基于激光点阵列探测的多光轴平行性外场测试方法

乔琳，巩稼民，王贝贝

（西安邮电大学电子工程学院，西安　710121）

基于激光点阵列探测的多光轴平行性外场测试方法

乔琳，巩稼民，王贝贝

（西安邮电大学电子工程学院，西安710121）

提出一种红外、可见光、激光三轴平行性检测的外场测试方法。在可见十字靶线和红外十字靶线重合的测试靶上，点列阵分布激光点源探测器。以重合的十字靶线为基准，点列阵探测器接受激光照射，精确定位激光光斑中心，获取激光发射轴与可见、红外十字靶线的偏差，实现多光轴的平行性检测。设计结果表明：在待测系统最远探测距离范围内，测试距离越远，平行度检测精度越高，在1.5km测试距离，激光与红外、电视光轴的平行度检测精度小于5″。

多光轴；平行性；外场测试；点阵列激光探测；十字靶

目前，军用光电系统为满足全天候侦察、测距、照射、打击等军事需求，已不再是单一光电传感器的集成，而是包括电视、红外、激光等传感器的多光谱、多传感器综合光电系统。光电系统内各光电传感器光轴之间的平行性一个重要指标参数，在保证武器系统的命中目标概率和命中目标精度方面均起着至关重要的作用［1-4］。

光电系统多光轴的平行性检测法有平行光管法［5-7］和远距离靶板法［8-9］。平行光管法一般由光电系统观测大口径平行光管或卡塞格林光学系统模拟的无穷远十字靶标目标，通过分划板测量光轴平行性误差值，实现电视和红外传感器的平行性测试［5-7］。平行光管法不能模拟野外温度、风向、大气等复杂条件，一般适用于室内光轴平行性检测。在装备设计定型测试阶段，还需要在外场进行远距离平行性测试，常采用远距离靶板法［1，8-9］。文献［9］提出了一种包括远距离合作靶和CCD成像系统的激光可见光轴的平行性检测装置。待测系统电视图像中央十字线与远距离十字靶线对准后发射激光光束，CCD成像系统同时获取靶板上十字靶线与激光光斑，计算位置偏差值得到电视与激光轴的偏差。该方法检测系统和目标靶的靶面中心不重合，一般检测CCD成像系统光轴与待检系统光轴不重合，存在一定夹角。尽管可以调校光轴，但由于使用方式的限制，该夹角很难消除，实际使用过程定位较难，使用不便，光斑中心定位精度不高。文献［8］还提出了一种的望远镜、CCD摄像机、激光测距机和热像仪四轴的平行性检测装置，但使用过程复杂，需要人工参与，反复操作，才能得到测试结果，自动性差，测试结果不确定度大、随机性高。

本文提出了基于激光点阵列探测原理的外场可见光、红外、激光多光轴测试方法。首先由可见、红外共光轴十字靶线确定可见光或红外传感器的光轴，然后通过激光点阵列实现了激光光斑中心的精确定位，自动计算得到平行度检测值。

1　原理及构成

1.1激光光斑光强分布

激光束是光束在谐振腔内多次反射后形成，在腔镜边缘会产生衍射损耗。设激光束以腔轴z传播，在垂直于z轴的xy平面上的光波电矢量振幅为：

其中，E0为原点（z=0）处的振幅常数，ω0为原点处的束腰半径，ω（z）为z点的光斑半径，R（z）是z点处波阵面的曲率半径，ϕ（z）为位相因子［10］。

在光束截面上，激光束不是均匀平面波，而是高斯球面波。激光束光斑中心部分的光强较强，边缘部分的光强较弱，光斑不存在明显的边缘，通常将半径r方向上电矢量振幅减小到中心（r=0）振幅1 e的位置，称为光斑半径。

其中，λ为波长。

1.2激光光斑中心点源探测阵列检测原理

本文采用点源激光探测器检测激光的辐射能量。当有激光入射到激光探测器上时，探测器就会输出一定量的微弱电压。通过锁定、放大、滤波、模数转换等前置处理，微处理器可以采集到电压值，该电压值反映激光在靶面上的能量值，如图1所示。由式（1）可知，在激光光斑中心，辐射能量最大，越往外辐射能量越小。即越靠近光斑中心的探测器的输出电压越大，越往外探测器的输出电压越小。

