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1、(10)申请公布号 CN 103337214 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103337214 A *CN103337214A* (21)申请号 201310261323.1 (22)申请日 2013.06.27 G09B 23/22(2006.01) (71)申请人 中国人民解放军海军工程大学 地址 430033 湖北省武汉市解放大道 717 号 (72)发明人 刘敏林 朱石坚 胡大斌 刘伯运 胡锦晖 肖剑波 (74)专利代理机构 武汉楚天专利事务所 42113 代理人 孔敏 (54) 发明名称 一种光学方位仪模拟系统 (57) 摘要 本发明提供一种光学方位仪模拟系统，。
2、 包括 外壳、 主控及视景计算机、 光学耦合装置、 图像显 示器、 显示驱动电路、 罗经水准及方位角接收装 置、 物镜、 反射镜支架测角装置、 反射镜支架、 反射 镜测角装置、 反射镜。 反射镜活动安装在反射镜支 架的一端， 反射镜支架的另一端与物镜中心位置 活动连接 ； 反射镜支架测角装置安装在反射镜支 架的转动轴上， 反射镜测角装置安装在反射镜的 转动轴上 ； 图像显示器设于光学耦合装置的入口 端， 图像显示器通过显示驱动电路与主控及视景 计算机连接， 罗经水准及方位角接收装置、 反射镜 支架测角装置、 反射镜测角装置及安装在罗经上 的测角装置与主控及视景计算机连接。本发明可 在室内使用近。
3、距离视景来模拟远距离目标的模拟 训练。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103337214 A CN 103337214 A *CN103337214A* 1/1 页 2 1. 一种光学方位仪模拟系统， 其特征在于 ： 包括外壳 (10)、 主控及视景计算机 (20) 及 安装在外壳内的光学耦合装置 (11)、 图像显示器 (12)、 显示驱动电路 (13)、 罗经水准及方 位角接收装置(14)、 物镜(15)、 反射镜支架测角装。
4、置(16)、 反射镜支架(17)、 反射镜测角装 置 (18)、 反射镜 (19)， 反射镜 (19) 活动安装在反射镜支架 (18) 的一端， 反射镜支架 (18) 的另一端与物镜 (15) 的中心位置活动连接 ； 反射镜支架测角装置 (16) 安装在反射镜支架 (17) 的转动轴上， 反射镜测角装置 (18) 安装在反射镜 (19) 的转动轴上 ； 图像显示器 (12) 设于光学耦合装置 (11) 的入口端， 图像显示器 (12) 通过显示驱动电路 (13) 与主控及视景 计算机 (20) 连接， 罗经水准及方位角接收装置 (14)、 反射镜支架测角装置 (16)、 射镜测角 装置 (18。
5、) 及安装在罗经上的测角装置与所述主控及视景计算机 (20) 连接。 2. 如权利要求 1 所述的光学方位仪模拟系统， 其特征在于 ： 安装在罗经上的测角装置、 反射镜支架测角装置 (16) 及反射镜测角装置 (18) 组成测角装置， 用于测出反射镜 (19) 及 反射镜支架的角度信息和光学方位仪的方位角信息， 并将相对角度值传送给主控及视景计 算机 (20)， 主控及视景计算机 (20) 同时接收罗经水准及方位角接收装置 (14) 提供的上位 机关于船体水准及方位的角度信息。 3. 如权利要求 2 所述的光学方位仪模拟系统， 其特征在于 ： 所述主控及视景计算机 (20) 用于根据接收的反射。
6、镜 (19) 及反射镜支架 (17) 的角度信息、 光学方位仪的方位角信 息、 船体水准及方位的角度信息生成控制指令， 控制模拟视景的相应变化， 从而实现观测视 景的模拟。 4. 如权利要求 3 所述的光学方位仪模拟系统， 其特征在于 ： 所述主控及视景计算机 (20) 由图像发生器、 视景管理及视景库开发软件、 三维视景数据库组成， 利用视景管理软件 和视景库开发软件在图形工作站上建立模拟景象、 目标模型及背景干扰， 同时将建立的模 拟景象、 目标模型及背景干扰转化视频信号通过显示驱动电路 13 传送给图像显示器 (12)， 所述图像显示器 (12) 用于接收所述主控及视景计算机 (20) 。
7、的视频信号， 并将视频信号转 化成可视图像显示出来， 所述光学耦合装置 (11) 用于将所述图像显示器 (12) 生成的可见 光动态景象准直出射。 权 利 要 求 书 CN 103337214 A 2 1/4 页 3 一种光学方位仪模拟系统 技术领域 0001 本发明涉及一种光学方位仪模拟系统。 背景技术 0002 光学方位仪(optical azimuth device)简称方位仪， 在航海中用以精确测量目标 方位和舷角。它是罗经的附属仪器， 与罗经配合使用。方位仪种类多， 有方位镜、 方位杆、 方 位盘等， 它们都用来测量目标在水平面上相应于罗经的度数 ； 方位仪通常装在罗经上， 用它 对。
