第３３卷第４期 ２０１３年４月 西安工业大学学报 Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．４ ＡＤｒ．２０１３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 文章编号：１６７３—９９６５（２０１３）０４—３４０—０５ 室内ＣＣＤ立靶光源能量分布均匀性分析 李 静，刘晶晶，王泽民 （西安工业大学电子信息工程学院，西安７１００２１） 摘 要： 针对室内ＣＣＤ立靶测试中对背景光源的光强度和均匀性需求，分析普通二极管和 贴片灯珠的发光特性，并以贴片灯珠作为最小发光单元建立了三角形布阵模型，通过数学原理 推导出了光源阵列的光能量强度分布函数，分析计算出光源结构参数．试验结果表明，采用本 设计的光源提高了背景光成像的均匀性，在室内立靶测试中很大程度的提高了目标与背景的 对比度，保证了对目标中心像素坐标提取的可靠性和精度，使得系统测量精度优于１０ ｍｍ． 关键词： 光能量分布均匀性；线阵ＣＣＤ；贴片灯珠；布阵方式 中图号：ＴＮ２４７ 文献标志码： Ａ ＣＣＤ立靶主要应用于武器系统外弹道坐标和 的布置参数，即可解算出弹丸的过靶坐标Ｌ。］． 室内光源不均匀或者不稳定，ＣＣＤ相机成像 就不均匀，从而降低目标与背景的对比度，导致目 标淹没在背景中，对目标的识别和弹丸图像的提取 带来困难，也影响对目标像素坐标的提取精度．为 了提高ＣＣＤ立靶的可靠性和测量精度，必须设计 更为均匀的光源系统．本文通过选取最小发光单 密集度的测试，常用于室外工作，采用自然光作为 背景光源，具有测量范围大，测量精度高等优点ｌ１］， 近年来得到了较为广泛的研究和应用．室内靶道进 行射击精度及密集度的测试时需要提供均匀稳定 的人丁光源作为背景照明［ ］． 室内使用的光幕靶 Ｉ常采用阵列发光光源与 阵列光电接收器件等长对射结构，虽然测量精度 元、分析发光单元的排布并辅助漫射膜，研究散布 均匀的室内ＣＣＤ测试光源及其光能量分布． 高，无需光学镜头，但其结构相对复杂，作用靶面较 小，若要增大其作用靶面，需要增加光电阵列接收 器件数量与阵列发光光源的长度，且光电接收部分 与发光部分对准困难，从而严重影响测量精度［ ． 若将室外应用的ＣＣＤ立靶测试系统引入室内测 １灯珠布阵模型设计 ＣＣＤ立靶系统要提高对过靶弹丸的捕获，必 须有均匀稳定的背景照明，在室内靶道使用时，由 于靶道内光线微弱，就要求提供发光强度适中，且 在空间上具有良好的均匀性和稳定性的人工光源 量［ ］，需为其提供均匀稳定的背景照明光源．通常 情况下，室内ＣＣＤ立靶测量系统由两台结构和性 能完全相同的线阵ＣＣＤ相机组成，且光轴相交【 ， 两台线阵ＣＣＤ相机的探测视场相互重叠的部分即 作为亮背景．而当光源布阵不均时会对成像造成很 大的偏差，ＣＣＤ捕获的弹丸图像会淹没在背景光 中，所以光源的光能量分布和发光强度成为研究的 主要问题． 为测试靶面．试验时，当没有弹丸穿过靶面时，光源 系统的光进入ＣＣＤ相机，ＣＣＤ相机的感光面感光 后［ ‘８ｌ，对背景进行成像；当有弹丸穿过测试靶面 １．１ 最小发光单元的特性分析 时，其对光源产生的背景光形成遮挡，而在两台 ＣＣＤ像面上形成阴影图像，通过对弹丸图像的处 与以往发光单元要求不同，要想获取更大的发 光亮度和发光的均匀性，单纯采用普通发光二极管 设计的光源满足不了ＣＣＤ相机对室内背景的要 理提取出弹丸中心像素坐标，结合测试系统在靶道 ＊收稿日期：２０１２ １］２１ 作者简介：李静（１９７２一），女，西安工业大学副教授，主要研究方向为动态测试，信息融合，先进控制理论．Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｅｍ９９１ｉ＠１６３．ｃｏｒｎ． 第４期 李静，等：室内ＣＣＤ立靶光源能量分布均匀性分析 ３４１ 求，而每个贴片灯珠里面含有三个发光二级光管， 相比普通的单个发光二级管发光强度大大增强，而 占用的空间大大减少，使用照度计分别测量双排发 光二级管和贴片灯珠构成的光源，在距光源２Ｏ ｍｍ的位置处光强分别为７７９ ｌｕｘ和１ ６２０ ｌｕｘ．因 此根据ｃｃＤ的光谱特性及光源的实际要求选择波 长６８０ ｎｍ，发散角为１２０。的贴片灯珠作为最小发 光单元． 单个二极管（ＬＥＤ）可以近似看成一种扩展面 光源，符合朗伯定律，而加上光学系统后，相当于在 二极管上面覆盖光学镜头，而光学镜头对光有发 散、汇聚特性，则发光的指向特性很不相同，加了光 学镜头的贴片灯珠的指向特性中发光强度是随着 发散角呈椭圆形分布，发散角越小发光强度越大， 在垂直灯珠中心方向发光强度达到最大，在水平位 置处最小值为零．获取每一点的发散角与发光强度 的值，通过曲线拟合可得出发光强度Ｊ 与发散角ａ 的关系式为 Ｊ —２４．３ａ 一１２２．１ａ。＋１５９．１ （１） １．２ 贴片灯珠布阵模型的建立 由单个贴片灯珠构成的发光带上，贴片灯珠的 排列方式可以排布成正方形、等边三角形和蜂窝六 边形等多种图形，而经过模拟仿真比较，由于正方 形的灯珠排布少，发光强度小，ＣＣＤ相机视场靶面 内昏暗，达不到亮度的需求；蜂窝六边形的结构与 等边三角形的结构相似，只是缺少了中间的贴片灯 珠，相比之下灯珠之间的空隙明显加大，中心位置 有明显的波动，对均匀性有很大的影响；等边三角 形是最理想的结构，相比其他两种排布方式具有发 光强度更强，散布的光能量更均匀的优点，因此选 用此结构作为贴片灯珠的排列方式． 