對國內(nèi)的紅外熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試方法的探討

夏麗昆，字正華，嚴(yán) 敏，陶 亮，莫啟元，王正強，李常成

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對國內(nèi)的紅外熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試方法的探討

夏麗昆1，字正華2，嚴(yán) 敏2，陶 亮2，莫啟元1，王正強2，李常成1

（1.重慶軍代局駐昆明地區(qū)軍代室，云南 昆明 650223；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

從使用的角度出發(fā)分析了紅外熱像儀的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線指標(biāo)的重要性和計算方法，圍繞如何對其進行準(zhǔn)確檢測介紹了國內(nèi)兩種典型的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試方法，并對它們的優(yōu)缺點進行了分析，對測試系統(tǒng)提出了改進意見。

紅外熱像儀；系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線；測試方法

0 引言

紅外熱像儀[1]（以下簡稱熱像儀）作為近幾年興起的偵察瞄準(zhǔn)用傳感器，越來越多地用在各種武器平臺上，使武器系統(tǒng)在夜間或不良?xì)夂驐l件下長上了“眼睛”。熱像儀性能的高低反映了“眼睛”的好壞，除了受熱像儀的探測識別能力限制外，還有一點是十分重要的，那就是瞄得準(zhǔn)不準(zhǔn)。熱像儀特別是車載、機載熱像儀均需要被安裝在武器系統(tǒng)的光瞄裝置內(nèi)部的載物臺上，其輸出的熱圖像需經(jīng)后期處理后用來進行測量、瞄準(zhǔn)和圖像融合[2]，而熱像儀安裝面與載物臺安裝面的平行度不可避免地會給熱像儀的光軸帶來影響，從而影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理精度。為減小這種影響，除了對熱像儀殼體的安裝面和載物臺安裝面的平行度在加工時就要控制和檢測外（一般要求誤差控制在±0.02mm），還需要在熱像儀裝調(diào)完成后，把熱像儀安裝到載物臺上對熱像儀的光軸進行校準(zhǔn)，通常要求這類熱像儀校準(zhǔn)以后的安裝基準(zhǔn)偏軸度（光軸平行性）必須在十幾秒內(nèi)方能滿足使用要求。

在GJB2340-1995《軍用熱像儀通用規(guī)范》中把熱像儀光軸平行性的這種性能定義為“系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線”，并給出的定義是熱像儀視線（LINE OF SIGHT）非旋轉(zhuǎn)軸線等對傳感器安裝基座的校準(zhǔn)要求（精度和穩(wěn)定度）[3]。但是在該標(biāo)準(zhǔn)中沒有對檢驗方法做出明確規(guī)定。因此如何準(zhǔn)確地測量熱像儀的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線是一個亟待解決的問題，本文就對該問題作一些探討。

1 系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的計算方法

熱像儀的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線一般用俯仰和方位兩個方向的偏差來表示，俯仰和方位是根據(jù)總體系統(tǒng)中熱像儀的最終安裝姿態(tài)來定義的。熱像儀在最終安裝姿態(tài)下，豎直方向即為俯仰方向，水平方向即為方位方向。

假設(shè)俯仰方面的偏差值為D，水平方向的偏差值為D，那么系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的計算公式為：

這樣，對系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的測試就轉(zhuǎn)化為分別測量瞄準(zhǔn)線在水平方向和垂直方向的偏差。

2 系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試方法分析

2.1 測試系統(tǒng)的基本組成

熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試系統(tǒng)的組成可能會因原理上的差異而有所不同，其通常由紅外平行光管（含靶標(biāo)）、安裝基面模擬面和測量系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1）經(jīng)紅外平行光管[4]準(zhǔn)直后出射的紅外輻射靶標(biāo)（通常選用合適大小的圓孔靶）：用于模擬熱像儀觀察到的無窮遠(yuǎn)目標(biāo)。

2）安裝基面模擬面：用于承載待測熱像儀，模擬總體端的安裝基面。在進行熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線指標(biāo)測量之前，應(yīng)先對測試系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，使安裝基面模擬面確定的光軸（安裝基準(zhǔn)軸）與紅外平行光管的光軸平行。

3）測量系統(tǒng)：用于測量或讀取系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線偏差，輸出測量結(jié)果。

圖1 熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試系統(tǒng)原理框圖

2.2 典型的測試系統(tǒng)及優(yōu)缺點分析

下面介紹2種典型的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試系統(tǒng)，并從其測試原理和測試方法兩方面對其優(yōu)缺點進行分析和總結(jié)。