图1　激光探测信号处理图

图2　点阵列光斑中心定位原理图

为了确定激光光斑中心，在靶面上按照行和列均布方式，布设点源探测器。如图2所示，在测试靶面上，行列等间隔布置了点源探测器，每个探测器的行列间隔为d。行列间隔d与探测器的分辨能力和定位精度的要求有关。虽然d值越大，光斑中心的定位精度越低，但是d值也不能过小，否则相邻探测器检测的不同光斑半径的辐射能量无差别，不利于光斑精确定位。

1.3激光光斑中心计算

当激光束照射到远距离反射靶上，光斑中心以十字交叉符号表示，如图2所式。靠近光斑中心的四个探测器接收的能量最大。在图2中分别以1、2、3、4表示四个接收到最大能量值的探测点位。其他探测点与光斑中心的距离均大于d，其他探测器的电压显著小于这四个点的电压值。光斑中心的坐标P：

2　装置构成及使用方法

2.1系统构成

提出如图3所示的激光与可见/红外光轴平行性检测靶，靶板上布置7行×7列，d×d尺寸的方形小靶。测试大靶有13块黑色小靶构成可见十字靶线，可作为远距离可见光探测器观瞄。每块黑色小靶同时也是加热靶，可通过电控加热产生温差，构成红外十字靶线，供远距离红外探测器观瞄。其他白色小靶为激光漫反射靶。

图3　靶板设计原理图

如图3所示，为了便于描述，将十字靶线交叉处的小靶称作“中心小靶”；在中间3行×3列区域内，与中心小靶紧邻的8块小靶称作“近心小靶”，把测试靶上远离中心小靶的其他36块小靶称为“周围小靶”。中心小靶所处的区域称为中心区域，近心小靶所处的区域称为近心区域，周围小靶所处的位置称为周围区域。为了通过探测照射激光能量，确定激光光斑中心，在检测靶面的不同位置布置了激光点源探测器。在中心小靶上布置9个探测器，每个探测器的间隔d/4；在每块“近心小靶”上分别布置5个探测器；在周围小靶的中心镶嵌1个点源激光探测器。

为了适应远距离观测需要，设计方形小靶大小d=0.2m，整个靶面有1.4m×1.4m，中心小靶上探测器间隔为0.05m，近心区域激光探测器间隔为0.1m，周围区域激光探测器间隔为0.2m。这种设计方法的优点是，中心区域激光光斑的定位精度最高，近心区域激光光斑的定位精度次之，周围区域激光光斑定位精度较差。既满足了使用要求，又降低了成本和复杂度。

检测靶的可见十字靶线和红外十字靶线是重合的，因此可以作为远距离可见光探测器和红外探测器光轴校准测试使用。通过激光点源探测器可以计算得到照射激光光斑中心，即光电激光测距机、激光照射器发射轴位置。可见十字靶线、红外十字靶线、激光探测器列阵可实现远距离电视与红外传感器光轴平行性检测、电视与激光光轴平行性检测、红外与激光平行性检测功能。

2.2电视光轴与红外瞄准轴平行性检测

在外场，将检测靶与待检测光电系统间隔距离L放置，红外靶板加热到一定温度。首先将电视传感器对准靶板的十字靶，使得图像中央的十字线和可见十字靶线对正。然后切换到红外传感器，记录红外图像，获取图像中央十字线与红外十字靶线的间隔像素数，计算得到电视与红外光轴的平行性检测值：

其中，α为红外图像的瞬时视场角，n是误差间隔像素数。由于检测靶的可见十字靶线和红外十字靶线重合，理论上检测装置的电视光轴与红外瞄准轴的平行性检测精度很高。实际使用过程中，精度取决于操作过程人眼的视觉判读误差，包括电视传感器对准可见十字靶线的误差，图像中央十字线与红外十字靶线间隔像素数读取误差。对于有经验的检测人眼，综合误差能控制在±0.5个像素，即平行性检测精度为红外图像的瞬时视场角，满足光电系统可见光轴与红外瞄准轴平行性检测需求。