等边三角形的两个贴片灯珠相距Ｓ，则第一排 与第三排相距√３Ｓ，建立三维坐标，其模型如图１所 示．做一垂直于贴片灯珠的平面ＡＢＣＤ，在平面上 任取一点Ｐ，设Ｐ点坐标为（ｚ，０，Ｌ）． 第一、二和三排的灯珠给点Ｐ贡献的光强与式 （１）一致，区别仅在于角度的变化，第一排中 ＬＥＤ（Ｏ１ １）、ＬＥＤ（Ｏ１。）、ＬＥＤ（Ｏ１１）对Ｐ贡献光强 ＬＥＤ（Ｏ１ 一２４．３（ａｒｃｔａｎ学 １２２．１（ａｒｃｔａｎ ）。＋１５９．１ ＬＥＤ（Ｏ１。）一２４．３（ａｒｃｔａｎ ） 一 １２２．１（ａｒｃｔａｎ ）。＋１５９．１ ＬＥＤ（Ｏ１ ）一２４．３（ａｒｃｔａｎ １２２．１（ａｒｃｔａｎ ）。＋１５９．１ （２） 幽１ 等边三角形贴片灼珠布阵 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｅｑｕｉｌａｔｅｒａｌ ｔｒｉａｎｇｌｅ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ＳＭＤ ｌａｍｐｓ 那么，第一排ＬＥＤ（Ｏ１Ｎ）贡献的光强为 ＬＥＤ（Ｏ１Ｎ）一２４．３∑（Ｑ｛）一１２２．１∑（Ｑ；） ＋１５９．１ ａｒｃｔａｎ ｛ 二 。㈣ 同理，第二、三排ＬＥＤ（Ｏ２Ｎ）、ＬＥＤ（０３Ｎ）贡献 的光强为 ＬＥＤ（ＱＮ）一２４．３∑（ ）一１２２．１∑（Ｑ；） ＋１５９．１ Ｑ２一Ⅲｔ ｎ 孕 【Ｆ，一一１，Ｎ≥０ ｌＮ ｏ （４） ＬＥＤ（Ｏ３Ｎ）一２４．３∑（ ）一１２２．１∑（Ｑｉ） ＋］５９．】 』【 Ｆ一一，１，１Ｎ ０Ｎ≥０ （５） 则ｐ（ｘ，０，Ｌ）点的光强为 ３４４ 西安工业大学学报 第３３卷 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｌｉｎｅａｒ—ＣＣＤ Ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ［Ｊ］．雁北师范学院学报，２００４，２０（２）：２６． ＨＡＮ Ｂｉｎｇ—ｃｈｅｎ，ＣＨＥＮ Ｓｈｕ—ｙｕｅ．Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｉｎｄｏｏｒ Ｅｎｖｉｒｏｍｎｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１１，３１（４）：３２１． （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ｌｉｎｅａｒ ＣＣＤ Ａｒｒａｙ ｉｎ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｍｏｖｉｎｇ ＯｈｊｅｃｔｓＥＪ］． Ｊｏｕｒａｎｌ ｏｆ Ｙａｎｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００４，２０（２）： ２６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［３］ 雷志勇，姜寿山．线阵ＣＣＤ技术及其在靶场测试中的 应用［Ｊ］．西安工业学院学报，２００２，２２（３）：２２０． ＬＥＩ Ｚｈｉ—ｙｏｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｓｈｏｕ—ｓｈａｒａ Ｌｉｎｅａｒ Ｓｃａｎ ＣＣＤ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｔａｒｇｅｔ Ｅ７］ 李翰山，雷志勇，王泽民，等．大靶面光电探测靶光源 研究与设计［Ｊ］．半导体光电，２００８，３０（４）：６２９． ＬＩ Ｈａｎ—ｓｈａｎ，ＬＥＩ Ｚｈｉ—ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｚｅ—ｍｉｎ，ｅｔ ａ１． Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，２２（３）：２２０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔａｒｇｅｔ ｗｉｔｈ Ｗｉｄｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００８，３０（４）：６２９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［４］ 雷志勇，姜寿山．线阵ＣＣＤ测量弹丸飞行姿态方法的 研究［Ｊ］．西安工业学院学报，１９９８，１８（２）：８７． Ｉ Ｅｌ Ｚｈｉ—ｙｏｎｇ。ＪＩＡＮＧ Ｓｈｏｕ—ｓｈａｒＬ Ｏｎ ｔｈｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ［８］ 韩丙辰，张清泉，陈树越．线阵ＣＣＤ交汇测量模型研 究与应用［Ｊ］．