多波段圖像融合系統(tǒng)光軸平行性裝調(diào)技術(shù)研究

張 奇，陸慶華，郭 騫，張春鵬，皮冬明，向柳靜，文洪青，何新宇

多波段圖像融合系統(tǒng)光軸平行性裝調(diào)技術(shù)研究

張 奇，陸慶華，郭 騫，張春鵬，皮冬明，向柳靜，文洪青，何新宇

（云南北方光電儀器有限公司，云南 昆明 650032）

本文基于一種多波段圖像融合系統(tǒng)，對系統(tǒng)光軸平行性裝調(diào)技術(shù)進(jìn)行研究。系統(tǒng)為五光軸平行系統(tǒng)，包括白光模塊、微光模塊、短波紅外模塊、長波紅外模塊、激光測距模塊，通過計(jì)算得到精度最高的為微光模塊，精度為32.092，即平行性偏差小于32.092不影響系統(tǒng)使用。裝調(diào)時(shí)采用光軸中心與平行光管十字靶板中心對準(zhǔn)的方法，得到的圖像為最大圖像尺寸的99.89%，對圖像信息獲取不產(chǎn)生影響。最后用搭建好的平臺對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)證明平行性最大偏差為9″，小于系統(tǒng)最大允許誤差，所以得出結(jié)論該裝調(diào)方法對類似產(chǎn)品的裝調(diào)具有一定參考價(jià)值。

圖像融合；光軸平行性；平行性偏差；中心對準(zhǔn)

0 引言

針對現(xiàn)代戰(zhàn)場復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境及偽裝手段日益升級，單一波段的偵察系統(tǒng)難以滿足作戰(zhàn)需要，所以需要一種多波段圖像融合系統(tǒng)符合現(xiàn)代使用場景，多波段圖像融合系統(tǒng)是一種多波段、多光軸系統(tǒng)。

現(xiàn)如今裝調(diào)的多是兩軸或三軸系統(tǒng)[1-2]，模塊數(shù)量不多，對協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的要求不高。多波段圖像融合系統(tǒng)為五光軸平行系統(tǒng)，模塊較多，需要在輕量化、小型化、功能強(qiáng)的前提下保證光軸平行性。基于這種現(xiàn)實(shí)狀況，本文對多波段圖像融合系統(tǒng)光軸平行裝調(diào)技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 裝調(diào)原理

1.1 系統(tǒng)組成

多波段圖像融合系統(tǒng)通過多波段成像組件，實(shí)現(xiàn)可見光、近紅外、短波紅外、長波紅外的常用波段覆蓋，系統(tǒng)具備反偽裝偵察、晝/夜偵察、透煙霧偵察、透雨霧偵察的能力等。主要由白光模塊、微光模塊、短波紅外模塊、長波紅外模塊、激光測距模塊組成，多波段圖像融合系統(tǒng)的外形圖如圖1所示。

為保證光軸之間的平行性[3-4]，將所有模塊固定在前面板上，前面板布局如圖2所示。

圖1 多波段圖像融合系統(tǒng)外形

圖2 前面板布局

1.2 裝調(diào)精度

多波段融合系統(tǒng)由多個(gè)模塊組成，裝調(diào)時(shí)的精度要滿足每個(gè)模塊。

激光測距模塊可以對7000m處2.3m×2.3m的目標(biāo)進(jìn)行測距，根據(jù)式(1)計(jì)算得到激光測距模塊在7000m處最小可分辨角為：

白光模塊、微光模塊、短波紅外模塊、長波紅外模塊4個(gè)模塊涉及到對圖像進(jìn)行拼接[5-7]，在對圖像進(jìn)行拼接時(shí)，為不影響圖像質(zhì)量，一般要求為像素級對準(zhǔn)，即對準(zhǔn)誤差小于一個(gè)像素，如表1所示，表中分別是4個(gè)模塊鏡頭的焦距和選用探測器單個(gè)像元的尺寸。

