馮穎，張衛(wèi)國(guó)，王譚

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相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)多光軸平行性校準(zhǔn)的影響分析

馮穎，張衛(wèi)國(guó)，王譚

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

針對(duì)振動(dòng)環(huán)境下的多個(gè)傳感器光軸平行性校準(zhǔn)需求，基于多光軸平行性校準(zhǔn)的基本原理，建立了相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)多光軸平行性校準(zhǔn)精度影響的理論模型。分析表明，由于紅外探測(cè)器積分時(shí)間較長(zhǎng)，激光和紅外熱像儀校準(zhǔn)精度受角振動(dòng)的影響更大。提出降低相對(duì)角運(yùn)動(dòng)的方法，即縮短紅外探測(cè)器積分時(shí)間和利用減振器降低相對(duì)角運(yùn)動(dòng)的幅度。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到紅外銻化銦探測(cè)器的最短積分時(shí)間為600 μs，并進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果表明，選用減振器使相對(duì)角運(yùn)動(dòng)為低頻小振幅時(shí)，相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)激光/電視校準(zhǔn)精度的影響小于1個(gè)像素，相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)激光/紅外校準(zhǔn)精度的影響為1～2個(gè)像素。

相對(duì)角運(yùn)動(dòng)；多光軸平行性校準(zhǔn)；校準(zhǔn)裝置；積分時(shí)間

1 引言

光電系統(tǒng)通常包含激光測(cè)距機(jī)、電視攝像機(jī)、紅外熱像儀等多種傳感器。各傳感器間的光軸平行性作為光電系統(tǒng)性能的一個(gè)重要參數(shù)，在保證武器系統(tǒng)的命中概率和精度方面起著至關(guān)重要的作用[1]。通常的方法是用平行光管進(jìn)行校準(zhǔn)操作，平行光管和多傳感器光電系統(tǒng)保持相對(duì)靜止[2-5]，而在實(shí)際使用中，常需要在振動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)。受振動(dòng)影響，平行光管和多傳感器光電系統(tǒng)之間存在相對(duì)角運(yùn)動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響校準(zhǔn)精度。目前，對(duì)于實(shí)際使用中角振動(dòng)對(duì)多光軸平行性校準(zhǔn)精度的影響鮮有研究。

本文針對(duì)包含電視、熱像儀和激光器三種傳感器的光電系統(tǒng)光軸平行性校準(zhǔn)開(kāi)展研究，提出了一種在振動(dòng)環(huán)境中校準(zhǔn)激光與電視、激光與熱像儀光軸的方法。分析了相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)多光軸平行性校準(zhǔn)精度的影響，提出減少相對(duì)角運(yùn)動(dòng)的方法，即縮短紅外探測(cè)器積分時(shí)間方法和利用減振器降低相對(duì)角運(yùn)動(dòng)的幅度方法，并以某一產(chǎn)品實(shí)際參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

2 多傳感器光軸平行性靜態(tài)校準(zhǔn)方法的原理

當(dāng)對(duì)多個(gè)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，光電系統(tǒng)與平行光管均處于靜止?fàn)顟B(tài)。如圖1所示，激光器發(fā)射激光，在平行光管的感光靶紙上灼燒出小孔，觀瞄傳感器（電視/熱像儀）觀察小孔光斑，并根據(jù)此光斑位置通過(guò)機(jī)械調(diào)整或電子調(diào)整，實(shí)現(xiàn)觀瞄傳感器與激光器的光軸校準(zhǔn)。

3 多傳感器光軸平行性動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法的原理

光電系統(tǒng)在實(shí)際使用中，經(jīng)常需要在振動(dòng)環(huán)境中校準(zhǔn)瞄準(zhǔn)線，由于振動(dòng)影響，光電系統(tǒng)與平行光管之間存在相對(duì)角運(yùn)動(dòng)。當(dāng)存在角運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，觀瞄傳感器難以瞄準(zhǔn)感光靶紙上光斑。

圖1 靜態(tài)校準(zhǔn)原理

如圖2所示，校準(zhǔn)裝置主體是一個(gè)多波段卡塞格林反射物鏡，小孔光闌位于焦面上，CMOS1中心位于小孔光闌的共軛位置。小孔光闌被白熾燈照亮后，形成校軸基準(zhǔn)，能夠被電視和熱像儀觀察到。分光鏡透射1.06 μm的激光，反射0.7～0.9 μm和3～5 μm的光線。激光器發(fā)射激光，CMOS1收到激光光斑（光斑1），此光斑中心與CMOS1中心在兩個(gè)方向上的偏差分別為1，1；在發(fā)射激光的同時(shí)，電視/熱像儀通過(guò)小孔光闌接收到像光斑（光斑2），設(shè)此光斑中心與電視/熱像儀探測(cè)器中心在兩個(gè)方向上偏差分別為2，2.

