光电系统光轴平行度校准方法研究

王 雷,李永恒

(1.海军装备部西安局 陕西 西安 710043; 2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

光电系统在探测、跟踪目标时具有隐蔽性能好、对低空和掠海目标无多路径效应、精度高、抗干扰性能好等方面的优势，早在上世纪60年代就已经开始逐步装备部队[1]。随着光电技术的不断发展和日趋成熟，其红外成像技术的被动夜成像能力是白光无法比较的，且在近中距离段有逐步替代白光系统的趋势[2]。目前装备的光电系统一般都由红外热像仪和激光测距机实现其探测功能，利用得到的目标位置及速度等目标诸元信息，求取火炮的射击诸元，使武器精准打击目标。而光轴之间的平行性直接影响获取目标诸元信息的准确性，从而影响武器系统命中目标概率。

1 几种常用方法及优缺点

目前常用的光轴平行性测试方法主要有投影法，小口径光管法，大口径光管法等[3]。

投影法是利用远处的靶板接收从被测仪器出瞳射出的激光束，将各光轴投影到靶板上，通过比较投影光轴之间距离和实际光轴之间距离有无差异来判断各个光轴之间是否平行；小口径光管法是在小口径平行光管的焦点处放置靶标，经过小口径平行光管之后变为平行光出射，通过观测靶标的像是否落在各个分系统的中心来判定各个光轴是否平行；大口径光管法是将照明光源置于平行光管焦面上的十字分划处，平行光管产生平行光束，进入被测系统，通过在被测系统的出瞳位置或显示器上观测十字分划中心是否落在各个子系统的视场中心判定各个光轴之间是否平行。

以上几种方法的优缺点是投影法结构简单、使用方便，但被测系统和靶板之间需要足够远的距离，否则误差较大；小口径光管法制作较为容易和轻便，但是误差环节较多，精度也不太高；大口径平行光管法误差环节少、精度高，但是不利于野外使用。

2 系统组成与测试原理

通过比较以上方法的优缺点和根据工程实际需要，利用球面镜可以使平行于光轴的光线汇聚于焦点的原理，提出了一种以球面镜为主要工作部件的光轴一致性检测与调节装置，该装置结构简单，环境适应能力强，既可以用于实验室调试,也可以运用于野外校准。

系统的主要组成包括被测试对象(包含红外热像仪和激光测距机)、球面镜(凹面镜)、接收靶板、感光纸、直流电源或蓄电池和显示单元等，组成如图1所示。

红外热像仪的光轴是被测试系统的基准光轴。根据球面镜的反射原理：平行于光轴的平行光束经过凹面反射后，汇聚在镜前的焦点上[4]。当红外分划线中心点和激光束落点与目标靶中心完全重合时,可以判定红外热像仪光轴和激光测距机光轴两者平行。

在球面镜的焦点处放置接收靶板，接收靶板上使用发热丝布置出一个十字分划，用电源对十字分划通电加热后，能被红外热像仪识别，作为目标靶；在十字发热分划平面上放置感光纸，由球面镜反射后的激光束会在感光纸上留下黑色的斑点。使用显示单元观察，使红外热像仪的分划线中心点与目标靶的十字中心完全重合，然后激光测距机发射激光束，通过显示单元观察其在感光纸上的落点。

当红外热像仪的分划线中心和目标靶中心完全重合时，假设在显示单元中观察到的激光束光斑坐标为(x1,y1)，而显示单元的中心点坐标为(x0,y0)，则两者在显示单元中的距离为：

(1)

式中：dx为显示单元中水平方向的相元间距；dy为显示单元中垂直方向的相元间距。

在近轴系统中，当平行光束与球面镜光轴方向成一定角度入射时，其反射光线汇聚在焦平面上一点，该点为平行于斜射光线且经过球心的光线与焦平面的交点。虽然球面镜的焦平面是一个与球面镜同心，以R/2为半径的曲面，但是当斜射角较小、球半径较大的时候，由于斜射而产生的离轴量可以近似地认为其是垂直于光轴的直线段，这在光轴校准的应用中是成立的。各角之间关系如图2所示。

光线AC与光轴平行，A′C与光轴成一定角度入射，A′C经过球面镜反射后的落点为B′，根据球面镜成像规律，过球心O与点B′的光线与光线A′C平行。过光线OB′的入射点C′做平行光轴的辅助线C′F′，则有当斜射角为∠ACA′时，根据与平行线相关的几何原理有：