2.2.1 測試方法一

2009年，葉露等建立了一種光軸與其系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的檢驗方法，該方法通過基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，將總體端的安裝基面和熱像儀的安裝基面這兩個不可分離的量，轉(zhuǎn)換為安裝基面模擬面和熱像儀的安裝基面兩個可分離可測量的量，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試[5]。

2.2.1.1 測試原理

測試原理如圖2所示，按如下步驟可測出熱像儀的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線：

1）調(diào)整平臺2下面的調(diào)整螺釘，使平臺2的上表面處于水平狀態(tài)；調(diào)整平臺1下面的調(diào)整螺釘，使其上的自準(zhǔn)直儀4發(fā)出的平行光經(jīng)直角棱鏡6反射后的自準(zhǔn)像的中心與自準(zhǔn)直儀4的十字分劃中心重合。這樣，就能保證自準(zhǔn)直儀4的光軸（以下簡稱光軸1）與平臺2的上表面相平行。

2）取下直角棱鏡6，調(diào)整平臺3下面的調(diào)整螺釘,使平行光管5焦面上的圓孔靶在自準(zhǔn)直儀4焦面上所成像的中心與自準(zhǔn)直儀十字分劃線的中心相重合。這樣，就能保證平行光管5的光軸（以下簡稱光軸2）與平臺2的上表面相平行，從而保證光軸1、光軸2和平臺2的上表面三者相互平行。

3）將熱像儀7置于平臺2上對準(zhǔn)平行光管5，要求其安裝基面與平臺2上表面接觸；調(diào)出熱像儀7的電十字分劃線，并使其處于視場中心，并在監(jiān)視器8中觀察平行光管5焦面上的圓孔靶像與電十字分劃線的相對位置；調(diào)整平臺3下面的調(diào)整螺釘，使監(jiān)視器8中圓孔靶像的中心與電十字分劃線的中心相重合。

4）取下熱像儀7，觀察自準(zhǔn)直儀4中圓孔靶像的中心與自準(zhǔn)直儀4中的十字分劃線中心的重合情況；由于光軸2被調(diào)整，與光軸1不再平行，即自準(zhǔn)直儀4中的像點中心與十字分劃線的中心不再重合；利用自準(zhǔn)直儀4的讀數(shù)鼓輪度量出光軸1和光軸2在方位和俯仰方向的偏離角度，代入公式(1)可得到熱像儀7的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線誤差，單位通常為mrad。

2.2.1.2 優(yōu)缺點分析

1）優(yōu)點

①對于單臺熱像儀來說，只需將其放置在平臺2上，即可進行測試。測試原理清晰，測試過程簡單、測試方法簡便易操作。

②測試系統(tǒng)幾乎適用于所有熱像儀的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試，設(shè)備通用性好。

2）缺點

受設(shè)備條件的限制，該測試系統(tǒng)也具有不足之處：

①由于熱像儀沒有緊固安裝在安裝基面模擬面（平臺2上表面）上，不能保證其安裝基面和安裝基面模擬面緊密接觸，這會導(dǎo)致測量值與實際情況不符。

②在完成測試系統(tǒng)光軸1、光軸2與平臺2上表面的平行度校準(zhǔn)后，用熱像儀7替換下直角棱鏡6進行測試時，由于兩者的重量或放置位置的差異，導(dǎo)致平臺2與光軸1、光軸2的平行度在校準(zhǔn)和測量兩個階段存在差異，從而引入測試誤差。

③每完成一次熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的測量，都會破壞原有的測試系統(tǒng)狀態(tài)，以至于要對下一臺熱像儀測量時，需重新對測試系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，測量過程相對麻煩。

2.2.2 測試方法二

2.2.2.1 測試原理

1）安裝基面平行度的校準(zhǔn)

安裝基面平行度的校準(zhǔn)原理如圖3所示，圓孔靶2處于紅外平行光管6的焦面上，其輻射能量經(jīng)過紅外平行光管6后，成像于無窮遠(yuǎn)（即岀射平行光）。分束鏡[6]3與圓孔靶2和CCD攝像機4的空間位置已通過高精度的機械定位。分束鏡3與光軸成45°角，其到CCD攝像機4的焦面和圓孔靶2的光程是相等的，即CCD攝像機4的焦面和圓孔靶2均處于紅外平行光管6的焦面上。平臺7固定于紅外平行光管6前面，兩者相對于地面的高度相差不大，其上有用于固定系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試工裝的4個通孔9。