通過式(2)、式(3)、式(4)、式(5)計(jì)算得到每個(gè)模塊的精度，其中精度表示最小可分辨角。探測器單個(gè)像元為最小顯示尺寸，通過鏡頭焦距即可計(jì)算出最小可分辨角。

表1 模塊參數(shù)

計(jì)算得到5個(gè)模塊的精度，其中精度最高的是微光模塊，即多波段圖像融合系統(tǒng)應(yīng)滿足的裝調(diào)精度為32.09″。

1.3 裝調(diào)方法

因?yàn)橄到y(tǒng)涉及到圖像融合，為保證得到的圖像信息盡可能地保持一致，在設(shè)計(jì)伊始，針對各模塊使用的探測器不同，即像元大小、像元尺寸各有不同，故保證各模塊的視場近似一致，盡可能減少拼接后圖像信息的損耗。由于像面尺寸不同，視場近似一致，故可以對得到的圖像進(jìn)行等比例縮放，縮放后的圖像會(huì)更利于圖像拼接，不會(huì)對圖像信息產(chǎn)生影響。如表2為圖像尺寸參數(shù)。

在拼接時(shí)，如果使用邊緣拼接的方法，會(huì)導(dǎo)致各個(gè)模塊的光軸發(fā)生偏移，所以在系統(tǒng)裝調(diào)時(shí)采用光軸中心與平行光管十字靶板中心對準(zhǔn)的方法[8-10]，對邊緣圖像進(jìn)行裁剪得到的圖像信息越接近最大圖像信息，則對獲取的圖像信息產(chǎn)生影響越小。

表2 圖像尺寸參數(shù)

在裝調(diào)過程中，需要將多波段圖像融合系統(tǒng)與十字靶板對準(zhǔn)，十字靶板的線寬為0.1mm，平行光管焦距為2000mm，則對準(zhǔn)誤差為：

得到的誤差值遠(yuǎn)小于32.09″，不會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

因微光模塊精度最高，故使用微光模塊得到的圖像作為底圖，可以計(jì)算得到圖像利用率?，計(jì)算公式如下：

經(jīng)過截取和拼接后，得到的圖像為最大圖像尺寸的99.89%，得到的圖像面積與最大圖像尺寸差距較小，對圖像信息獲取不產(chǎn)生影響。

1.4 測試方法

裝調(diào)完成后對系統(tǒng)進(jìn)行檢測，判斷系統(tǒng)是否符合使用要求。

將需要觀察的十字靶板調(diào)整到觀測位置，將待測系統(tǒng)放置于光學(xué)平臺上，用待測系統(tǒng)的各個(gè)模塊對十字靶板進(jìn)行觀察，首先將待測系統(tǒng)的十字中心對準(zhǔn)十字靶板的刻度，然后轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺，將待測系統(tǒng)的十字中心對準(zhǔn)十字靶板中心，根據(jù)式(8)計(jì)算理論轉(zhuǎn)動(dòng)角度和測試得到轉(zhuǎn)動(dòng)角度的差值，差值即為待測系統(tǒng)的平行性偏差。其中理論值為平行光管中角度刻度值，測試值則為兩軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)角度顯示值。若偏差值小于32.09″，則系統(tǒng)符合使用要求，反之則不符合。

偏差值＝理論值－測試值(8)

2 平臺搭建

多波段圖像融合系統(tǒng)裝調(diào)平臺的主要功能是能夠?qū)ο到y(tǒng)各個(gè)模塊光軸平行性進(jìn)行裝調(diào)。系統(tǒng)主要由平行光管、多波段圖像融合系統(tǒng)，兩軸轉(zhuǎn)臺組成。測試平臺如圖3所示。

圖3 測試平臺

2.1 平行光管

平行光管和靶板提供目標(biāo)，可等效為觀察無窮遠(yuǎn)目標(biāo)。因裝調(diào)時(shí)涉及到多個(gè)波段，為消除色差，選用反射式平行光管[11]。為校準(zhǔn)各模塊的光軸平行度，選用帶有刻度的十字靶板，刻度包含1°～6°即可。在對各個(gè)模塊進(jìn)行觀察時(shí)，將平行光管設(shè)置為常溫即可，進(jìn)而使各個(gè)模塊都可以正常觀察，在對激光測距模塊進(jìn)行觀察時(shí)，將光敏紙與十字靶板中心重合進(jìn)行校正。如圖4為選用的平行光管。