∠ACA′=∠OC′F′= ∠B′OF

因为球面镜的焦点为球半径的1/2处，所以当斜射角较小、球半径较大时，有：

△OFB′≌△O′FB′

即存在斜射角∠ACA′=∠B′O′F。

红外热像仪的光轴作为基准光轴，因此激光光轴与基准光轴之间的夹角为：

(2)

式中：f为调试系统球面镜的焦距。

3 调节方法

光轴调节原理：在机械加工时要保证红外热像仪安装面与基准面，激光测距机安装面与基准面的精度并且经过时效处理，使安装面在使用过程中不因为内应力而发生微变型。其调节流程如图3所示。

4 不确定度分析

真值是理想值，不可测量，由此导致测量误差是个不可知量。因此1980年国际计量局提出使用不确定度作为评定测量结果正确程度的建议，我国于1999年批准实施。B类不确定度的计算公式为：

U=α/K

(3)

式中：α为置信区间(已测得数据)；K为包含因子。

以下以实际校准装置为例进行分析。

4.1 判断红外分划与电热十字分划重合引入的测量不确定度

4.2 判断三点重合引入的测量不确定度

4.3 目标靶位置引入的测量不确定度

本方法中目标靶的放置由操作者人为完成，这可能会由于位置的不精确而引入测量误差。根据中心极限定理和以往经验可以判定，其位置的范围将在焦平面位置的±1 mm范围内变化，将其换算为在显示单元中观察时的差值，且服从正态分布。取K=2，则有：

4.4 球面镜加工误差引入的测量不确定度

4.5 目标靶装夹垂直度引入的测量不确定度

目标靶装夹的垂直度对于校准结果的影响很小[5]，可以近似取为UB5=0.1″

4.6 合成标准不确定度

使用以上分析得出的各项影响测量结果的不确定度分量作为标准不确定度分量的估算值，各个分量之间独立不相关，因此合成标准不确定度为：

5.81″=0.03 mard

4.7 扩展不确定度计算

以目前国际上通用的置信概率为95%，取K=2，则有：

U=2×5.81=11.62″=0.06 mrad

5 试验结果验证

多台使用该方法校准过光轴后的光电系统，对面积为0.1 m2，距离1 000 m处的目标连续进行测距，测得数据均真实有效，因此可以判定使用此方法对光轴平行度进行校正，方法可行，可以满足使用精度要求。

6 结 论

笔者所提出的使用球面镜聚焦的原理对红外热像仪和激光测距机的光轴平行度进行校准，原理简单、操作方便、实用性强，既可以用于实验室条件下光轴调节，也可以在野外进行。经过理论计算，该方法校正的不确定度小于0.1 mrad，实际使用也证明了该方法的可行性和实用价值。

参考文献(References)

[1] 吕溥，韩国华.双光楔在激光测距机光轴校正中的应用[J].激光技术，2012，36(2)：151-153.

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[2] 徐广平，詹道教，周瑾，等.一种激光红外装置光轴平行性调节的研究[J].激光与红外，2011，41(1)：98-100.

XU Guang-ping, ZHAN Dao-jiao, ZHOU Jin, et al. Research on the collimation of laser and infrared devices[J]. Laser & Infrared, 2011, 41(1)：98-100. (in Chinese)

[3] 马世帮，杨红，杨照金，等.光电系统多光轴平行性校准方法的研究[J].应用光学，2011，32(5)：917-920.

MA Shi-bang, YANG Hong, YANG Zhao-jin,et al. Multi-spectral axes parallelism calibration of electro-optical system[J]. 2011, 32(5):917-920. (in Chinese)

[4] 梁斌.普通物理学[M].北京：机械工业出版社，2009：74-76.

LIANG Bin. General Physics[M].Beijing: China Machine Press, 2009:74-76.(in Chinese)

[5] 杨文志，景洪伟，吴时彬，等.可见光与红外光轴平行度检测仪[J].红外与激光工程，2010，39(5)：900-904.

YANG Wen-zhi, JIN Hong-wei，WU Shi-bin，et al. Visible and infrared optical axis parallelism tester[J]. Infrared and Laser Engineering, 2010, 39(5):900-904.(in Chinese)