校靶鏡檢定裝置設(shè)計(jì)與圖像處理技術(shù)研究

王鑫，趙玉艷，劉立欣，向陽，車英

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.中國白城兵器試驗(yàn)中心，白城 137001）

校靶鏡檢定裝置是靶場試驗(yàn)的關(guān)鍵測試設(shè)備，不同于以往的測量手段，而是以光電測量技術(shù)為主體的新一代實(shí)時(shí)光電測量系統(tǒng)。

本文采用外調(diào)焦平行光管提供四種模擬目標(biāo)，由CCD攝像系統(tǒng)對圖像進(jìn)行采集，根據(jù)圖像判讀程序?qū)?shù)據(jù)處理分析，達(dá)到了檢定要求。

1 校靶鏡檢定裝置工作原理

傳統(tǒng)的校靶鏡檢定裝置的光路圖如圖1所示，分劃板3經(jīng)透鏡組4和物鏡5成像后與分劃板7相交，人眼通過目鏡8對分劃板3和7的偏移量進(jìn)行判讀，以此檢定校靶鏡是否符合要求。

圖1 校靶鏡檢定光路原理示意圖

由于傳統(tǒng)的檢定方法對人眼的分辨力要求較高，易產(chǎn)生視覺疲勞。校靶鏡的檢測位置不同，人工操作不便，因此研究了一種新型的校靶鏡檢定裝置。根據(jù)光路的可逆原理，將目鏡8改為環(huán)形光源，以滿足不同的檢測位置，將光源1改為CCD相機(jī)，利用CCD攝像系統(tǒng)替代人眼進(jìn)行圖像判讀。

如圖2所示，該裝置主要對已有校靶鏡進(jìn)行檢定。檢測時(shí)，將被檢校靶鏡插入標(biāo)準(zhǔn)套筒，通過環(huán)形光源照明，校靶鏡提供的目標(biāo)經(jīng)過平行光管成像在焦面的分劃板上，通過CCD攝像系統(tǒng)觀察校靶鏡分劃板十字絲與平行光管環(huán)形分劃板位置，經(jīng)圖像判讀系統(tǒng)給出偏移量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，系統(tǒng)自動判定檢測結(jié)果。

圖2 校靶鏡檢定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

校靶鏡檢定裝置主要由外調(diào)焦平行光管、CCD攝像系統(tǒng)、圖像判讀及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)套筒、V型承座、基座以及支撐等組成。

該系統(tǒng)的工作原理是利用光學(xué)成像原理，在室內(nèi)為各種型號的校靶鏡提供模擬的校靶目標(biāo)，光學(xué)系統(tǒng)是校靶鏡檢定裝置的基本組成部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)依據(jù)校靶鏡的整體要求來確定，所設(shè)計(jì)的校靶鏡檢定裝置主要由三部分實(shí)現(xiàn)：外調(diào)焦平行光管、CCD攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)基本組成

2.1 外調(diào)焦平行光管

平行光管的作用是形成平行光。根據(jù)幾何光學(xué)原理，無限遠(yuǎn)處的物體經(jīng)過透鏡后將成像在焦平面上；反之，從透鏡焦平面上發(fā)出的光線經(jīng)透鏡后將成為一束平行光。如果將一個(gè)物體放在透鏡的焦平面上，那么它將成像在無限遠(yuǎn)處［1］。

由于該裝置對不同距離的目標(biāo)進(jìn)行觀察測量，需要對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)焦。從結(jié)構(gòu)形式上說，有內(nèi)調(diào)焦和外調(diào)焦之分。根據(jù)物體成像清晰度的情況，用手來調(diào)節(jié)調(diào)焦鏡組，以此來保證成像的清晰有效性，本裝置采用外調(diào)焦方式。

為了對20m、50m、100m以及無窮遠(yuǎn)四種模擬目標(biāo)進(jìn)行觀察瞄準(zhǔn)，移動物鏡，使之在分劃面上獲得清晰的目標(biāo)像，通過手動調(diào)焦的方式，在調(diào)焦時(shí)，只需用手來調(diào)節(jié)鏡頭外端的調(diào)焦環(huán)，調(diào)焦環(huán)上刻有被攝物體與所對應(yīng)調(diào)焦量間距離的標(biāo)度尺，隨著調(diào)焦環(huán)的轉(zhuǎn)動，帶動透鏡鏡筒上的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得光學(xué)系統(tǒng)中的整個(gè)透鏡組產(chǎn)生沿軸進(jìn)行軸向運(yùn)動，最終使鏡頭的焦點(diǎn)落于成像的感光原件上。由于是整組鏡頭的移動，鏡片與鏡片的相對位置保持不變，因此便能始終保持像的位置處于感光原件上，所成像為最清晰有效像［2］。