圖4 平行光管

2.2 兩軸轉(zhuǎn)臺

兩軸轉(zhuǎn)臺由轉(zhuǎn)臺和角度顯示器組成。轉(zhuǎn)臺可以在水平方向和俯仰方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度由左側(cè)的角度顯示器顯示，精度達(dá)到了1″，符合測試需求，如圖5為兩軸轉(zhuǎn)臺。

圖5 兩軸轉(zhuǎn)臺

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

完成平臺搭建和系統(tǒng)裝調(diào)后，根據(jù)測試方法對系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)得到待測系統(tǒng)的平行性偏差[12-13]，如表3～表7所示。

表3～表7分別表示的是對短波紅外模塊、激光測距模塊、白光模塊、長波紅外模塊、微光模塊平行性偏差的結(jié)果。分別對1°～6°視場時(shí)的俯仰角和方位角進(jìn)行測量，將測量結(jié)果與理論角度進(jìn)行對比，計(jì)算得到偏差值，通過與最大允許偏差值32.09″進(jìn)行對比，判斷裝調(diào)是否符合使用要求。

通過測試5個(gè)模塊在1°～6°視場時(shí)平行性偏差值，計(jì)算得到系統(tǒng)平行性的最大偏差為9″，小于系統(tǒng)最大允許誤差。

表3 待測系統(tǒng)的平行性偏差（短波紅外模塊）

表4 待測系統(tǒng)的平行性偏差（激光測距模塊）

表5 待測系統(tǒng)的平行性偏差（白光模塊）

4 結(jié)論

本文描述的裝調(diào)方法主要是為了平衡各個(gè)模塊之間的光軸平行性，根據(jù)像素級對準(zhǔn)的要求計(jì)算可得到最大允許誤差為32.09″，最后對裝調(diào)好的系統(tǒng)進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)證明平行性最大偏差為9″，小于系統(tǒng)最大允許誤差，所以得出結(jié)論該裝調(diào)方法對類似產(chǎn)品的裝調(diào)具有一定參考價(jià)值。

表6 待測系統(tǒng)的平行性偏差（長波紅外模塊）

表7 待測系統(tǒng)的平行性偏差（微光模塊）

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Research on Optical Axis Parallelism Adjustment Technology for Multi band Image Fusion System

ZHANG Qi，LU Qinghua，GUO Qian，ZHANG Chunpeng，PI Dongming，XIANG Liujing，WEN Hongqing，HE Xinyu

(Yunnan North Optical＆Electron Instrument Co., Ltd., Kunming 650032, China)

This article is based on a multiband image fusion system and studies the alignment technology of the parallelism of the optical axis of the system. The five-axis parallel system includes a white light module, low light level module, short wave infrared module, long wave infrared module, and laser ranging module. The lowest light level module with the highest accuracy was 32.09. A parallelism deviation of less than 32.09 does not impact the system's usability. During installation and adjustment, the optical axis was aligned with the center of the collimator cross-target plate. This alignment produced an image size that is 99.89% of the maximum possible, which does not hinder the acquisition of image information. Finally, the system is verified experimentally using the developed platform. Experiments proved that the maximum deviation of the parallelism was nine, which is less than the maximum allowable error of the system. Therefore, this assembly and adjustment method had a certain reference value for the assembly and adjustment of similar products.

image fusion, parallelism of optical axis, parallelism deviation, center alignment

TH74

A

1001-8891(2023)12-1294-05

2023-07-26；

2023-08-08.

張奇（1996-），男，吉林省長春市人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)設(shè)計(jì)。E-mail：1021154748@qq.com。

陸慶華（1981-），男，壯族，廣西省百色市人，學(xué)士，高級工程師，主要研究方向?yàn)轶w設(shè)計(jì)。E-mail：99711694@qq.com。