光电系统多光轴平行性校准方法的研究资料下载.pdf

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multispectralaxes；

parallelism引言在现代军用光电武器装备中，一般都包含有电视、红外、激光等多个光电传感器，能够完成对目标的搜索、瞄准和激光照射等功能，这些光学设备的光谱几乎覆盖了可见光到红外的全部波段。

由于是集多种光学仪器于一体，必然产生诸多光学系统间的光轴平行性问题。

目标信息的准确性主要取决于光电系统中光轴的平行性。

因此，对于高精度的武器系统搜索、观察和瞄准目标系统、精确打击系统，各光轴之间的平行性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。

目前常用的光轴平行性测试方法存在着针对性过强，受主观因素影响大，精度不太高等问题。

因此，本文研究了一种具有适用性强、操作简单，能够客观地提供高精度数据，不依赖人眼主观判断等特点的校准方法。

1目前常用的光轴平行性测试方法的比较目前常用的光轴平行性测试方法主要有投影收稿日期：

20100919；

修回日期：

20101223作者简介：

马世帮（1984一），男，陕西商洛人，硕士研究生，主要从事光学计量与测试技术研究工作。

E-mail：

mashibang163corn万方数据918应用光学2011，32（5）马世帮，等：

光电系统多光轴平行性校准方法的研究靶法、小口径光管法、大口径平行光管法等。

投影靶法12（如图1所示）是利用一个放置在远处的靶板来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。

图中w。

为光轴1和光轴2之间的间隔；

W。

为光轴l和光轴3之间的间隔；

W7。

为光轴1和光轴2投影到投影靶板上光斑1和光斑2之间的间隔；

为光轴1和光轴3投影到投影靶板上光斑1和光斑3之间的间隔。

沿着光路的方向看，各光轴与靶板上的光斑是镜像关系，通过比较W。

和w7。

的差异或者比较：

和W7。

的差异来判断光轴1和光轴2或者光轴1和光轴3平行与否。

本系统结构简单，由激光器、被测系统、靶板和相应的导轨与基座组成。

I厶土|C尸入厂7、一。

、一。

一。

wl7眠M指向器头部（从前往后看）投影靶板图1投影靶法示意图Fig1Schematicdiagramofprojectiontargetmethod所谓小口径平行光管法口3（其原理图如图2所示），就是在小口径平行光管的焦点处放置一点光源或者靶标，经小口径平行光管之后，变为平行光出射，由于口径小的缘故，平行光束一般很难浸没整个被测系统，因此需要借助于分光镜和反光镜、五棱镜、斜方棱镜等装置使平行光束分别进入各个子系统，然后分别观察点光源或者靶标的像是否落在各个子系统的中心，如果落在各个子系统的中心，说明被测系统的各个光轴是平行的，如果没有落在各个子系统的中心，说明不平行，需要调校，并给出各光轴之间的偏差量。

本系统主要由光源、星点孔或者靶标、小口径平行光管、五棱镜或斜方棱镜和相应的导轨和基座构成。

图2基于CCD的折反式小口径平行光管法装置图Fig2SmallaperturecatadioptriccollimatorbasedonCCD大口径平行光管法4（其装置图如图3所示），主要是利用大口径平行光管来产生平行光束，由于口径大，因而不像小口径平行光管法那样还需要分光镜等装置使平行光束浸没整个被测系统的视场。

用光源照明处于平行光管焦面上的十字分划板，经由平行光管产生平行光束，进入被测系统，在被测系统的出瞳位置或者是显示器上观察十字分划的中心是否落在各个子系统的视场中心，如果在中心，说明各光轴相互平行；

如没有落在中心，则说明不平行，并给出各个光轴的偏差量。

大口径平行光管法装置主要由光源、十字分划板、大口径平行光管和各种基座组成。

旷背景光源图3基于CCD的大口径离轴抛物面平行光管法装置Fig3Largeapertureoff-axisparaboloidcollimatorbasedonCCD以上几种方法，各有优缺点。

