光電系統(tǒng)光軸平行度校準方法研究

王 雷,李永恒

(1.海軍裝備部西安局 陜西 西安 710043; 2.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

光電系統(tǒng)在探測、跟蹤目標時具有隱蔽性能好、對低空和掠海目標無多路徑效應(yīng)、精度高、抗干擾性能好等方面的優(yōu)勢，早在上世紀60年代就已經(jīng)開始逐步裝備部隊[1]。隨著光電技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，其紅外成像技術(shù)的被動夜成像能力是白光無法比較的，且在近中距離段有逐步替代白光系統(tǒng)的趨勢[2]。目前裝備的光電系統(tǒng)一般都由紅外熱像儀和激光測距機實現(xiàn)其探測功能，利用得到的目標位置及速度等目標諸元信息，求取火炮的射擊諸元，使武器精準打擊目標。而光軸之間的平行性直接影響獲取目標諸元信息的準確性，從而影響武器系統(tǒng)命中目標概率。

1 幾種常用方法及優(yōu)缺點

目前常用的光軸平行性測試方法主要有投影法，小口徑光管法，大口徑光管法等[3]。

投影法是利用遠處的靶板接收從被測儀器出瞳射出的激光束，將各光軸投影到靶板上，通過比較投影光軸之間距離和實際光軸之間距離有無差異來判斷各個光軸之間是否平行；小口徑光管法是在小口徑平行光管的焦點處放置靶標，經(jīng)過小口徑平行光管之后變?yōu)槠叫泄獬錾?，通過觀測靶標的像是否落在各個分系統(tǒng)的中心來判定各個光軸是否平行；大口徑光管法是將照明光源置于平行光管焦面上的十字分劃處，平行光管產(chǎn)生平行光束，進入被測系統(tǒng)，通過在被測系統(tǒng)的出瞳位置或顯示器上觀測十字分劃中心是否落在各個子系統(tǒng)的視場中心判定各個光軸之間是否平行。

以上幾種方法的優(yōu)缺點是投影法結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但被測系統(tǒng)和靶板之間需要足夠遠的距離，否則誤差較大；小口徑光管法制作較為容易和輕便，但是誤差環(huán)節(jié)較多，精度也不太高；大口徑平行光管法誤差環(huán)節(jié)少、精度高，但是不利于野外使用。

2 系統(tǒng)組成與測試原理

通過比較以上方法的優(yōu)缺點和根據(jù)工程實際需要，利用球面鏡可以使平行于光軸的光線匯聚于焦點的原理，提出了一種以球面鏡為主要工作部件的光軸一致性檢測與調(diào)節(jié)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)能力強，既可以用于實驗室調(diào)試,也可以運用于野外校準。

系統(tǒng)的主要組成包括被測試對象(包含紅外熱像儀和激光測距機)、球面鏡(凹面鏡)、接收靶板、感光紙、直流電源或蓄電池和顯示單元等，組成如圖1所示。

紅外熱像儀的光軸是被測試系統(tǒng)的基準光軸。根據(jù)球面鏡的反射原理：平行于光軸的平行光束經(jīng)過凹面反射后，匯聚在鏡前的焦點上[4]。當紅外分劃線中心點和激光束落點與目標靶中心完全重合時,可以判定紅外熱像儀光軸和激光測距機光軸兩者平行。

在球面鏡的焦點處放置接收靶板，接收靶板上使用發(fā)熱絲布置出一個十字分劃，用電源對十字分劃通電加熱后，能被紅外熱像儀識別，作為目標靶；在十字發(fā)熱分劃平面上放置感光紙，由球面鏡反射后的激光束會在感光紙上留下黑色的斑點。使用顯示單元觀察，使紅外熱像儀的分劃線中心點與目標靶的十字中心完全重合，然后激光測距機發(fā)射激光束，通過顯示單元觀察其在感光紙上的落點。

當紅外熱像儀的分劃線中心和目標靶中心完全重合時，假設(shè)在顯示單元中觀察到的激光束光斑坐標為(x1,y1)，而顯示單元的中心點坐標為(x0,y0)，則兩者在顯示單元中的距離為：

(1)

式中：dx為顯示單元中水平方向的相元間距；dy為顯示單元中垂直方向的相元間距。

在近軸系統(tǒng)中，當平行光束與球面鏡光軸方向成一定角度入射時，其反射光線匯聚在焦平面上一點，該點為平行于斜射光線且經(jīng)過球心的光線與焦平面的交點。雖然球面鏡的焦平面是一個與球面鏡同心，以R/2為半徑的曲面，但是當斜射角較小、球半徑較大的時候，由于斜射而產(chǎn)生的離軸量可以近似地認為其是垂直于光軸的直線段，這在光軸校準的應(yīng)用中是成立的。各角之間關(guān)系如圖2所示。

光線AC與光軸平行，A′C與光軸成一定角度入射，A′C經(jīng)過球面鏡反射后的落點為B′，根據(jù)球面鏡成像規(guī)律，過球心O與點B′的光線與光線A′C平行。過光線OB′的入射點C′做平行光軸的輔助線C′F′，則有當斜射角為∠ACA′時，根據(jù)與平行線相關(guān)的幾何原理有：