設(shè)計(jì)要求平行光管焦距 f=500mm，口徑D=50mm，提供校靶距離為20m、50m、100m以及無窮遠(yuǎn)?？芍鄬趶剑晥鼋?ω=0.8°。

根據(jù)要求可知x分別為20m、50m、100m及∞，焦距 f=500mm，則根據(jù)牛頓公式有：

其中，x：表示物方距離；x'：表示像方距離。

該裝置選用FPG-6型F500平行光管，具有像質(zhì)良好的雙膠物鏡，可作瞄準(zhǔn)用的無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，是光學(xué)儀器生產(chǎn)裝校工作中最基本的儀器之一。技術(shù)參數(shù)如下：焦距 f=500mm，有效孔徑Φ=50mm。

外調(diào)焦平行光管可提供四種模擬距離，具體參數(shù)如表1所示。

表1 外調(diào)焦平行光管參數(shù)

2.2 CCD攝像系統(tǒng)

CCD攝像系統(tǒng)一般由光學(xué)系統(tǒng)（主要指物鏡）、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（主要指CCD）和電路系統(tǒng)（主要指視頻處理和控制電路）三大部分組成。其工作原理如圖3所示，由目標(biāo)反射的可見光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像到光敏面上經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號電流放大后進(jìn)入CCD相機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后把目標(biāo)圖像輸出到顯示器上［3］。

圖3 CCD攝像系統(tǒng)工作原理圖

該裝置CCD攝像系統(tǒng)要求像素≥1634×1200，選用型號為IK200M的CCD工業(yè)相機(jī)，具體參數(shù)如表2所示。

表2 IK200M相機(jī)主要參數(shù)

2.3 圖像處理系統(tǒng)

2.3.1 圖像判讀原理

以主鏡十字絲中心為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系（判讀設(shè)置時(shí)，用鼠標(biāo)選定的電軸中心位置，應(yīng)和圖像上的電軸中心重合），設(shè)A點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，坐標(biāo)為（xA,yA），它偏離原點(diǎn)（xo,yo）的量稱為偏離量，記做（Δx,Δy）。把測量出來的偏離量（Δx,Δy）連同光測設(shè)備的測量信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可完成對目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)的事后分析［4］。圖像判讀原理如圖4所示，則對應(yīng)的偏離量為：

圖4 圖像判讀原理圖

2.3.2 判讀方法

本文采用環(huán)形分劃板與十字絲分劃板結(jié)合的方式對校靶鏡的偏移量進(jìn)行檢定。

環(huán)形分劃板的分劃間隔為0.1mil（即21.6″），以環(huán)形分劃板中心為原點(diǎn)，十字絲交點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)偏離原點(diǎn)的距離即為被檢定校靶鏡的偏移量。如圖5所示，通過CCD攝像系統(tǒng)觀察校靶鏡分劃板十字絲與平行光管環(huán)形分劃板位置，經(jīng)圖像判讀系統(tǒng)給出偏移量，數(shù)據(jù)處理后，系統(tǒng)自動判定檢測結(jié)果。根據(jù)視場角公式計(jì)算可知：

其中ω=21.6",f=500mm，計(jì)算得出x的最小間距為0.05mm，即環(huán)形分劃板最小間距為0.05mm。

圖5 環(huán)形分劃板與十字絲偏移量判讀示意圖

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的校靶鏡檢定方法都是通過人工檢定，但是由于被測校靶鏡不同的檢測位置，對于人工檢定具有局限性。本文設(shè)計(jì)研究了一種新型的校靶鏡檢定裝置，通過外調(diào)焦準(zhǔn)直光管對校靶鏡成像，滿足四種不同校靶距離的校靶鏡的檢定需要。同時(shí)利用CCD攝像系統(tǒng)與圖像判讀系統(tǒng)替代了人眼讀數(shù)，排除了校靶過程中人為的不確定因素，使校靶過程自動化。

與傳統(tǒng)的測試方法相比，該裝置具有精度高，誤差小，省時(shí)省力的特點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代軍事測試試驗(yàn)領(lǐng)域的需求，提高自動化程度，簡化檢定環(huán)節(jié)，減少人為誤差。

［1］王磊，王守印，周虎，等.平行光管的基本原理及使用方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：980-981.

［2］王珊珊.機(jī)器視覺大孔徑大市場內(nèi)調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)的研究［D］.長春理工大學(xué)，2012.

［3］王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2000.

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