科技情报开发与经济，２００５，１５（５）： １８８． ｏｆ ｔｈｅ Ｆｌｙｉｎｇ Ｓｈｅｌｌ ｗｉｔｈ Ｌｉｎｅａｒ Ｓｃａｎ ＣＣＤ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９８，１８（２）：８７． （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ＨＡＮ Ｂｉｎｇ—ｔｈｅｎ，ＺＨＡＮＧ Ｑｉｎｇ—ｑｕａｎ，ＣＨＥＮ Ｓｈｕ—ｙｕＢ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｎｅａｒ ＣＣＤ Ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ 王泽民，高洪尧．一种用面阵ＣＣＤ测试弹丸炸点空间 Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｓｃｉ／Ｔｅｃｈ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｖｅＤｌｏｐｍｅｎｔ ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ，２００５，１５（５）：１８８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 三维坐标的方法［Ｊ］．计算机测量与控制，２００４，１２ （８）：７６２． ＷＡＮＧ Ｚｅ—ｍｉｎ。ＧＡＯ Ｈｏｎｇ—ｙａｏ．Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ １ ９ ｌ 王泽民，高俊钗，雷志勇．ＣＣＤ交汇测量系统布站方 式的精度分析［Ｊ］．山西电子技术，２００６（５）：３８． ＷＡＮＧ Ｚｅ—ｍｉｎ，ＧＡＯ Ｊｕｎ—ｃｈａｉ，ＬＥＩ Ｚｈｉ—ｙｏｎｇ．Ｔｈｅ Ｔａｒｇｅｔ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｌｉｎｅａｒ ＣＣＤ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ Ｅｘｐｌｏｄｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｂｙ Ｓｑｕａｒｅ Ａｒｒａｙ ＣＣＤ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ７６２．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００４，１２（８）： Ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｓｈａｎｘｉ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６（５）：３８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［６］ 韩丙辰，陈树越．线阵ＣＣＤ在检测运动物体中的应用 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｄｏｏｒ ＣＣＤ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｔａｒｇｅｔ ＬＩ Ｊｉｎｇ，ＬＩＵＪｉｎｇ－ｊｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｚｅ－ｍｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｎｅｖｅｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃａｕｓｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｊ ｅｃｔｉｌｅ ｃａｐｔｕｒｅ ｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｉｎｄｏｏｒ ｌｉｎｅａｒ—ＣＣＤ．Ｔｈｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｉｎｄｏｏｒ ｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｅｎｅｒｇｙ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｌｉｇｈｔ—ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ＳＭＤ ｌａｍｐ，ｔｈｅ ＳＭＤ ｌａｍｐ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｌｉｇｈｔ ｕｎｉｔ ｔｏ ｆｏｒｍ ｔｈｅ ｔｒｉａｎｇｌｅ ｌｉｇｈｔ ａｒｒａｙ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ＣＣＤ ｖｅｒｔｉｃａ１ ｔａｒｇｅｔ．Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｏ １０ｍｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｅｎｅｒｇｙ；ｌｉｎｅａｒ—ＣＣＤ；ＳＭＤ ｌａｍｐ；ａｒｒａｙ ｍｏｄｅ （责任编辑、校对魏明明）