8、准目标， 便可方便地测得目标方位。 0003 如图1所示， 现有光学方位仪包括外壳及安装在外壳内的目镜1、 转向棱镜2、 物镜 3、 反射镜支架、 反射镜等， 光学方位仪工作时有两个工作状态， 通过转动图 1 中反射镜支架 转动中心 6， 可以实现两个工作状态的切换， 当其处于反射镜工作状态一 4 时， 可以通过物 镜 3 前方反射镜的反射看见天空的目标或星体， 此时通过转动反射镜转动中心 4 并配合下 方罗盘的转动可以看到不同位置的天空目标和星体 ； 当处于反射镜工作状态二 5 时， 物镜 前方没有反射镜， 因此可以看到正前方的目标， 同时可以配合下部罗盘的转动观测到不同 方位的目标。 00。
9、04 由于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， 而在室内模拟训练过程中， 是使用近距离视景来模拟远距离目标， 而现 有光学方位仪对于近距离视景无法进行观测。 发明内容 0005 本发明提供一种光学方位仪模拟系统， 可以在室内使用近距离视景来模拟远距离 目标的模拟训练， 达到准确的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， 使整个训练过程更加全面， 提高整个模拟训练系统的效能。 0006 一种光学方位仪模拟系统， 包括外壳、 主控及视景计算机及安装在外壳内的光学 耦合装置、 图像显示器、 显示驱动电路、 罗经水准及方位角接收装置、。
10、 物镜、 反射镜支架测角 装置、 反射镜支架、 反射镜测角装置、 反射镜， 反射镜活动安装在反射镜支架的一端， 反射镜 支架的另一端与物镜 ) 的中心位置活动连接 ； 反射镜支架测角装置安装在反射镜支架的转 动轴上， 反射镜测角装置安装在反射镜的转动轴上 ； 图像显示器设于光学耦合装置的入口 端， 图像显示器通过显示驱动电路与主控及视景计算机连接， 罗经水准及方位角接收装置、 反射镜支架测角装置、 射镜测角装置及安装在罗经上的测角装置与所述主控及视景计算机 连接。 0007 如上所述的光学方位仪模拟系统， 安装在罗经上的测角装置、 反射镜支架测角装 置及反射镜测角装置组成测角装置， 用于测出反。
11、射镜及反射镜支架的角度信息和光学方位 仪的方位角信息， 并将相对角度值传送给主控及视景计算机， 主控及视景计算机同时接收 罗经水准及方位角接收装置提供的上位机关于船体水准及方位的角度信息。 0008 如上所述的光学方位仪模拟系统， 所述主控及视景计算机用于根据接收的反射镜 说 明 书 CN 103337214 A 3 2/4 页 4 及反射镜支架的角度信息、 光学方位仪的方位角信息、 船体水准及方位的角度信息生成控 制指令， 控制模拟视景的相应变化， 从而实现观测视景的模拟。 0009 如上所述的光学方位仪模拟系统， 所述主控及视景计算机由图像发生器、 视景管 理及视景库开发软件、 三维视景数。
12、据库组成， 利用视景管理软件和视景库开发软件在图形 工作站上建立模拟景象、 目标模型及背景干扰， 同时将建立的模拟景象、 目标模型及背景干 扰转化视频信号通过显示驱动电路传送给图像显示器， 所述图像显示器用于接收所述主控 及视景计算机的视频信号， 并将视频信号转化成可视图像显示出来， 所述光学耦合装置用 于将所述图像显示器生成的可见光动态景象准直出射。 0010 本发明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 ( 即光学耦合装置 ) 及图像显示 器， 并在罗经、 反射镜支架、 反射镜上加装精确测角装置， 同时增加主。
13、控及视景计算机， 通过 主控及视景计算机控制完成模拟真实使用情况的目的， 可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， 达在室内进行使用近距离视景来模拟远距离目标的模拟训 练的目的。 附图说明 0011 图 1 是现有方位仪的结构示意图 ； 0012 图 2 是本发明光学方位仪模拟系统的结构示意图 ； 0013 图 3 是本发明中光学耦合装置的结构示意图， 其由五片单透镜组成 ； 0014 图 4 是本发明光学耦合装置的传递函数图 ； 0015 图 5 是本发明光学耦合装置的弥散斑图 ； 0016 图 6 是本发明光学耦合装置的场曲和畸变图 ； 0017 图中 ： 1- 目镜，。