2.3红外瞄准轴与激光发射轴平行性检测

检测靶与待检测光电系统间隔距离L，将红外传感器对准到靶板的红外十字靶线，使得图像中央的十字线和十字靶线对正。然后光电系统发射激光，检测靶板检测照射激光，由式（3）得到光斑中心位置P，计算得到红外与激光光轴的平行性检测值：

其中，Px，Py是光斑中心位置x、y两个方向的坐标值。光轴平行性检测精度误差：

由此不难知道，提高光轴平行性精度检测的方法：（1）外场测试距离越远，测试精度越高；（2）点源激光探测器距离间隔越小，检测精度越高；（3）高信噪比点源探测器，保证相邻探测数据有区分。表1列出了不同试验距离时，光斑中心分别落在中心区域、近心区域、周围区域对应的测试精度。值得注意的是，受待测系统焦距和分辨力的制约，当试验距离超过靶板目标的最远探测距离时，平行性检测精度反而会急剧下降。在外场试验时，1.4m×1.4方靶可以在外场由光电系统清晰观测，由表1可知1.5km测试时，同轴性检测精度小于5″，满足光电系统同轴性测试需求。

2.4电视光轴与激光发射轴平行性检测

电视光轴与激光发射轴平行性检测方法与红外瞄准轴与激光发射轴平行性检测方法相同。光轴平行性检测值由式（5）计算获得，平行性检测精度由式（6）计算获得，不同距离的测试精度如表1所示。

表1　不同试验距离光斑中心测试精度

3　结论

本文提出了一种红外、可见光、激光三轴平行性检测的外场试验装置设计方案。首先由可见、红外共光轴十字靶线确定可见光或红外传感器的光轴位置。通过密集点阵列激光点源探测器获取的四个最大探测值，计算得到光斑中心，即激光传感器光轴。通过激光光斑远距离有限平面误差换取高精度角误差。通过获取激光轴与可见、红外共轴十字线的偏差，实现多光轴的平行性测试。设计结果表明：点源探测器间隔越小，检测精度越高，在待测系统最远探测距离范围内，测试距离越远，平行度检测精度越高，在1.5km测试距离，激光与红外、电视光轴的平行度检测精度小于5″。该装置原理简单、实现方便、自动化程度高、测试结果重复好，具有较好的应用前景。

［1］金伟其，王霞，张其扬，等.多光轴一致性检测技术进展及其分析［J］.红外与激光工程，2010，39（3）：526-531.

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［3］詹启海，常本康，富容国.多光谱光学系统光轴平行性组合测试装置［J］.应用光学，2005，26（5）：4-6.

［4］黄欣，沈湘衡，叶露，等.多光轴光学系统光轴间平行性检测仪的研制［J］.应用光学，2015，36（1）：19-23.

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Multiple Optical Axis Parallelism Test Method Base on Laser Spot Array Detection Method in Field

QIAO Lin，GONG Jiamin，WANG Beibei
（School of Electronic Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121）

The parallelism test method among laser，visible and infrared optical axis is presented.The laser point detectors are array located on the test board with the coincident visible cross line and the infrared cross line.On the basis of the coincident cross line，Laser point detectors accept laser’s irradiation，and then the central position of laser facula is accurately located.Multiple optical axis parallelism can be calculated by the deviation between the laser emission axis and the visible or the infrared cross line.The design result shows that test distance is farther，the precision of parallelism is higher in the detection distance range of the tested system，and the precision of parallelism between laser axis and visible or infrared axis is less than 5″in 1.5km distance.

multiple optical axis；parallelism；test in field；spot array laser detection；cross target

TN247

A

1672-9870（2016）04-0008-04

2016-04-20

国家“863”计划课题（2013AA014504）；陕西省教育厅专项科研计划项目（15JK1683）

乔琳（1983-），女，硕士，E-mail：qiaolin@xupt.edu.cn