其中投影靶法结构简单，造价低廉，使用方便，可在野外使用，主误差小，但只能在夜晚或阴天进行光轴调整。

小口径平行光管法优点是小口径平行光管制作较容易且轻便，缺点是误差环节较多，精度不太高。

大口径平行光管法，优点是误差环节少，测量精度高。

从以上分析可知，要得到比较高的测试精度，作为校准装置必须采用大口径平行光管法。

2基于大口径平行光管法校准方法21基于大口径平行光管法校准方法的测量原理本文提出的多光轴平行性校准方法，是在传统的大口径平行光管法测量光轴平行性方法的基础上，采用大口径非球面反射系统给出测量目标，结合现代光电转换技术、数字图像采集与处理技术和计算机应用技术，实现光轴平行性测量和数字处理，需要光、机、电、算、控技术的支持。

万方数据应用光学2011，32（5）马世帮，等：

光电系统多光轴平行性校准方法的研究919离Io1日标靶俯视图I_J图4多光轴校准装置测试原理图Fig4Conceptofmulti-spectralaxescalibrationdevice按图4安排光路，在被测系统前放置高精度平面镜，精确地确定大口径离轴抛物面镜的焦面，将目标靶和CCD分别固定在离轴抛物面镜的焦面和共轭焦面处，并记录此时CCD上目标靶共轭像的中心坐标（z。

，Y，），移开平面镜。

将被测装置放置在大口径平行光管平行光束中，利用多维被测装置支承台将被测装置大致调水平，在被测装置可见系统的显示器上观察十字叉丝的中心是否和可见系统的十字重合，如没有重合，调节被测装置直至重合为止。

由被测装置激光器发射激光光束，通过被测装置的激光通道汇聚在CCD上，用CCD测量系统测出激光光斑的中心位置（z：

，y。

），由

（1）式计算可见光轴与激光光轴的平行性偏差角为甜一arctan（z2一z1）2+（y2一Y1）2f

（1）式中，为大口径离轴抛物面镜的焦距。

同样，关闭可见光源，加热目标靶，使其发出红外光，调节被测装置使得被测装置红外系统的中心和目标靶十字像重合，由被测装置激光器发射激光光束，通过被测装置的激光通道汇聚在CCD上，用CCD测量系统测出激光光斑的中心位置（x。

，Y。

），由

（2）式计算红外光轴与激光光轴的平行性偏差角：

cc，arctan（z3-X1）2+（y3-y1）2f

（2）式中，为大口径离轴抛物面镜的焦距。

当被测装置没有激光时，打开可见光源，调节被测装置，使目标靶的像中心落在可见系统的中心处，关闭可见光源，加热目标靶，打开红外通道，在红外系统的显示屏上读出十字叉丝偏离中心的值z。

和Y。

，代入（3）式可以计算出红外光轴相对于可见光轴平行性偏差角：

Od一-arctanz42+Y42f（3）式中为被测装置红外系统物镜的焦距。

22一些关键问题的分析221大口径长焦距离轴抛物面镜焦面的确定焦面位置的确定是多光轴平行性校准的关键，能否很好地确定焦面的位置，关系到光轴平行性校准的精度高低。

对于平行光管，焦面位置的确定通常有以下几种方法：

远物调校法、可调前置镜法、三管法和五棱镜法等。

而以上几种方法定焦精度较低，不适合校准装置的要求。

对于多光轴校准装置，由于目标靶不产生激光，因此将目标靶精确地固定在焦面处也是一个难点。

我们采用ZYGO干涉仪定焦，不但定焦精度高，而且可以将目标靶和CCD精确地固定在离轴镜的焦面和共轭焦面处。

具体操作过程如下：

离面镜图5大口径离轴抛物面镜定焦原理示葸图Fig5Focusingconceptoflargeapertureoff-axisparaboliccollimator首先按图5所示，在大口径离轴抛物面镜的焦点后放置ZYGO干涉仪，安装标准透镜，打开干涉仪，使其发出汇聚球面波，经高精度平面镜反射，光束原路返回，和标准透镜后表面反射回来的光在干涉仪的显示器上形成干涉条纹。