14、 2- 转向棱镜， 3- 物镜， 4- 反射镜工作状态一， 5- 反射镜工作状态 二， 6- 反射镜支架转动中心， 7- 反射镜转动中心， 10- 外壳， 11- 光学耦合装置， 12- 图像显 示器， 13-显示驱动电路， 14-罗经水准及方位角接收装置， 15-物镜， 16-反射镜支架测角装 置， 17- 反射镜支架， 18- 反射镜测角装置， 19- 反射镜， 20- 主控及视景计算机。 具体实施方式 0018 下面将结合本发明中的附图， 对本发明中的技术方案进行清楚、 完整地描述。 0019 图 2 所示为本发明光学方位仪模拟系统的结构示意图， 所述光学方位仪模拟系统 包括外壳 10、。
15、 主控及视景计算机 20 及安装在外壳内的光学耦合装置 11、 图像显示器 12、 显 示驱动电路13、 罗经水准及方位角接收装置14、 物镜15、 反射镜支架测角装置16、 反射镜支 架 17、 反射镜测角装置 18、 反射镜 19。反射镜 19 活动安装在反射镜支架 18 的一端， 反射 镜支架 18 的另一端与物镜 15 的中心位置活动连接。反射镜支架测角装置 16 安装在反射 镜支架 17 的转动轴上， 反射镜测角装置 18 安装在反射镜 19 的转动轴上。图像显示器 12 设于光学耦合装置 11 的入口端， 图像显示器 12 通过显示驱动电路 13 与主控及视景计算机 20 连接， 。
16、罗经水准及方位角接收装置 14、 反射镜支架测角装置 16 及反射镜测角装置 18 也 与所述主控及视景计算机 20 连接。 0020 请继续参考图 3， 所述光学耦合装置 11 采用五片单透镜制成， 与其配合的图像显 说 明 书 CN 103337214 A 4 3/4 页 5 示器12可采用高分辨率OLED显示器， 在其中一个实施例中可采用分辨率为800像元600 像元的高分辨率彩色 OLED。五片单透镜分别采用了 ZLAF2、 K9、 LAK4、 ZF6、 K9 等光学材料， 相互配合， 有效的消除了系统的球差和正弦差， 并且尽可能的减小每个镜片的相对孔径， 从 而减小系统的高级像差 ；。
17、 并且选取了恰当的玻璃组合， 有效的消除了系统的色差、 像散和近 轴慧差。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装置 11 的具体结构， 其光路如图 3 所示。光学耦合装置 11 的最终设计结果如图 4、 图 5、 图 6 所示。 0021 具体的， 光学耦合装置 11 出瞳距的确定方法为 ： 0022 由于本发明模拟系统是直接与人眼对接， 在综合考虑机械结构空间、 光学设计难 度适中等因素后， 最终确定光学耦合装置的出瞳距为 10mm。 0023 光学耦合装置 11 出瞳孔径的确定 ： 0024 在一般情况下人眼的瞳孔直径为 2 8mm， 结合本模拟系统的实际使用。
18、情况， 本系 统的出瞳直径应略大于瞳孔直径， 最终确定本系统的出瞳直径为10mm。 这样， 所述光学耦合 装置 11 的出瞳位置与观测者的瞳孔位置完全重合， 由于所述光学耦合装置 11 的出瞳直径 略大于瞳孔直径 ( 本实施例设计为 10mm)， 可避免头部运动时丢失视场， 即光学耦合装置的 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。 0025 光学耦合装置 11 焦距的确定 ： 0026 光学耦合装置 11 的焦距与视场角和所选用的图像显示器 12( 例如 OLED 显示器 ) 的尺寸有关， 本模拟系统的视场角为 40 ( 暂定 )， 所选用的 OLED 显。
19、示器片的尺寸为 0.61 英寸， 因此本模拟系统光学耦合装置 11 的焦距 f 可由下式进行计算 ： 0027 0028 其中， L 为 OLED 显示器的有效尺寸 ( 由于是圆视场， 因此有效尺寸为短边长 ) ； 为本模拟系统的视场角， 经过计算光学耦合装置 11 的焦距为 12.77mm。 0029 光学耦合装置 11 弥散斑直径的确定 ： 0030 散斑直径指标的确定主要取决于所选用图像显示器 12 液晶屏的像素大小， 液晶 屏的像素大小可根据下面公式进行计算。 0031 0032 其中， L 为液晶屏的有效尺寸 ( 由于是圆视场， 因此有效尺寸为短边长 ) ； H 为 液晶屏的有效分辨。
20、率 ( 该有效分辨率为 600)， 经过计算， 耦合系统的弥散斑直径应小于 15.5m。 0033 安装在罗经上的测角装置 ( 图未示出 )、 反射镜支架测角装置 16 及反射镜测角装 置 18 组成测角装置， 用于测出反射镜 19 及反射镜支架的角度信息和光学方位仪的方位角 信息， 并将相对角度值传送给主控及视景计算机 20， 主控及视景计算机 20 同时接收罗经水 准及方位角接收装置 14 提供的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 )。反射镜支架测角装置 16 及反射镜测角装置 18 的结构相同， 其中心的转动 轴与反射镜支架 17、 反射镜 19 的转动轴。
