刘敏林 刘伯运 刘燕红

（海军工程大学动力工程学院 武汉 430033）

1 引言

光学方位仪在实际航海使用过程中是为了观测远距离目标或星体，因此其光学系统为望远系统，对于近距离视景无法进行观测，而在室内模拟训练过程中，使用近距离视景来模拟远距离目标［1～2］。因此，为解决上述模拟训练中存在的实际问题，设计了罗经光学方位仪模拟器。

罗经光学方位仪模拟器将为被测试人员提供与真实使用情况完全一致的光学方位仪功能，该模拟器能够实现观测水平目标和非水平目标的功能，并且可以配合其它设备一起使用，达到准确显示出目标的方位角等与真实使用时完全一致的参数的目的。

本模拟显示系统由光学耦合组件、动态图像生成显示芯片、测角及读数装置、主计算机及其实时景象生成系统组成。其中光学耦合组件的功能是将图像显示单元生成的可见光动态景象准直出射，使人通过罗经光学方位仪模拟系统观察到清晰的、相当于无穷远的模拟景象。为此，光学耦合组件是罗经光学方位仪模拟器中的核心部件。

2 光学耦合组件的光路设计

光学耦合组件的出瞳位置与观测者的瞳孔位置完全重合，光学耦合组件的出瞳直径略大于瞳孔直径，以避免头部运动时丢失视场，即光学耦合组件的出瞳完全覆盖观测者的瞳孔，消除观测过程中产生的渐晕，模拟真实的使用情况［3］。

设计过程中考虑了对轴上像差和轴外像差的校正。本系统的设计以校正轴外像差为主，尤其是影响成像清晰度的慧差、像散和垂轴色差。

最终根据系统的像差要求，经过大量的理论计算，确定了光学耦合组件的初始结构，本光学耦合组件采用了五片单透镜。五片单透镜分别采用了ZLAF2、K9、LAK4、ZF6、K9等光学材料，相互配合，有效地消除了系统的球差和正弦差，并且尽可能地减小每个镜片的相对孔径，从而减小系统的高级像差；选取了恰当的玻璃组合，有效地消除了系统的色差、像散和近轴慧差［4～7］。设计过程中使用计算机辅助进行像差校正优化设计，最终确定了光学耦合组件的具体结构，其光路如图1所示。

图1 光学耦合组件的光路图

利用图1所示的光学耦合组件的光路设计，其传递函数、弥散斑以及场曲和畸变结果如图2～图4所示。

图2 光学耦合组件传递函数图

图3 光学耦合组件弥散斑图

3 罗经光学方位仪模拟器光学耦合组件结构设计

罗经光学方位仪模拟器是在原有光学方位仪的基础上进行改造，使用原光学方位仪的所有机械结构，去除其内部所有光学系统，在其内部安装新光学系统及视景显示芯片，并在罗经和反射支架上加装精确测角装置［8～9］，同时增加光学方位仪与主控及视景计算机间的接口，通过主控计算机控制完成模拟真实使用情况的目的。

图4 光学耦合组件场曲和畸变图

罗经光学方位仪模拟器与其它设备配合完成整个模拟系统的室内模拟测试。系统硬件示意图如图5所示。

图5 系统硬件示意图

罗经光学方位仪模拟器的核心为光学耦合组件，光学耦合组件中动态图像生成器采用高分辨率OLED显示器［10］。本系统采用分辨率为800像元×600像元的高分辨率彩色OLED。

光学耦合组件中的测角装置采用Vishay原装工业级伺服系统专用精密导电塑料电位器作为角度传感器，如图6所示。

该测角装置为图5中的7和9，其中心的转动轴与支架和反射镜的转动轴紧固连接，其外部的固定部分通过其上的三个定位孔与反射镜支架和平面反射镜的固定框体紧固连接，工作工程中，反射镜支架和反射镜的相对转动角度就会准确地传递到测角装置上，测角装置将相对角度值上传给主计算机，从而完成实时仿真过程中的角度测量。

