一種多光軸光電裝備光軸偏差實時測量方法及系統(tǒng)實現(xiàn)

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摘 要 光軸偏差測量是多光軸光電裝備光軸一致性標(biāo)校工作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，測量方法的選擇直接影響到光軸一致性標(biāo)校的精度和工作效率。文章提出了一種基于數(shù)字視頻處理技術(shù)對光軸偏差進行實時測量的方法，并搭建了測量系統(tǒng)進行實際驗證。結(jié)果表明該方法可以實現(xiàn)光軸偏差的實時測量，具有操作簡單、通用性強等特點，可廣泛應(yīng)用于光電裝備的光軸一致性標(biāo)校工作中。

關(guān)鍵詞 數(shù)字視頻處理；光電傳感器；光軸一致性；光軸偏差

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）208-0091-03

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電裝備在武器系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。現(xiàn)在武器系統(tǒng)中的光電裝備一般由多個傳感器組成，包括激光、電視成像傳感器、紅外成像傳感器等，各傳感器光軸需要保持較好的一致性才能夠保證武器系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤、射擊精度。由于受到機械加工等因素的影響，在光電裝備出廠安裝、長時間服役以及傳感器更換等情況下，需要對其光軸一致性進行標(biāo)校，確保其精度的可靠性[1-2]。目前，光軸一致性標(biāo)校使用的方法主要有離軸拋物面法、平行光管法、小口徑平行光管法、激光光軸儀法、五棱鏡法、投影靶板法等[3-5]。光軸一致性標(biāo)校工作中最關(guān)鍵的步驟是光軸偏差測量，光軸偏差測量的精度及效率直接影響到光軸一致性標(biāo)校工作的開展。本文結(jié)合日常工作，提出了一種光軸偏差實時測量的方法，該方法利用視頻實時采集及視頻像素數(shù)與視頻角度范圍的關(guān)系，可以實時解算得到光軸差值。通過搭建測量系統(tǒng)，利用離軸拋物面法對某型光電跟蹤儀進行光軸偏差測量，對該方法進行了實際驗證。

1 離軸拋物面法及光軸偏差測量原理

圖1為離軸拋物鏡法測量光軸一致性示意圖。將靶標(biāo)置于離軸拋物面反射鏡的焦平面上，離軸拋物面反射鏡提供平行光模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，利用發(fā)射激光以及電視傳感器、紅外傳感器觀察靶標(biāo)的方式來確定激光發(fā)射光軸、電視傳感器觀瞄軸、紅外傳感器觀瞄軸之間的偏差。

武器系統(tǒng)中用電十字線來代表電視傳感器與紅外傳感器的觀瞄軸，武器系統(tǒng)中的光軸標(biāo)校即是將電視觀瞄軸、紅外觀瞄軸以及激光軸的平行性進行校對。由于各傳感器的特性不同，光軸偏差的獲取可分3種情況進行討論。

1.1 電視觀瞄軸與激光發(fā)射軸光軸偏差

假設(shè)以激光發(fā)射光軸作為基準(zhǔn)軸，測量電視觀瞄軸與激光發(fā)射軸的光軸差。在靶標(biāo)表面上粘附感光相紙，發(fā)射激光打到感光相紙上會留下光斑。此時通過電視傳感器進行觀察，比較電視觀瞄軸與光斑中心位置之間的差異，以此判斷兩者之間的光軸差。

1.2 紅外觀瞄軸與激光發(fā)射軸光軸偏差

假設(shè)以激光發(fā)射光軸作為基準(zhǔn)軸，測量紅外觀瞄軸與激光發(fā)射軸的光軸差。為了能夠利用紅外傳感器清晰的觀察激光留下的光斑，需要在靶標(biāo)后面放置熱源。此時通過紅外傳感器視頻進行觀察，比較紅外觀瞄軸與光斑中心位置之間的差異，以此判斷兩者之間的光軸差。

