寬光譜多傳感器軸一致性檢測系統(tǒng)設(shè)計

鄒 韻， 朱運東，2*， 王勁松，2

（1. 長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2. 長春理工大學(xué)中山研究院，廣東 中山 528437）

1 引 言

隨著光學(xué)成像技術(shù)的不斷發(fā)展，光電系統(tǒng)的構(gòu)成也逐步趨于多樣化、復(fù)雜化［1-2］?，F(xiàn)今多傳感器光電系統(tǒng)將激光測距、紅外成像、電視跟瞄等技術(shù)相結(jié)合并快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，提升了武器裝備在作戰(zhàn)和生存方面的能力，在現(xiàn)代戰(zhàn)場上扮演著必不可少的角色［3］。多傳感器光電系統(tǒng)光譜幾乎覆蓋了從可見光到紅外波段的全部范圍［4］，具有多譜段觀瞄、跟蹤、發(fā)射和接收多個光路子系統(tǒng)，這些光路的軸線要求保持一致，否則會嚴重影響目標探測和定位的準確性，進而降低目標打擊的精度［5］。因此保證多傳感器光電系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)軸間一致性就顯得尤其重要［6-8］。在多傳感器光電系統(tǒng)生產(chǎn)和使用過程中，必須對其進行光軸一致性檢測和調(diào)校。

近年來，人們在多傳感器光電系統(tǒng)光軸一致性問題方面展開了廣泛研究。肖作江［9］等人利用離軸拋物鏡，對光學(xué)瞄具紅外、白光瞄準軸以及激光發(fā)射軸三軸一致性檢測問題進行了相關(guān)研究；賈文武［10］等人針對經(jīng)緯儀提出了一種能夠滿足靶場使用需求的光軸平行性檢方法；黃富瑜［11］等人采用光軸平移設(shè)計思想，實現(xiàn)大跨度范圍內(nèi)光軸平行性檢測；張洋［12］通過CCD 相機對激光輻射光斑進行實時采集，針對機載光電觀瞄系統(tǒng)中紅外瞄準線與激光輻射軸的視軸偏差角進行測試；以色列CI 公司［13］的O-AWBS 武器軸線檢測系統(tǒng)采用相交校靶法實現(xiàn)大跨度檢測，適用于野外檢測。上述現(xiàn)有軸一致性檢測方法，其檢測光譜波段范圍較為局限且檢測波段不連續(xù)，或需要在特定條件下、針對特定類型的光電設(shè)備光軸進行檢測，通用性不好。為解決此問題，本文設(shè)計一種基于光路切換和光熱轉(zhuǎn)換設(shè)計思想的寬光譜多傳感器軸一致性檢測系統(tǒng)。推導(dǎo)了光軸一致性檢測模型，設(shè)計了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了檢測系統(tǒng)精度，能夠為多光譜多傳感器光電系統(tǒng)的軸一致性檢測提供通用的檢測和調(diào)校手段。

2 軸一致性檢測系統(tǒng)原理

2.1 系統(tǒng)檢測原理

寬光譜多傳感器軸一致性檢測系統(tǒng)（以下簡稱為檢測系統(tǒng)或系統(tǒng)）可以對具有可見光到紅外波段的多光譜多傳感器系統(tǒng)（以下簡稱為被測品）中的光路子系統(tǒng)進行光軸一致性檢測，其系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)檢測原理圖Fig.1 System detection schematic diagram

檢測系統(tǒng)中包含反射式平行光管、光源及探測器組件以及被測品后方的可見光CCD 相機，并由上位機對檢測系統(tǒng)進行控制。其中反射式平行光管包含主鏡及次鏡兩部分；光源及探測器組件中包含黑體和可見-近紅外光源、可見-近紅外靶標、光熱轉(zhuǎn)換靶材以及在不同波段下工作的探測器；被測品后方的可見光CCD 相機用于觀察被測品目視鏡視場內(nèi)的場景。

在主鏡后方，通過分光鏡及可移動的平面反射鏡將主鏡后的光路分成四個路徑。其中，光路1 由系統(tǒng)內(nèi)置黑體提供紅外光光源，光路4 提供可見-近紅外光源，兩個光源均可將光源前置標準靶標圖像投射到被測品的光學(xué)成像系統(tǒng)中；光路2 和光路3 通過不同工作波段的探測器，采集被測品所發(fā)出的不同波段激光的光斑圖像信息。平面反射鏡的移動是通過上位機控制步進電機實現(xiàn)的，反射鏡可以根據(jù)檢測需要在導(dǎo)軌上進行位置移動，從而實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的光路切換。