光軸偏差如圖3所示。由于CMOS1中心位于小孔光闌的共軛位置，因此3和2是共軛統(tǒng)一的；于是1和4通過(guò)3和2建立了關(guān)聯(lián)。從而電視/熱像儀與激光器的光軸偏差為△=1－2、△=1－2.通過(guò)機(jī)械調(diào)整或電子調(diào)整，即可校準(zhǔn)觀瞄傳感器與激光器的光軸。

圖2 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)原理

1—激光光斑中心，即激光器光軸；2—小孔光闌像光斑中心； 3—CMOS1中心；4—CMOS2/紅外探測(cè)器中心，即電視/熱像儀光軸。

4 相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)多光軸平行性校準(zhǔn)精度的影響分析

根據(jù)前文描述，如果能夠同一時(shí)刻采集CMOS1中激光光斑中心位置和CMOS2中小孔光闌像位置，即可計(jì)算出電視和激光器的光軸偏差。同樣，通過(guò)采集CMOS1中激光光斑中心位置和紅外探測(cè)器中小孔光闌像位置，可計(jì)算出紅外熱像儀和激光器的光軸偏差。在實(shí)際應(yīng)用中，由于受成像傳感器積分時(shí)間影響，難以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻采集光斑信號(hào)，以下對(duì)影響進(jìn)行分析。

將光電系統(tǒng)和校準(zhǔn)裝置間的相對(duì)角運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化，為正弦運(yùn)動(dòng)。光電系統(tǒng)設(shè)定為靜止，如圖3中橫直線，也是激光斑的角振動(dòng)曲線。

如圖4所示，在時(shí)刻1激光器發(fā)射激光；在2時(shí)刻校準(zhǔn)裝置的CMOS1曝光完成，接收到激光光斑；同樣在2時(shí)刻光電系統(tǒng)的電視探測(cè)器CMOS2曝光完成，接收到光源光斑；在3時(shí)刻光電系統(tǒng)的紅外探測(cè)器曝光完成，接收到光源光斑。2－1為CMOS的積分時(shí)間；3－1為紅外探測(cè)器的積分時(shí)間。

圖4 相對(duì)角運(yùn)動(dòng)影響圖

激光/電視校軸時(shí)，1時(shí)兩光軸角偏差為Δ1，2時(shí)兩光軸角偏差為Δ2，角運(yùn)動(dòng)對(duì)激光/電視校準(zhǔn)精度的影響為Δ2－Δ1，由于2－1為CMOS的積分時(shí)間為微秒級(jí)，因此相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)激光/電視校準(zhǔn)精度影響較小。

激光/紅外校軸時(shí)，1時(shí)兩光軸角偏差為Δ1，3時(shí)兩光軸角偏差為Δ3.因此角運(yùn)動(dòng)對(duì)激光/紅外校準(zhǔn)精度的影響為Δ3－Δ1.由于3－1為紅外探測(cè)器的積分時(shí)間為毫秒級(jí)，因此相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)激光/紅外校準(zhǔn)精度影響較大。可以看出，校準(zhǔn)精度與角運(yùn)動(dòng)頻率、振幅和成像傳感器積分時(shí)間相關(guān)。

5 降低相對(duì)角運(yùn)動(dòng)的方法

從上述分析可知，為保證激光/紅外光軸的校準(zhǔn)精度，需要減小相對(duì)角運(yùn)動(dòng)，具體采用以下兩個(gè)途徑。

5.1 縮短紅外探測(cè)器的積分時(shí)間

縮短紅外探測(cè)器的積分時(shí)間，同時(shí)較短的積分時(shí)間還可以捕捉到較小的圓形光斑，減少了相對(duì)角運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的光斑擴(kuò)散和圖像模糊，更易于尋找光斑中心。

積分時(shí)間的縮短要保證足夠的光源光斑與背景噪聲的對(duì)比度，使光源光斑可以被分辨。經(jīng)簡(jiǎn)單推導(dǎo)可得：

式（1）中：為積分時(shí)間；為光斑的探測(cè)閾值；為探測(cè)器總噪聲電壓；為與探測(cè)器有關(guān)的常量；為探測(cè)器像面上接收的輻照度；Δ為每個(gè)灰度對(duì)應(yīng)的電壓值，為常量。

可以看出，通過(guò)增大探測(cè)器像面上接收的輻照度可以縮短積分時(shí)間，即可以通過(guò)增大校準(zhǔn)裝置內(nèi)光源的功率來(lái)縮短積分時(shí)間。

5.2 利用減振器降低相對(duì)角運(yùn)動(dòng)的幅度

為校準(zhǔn)裝置安裝減振器，衰減高頻振動(dòng)，使其振動(dòng)曲線變得平緩，從而減小其積分時(shí)間內(nèi)角運(yùn)動(dòng)幅值，從根本上減小兩者的相對(duì)角運(yùn)動(dòng)。

