯儀對海作用距離外場使用條件如下。

目標為30萬燭光曳光管；目標距海平面高度≤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，還增加目標長2m，直徑0.5m，有效光輻射面積 ≥1.6m2；反射系數 ≥0.7的要求［2］。

在滿足上述目標條件下，對某型口徑400mm光電經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，占每年天氣的總數不到10%；能見度為10km～20km的天氣，占每年天氣的總數大于50%［3］。因此光電經緯儀可見光CCD相機的作用距離能否達到設計要求，在通常天氣下對條件目標測量威力和成像效果是關注的重點問題。本文就某型光測裝備可見光CCD相機在外場使用條件下的作用距離進行了分析研究［4］。并結合外場試驗測量數據將理論值與實際測量最大值進行比較分析。

2 作用距離研究分析

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

2.1 目標相機靶面成像尺寸分析

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

表1 目標成像尺寸公式各參數取值

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

2.2 目標像面照度分析

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

表2 目標像面照度公式各參數取值

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

2.3 目標與背景之間對比度分析

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

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

表3 目標和背景對比度公式參數取值

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

目標和背景之間的對比度為0.095，根據以往經驗，目標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要求［11］。

綜上所述，為了滿足光電經緯儀CCD可見光相機外場條件下對海作用距離R≥35km需求，對目標成像尺寸、目標照度以及目標背景對比度進行了估算。同理通過調整焦距（4000mm）和其他參數設置，對空作用距離也滿足R≥50km需求，對空對海距離計算結果見表4。

表4 判定條件計算結果

3 作用距離試驗

為了保證視頻判讀對目標進行準確定位，靶面上成像尺寸Nmin等參數按照表1選取，依據距離式（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。

作用距離試驗依據當時實際天氣、溫濕度、地理環(huán)境等條件進行，光測裝備布設于高約100m的高山上A點上，視線無遮擋且當天能見度大于20km［12］。目標艇上立桿架設30萬燭光曳光管（外形尺寸60.6mm×267mm，發(fā)光強度I≥30萬坎，燃燒時間t≥ 80s），航速18kn～22kn，沿經緯儀對海岸線垂直方向按預定航路直線航行，在1個有效航次內，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)現目標所成像素越來越少，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］。

光電經緯儀實時跟蹤記錄圖像數據信息和時間信息，北斗船載用戶臺和基準站分別記錄目標艇和基準站的定位信息，經差分站差分后得到實時的距離位置信息。表5和圖1分別給出了光電經緯儀CCD可見相機對海作用距離試驗數據處理結果。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動態(tài)圖像［14］。

圖1 對海作用距離試驗數據處理曲線

圖2 對海作用距離試驗實時跟蹤目標圖像

表5 對海作用距離試驗數據處理結果

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 ≥0.7的目標，實際任務中選取外形尺寸和反射率相仿的無人機，并在無人機兩翼分別加裝30萬燭光曳光管與北斗機載用戶臺基準站分別用于記錄目標艇和基準站的定位信息，差分站布設于距離基準站5km的高山站點，基準站與差分站差分后得到實時的距離信息。無人機沿海岸線一側做往返直線航行，進入點為A點，退出點為G點，無人機飛行航速控制在60km/h～80km/h，在1個有效航次內，分別在在A點與G點之間的B、C、D、E點設置位置記錄點。

表6統(tǒng)計出了光電經緯儀CCD可見相機對空跟蹤無人機作用距離試驗數據處理結果。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，數據點數是記錄的數據容量大小及其所占比率［15］。圖3為對空跟蹤無人機試驗實時跟蹤目標動態(tài)圖像。最終得到跟蹤無人機對空最遠作用距離達到58.8km。

圖3 對空作用距離試驗實時跟蹤目標圖像

表6 對空作用距離試驗數據處理結果

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

4 結語

經過上述較詳細的理論分析及試驗論證，可以得出如下結論：一是從對海試驗結果看，第五支曳光管的有效數據較少，不到第四支曳光管的有效數據的一半，從第一支到第五支數據量逐漸減少，圖像逐漸模糊，說明隨著距離增加成像的像元數不斷減少，直至目標消失。而且對海距離試驗在最后時刻不是由于CCD相機探測器無法探測到目標，而是由于受到地球曲率影響不能通視目標了。二是在兩次試驗過程中如果不點亮曳光管，當被測目標為反射目標時，CCD相機探測器的作用距離難以達到要求。由于CCD相機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，光電經緯儀測量裝備需“擇天氣而行”。