由于長波紅外探測器工作波段為8~14 μm，無法直接采集其他波段范圍內(nèi)的激光，因此在像面處放置光熱轉(zhuǎn)換靶材，將短波長的光斑轉(zhuǎn)換為熱斑，使用長波紅外探測器實現(xiàn)對各波段激光光斑圖像采集。鍺玻璃作為紅外玻璃，具有折射率和色散熱變化小的特點，可以用作光熱轉(zhuǎn)換靶材的基體材料。硫化銅作為光熱轉(zhuǎn)換材料，在808 nm 激光照射下，幾秒內(nèi)能夠迅速升溫至100 ℃，具有明顯的光熱升溫效果［14］。因此，選擇鍍有硫化銅的鍺玻璃作為光熱轉(zhuǎn)化靶材，能夠有效地擴大系統(tǒng)光譜檢測范圍，實現(xiàn)單探測器的多譜段檢測。

在對被測品進行檢測之前，需要對系統(tǒng)進行初始標定，以某一光路為基準軸，對其他光路進行坐標標定，并將標定坐標記為系統(tǒng)基準軸坐標，完成對檢測系統(tǒng)的初始標定。

檢測系統(tǒng)可以對被測品中觀瞄、跟蹤光路子系統(tǒng)光軸進行檢測，即模擬無窮遠標準靶標圖像信息的投射系統(tǒng)；同時也可對被測品所發(fā)出的激光光軸進行檢測，即作為激光接收系統(tǒng)進行圖像輸出。

（1）觀瞄、跟蹤光路子系統(tǒng)光軸檢測

以紅外光軸作為檢測過程基準軸為例，首先將被測品紅外光軸對向平行光管焦面位置處的分劃，使得被測品基準軸瞄準紅外分劃中心；然后將被測品切換到可見光觀瞄狀態(tài)，通過放置在被測品后方的可見光CCD 相機拍攝目視鏡視場內(nèi)的景象，通過上位機對圖像中被測品瞄準分劃的坐標值進行判讀；系統(tǒng)將所讀取坐標與基準坐標進行對比，得出被測品紅外光軸與可見光光軸的偏差。

（2）激光光軸檢測

將被測品放置好并固定，被測品向檢測系統(tǒng)發(fā)射激光，通過主次鏡照射到光熱轉(zhuǎn)化靶材上形成熱斑，或照射到可見光-近紅外靶標上，光斑可被長波紅外探測器、可見-近紅外探測器或短波紅外探測器采集生成光斑圖像，隨后通過上位機對激光光斑位置進行判讀，得到光斑灰度重心的坐標值；將所讀取坐標與基準坐標進行對比，得出激光光軸的偏差。進而可以獲取任意兩光軸之間的夾角大小。

2.2 軸一致性夾角計算

軸一致性檢測系統(tǒng)各部分組件安裝調(diào)試完成后，將各子系統(tǒng)與上位機相連。系統(tǒng)各部分組件基本保持水平位置，保證各系統(tǒng)組件之間的中心高度一致，確保系統(tǒng)光束按照預(yù)定路線傳輸。當被測品位置固定好后，以紅外光軸作為檢測過程基準軸為例，按照2.1 節(jié)中所描述的系統(tǒng)檢測過程進行操作，可以依次得到被測品可見光光軸坐標、可見-近紅外激光光斑坐標、短波紅外激光光斑坐標以及長波紅外激光光斑坐標。

如圖2 所示，展示了任意兩光軸光斑在空間中的投影模型，圖中A(xa，ya)，B(xb，yb)為任意兩光軸光斑的坐標位置，根據(jù)光斑坐標位置信息可計算任意兩光軸之間夾角θ，如式（1）所示：

圖2 激光光斑空間投影模型圖Fig.2 Laser spot space projection model

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 檢測系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計

寬光譜多傳感器軸一致性檢測系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)如表1 所示。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)要求，確定合適的初始結(jié)構(gòu)，并結(jié)合檢測系統(tǒng)具有多個光路的特點，對光學(xué)系統(tǒng)進行具體設(shè)計及像質(zhì)評價分析。

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Tab.1 Optical system design parameters

寬光譜軸一致性檢測系統(tǒng)基于經(jīng)典卡塞格林反射式系統(tǒng)，其主鏡為拋物面，次鏡為雙曲面，能夠完全校正球差。使用光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX進行像差校正和系統(tǒng)優(yōu)化，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)置相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)總焦距為4 800 mm，主鏡焦距為1 200 mm，主鏡直徑考慮結(jié)構(gòu)裝夾因素而設(shè)定為610 mm，系統(tǒng)總光譜波段范圍為0.4~14 μm，主波長設(shè)為632.8 mm。

由于系統(tǒng)具有多個連續(xù)的工作波段，因此需要采用分光鏡和反射鏡進行光路結(jié)構(gòu)組合，以實現(xiàn)不同波段范圍的光學(xué)功能。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，將系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)細化為四種。圖3 展示了該系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖，并使用不同顏色表示系統(tǒng)在不同工作波段下的光路結(jié)構(gòu)( 彩圖見期刊電子版）。

