便攜式可見光多光軸平行性校正系統

王瑤，李巖，付躍剛

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 科技處，長春 130022）

現役自行高炮的炮管軸線與瞄準軸線一起組成了高炮的多軸線系統。兩軸線之間是否平行直接關系著高炮的打擊火力和打擊精度［1］，如果各炮管之間光軸不平行，則炮彈火力將被分散，降低打擊效果，實際著彈點與炮手預期著彈點將會出現偏差，降低打擊精度［2-7］。因此對自行高炮的多軸線系統進行一致性檢查十分重要，目前自行高炮多軸線一致性檢查仍在100～300m處立靶，靶上刻有兩個十字，十字的中心距離與炮管軸線和光學瞄準軸之間距離一致。仍沿用人工操作校靶鏡瞄準遠距離靶板的全手動方法，該方法需要多人配合反復調整靶板與基準軸垂直位置，存在著調整過程復雜、工作強度大、人員技能要求高、受場地和環境限制多等問題，費時費力，校準效率低。

本文研制了一套滿足野外校正要求的便攜式多光軸平行性校正系統，在大空間范圍內建立一個高精度基準，并且能夠實現測量基準的靈活傳遞［8］，提供兩已知角度的可變化間距的光軸（接近平行或完全平行）。為野外環境以及大光軸間距可見光多光軸系統提供了一種新的光軸平行性校正方法，提高了工作效率。

1 系統原理

便攜式可見光多光軸平行性校正系統（如圖1所示），主要由目標組、對準組、高精度長直線導軌和計算機等組成。目標組與對準組均安裝在滑塊上，且兩滑塊可在長直線高精度導軌上根據產品光軸間距調節其之間的距離，以供校正使用。

目標組主要包括準直平行光管I和數字式平行光管（CMOS位于物鏡焦平面處），且兩者由安裝塊固定在導軌上，兩者安裝調節后光軸之間夾角固定不變。

對準組主要包括準直平行光管II和準直平行光管III，且兩準直平行光管由安裝塊固定在導軌上，兩者安裝調節后光軸角度固定不變。

圖1 系統結構圖

目標組與對準組中的準直平行光管光軸I和準直平行光管II光軸平行時，目標組中的數字式平行光管采集到對準組中的準直平行光管III中的十字分劃信息(x,y)和分劃傾斜角度β（完成定標）。當目標組與對準組中的準直平行光管光軸I和準直平行光管II光軸不平行時，則數字式平行光管采集到圖2所示的四種情況中的一種。

圖2 光軸夾角示意圖

此時數字式平行光管將采集到十字分劃信息(x1,x2)和傾斜角β'，可通過公式（1）、（2）得出目標組與對準組的夾角（α水平,α垂直）：

式中，μ為CMOS單個像元大小，f為平行光管物鏡焦距。

2 系統設計

便攜式可見光多光軸校正系統預期達到精度7″，CMOS選用IPG-53H20AF型，像素為1920×1080，像元大小為0.0028mm。

為滿足可見光多光軸平行性校正系統的便攜性，要求外形尺寸盡量小、重量輕、像質好，選取如圖3所示光學結構，焦距f=80mm的光學系統進行設計，其設計結果如圖3所示。

圖3 物鏡組示意圖

成像系統的MTF曲線如圖4所示，成像質量良好。

圖4 物鏡MTF曲線圖

圖5 光學系統點列圖

圖5為光學系統點列圖，各視場彌散斑直徑均小于所選CMOS一個像元尺寸，說明系統有較高的分辨率，可以保證成像的清晰性。

3 光軸一致性試驗

按圖6所示安裝試驗系統，將目標組和對準組分別安裝在多維調整臺上（方位、俯仰、橫滾均可調節），并在前面放置大口徑平行光管，用于校正對準組和目標組的準直平行光管光軸I和準直平行光管II平行。調節多維調整臺使對準組和目標組的準直平行光管光軸I和準直平行光管II的十字分劃中心分別與大口徑平行光管十字分劃中心重合，記錄此時數字式平行光管中觀察到的準直平行光管III的十字分劃信息，完成系統定標（即初始數據獲取）。

圖6 試驗結構安裝圖

然后目標組固定不動，調節多維調整臺，使對準組中的準直平行光管II與試驗用大口徑平行光管的某一位置重合，并記錄此時重合時準直平行光管II觀察到的大口徑平行光管的坐標信息(x1,y1)（單位為密位）。此時計算機將采集到目標組與對準組的兩光軸夾角信息(x2,y2)。比較已知角度與試驗結果，如表1所示。

表1 理論數據與測量結果

理論計算與實驗結果相對比，數值的最大偏差為7″，可以證明理論與計算的正確性。高炮的炮管軸線與瞄準軸線平行線校正時，先將校炮鏡裝入炮管軸內，使其光軸與目標組上平行光管光軸平行。然后調節瞄準軸與對準組中上平行光管光軸平行，兩者分別平行后即完成炮管軸線與瞄準軸線的平行行校正。

4 系統誤差分析

在系統中產生誤差的主要原因有：平行光管的視差（包括定標用前置鏡視差）、CMOS判讀十字分劃位置時的像素誤差、定標時人眼對準誤差等。

平行光管的校正采用可調前置鏡法，事先把前置鏡調焦于無限遠（確定零位），再通過它觀察被檢平行光管的分劃板的像，若該分劃板在前置鏡的分劃面上生成清晰的影像，且擺頭時不能發現兩分劃線互相錯動，即表示視差已被消除，否則，需軸向移動被檢平行光管的分劃板，直到視差消除為止。為減少調校的盲目性，先按下式計算平行光管：

式中，X'——觀察到的被檢分劃板的清晰影像時，可調前置鏡伸縮筒離開零位（調焦于無限遠）的距離

X——被檢平行光管軸向移動量

根據算出的值X移動平行光管后，只要X'不大于式（6），就認為平行光管視差在允許范圍內：

D——平行光管物鏡是有效口徑（毫米）

用上述公式調整好后，平行光管仍有一些殘余視差，主要來源于前置鏡本身的殘余視差ε（分）按式（5）傳遞給平行光管：

調焦誤差所造成的殘余視差：

式中，e—人眼對準誤

τ—前置鏡視放大率

DZ—平行光管與前置鏡組合的有效口徑

數碼前置鏡中CMOS采集系統的判讀精度為1/2個像素，圖像采集精度為：

CMOS像元大小為0.0028mm，平行光管焦距為80mm。

綜上所述，系統總誤差［9-10］：

5 結論

本系統提供的校正方法是在傳統的校正檢校方法上增加了CMOS，減少了人眼識別帶來的誤差。在高炮的炮管軸線與光學瞄準軸平行性校正時，可以做到不受場地、人員限制，提高了校正效率。圖7為該校正系統實物圖，簡化了儀器體積與結構，有利避免由于儀器長時間使用或擺放等環境因素改變而帶來的誤差，達到便攜式、大光軸間距使用條件，解決了可見光大光軸間距野外校正問題，具有一定的使用價值。

圖7 產品實物圖