1.3 電視觀瞄軸與紅外觀瞄軸偏差

假設(shè)以電視觀瞄軸作為基準(zhǔn)軸，測量紅外觀瞄軸與電視觀瞄軸的光軸差。利用電視傳感器觀察靶標(biāo)上的十字目標(biāo)，調(diào)整使其觀瞄軸與十字目標(biāo)重合，切換到紅外進行觀察，比較紅外觀瞄軸與十字目標(biāo)位置之間的差異，以此判斷兩者之間的光軸差。

基于以上光軸差獲取方法，可以利用電視傳感器與紅外傳感器自身能夠成像的特性獲取光軸差。如圖2所示，假若圖中為電視傳感器或者紅外傳感器的視頻窗口，視頻窗口在x， y方向的像素數(shù)分別為Px、Py，在x、y方向的視場角度大小用φ、ψ表示，兩個十字線代表兩個傳感器的觀瞄軸，其在x、y方向相差像素數(shù)分別為△Px、△Py。

因此，只要確定了視頻窗口像素數(shù)及視場角度大小，即可以求出兩傳感器的光軸差。

2 測量系統(tǒng)搭建

基于以上工作原理，搭建了光軸偏差實時測量系統(tǒng)，如圖3、圖4所示。

圖3為系統(tǒng)實物圖，系統(tǒng)硬件部分包括電源、雙通道圖像采集卡以及PC104架構(gòu)計算機組成。軟件部分如圖4中所示，采用MFC編程，包括視頻采集窗口，測量十字線以及實時顯示的十字線坐標(biāo)等部分組成。

視頻采集窗口分辨率是系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一，其大小與光軸差測量精度息息相關(guān)，選擇與傳感器本身視頻分辨率大小一致為最佳，分辨率過小會帶來較大測量誤差，分辨率過大對測量精度影響較小只會增加系統(tǒng)成本，本系統(tǒng)采用視頻窗口分辨率為752×506。測量十字線的線寬在x，y方向的寬度均為1個像素。

利用測量系統(tǒng)對某型光電跟蹤儀光軸差進行測量，如圖5所示為搭建的測量光路。

利用此系統(tǒng)測量光軸偏差的步驟：

1）視頻圖像實時采集。利用視頻采集技術(shù)的實時性，將基準(zhǔn)光軸與待測光軸信息實時輸入到系統(tǒng)。

2）確定兩光軸的位置坐標(biāo)。調(diào)節(jié)測量十字線的位置，將其中心與基準(zhǔn)光軸重合，確定位置坐標(biāo)A（x0，y0），然后調(diào)節(jié)十字線的位置，使其與待測光軸重合，確定位置坐標(biāo)B（x1，y1）。

3）計算光軸偏差。根據(jù)兩位置坐標(biāo)計算出x、y方向的像素差△Px、△Py，根據(jù)式（2）計算出光軸偏差。

以激光發(fā)射光軸作為基準(zhǔn)光軸，在視場角度為1.50°×1.10°時測量激光發(fā)射光軸與電視觀瞄軸、紅外觀瞄軸間的光軸差。發(fā)射激光后記錄電視電十字線與紅外電十字線的中心位置，然后微調(diào)光電跟蹤儀指向器后再次發(fā)射激光記錄數(shù)據(jù)，記錄6組數(shù)據(jù)如表1中所示。

該光電跟蹤儀光軸差技術(shù)指標(biāo)要求為40"以內(nèi)，利用本文所述方法可測的最小光軸差為7"，實際對該跟蹤儀光軸差進行測量，得到的結(jié)果顯示該光電跟蹤儀光軸差均在技術(shù)范圍內(nèi)。通過后期的武器系統(tǒng)射擊效果證明，基于該方法進行的光軸一致性標(biāo)校參數(shù)完全符合部隊使用要求。

3 結(jié)論

本文結(jié)合實際工作，提出了一種光軸偏差測量方法，并搭建了測量系統(tǒng)進行了實際驗證。該方法利用了視頻實時采集技術(shù)及視頻窗口分辨率與視場角度范圍的關(guān)系，實現(xiàn)了不同傳感器間光軸差的實時性測量。該方法不僅適用于光電跟蹤儀，也適用于與光電跟蹤儀類似的多光軸光電裝備，比如光電偵察設(shè)備、光電桅桿等，具有廣泛的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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