圖3 軸一致性檢測光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of axis consistency detection optical system

在對光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計完成后，還需進一步對系統(tǒng)進行像質(zhì)優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)系統(tǒng)能量的最佳集中，確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸較小。圖4~圖6為系統(tǒng)在長波、中波、可見-近紅外以及短波紅外波段范圍內(nèi)的MTF 圖及點列圖，圖7 為垂軸像差圖，從這些圖中可以看出，系統(tǒng)在不同波段下的RMS 彌散斑直徑均在9 μm 以下，表明該系統(tǒng)的能量集中度較好。

圖4 長波紅外的MTF 和點列圖Fig.4 MTF and spot diagram of long-wave infrared

圖5 中波紅外的MTF 和點列圖Fig.5 MTF and spot diagram of mid-wave infrared

圖6 可見-近紅外及短波紅外的MTF 和點列圖Fig.6 MTF and spot diagram of visible-near infrared and shortwave infrared

圖7 垂軸像差圖Fig.7 Vertical axis aberration diagram

3.2 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在上述系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)上，完成平行光管的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括主次鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，光源及探測器組件光學(xué)平臺設(shè)計，并完成了系統(tǒng)的整體搭建。軸對準測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 軸對準測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.8 Overall structure of the axis alignment test system

3.2.1 主鏡及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

選用微晶玻璃作為主鏡設(shè)計材料，以滿足機械加工強度和低熱膨脹系數(shù)的需求。主鏡為反射鏡，放置于光軸水平位置，采用多點側(cè)面支撐技術(shù)來提供機械支撐。這種支撐方式將支撐力作用于反射鏡側(cè)面下端，并通過側(cè)支撐桿連接兩個保護托塊，起到托舉主鏡的作用。保護托塊與主鏡之間使用軟墊片，以確保兩者不直接接觸。在此基礎(chǔ)上，反射鏡頂端增加了一個頂支撐，由支撐桿連接支撐背板，并與固定在主鏡室上的支撐座相連。同時，在主鏡正反兩面均有均布的六個支撐點，用于軸向支撐并提供輔助支撐。主鏡的支撐結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 主鏡支撐三維結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Three-dimensional structure of primary mirror support

3.2.2 次鏡及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

次鏡為“蘑菇型反射鏡”，通過四翼梁將次鏡座與次鏡室外框連接固定，使用聚氨酯橡膠黏合劑將次鏡鏡片與次鏡座相連。與機械緊固方式相比，該結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更均勻，具有一定的柔性。因檢測系統(tǒng)的工作環(huán)境為室內(nèi)，聚氨酯橡膠黏合劑是較為適宜的選擇。次鏡座中配備有三維位移臺，可實現(xiàn)對次鏡的三維調(diào)節(jié)。次鏡支撐的三維結(jié)構(gòu)圖如圖10 所示。

圖10 次鏡支撐三維結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Three-dimensional structure of mirror support

3.2.3 光源及探測器組件

在軸一致性檢測系統(tǒng)中，探測器組件作為實現(xiàn)檢測功能的重要組成，其主要由光源組件（包含黑體及可見光光源）、可見-近紅外探測器、短波紅外探測器、長波紅外探測器構(gòu)成。圖11 展示了光源及探測器組件光學(xué)平臺結(jié)構(gòu)分布情況。從圖中可以看出，兩個平面反射鏡分別固定在導(dǎo)軌上，并可通過上位機控制步進電機進行位置移動，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的光路切換，滿足系統(tǒng)在不同波段范圍下的檢測要求。

圖11 光源及探測器組件光學(xué)平臺分布Fig.11 Optical platform distribution of light source and detector

系統(tǒng)采用溴鎢燈作為可見光光源，用于照亮分劃板，溴鎢燈波長范圍相對較廣，約為320~2 500 nm，能夠滿足系統(tǒng)需求?？梢姽夤庠茨K及分劃板整體支撐結(jié)構(gòu)如圖12 所示。光源模塊中含有能夠沿光軸方向移動的透鏡組，通過凸透鏡實現(xiàn)對光線的聚焦，從而增強照明效果。

圖12 可見光光源模塊三維模型Fig.12 Three-dimensional model of visible light source module

在長波紅外像面放置鍍有硫化銅的鍺玻璃基體作為光熱轉(zhuǎn)換靶材，能夠滿足寬光譜工作需要，激光等光斑照射到靶材上以熱斑的形式展現(xiàn)，便于長波紅外探測器準確讀取光斑位置坐標。光熱轉(zhuǎn)化靶材支撐固定結(jié)構(gòu)如圖13 所示。

圖13 光熱轉(zhuǎn)化靶材支撐結(jié)構(gòu)Fig.13 Supporting structure of photothermal conversion target

