吳 越，王新倫

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

一種激光瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)偏差的判讀系統(tǒng)*

吳 越，王新倫

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

介紹了一種激光瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)偏差判讀系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成，利用重心法和圓擬合法二種算法提取光斑中心；重點(diǎn)介紹了軟件的實(shí)現(xiàn)方法。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)對(duì)激光光斑中心的判讀誤差不大于0.1mm。該方法具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

光斑;圖像處理; 算法;瞄準(zhǔn)誤差

Abstract: The working principle and system composition of the reading system is introduced for a kind of laser sight′ error.The system uses the weighted gray barycentric method or circle fitting method to extract the center position of beam spot. The software realization method is mainly introduced in the paper. Experiment results show that the systemic error of the device is not greater than 0.1mm.This method has high engineering application value.

Key words: beam spot; Image processing; arithmetic;aiming error

0 引 言

激光具有能量集中、發(fā)散角小等優(yōu)點(diǎn)，在空間靶標(biāo)定位等應(yīng)用中有其無(wú)法替代的優(yōu)越性，因此越來(lái)越多的被應(yīng)用于瞄準(zhǔn)設(shè)備。當(dāng)激光瞄準(zhǔn)具距離靶標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，激光光束的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致光斑變大;激光光斑內(nèi)能量的分布也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化；由于湍流效應(yīng)的影響，光斑位置也會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)漂移，這些現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致激光瞄準(zhǔn)誤差增大[1-2]。因此，為了驗(yàn)證瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)的瞄準(zhǔn)程度，需要有對(duì)其瞄準(zhǔn)性能進(jìn)行測(cè)試的系統(tǒng)。筆者介紹了一套在線測(cè)量激光瞄準(zhǔn)誤差的裝置，通過(guò)對(duì)激光能量在激光光斑內(nèi)分布狀況的分析，用重心法和圓擬合法計(jì)算激光光斑能量中心。通過(guò)與計(jì)量裝置的對(duì)比表明，誤差測(cè)量裝置判讀誤差不大于0.1 mm。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 工作原理

系統(tǒng)由激光器、濾光片、面陣CCD、視頻捕捉卡及計(jì)算機(jī)組成。工作原理圖如圖1所示。

圖1 工作原理圖

激光束經(jīng)濾光片后投射到面陣CCD上，經(jīng)視頻采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。軟件采集一幀圖像對(duì)其分析計(jì)算，判斷激光光斑的中心位置，并把位置數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，為激光束的位置調(diào)整提供數(shù)值判據(jù)。

1.2 硬件

1.2.1 面陣CCD

面陣CCD作為激光瞄準(zhǔn)目標(biāo)，在面陣CCD表面設(shè)置“十”標(biāo)記作為靶標(biāo)中心，圖像處理后的計(jì)算出激光光斑中心與“十”標(biāo)記的距離，即為激光瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)偏差。

1.2.2 視頻捕捉卡

視頻捕捉卡是CCD與計(jì)算機(jī)之間的視頻接口，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序及接口程序能夠一幀一幀的采集視頻圖像。

1.2.3 濾光片

激光瞄準(zhǔn)具的功率為1 mW，其激光束直接投射于面陣CCD靶面上，面陣CCD有曳尾現(xiàn)象，這嚴(yán)重影響了對(duì)激光光斑中心位置的判定。分析原因?yàn)榧す夤鈴?qiáng)太強(qiáng)，減弱CCD接受的光強(qiáng)成為技術(shù)方案可行性的瓶頸之一。為此，研制了680 nm氦氖激光透過(guò)率為3 %的濾光片，很好的解決了這一問(wèn)題。

1.3 軟件

利用Visual Basic6.0功能強(qiáng)、可擴(kuò)展性以及簡(jiǎn)潔美觀的程序界面開(kāi)發(fā)能力和Matlab6.1強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算和圖形處理能力，進(jìn)行視頻采集卡的二次開(kāi)發(fā)，編寫軟件顯示圖像并確定光斑中心位置。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

2 激光光斑中心檢測(cè)算法

文獻(xiàn)上的檢測(cè)算法比較多[3-4]，根據(jù)本系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)象，選用重心法、圓擬合兩種算法。

2.1 重心法

該算法是把光斑圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理后得到二值圖像，進(jìn)行光斑中心坐標(biāo)計(jì)算。該算法簡(jiǎn)單明了，計(jì)算速度較快，在光斑形狀比較規(guī)則的情況下是一種好的算法。假設(shè)光斑圖像處于二維平面坐標(biāo)系中，大小為M×N像素，其坐標(biāo)公式為：

(1)

(2)

式中：x0為光斑中心橫坐標(biāo)；y0為光斑中心縱坐標(biāo)；g(i,j)為光斑為1，背景為0。

2.2 圓擬合法

基于圓擬合激光光斑中心檢測(cè)算法，根據(jù)最小二乘原理(殘差平方和最小)用圓來(lái)逼近激光光斑輪廓?？梢杂?jì)算出各個(gè)邊界點(diǎn)的殘差及殘差平方和，也可計(jì)算出平均殘差平方和，進(jìn)而可濾掉一些殘差較大的點(diǎn)，經(jīng)多次迭代可進(jìn)一步提高檢測(cè)誤差。圓心及半徑的計(jì)算公式為：