图6 测角装置图片

其主要的性能指标如下：

容差：±10%；

线性度：±0.25%；

输出平滑度：0.1%；

转轴支撑方式：滚珠轴承；

寿命：10000000转；

振动耐受度：15G，10～2000Hz；

使用温度范围：－55℃～＋125℃。

精密电位器的信号经过专用13Bit模拟量变送器进行信号采集和变换之后，可通过RS232、以太网等方式发送给主控计算机。根据模拟量测量角度进行换算，本测角装置的测角分辨率可达0.05°，已经完全满足手控操纵光学方位仪的角度精度要求。主控计算机根据接收到的数据换算出当前的角度值，并通过该角度值控制视景变换。

模拟器实际工作过程中主要首先通过在反射镜支架转动轴上的测角装置测得反光镜支架的位置信号，传送给主计算机，主计算机通过软件系统判断光学方位仪此时是处于哪种工作状态（即是观测天空还是水平的目标或天体），当为观测天空的目标或天体时，读取安装在罗经上的测角装置测出光学方位仪的方位角信息、读取安装在反射镜转动轴上的测角装置测出反光镜的角度信息，同时接收上位机关于船体水准及方位的角度信息（即模拟船体摇晃的角度信息），经过计算后实时变换显示芯片上所显示的天空目标或天体，视景显示芯片所显示的视景经过光学系统准直后以与原方位仪相同的视场显示给测试人员，使测试人员观测到相当于无穷远的模拟景象；当为观测水平的目标或天体时，读取安装在罗经上的测角装置测出光学方位仪的方位角信息，同时接收上位机关于船体水准及方位的角度信息（即模拟船体摇晃的角度信息），经过计算后实时变换显示芯片上所显示的水平面上的目标，视景显示芯片所显示的视景同样经过光学系统准直后以与原方位仪相同的视场显示给测试人员，使测试人员观测到相当于无穷远的模拟景象。

4 结语

罗经光学方位仪模拟器的技术难点是在原有光学方位仪上进行改造，这样严格限制了模拟系统的结构尺寸，使整体设计难度大大增加。光学耦合组件在保证原有光学技术指标的同时还要考虑光学系统像面尺寸要与高分辨率图像显示芯片尺寸吻合，并且还要考虑结构尺寸，保证光学系统的尺寸不能与其它元器件发生干涉，最主要的是要保证光学系统的成像质量，由于上述多方面的限制因素使光学系统的设计难度大大增加；同时电器元器件的选择，控制电路的开发设计、机械结构的总体设计等为了尽可能减小尺寸，难度都大大增加。本罗经光学方位仪模拟器光学耦合组件的设计，将使整个训练过程更加全面，提高整个模拟训练系统的效能。

［1］Chen Yaobin，Hu Xiaohui，Eberhart R.Cognitivemodels for learning to control dynamic systems［C］／／Proc IEEE International Conference on Neural Networks，2008：12－16.

［2］Eberhart R，Kenndy J.A new optimizier using particleswarm theory［C］／／Proc of the 6th International Symposium on Micro Machine and Human Science.NewYork：IEEE，1995：23－28.

［3］刘文勇.航海仪器［M］.大连：大连海运学院出版社，1993.

［4］J D Maynard，E G Williams，Y Lee.Near－field acoustic holography：Ⅰ.Theory of generalized holography and the development of NAH［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1985，78（4）：1340－1350.

［5］兰培真航海模拟器视景中地形绘制算法的研究［J］.大连海事大学学报，2001，6（4）：230－253.

［6］兰培真，金一丞，刘丹.船舶操纵模拟器中IBR技术的研究［J］.工程图学学报，2001（增刊）：345－356.

［7］钟力，张茂军，等.360度柱面垒景图象生成算法及其实现［J］.小型微型计算机系统，1999，20（12）：123－234.

［8］赵正魁.三维到二维的射影变换与透视投影［J］.工程图学学报，1991（2）：20－24.

［9］Shi Y，Eberhart R.Parameter selection in particleswarm optimization［C］／／Proc of the 7th Annual Confon Evolutionary Programming.New York，1998：256－349.

［10］伊文天.方位角的GPS测量方法［J］.测绘与空间地理信息，2008，2（31）：112－116.