6 實(shí)例分析

6.1 實(shí)驗(yàn)選取紅外探測(cè)器積分時(shí)間

式（1）僅提供了紅外探測(cè)器的最短積分時(shí)間的定性關(guān)系式，為此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最短積分時(shí)間。如圖5所示，將左邊的紅外熱像儀的光學(xué)口徑對(duì)準(zhǔn)右邊的校準(zhǔn)裝置，通過(guò)縮短熱像儀探測(cè)器積分時(shí)間，觀察熱像儀是否能夠正常對(duì)校準(zhǔn)裝置內(nèi)光源成像。熱像儀參數(shù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用熱像儀參數(shù)

參數(shù)數(shù)值 焦距46 mm F數(shù)2 探測(cè)器銻化銦探測(cè)器 像元尺寸15 μm 像素?cái)?shù)640×512 噪聲等效溫差20～25 mK

圖6（a）、圖6（b）分別是熱像儀探測(cè)器積分時(shí)間為628 μs、600 μs時(shí)的觀察結(jié)果。圖片中紅色圓圈中的白色亮點(diǎn)為光源成的光斑像?？梢钥闯?，隨著紅外探測(cè)器積分時(shí)間的縮短，噪聲變大，光斑與背景的對(duì)比度變小，光斑變得不易辨別，這與公式分析結(jié)果一致。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于銻化銦探測(cè)器積分時(shí)間只能減小到600 μs，積分時(shí)間減至550 μs時(shí)無(wú)法正常成像。

圖5 積分時(shí)間選取實(shí)驗(yàn)

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6.2 實(shí)例分析

以某型光電系統(tǒng)和校準(zhǔn)裝置為例，分析相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)校準(zhǔn)精度的影響。該光電系統(tǒng)中安裝有激光測(cè)距機(jī)、電視攝像機(jī)和紅外熱像儀。觀瞄傳感器和校準(zhǔn)裝置參數(shù)如表2所示，激光器參數(shù)如表3所示。

表2 各實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)

像元大小/μm像素?cái)?shù)焦距/mm積分時(shí)間/μs瞬時(shí)視場(chǎng)角/mrad 電視攝像機(jī)4.81 280×1 024300 10.016 紅外熱像儀15640×512280 6000.054 校準(zhǔn)裝置4.81 280×1 0242 50010.001 9

表3 激光器參數(shù)

激光器參數(shù)值波長(zhǎng)脈沖時(shí)間 1.06 μm15 ns

設(shè)校準(zhǔn)裝置的相對(duì)角運(yùn)動(dòng)方程為：

△=′sin2π（2）

式（2）中：Δ為角度；′為角振動(dòng)幅值，為振動(dòng)頻率；為時(shí)間。Δ對(duì)求導(dǎo)，得Δ=2′π×cos2π.令Δ最大，得=0，可知=0時(shí)相對(duì)角運(yùn)動(dòng)影響最大。

取1=0，2=1 μs，3=600 μs，在不同幅值和頻率組合下：′=1 mrad，=5 Hz、=10 Hz、=15 hz和′=0.5 mrad，=15 Hz、=20 Hz、=25 Hz及′=5 mrad，=1 Hz、=3 Hz、=5 Hz，分別計(jì)算相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)激光/電視，激光/紅外校準(zhǔn)精度的影響Δ2－Δ1和Δ3－Δ1，結(jié)果如表4所示。

分析結(jié)果可知，選用減振器使相對(duì)角運(yùn)動(dòng)為低頻小振幅的情況下，相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)激光/電視校準(zhǔn)精度的影響小于CMOS 1個(gè)像素對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)視場(chǎng)角，相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)激光/紅外校準(zhǔn)精度的影響為1～2個(gè)像素對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)視場(chǎng)角，滿足實(shí)際振動(dòng)環(huán)境下的校準(zhǔn)精度需求。

表4 實(shí)例計(jì)算結(jié)果

角振動(dòng)幅值/mrad1110.50.50.5555 振動(dòng)頻率/Hz51015152025135 激光/電視0.000 0320.000 0630.000 0940.000 0470.000 0630.000 0790.000 0320.000 0940.000 16 激光/紅外0.0190.0380.0570.0280.0380.0470.0190.0570.094

7 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種動(dòng)態(tài)多光軸平行性校準(zhǔn)方法，并分析了相對(duì)角運(yùn)動(dòng)對(duì)多光軸平行性校準(zhǔn)精度的影響，提出了降低相對(duì)角運(yùn)動(dòng)的方法，采用該方法后，實(shí)例分析表明角運(yùn)動(dòng)對(duì)激光/紅外的影響為1～2個(gè)像素，角運(yùn)動(dòng)對(duì)激光/電視的影響小于1個(gè)像素。本文的分析為振動(dòng)環(huán)境下的光軸調(diào)校提供了理論指導(dǎo)，從而保證光電系統(tǒng)在實(shí)際使用中的光軸一致性。

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2095－6835（2019）07－0018－03

O213.2

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.018

馮穎（1994—），女，山西孝義人，研究方向?yàn)楣怆娤到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