∠ACA′=∠OC′F′= ∠B′OF

因為球面鏡的焦點為球半徑的1/2處，所以當斜射角較小、球半徑較大時，有：

△OFB′≌△O′FB′

即存在斜射角∠ACA′=∠B′O′F。

紅外熱像儀的光軸作為基準光軸，因此激光光軸與基準光軸之間的夾角為：

(2)

式中：f為調(diào)試系統(tǒng)球面鏡的焦距。

3 調(diào)節(jié)方法

光軸調(diào)節(jié)原理：在機械加工時要保證紅外熱像儀安裝面與基準面，激光測距機安裝面與基準面的精度并且經(jīng)過時效處理，使安裝面在使用過程中不因為內(nèi)應(yīng)力而發(fā)生微變型。其調(diào)節(jié)流程如圖3所示。

4 不確定度分析

真值是理想值，不可測量，由此導致測量誤差是個不可知量。因此1980年國際計量局提出使用不確定度作為評定測量結(jié)果正確程度的建議，我國于1999年批準實施。B類不確定度的計算公式為：

U=α/K

(3)

式中：α為置信區(qū)間(已測得數(shù)據(jù))；K為包含因子。

以下以實際校準裝置為例進行分析。

4.1 判斷紅外分劃與電熱十字分劃重合引入的測量不確定度

4.2 判斷三點重合引入的測量不確定度

4.3 目標靶位置引入的測量不確定度

本方法中目標靶的放置由操作者人為完成，這可能會由于位置的不精確而引入測量誤差。根據(jù)中心極限定理和以往經(jīng)驗可以判定，其位置的范圍將在焦平面位置的±1 mm范圍內(nèi)變化，將其換算為在顯示單元中觀察時的差值，且服從正態(tài)分布。取K=2，則有：

4.4 球面鏡加工誤差引入的測量不確定度

4.5 目標靶裝夾垂直度引入的測量不確定度

目標靶裝夾的垂直度對于校準結(jié)果的影響很小[5]，可以近似取為UB5=0.1″

4.6 合成標準不確定度

使用以上分析得出的各項影響測量結(jié)果的不確定度分量作為標準不確定度分量的估算值，各個分量之間獨立不相關(guān)，因此合成標準不確定度為：

5.81″=0.03 mard

4.7 擴展不確定度計算

以目前國際上通用的置信概率為95%，取K=2，則有：

U=2×5.81=11.62″=0.06 mrad

5 試驗結(jié)果驗證

多臺使用該方法校準過光軸后的光電系統(tǒng)，對面積為0.1 m2，距離1 000 m處的目標連續(xù)進行測距，測得數(shù)據(jù)均真實有效，因此可以判定使用此方法對光軸平行度進行校正，方法可行，可以滿足使用精度要求。

6 結(jié) 論

筆者所提出的使用球面鏡聚焦的原理對紅外熱像儀和激光測距機的光軸平行度進行校準，原理簡單、操作方便、實用性強，既可以用于實驗室條件下光軸調(diào)節(jié)，也可以在野外進行。經(jīng)過理論計算，該方法校正的不確定度小于0.1 mrad，實際使用也證明了該方法的可行性和實用價值。

參考文獻(References)

[1] 呂溥，韓國華.雙光楔在激光測距機光軸校正中的應(yīng)用[J].激光技術(shù)，2012，36(2)：151-153.

LV Pu, HAN Guo-hua. Application of dual wedges in optical axis alignment for laser rangfinders[J]. Laser Technology,2012, 36(2):151-153. (in Chinese)

[2] 徐廣平，詹道教，周瑾，等.一種激光紅外裝置光軸平行性調(diào)節(jié)的研究[J].激光與紅外，2011，41(1)：98-100.

XU Guang-ping, ZHAN Dao-jiao, ZHOU Jin, et al. Research on the collimation of laser and infrared devices[J]. Laser & Infrared, 2011, 41(1)：98-100. (in Chinese)

[3] 馬世幫，楊紅，楊照金，等.光電系統(tǒng)多光軸平行性校準方法的研究[J].應(yīng)用光學，2011，32(5)：917-920.

MA Shi-bang, YANG Hong, YANG Zhao-jin,et al. Multi-spectral axes parallelism calibration of electro-optical system[J]. 2011, 32(5):917-920. (in Chinese)

[4] 梁斌.普通物理學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：74-76.

LIANG Bin. General Physics[M].Beijing: China Machine Press, 2009:74-76.(in Chinese)

[5] 楊文志，景洪偉，吳時彬，等.可見光與紅外光軸平行度檢測儀[J].紅外與激光工程，2010，39(5)：900-904.

YANG Wen-zhi, JIN Hong-wei，WU Shi-bin，et al. Visible and infrared optical axis parallelism tester[J]. Infrared and Laser Engineering, 2010, 39(5):900-904.(in Chinese)