(3)

(4)

(5)

(6)

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)采用VB面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，程序界面如圖3所示。

3.2 接口設(shè)計(jì)

通過(guò)PV980m.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，Win32API(32位平臺(tái)應(yīng)用程序編程接口)中的USER32.DLL(與Windows管理有關(guān)的函數(shù))和GDI32.DLL(圖形設(shè)備接口庫(kù))等提供的函數(shù)開(kāi)發(fā)視頻采集卡接口程序。 Visual Basic 與Matlab6.1之間采用ActiveX部件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。采集到的一幀圖像如圖4所示。

圖3 激光光斑測(cè)試程序界面 圖4 原始圖像

3.3 采集圖像的預(yù)處理

從原始圖像上可看出，圖像的的灰度并不一致，內(nèi)部有一些不規(guī)則的洞，外邊緣也不平滑。這是由激光器及CCD的制造誤差造成的。用原始圖像進(jìn)行計(jì)算必然帶來(lái)很大的誤差，就需要進(jìn)行圖像預(yù)處理。利用Matlab的圖像處理工具箱中的函數(shù)對(duì)原始圖像進(jìn)行灰度閾值設(shè)置、二次連通及二值化處理后的圖像如圖5所示。邊緣提取圖像如圖6所示。

圖5 預(yù)處理后的圖像 圖6 提取的邊緣圖像

3.4 分辨率分析

選擇63X11HP型CCD攝像機(jī)，CCD圖像傳感器的尺寸為：4.8 mm×3.6 mm，總像素為：798(H)×548(V)；視頻捕捉卡的總像素為：768(H)×576(V)。一個(gè)像素的尺寸為6.03 μm×6.57 μm。因此系統(tǒng)分辨率小于0.01 mm的分辨率指標(biāo)。

4 系統(tǒng)標(biāo)定及誤差分析

4.1 標(biāo)定設(shè)備

名稱：萬(wàn)能工具顯微鏡；測(cè)量范圍：0～200 mm；測(cè)量不確定度：U99=0.5 μm。

4.2 標(biāo)定方法及數(shù)據(jù)

激光器固定在固定支架上，CCD攝像機(jī)固定在行走導(dǎo)軌上并隨其運(yùn)動(dòng)。每次使CCD攝像機(jī)移動(dòng)0.1 mm(標(biāo)準(zhǔn)值)，系統(tǒng)計(jì)算CCD攝像機(jī)位移并與標(biāo)準(zhǔn)值比較。由于光斑中心位于二維平面內(nèi)，因此X向、Y向分別進(jìn)行標(biāo)定。X向量程為：4～30 mm，測(cè)得27個(gè)數(shù)據(jù)；Y向量程為：2～27 mm，測(cè)得21個(gè)數(shù)據(jù)。

4.3 標(biāo)定結(jié)果

X向各點(diǎn)本系統(tǒng)的測(cè)量誤差如圖7、8所示，Y向各點(diǎn)本系統(tǒng)的測(cè)量誤差如圖9、10所示。

圖7 X向圓擬合法測(cè)量誤差

圖8 X向重心法測(cè)量誤差

圖9 Y向圓擬合法測(cè)量誤差

圖10 Y向重心法測(cè)量誤差

從圖7、9可見(jiàn)，圓擬合法各測(cè)量點(diǎn)的X向、Y向測(cè)量誤差都在0.03 mm以內(nèi)，達(dá)到了亞像素級(jí)，從圖8、10可見(jiàn)，重心法各測(cè)量點(diǎn)的X向、Y向測(cè)量誤差都在0.1 mm以內(nèi)，測(cè)量誤差只能達(dá)到像素級(jí)。

5 結(jié) 論

從標(biāo)定結(jié)果及誤差分析可得結(jié)論：利用圓擬合法提取光斑中心比重心法誤差低一個(gè)量級(jí)且其系統(tǒng)的測(cè)量誤差優(yōu)于0.01 mm，但在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，圓擬合法計(jì)算光斑中心用時(shí)是重心法的數(shù)倍，因此，可根據(jù)瞄準(zhǔn)程度需要，選用不同算法。

[1] 高 明，吳振森．湍流介質(zhì)對(duì)激光瞄準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)的偏差影響分析[J]．紅外與激光工程，2010，39(1):31-36．

[2] 黃 勇，鄧建輝．高能激光武器的跟瞄精度要求分析[J]．電光與控制，2006，13(6):86-107．

[3] 楊維洲，馬惠珠．移動(dòng)式激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)圓目標(biāo)中心檢測(cè)算法[J]．應(yīng)用科技，2010，37(5):5-8．

[4] 呂 宏，高 明．遠(yuǎn)場(chǎng)激光瞄準(zhǔn)過(guò)程中光束擴(kuò)展的影響分析[J]．激光與紅外，2010，40(2):119-123．

The Reading System for a Kind of Laser Sight′ Error

WU Yue， WANG Xin-lun

(InstituteofSystemEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,MianyangSichuan621999,China)

2014-06-09

吳 越(1962-)，男，福建廈門人，高工，主要從事機(jī)電控制系統(tǒng)方面的科研工作。

TH112

A

1007-4414(2014)04-0128-03