通过对于涉条纹分析可以知道，球面波交点是否和离轴抛物面镜的焦点重合，如果不重合，调节干涉仪的位置和角度、高精度平面镜的角度，最终可以找到离轴抛物面镜最佳的焦面位置。

将小孔光栏精确放置万方数据920应用光学2011，32（5）+马世帮，等：

光电系统多光轴平行性校准方法的研究于离轴抛物面镜的焦面位置，同时移动CCD的前后位置，借助于清晰度评价函数，当CCD上的小孔在其上所成的像最清晰的时候，即可认为CCD的位置就是小孔的共轭位置，固定CCD。

然后移开小孑L光栏和ZYGO干涉仪，将目标靶放置在刚才小孔光栏所处位置附近，在目标靶后面放置一可见光源，此时在CCD上可以看到目标靶的像，当CCD上目标靶的像最清晰时，目标靶就精确地处在离轴抛物面镜的焦面上。

222激光光斑中心的定位激光光斑中心的定位精度和准确度关系到光轴平行性的校准精度。

激光光斑中心的定位精度主要和光斑中心检测算法和CCD的像素大小有关，而CCD一旦选定之后，光斑中心的定位精度主要和光斑中心检测算法有关。

目前常用的光斑中心算法主要有：

重心法、Hough变换、圆拟合算法及空间矩算法。

其中，Hough变换法需要逐点投票、记录，所用时间较多，而且精度也不够高；

圆拟合法虽然可以达到亚像素精度，但它抗干扰性能差，易受干扰点或噪声的影响。

基于空间矩的亚像素算法，该算法运算精度高，在实际光线复杂变化的情况下难以实现。

而在本课题中只需要确定中心，不需要确定半径，光斑形状比较规则，与圆形相似，易采用重心法对CCD图像进行处理。

光斑中心定位流程如图6所示。

I初始化蹒准光轴中心点堆标lI采集光斑视频流Il捕捉单帧光斑图像II边界检测lll二值化处理II重心法求中心啦标图6光斑图像软件处理流程图Fig6Flowchartofspotimageprocessingsoftware3测量不确定度分析由于本文提出的多光轴平行性校准方法，采用了大口径离轴抛物面镜（，一5000mm）、CCD、CCD的承载机构、目标靶、目标靶的承载机构等关键部件，因此测量不确定度主要从以下几个方面考虑。

在讨论测量不确定度的时候，下标X表示不确定的横向分量，下标Y则表示纵向分量。

1）激光光斑中心定位误差引入测量不确定度分量。

由于CCD测量的激光光斑中心的最大定位误差为05个像素，本文采用的是日本JAI公司的CM-140MCL摄像机，像素尺寸为465肚m465弘m，由经验可知其满足正态分布，取k=2，计算可得甜1x一“1y=（465肚m（2X5000）ram）2005”。

