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摘 要 光軸偏差測量是多光軸光電裝備光軸一致性標校工作中的關鍵環(huán)節(jié)，測量方法的選擇直接影響到光軸一致性標校的精度和工作效率。文章提出了一種基于數(shù)字視頻處理技術對光軸偏差進行實時測量的方法，并搭建了測量系統(tǒng)進行實際驗證。結果表明該方法可以實現(xiàn)光軸偏差的實時測量，具有操作簡單、通用性強等特點，可廣泛應用于光電裝備的光軸一致性標校工作中。

關鍵詞 數(shù)字視頻處理；光電傳感器；光軸一致性；光軸偏差

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）208-0091-03

隨著光電技術的發(fā)展，光電裝備在武器系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色?，F(xiàn)在武器系統(tǒng)中的光電裝備一般由多個傳感器組成，包括激光、電視成像傳感器、紅外成像傳感器等，各傳感器光軸需要保持較好的一致性才能夠保證武器系統(tǒng)的目標跟蹤、射擊精度。由于受到機械加工等因素的影響，在光電裝備出廠安裝、長時間服役以及傳感器更換等情況下，需要對其光軸一致性進行標校，確保其精度的可靠性[1-2]。目前，光軸一致性標校使用的方法主要有離軸拋物面法、平行光管法、小口徑平行光管法、激光光軸儀法、五棱鏡法、投影靶板法等[3-5]。光軸一致性標校工作中最關鍵的步驟是光軸偏差測量，光軸偏差測量的精度及效率直接影響到光軸一致性標校工作的開展。本文結合日常工作，提出了一種光軸偏差實時測量的方法，該方法利用視頻實時采集及視頻像素數(shù)與視頻角度范圍的關系，可以實時解算得到光軸差值。通過搭建測量系統(tǒng)，利用離軸拋物面法對某型光電跟蹤儀進行光軸偏差測量，對該方法進行了實際驗證。

1 離軸拋物面法及光軸偏差測量原理

圖1為離軸拋物鏡法測量光軸一致性示意圖。將靶標置于離軸拋物面反射鏡的焦平面上，離軸拋物面反射鏡提供平行光模擬無窮遠目標，利用發(fā)射激光以及電視傳感器、紅外傳感器觀察靶標的方式來確定激光發(fā)射光軸、電視傳感器觀瞄軸、紅外傳感器觀瞄軸之間的偏差。

武器系統(tǒng)中用電十字線來代表電視傳感器與紅外傳感器的觀瞄軸，武器系統(tǒng)中的光軸標校即是將電視觀瞄軸、紅外觀瞄軸以及激光軸的平行性進行校對。由于各傳感器的特性不同，光軸偏差的獲取可分3種情況進行討論。

1.1 電視觀瞄軸與激光發(fā)射軸光軸偏差

假設以激光發(fā)射光軸作為基準軸，測量電視觀瞄軸與激光發(fā)射軸的光軸差。在靶標表面上粘附感光相紙，發(fā)射激光打到感光相紙上會留下光斑。此時通過電視傳感器進行觀察，比較電視觀瞄軸與光斑中心位置之間的差異，以此判斷兩者之間的光軸差。

1.2 紅外觀瞄軸與激光發(fā)射軸光軸偏差

假設以激光發(fā)射光軸作為基準軸，測量紅外觀瞄軸與激光發(fā)射軸的光軸差。為了能夠利用紅外傳感器清晰的觀察激光留下的光斑，需要在靶標后面放置熱源。此時通過紅外傳感器視頻進行觀察，比較紅外觀瞄軸與光斑中心位置之間的差異，以此判斷兩者之間的光軸差。

1.3 電視觀瞄軸與紅外觀瞄軸偏差

假設以電視觀瞄軸作為基準軸，測量紅外觀瞄軸與電視觀瞄軸的光軸差。利用電視傳感器觀察靶標上的十字目標，調整使其觀瞄軸與十字目標重合，切換到紅外進行觀察，比較紅外觀瞄軸與十字目標位置之間的差異，以此判斷兩者之間的光軸差。