21、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 17、 反射镜 19 的固定框体紧固连接， 工作工程中， 反射镜支架 17 和反射镜 19 的相对转动角度就会准确的传递到测角装置 (16、 18) 上， 测角装置将相对角度值上传给 说 明 书 CN 103337214 A 5 4/4 页 6 主控及视景计算机 20， 从而完成实时仿真过程中的角度测量。 0034 所述主控及视景计算机 20 用于实时读取测角装置生成的相对角度值， 同时接收 罗经水准及方位角接收装置 14 提供的上位机关于船体水准及方位的角度信息， 然后生成 控制指令， 控制模拟视景的相应变化， 从而实现观测视景。
22、的模拟。 所述主控及视景计算机20 由图像发生器、 视景管理及视景库开发软件、 三维视景数据库组成， 所述图像发生器可采用 图形工作站， 视景管理软件可采用Vega Prime， 其中操作系统 ： Windows XP professional， 开发环境 ： Visual C+， 视景库开发软件采用操作系统 ： Windows XP professional， 地形及 文化数据生成 ： Terra Vista， 三维目标建模 ： MultiGen Creator， 纹理处理 ： Photo Shop， 高 程数据生成 ： Scan In。三维视景数据库由舰艇模型库、 海洋目标模型库、 活动目。
23、标模型库、 任务模型库、 特殊效果模型库等组成。视景数据库中包含模型的几何信息， 而且还应该包 含纹理、 材料信息和灯光、 LOD、 模板、 运动等高级特征， 提供的数据库面积满足大场景的需 要。利用视景管理软件和视景库开发软件在图形工作站上建立模拟景象、 目标模型及背景 干扰， 存贮在图形工作站内， 同时将所述主控及视景计算机 20 建立的模拟景象、 目标模型 及背景干扰转化视频信号通过显示驱动电路 13 传送给图像显示器 12， 所述图像显示器 12 接收所述主控及视景计算机 20 的视频信号， 并将视频信号转化成可视图像显示出来。 0035 所述光学耦合装置 11 将所述图像显示器 12。
24、 生成的可见光动态景象准直出射， 使 人通过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。 0036 下面介绍使用本发明模拟系统如何在实验室环境中模拟现有光学方位仪实际工 作过程 ： 0037 首先通过在反射镜支架17转动轴上安装的反射镜支架测角装置16测得反光镜支 架17的位置信号， 传送给主控及视景计算机20， 主控及视景计算机20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 )， 当为工作状 态一 ( 即观测天空 ) 时， 读取安装在罗经上的测角装置 ( 图未示出 ) 测出光学方位仪的方 位角信息、 读取安装在反射镜19的转动轴上的。
25、反射镜测角装置18测出反光镜的角度信息， 同时通过所述罗经水准及方位角接收装置 14 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 )， 经过主控及视景计算机 20 计算后实时变换图像显示器 12 上所显示的天空目标或天体， 图像显示器 12 所显示的视景经过光学耦合装置 11 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 为工作状态二 ( 即观测水平的目标 ) 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， 同时通过所述罗经水准及方位角接收装置 14 接收上位机关于船体水准及方 位的角度信息 ( 即模拟。
26、船体摇晃的角度信息 )， 经过计算后实时变换图像显示器 12 上所显 示的水平面上的目标， 图像显示器 12 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。 0038 以上所述， 仅为本发明的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何 属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应 涵盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 说 明 书 CN 103337214 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103337214 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103337214 A 8 3/3 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103337214 A 9 。