4 系統(tǒng)精度分析

精度是精密測量儀器最為關(guān)鍵的技術(shù)指標之一，在對軸一致性檢測系統(tǒng)的總體精度分析時，主要從以下幾個方面進行：

4.1 角度測量誤差

根據(jù)實驗，可利用提取激光光斑中心位置的方法來計算角度測量誤差。根據(jù)光軸偏角計算公式，結(jié)合光斑中心提取誤差σθ（約±2 pixel），即可得到由光斑中心提取引起的角度測量誤差值：

4.2 反射鏡平行性誤差

檢測系統(tǒng)中存在平面反射鏡，由于工藝水平限制，分光鏡與平面反射鏡之間存在平行性誤差，但可將其控制在10″之內(nèi)，即u21=10″。平面反射鏡安裝在導(dǎo)軌上，由于導(dǎo)軌的平行度為0.1/3 000 mm，即導(dǎo)軌平行度u22≈6.84″，因此反射鏡平行性誤差為：

4.3 對準誤差

軸一致性檢測系統(tǒng)中。針對可見光源目標的對準方式采用目視瞄準，但該方式會引入對準部分對準誤差。由于人眼進行交叉對準時的極限分辨角為θ′=60″，瞄準系統(tǒng)放大倍率為Γ，當Γ=8 時瞄準軸的對準誤差為：

4.4 焦距誤差

通常情況下，對于焦距較長的光學(xué)系統(tǒng)，可選用精密測角法對系統(tǒng)焦距進行測量，使用經(jīng)緯儀對系統(tǒng)焦距進行測量。如圖14 所示在測量系統(tǒng)焦距時，在主鏡前方放置玻羅板，通過次鏡后方放置的經(jīng)緯儀對系統(tǒng)焦距進行測量，實驗測量數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 焦距測試結(jié)果Tab.2 Focal length test results

圖14 系統(tǒng)焦距測量實物圖Fig.14 Physical image of system focal length measurement

由此可得，由于焦距測量誤差所引起的測量角度誤差大小為：

4.5 檢測系統(tǒng)測量誤差

由于上述誤差之間相互獨立，因此可以計算出檢測系統(tǒng)的測量總誤差為：

根據(jù)國軍標要求，對于測角類光電裝備，其光軸平行性誤差的最高要求是15′［15］，本系統(tǒng)最大測量誤差為17.24″，因此該系統(tǒng)具有較高的檢測精度。

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 導(dǎo)軌往返運動對坐標判讀的影響

為了判斷導(dǎo)軌運行過程對系統(tǒng)坐標讀取準確度的影響，如圖15 所示，通過控制步進電機使得導(dǎo)軌在可見光及短波紅外探測器之間（即A，B位置間）往返運動，依次讀取光斑位置坐標信息，進行多組實驗，每組往返十次。表3 展示出一組光斑坐標數(shù)據(jù)信息，并求得坐標位置標準差，標準差均小于0.01 mrad，因此導(dǎo)軌運行過程中對系統(tǒng)精度影響可以忽略不計。

表3 導(dǎo)軌往返運動坐標Tab.3 Coordinates of reciprocating motion of the guide rail

圖15 導(dǎo)軌往返運動位置圖Fig.15 Diagram of reciprocating motion positions of the guide rail

5.2 系統(tǒng)測量準確度

將指示激光器位置固定，在其前方放置光楔，如圖16 所示，通過上位機讀取放置光楔后的光斑坐標，與未放置光楔時的光斑坐標對比計算坐標移動量，并將移動量與光楔偏光角相對比計算相對誤差。

圖16 測量準確度檢測實驗Fig.16 Experimental measurement accuracy detection

實驗數(shù)據(jù)如表4 所示，其中光楔1 的楔角為0.083°，光楔2 楔角為0.333°。

表4 測量準確度實驗坐標值Tab.4 Experimental coordinate values of measurement accuracy

通過計算可以得出，光楔1與光楔2的坐標移動量與光楔偏光角的相對誤差分別為1.30%,0.96%，均小于1.5%，滿足儀表精度1.5級的要求[16]。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了一套寬光譜多傳感器軸一致性檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)0.4~14 μm 波段光譜范圍的檢測；通過光熱轉(zhuǎn)換元件和光路切換機構(gòu)可實現(xiàn)單探測器的多譜段檢測，避免工作波段發(fā)生變化時更換探測器的復(fù)雜步驟，提高系統(tǒng)檢測靈活性的同時大幅降低系統(tǒng)成本。經(jīng)過系統(tǒng)誤差分析，最大測量誤差為0.1 mrad，精度可滿足當前絕大部分光電裝備的軸一致性檢測要求，并通過實驗驗證了檢測系統(tǒng)的可靠性。