基于以上光軸差獲取方法，可以利用電視傳感器與紅外傳感器自身能夠成像的特性獲取光軸差。如圖2所示，假若圖中為電視傳感器或者紅外傳感器的視頻窗口，視頻窗口在x， y方向的像素數(shù)分別為Px、Py，在x、y方向的視場角度大小用φ、ψ表示，兩個十字線代表兩個傳感器的觀瞄軸，其在x、y方向相差像素數(shù)分別為△Px、△Py。

因此，只要確定了視頻窗口像素數(shù)及視場角度大小，即可以求出兩傳感器的光軸差。

2 測量系統(tǒng)搭建

基于以上工作原理，搭建了光軸偏差實時測量系統(tǒng)，如圖3、圖4所示。

圖3為系統(tǒng)實物圖，系統(tǒng)硬件部分包括電源、雙通道圖像采集卡以及PC104架構計算機組成。軟件部分如圖4中所示，采用MFC編程，包括視頻采集窗口，測量十字線以及實時顯示的十字線坐標等部分組成。

視頻采集窗口分辨率是系統(tǒng)的關鍵參數(shù)之一，其大小與光軸差測量精度息息相關，選擇與傳感器本身視頻分辨率大小一致為最佳，分辨率過小會帶來較大測量誤差，分辨率過大對測量精度影響較小只會增加系統(tǒng)成本，本系統(tǒng)采用視頻窗口分辨率為752×506。測量十字線的線寬在x，y方向的寬度均為1個像素。

利用測量系統(tǒng)對某型光電跟蹤儀光軸差進行測量，如圖5所示為搭建的測量光路。

利用此系統(tǒng)測量光軸偏差的步驟：

1）視頻圖像實時采集。利用視頻采集技術的實時性，將基準光軸與待測光軸信息實時輸入到系統(tǒng)。

2）確定兩光軸的位置坐標。調節(jié)測量十字線的位置，將其中心與基準光軸重合，確定位置坐標A（x0，y0），然后調節(jié)十字線的位置，使其與待測光軸重合，確定位置坐標B（x1，y1）。

3）計算光軸偏差。根據(jù)兩位置坐標計算出x、y方向的像素差△Px、△Py，根據(jù)式（2）計算出光軸偏差。

以激光發(fā)射光軸作為基準光軸，在視場角度為1.50°×1.10°時測量激光發(fā)射光軸與電視觀瞄軸、紅外觀瞄軸間的光軸差。發(fā)射激光后記錄電視電十字線與紅外電十字線的中心位置，然后微調光電跟蹤儀指向器后再次發(fā)射激光記錄數(shù)據(jù)，記錄6組數(shù)據(jù)如表1中所示。

該光電跟蹤儀光軸差技術指標要求為40"以內，利用本文所述方法可測的最小光軸差為7"，實際對該跟蹤儀光軸差進行測量，得到的結果顯示該光電跟蹤儀光軸差均在技術范圍內。通過后期的武器系統(tǒng)射擊效果證明，基于該方法進行的光軸一致性標校參數(shù)完全符合部隊使用要求。

3 結論

本文結合實際工作，提出了一種光軸偏差測量方法，并搭建了測量系統(tǒng)進行了實際驗證。該方法利用了視頻實時采集技術及視頻窗口分辨率與視場角度范圍的關系，實現(xiàn)了不同傳感器間光軸差的實時性測量。該方法不僅適用于光電跟蹤儀，也適用于與光電跟蹤儀類似的多光軸光電裝備，比如光電偵察設備、光電桅桿等，具有廣泛的應用價值。

參考文獻

[1]李雅燦，邱麗榮，張鵬嵩，等.便攜式多光軸平行性檢校系統(tǒng)的研制[J].中國激光，2012，39（10）：143-147.

[2]金偉其，王霞，張其揚，等.多光軸一致性檢測技術進展及其分析[J].紅外與激光工程，2010，39（3）：526-531.

[3]徐海燕，蘇世彬，張敏，等.多光軸一致性檢測系統(tǒng)設計與研究[J].火炮發(fā)射與控制學報， 2013（4）：78-81.

[4]史學舜，胡光亮，崔鵬，等.光電跟蹤儀光軸一致性測量裝置[J].宇航計測技術，2012（1）：45-48.

[5]高明，封小利，趙文才.外場多光軸平行性測試的光學系統(tǒng)設計[J].光學技術，2011，37（1）：114-119.