一种多光轴光电装备光轴偏差实时测量方法及系统实现

盖书国

摘 要 光轴偏差测量是多光轴光电装备光轴一致性标校工作中的关键环节，测量方法的选择直接影响到光轴一致性标校的精度和工作效率。文章提出了一种基于数字视频处理技术对光轴偏差进行实时测量的方法，并搭建了测量系统进行实际验证。结果表明该方法可以实现光轴偏差的实时测量，具有操作简单、通用性强等特点，可广泛应用于光电装备的光轴一致性标校工作中。

关键词 数字视频处理；光电传感器；光轴一致性；光轴偏差

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）208-0091-03

随着光电技术的发展，光电装备在武器系统中扮演着越来越重要的角色。现在武器系统中的光电装备一般由多个传感器组成，包括激光、电视成像传感器、红外成像传感器等，各传感器光轴需要保持较好的一致性才能够保证武器系统的目标跟踪、射击精度。由于受到机械加工等因素的影响，在光电装备出厂安装、长时间服役以及传感器更换等情况下，需要对其光轴一致性进行标校，确保其精度的可靠性[1-2]。目前，光轴一致性标校使用的方法主要有离轴抛物面法、平行光管法、小口径平行光管法、激光光轴仪法、五棱镜法、投影靶板法等[3-5]。光轴一致性标校工作中最关键的步骤是光轴偏差测量，光轴偏差测量的精度及效率直接影响到光轴一致性标校工作的开展。本文结合日常工作，提出了一种光轴偏差实时测量的方法，该方法利用视频实时采集及视频像素数与视频角度范围的关系，可以实时解算得到光轴差值。通过搭建测量系统，利用离轴抛物面法对某型光电跟踪仪进行光轴偏差测量，对该方法进行了实际验证。

1 离轴抛物面法及光轴偏差测量原理

图1为离轴抛物镜法测量光轴一致性示意图。将靶标置于离轴抛物面反射镜的焦平面上，离轴抛物面反射镜提供平行光模拟无穷远目标，利用发射激光以及电视传感器、红外传感器观察靶标的方式来确定激光发射光轴、电视传感器观瞄轴、红外传感器观瞄轴之间的偏差。

武器系统中用电十字线来代表电视传感器与红外传感器的观瞄轴，武器系统中的光轴标校即是将电视观瞄轴、红外观瞄轴以及激光轴的平行性进行校对。由于各传感器的特性不同，光轴偏差的获取可分3种情况进行讨论。

1.1 电视观瞄轴与激光发射轴光轴偏差

假设以激光发射光轴作为基准轴，测量电视观瞄轴与激光发射轴的光轴差。在靶标表面上粘附感光相纸，发射激光打到感光相纸上会留下光斑。此时通过电视传感器进行观察，比较电视观瞄轴与光斑中心位置之间的差异，以此判断两者之间的光轴差。

1.2 红外观瞄轴与激光发射轴光轴偏差

假设以激光发射光轴作为基准轴，测量红外观瞄轴与激光发射轴的光轴差。为了能够利用红外传感器清晰的观察激光留下的光斑，需要在靶标后面放置热源。此时通过红外传感器视频进行观察，比较红外观瞄轴与光斑中心位置之间的差异，以此判断两者之间的光轴差。

1.3 电视观瞄轴与红外观瞄轴偏差

假设以电视观瞄轴作为基准轴，测量红外观瞄轴与电视观瞄轴的光轴差。利用电视传感器观察靶标上的十字目标，调整使其观瞄轴与十字目标重合，切换到红外进行观察，比较红外观瞄轴与十字目标位置之间的差异，以此判断两者之间的光轴差。

基于以上光轴差获取方法，可以利用电视传感器与红外传感器自身能够成像的特性获取光轴差。如图2所示，假若图中为电视传感器或者红外传感器的视频窗口，视频窗口在x， y方向的像素数分别为Px、Py，在x、y方向的视场角度大小用φ、ψ表示，两个十字线代表两个传感器的观瞄轴，其在x、y方向相差像素数分别为△Px、△Py。

因此，只要確定了视频窗口像素数及视场角度大小，即可以求出两传感器的光轴差。

2 测量系统搭建

基于以上工作原理，搭建了光轴偏差实时测量系统，如图3、图4所示。

图3为系统实物图，系统硬件部分包括电源、双通道图像采集卡以及PC104架构计算机组成。软件部分如图4中所示，采用MFC编程，包括视频采集窗口，测量十字线以及实时显示的十字线坐标等部分组成。

视频采集窗口分辨率是系统的关键参数之一，其大小与光轴差测量精度息息相关，选择与传感器本身视频分辨率大小一致为最佳，分辨率过小会带来较大测量误差，分辨率过大对测量精度影响较小只会增加系统成本，本系统采用视频窗口分辨率为752×506。测量十字线的线宽在x，y方向的宽度均为1个像素。

利用测量系统对某型光电跟踪仪光轴差进行测量，如图5所示为搭建的测量光路。

利用此系统测量光轴偏差的步骤：

1）视频图像实时采集。利用视频采集技术的实时性，将基准光轴与待测光轴信息实时输入到系统。

2）确定两光轴的位置坐标。调节测量十字线的位置，将其中心与基准光轴重合，确定位置坐标A（x0，y0），然后调节十字线的位置，使其与待测光轴重合，确定位置坐标B（x1，y1）。

3）计算光轴偏差。根据两位置坐标计算出x、y方向的像素差△Px、△Py，根据式（2）计算出光轴偏差。

以激光发射光轴作为基准光轴，在视场角度为1.50°×1.10°时测量激光发射光轴与电视观瞄轴、红外观瞄轴间的光轴差。发射激光后记录电视电十字线与红外电十字线的中心位置，然后微调光电跟踪仪指向器后再次发射激光记录数据，记录6组数据如表1中所示。

该光电跟踪仪光轴差技术指标要求为40"以内，利用本文所述方法可测的最小光轴差为7"，实际对该跟踪仪光轴差进行测量，得到的结果显示该光电跟踪仪光轴差均在技术范围内。通过后期的武器系统射击效果证明，基于该方法进行的光轴一致性标校参数完全符合部队使用要求。

3 结论

本文结合实际工作，提出了一种光轴偏差测量方法，并搭建了测量系统进行了实际验证。该方法利用了视频实时采集技术及视频窗口分辨率与视场角度范围的关系，实现了不同传感器间光轴差的实时性测量。该方法不仅适用于光电跟踪仪，也适用于与光电跟踪仪类似的多光轴光电装备，比如光电侦察设备、光电桅杆等，具有广泛的应用价值。

参考文献

[1]李雅灿，邱丽荣，张鹏嵩，等.便携式多光轴平行性检校系统的研制[J].中国激光，2012，39（10）：143-147.

[2]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.

[3]徐海燕，苏世彬，张敏，等.多光轴一致性检测系统设计与研究[J].火炮发射与控制学报， 2013（4）：78-81.

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