2）目标靶共轭像中心的定位误差引入的测量不确定度分量。

由于CCD测量的激光光斑中心的定位误差为05个像素（约465肚m），由经验知其满足正态分布，取k=2，计算可得甜。

x一“：

y=（465pm（2X5ooo）mm）2005”。

3）离轴抛物面镜引入的测量不确定度分量。

离轴抛物面反射镜口径：

500mm，焦距：

（5000+6）ram，离轴量：

450mm。

反射镜面形精度PV优于A6，rms优于A40。

假设满足均匀分布，取k=3，A取1064“m。

由于离轴抛物面镜的焦面采用ZYG0干涉仪精密定焦，定焦精度很高。

因此尽管离轴抛物面镜的焦距在加工的时候有一定误差，但只要目标靶严格地处在离轴镜的焦面上，经离轴镜准直之后，即变为严格的平行光。

焦距加工误差几乎不引入不确定度分量。

离轴抛物面镜引入的不确定度主要和面形加工误差有关，则有：

“3x=“3y（1064弘m6）（43X5000mm）一0004”4）承载CCD系统的二维位移调整机构引入的测量不确定度。

计算机控制的微位移调整机构有很高的定位精度和重复定位精度。

本文采用的是日本骏河精机的XyZ轴交叉滚针导轨KS70130，其在水平方向和垂直方向的定位精度可达5肛m，满足均匀分布，取愚一3，则有：

M4x=（5“m5000ram）怕-o1”，“4y一（5扯m5000mm）瓜01”5）承载被测系统的多维位移调整机构引入的测量不确定度。

多维调整机构的精度也是构成测量不确定度。

的因素之一，因为XyZ轴的调节只是让被测装置浸没在平行光束中，被测装置可见或者红外系统的中心与目标靶像中心的对准精度，主要与多维调整机构的俯仰角和方位角的精万方数据应用光学2011，32（5）马世帮，等：

光电系统多光轴平行性校准方法的研究921度有关，已知多维调整机构的方位角和俯仰角的精度2”，则“5x=U5y2”。

6）目标靶十字分划线的线性度及装夹俯仰引入的测量不确定度。

十字分划线的线性度及夹装的俯仰度对测量结果的贡献很小，近似取为“。

x=U6y=01”。

7）承载目标靶的二维位移调整机构引入的测量不确定度计算机控制的微位移调整机构有很高的定位精度和重复定位精度。

本文采用的是日本骏河精机的XYZ轴交叉滚针导轨KS70130，其在水平方向和垂直方向的定位精度可达5“m，满足均匀分布，取k一3，则U7X一（5Fm5000mm）3o1”，U1Y一（5Fro5000mm）?

3o1“8）合成标准不确定度的计算。

用以上分析的各项影响测量结果的分量作为标准不确定度分量的估算，各分量之间独立不相关，由此计算合成标准不确定度为UcXux+M；

x+“；

x+“：

x+U；

x=撕瓦丽了呵可丽可严F瓦面河F干万_r了干西甲干丽17干面1下一2008”UcYuk+“iy+“；

y+“k+Mzy+“2y+U；

y=撕瓦丽7耳可丽可厂干而百砑7干丽1了耳可百q可FnF叹研一2008”扩展标准不确定度的计算Uxkufx一22008”一4016”（取是=2），为可靠，取Ux一5”Urku一22008”一4016”（取k一2），为可靠，取Uy=5”4结论一一LzJ本文通过对目前多光轴平行性测试方法的比较，在大口径平行光管法的基础上提出了新的校准方法，采用离轴抛物面镜作为主镜，避免了中心遮拦，利用CCD技术，避免了由于人眼主观判断而引入的误差，设计了既可以产生红外目标又可以产生可见目标的目标靶，避免了由于在测量红外光轴和可见光轴的平行性时更换靶标而引入的误差。

本方法的测量精度高，操作简单。

实用性强，已通过原理。

性实验证实该方法是可行的，该方法的测量不确定度小于5”。

该方法在测量光轴不平行度要求比较高的产品，特别是一些军用光电产品的时候或者在校准校轴仪的时候，具有更高的应用价值。

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239240（inChinesewithanEnglishabstract）万方数据光电系统多光轴平行性校准方法的研究光电系统多光轴平行性校准方法的研究作者：

马世帮，杨红，杨照金，郭羽，康登魁，MAShi-bang，YANGHong，YANGZhao-jin，GUOYu，KANGDeng-kui作者单位：

西安应用光学研究所,陕西西安,710065刊名：

应用光学英文刊名：

JournalofAppliedOptics年，卷（期）：

2011,32（5）被引用次数：