圖3 基面平行度校準(zhǔn)原理圖

圖中，輻射源1發(fā)出的可見光先后經(jīng)過圓孔靶2、分束鏡3，進入紅外平行光管6，變成無限遠(yuǎn)成像光束，即平行光。紅外平行光管6輸出的平行光照射到立方鏡[7]8上，經(jīng)立方鏡8反射并先后經(jīng)紅外平行光管6、分束鏡3后，會在CCD攝像機4的焦面上形成一個圓點像（以下簡稱像點1），并輸出到監(jiān)視器5上。調(diào)出CCD攝像機視場中心的十字分劃線，此時可在監(jiān)視器5中看到十字分劃線和像點1。觀察監(jiān)視器5中像點1與電十字的相對位置，在平臺7上轉(zhuǎn)動立方鏡8，調(diào)整紅外平行光管尾端的調(diào)整手輪，使像點1的中心與電十字分化的中心重合。此時，可以認(rèn)為平臺7的上表面與紅外平行光管6的光軸相平行。

2）熱像儀的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的測試

在完成系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的校準(zhǔn)后，需要一個系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線平行性測試工裝10（以下簡稱工裝）來輔助進行熱像儀11的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的測量。為了確保測試工裝的安裝基準(zhǔn)軸與紅外平行光管的光軸平行，工裝10與熱像儀的安裝面和工裝10與平臺7的安裝面之間的平行度或垂直度（安裝面與產(chǎn)品光軸垂直時）要求很高；且工裝10為自身不易變形的剛性工裝，其上下表面均有螺紋孔，通過螺釘擰緊后，可實現(xiàn)平臺7與工裝10的安裝面，以及熱像儀11與工裝10的安裝面的緊密接觸。

取下分束鏡3、立方鏡8，用螺釘通過通孔9將工裝緊固在平臺7上。將熱像儀11的鏡頭對準(zhǔn)紅外平行光管6，將紅外熱像儀11安裝腳上的通孔對準(zhǔn)工裝10上的螺紋孔，并用螺釘擰緊。圓孔靶2的紅外輻射經(jīng)紅外平行光管6，成像到紅外熱像儀11的焦面上，并輸出到監(jiān)視器12上，如圖4所示。通過計算熱像儀11的像點中心到視場中心（一般用熱像儀十字分劃中心來標(biāo)識）的“豎直距離”，即可得到熱像儀11俯仰或方位方向的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線偏差（單位一般為mrad）。

圖4 測試方法二的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的測試原理圖

測試方法二已用于多種型號國產(chǎn)紅外熱像儀的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線平行性的測試，測試精度高，測試過程簡單可靠；基于該測試方法建立的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線平行性測試系統(tǒng)已在國內(nèi)XXX一級計量檢測站得到廣泛應(yīng)用。

2.2.2.2 優(yōu)缺點分析

1）優(yōu)點

①測試方法二幾乎適用于所有的熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的測試，設(shè)備通用性較好。

②平臺7和工裝10是剛性的，避免了測試方法一中因重量差異或放置位置差異而引入的測試誤差。

③熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試完成后，不會破壞現(xiàn)有測試系統(tǒng)的測試效果和測試精度，無需針對下一臺紅外熱像儀進行重新校準(zhǔn)，僅需一定時間（幾周或幾個月）對測試系統(tǒng)進行校準(zhǔn)或計量即可。

④平臺7與工裝10之間、紅外熱像儀和工裝10之間均用螺釘緊固配合，測試值更能反映系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線偏差的實際情況。

⑤光軸穩(wěn)定性的數(shù)值直接通過電腦計算得出，計算誤差處于微秒級，不會引入測試人員的讀數(shù)誤差。

2）缺點

①測試方法二僅對平臺7進行系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線平行性校準(zhǔn)，工裝10引入后，其上下表面的平面度誤差、上下表面之間的平行度誤差會疊加到測試結(jié)果中，影響測試精度；

②在進行系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試之前，均需設(shè)計加工與熱像儀對應(yīng)的工裝10，且每次需進行工裝10及紅外熱像儀的拆卸或緊固，測試過程相對麻煩一些。

3 測試精度分析及測試方法改進建議

3.1 測試精度分析

通過對測試方法一和測試方法二的優(yōu)缺點的分析總結(jié)，筆者認(rèn)為測試方法二較測試方法一的測試原理更嚴(yán)謹(jǐn)、測試精度更高。方法二的測試精度主要受立方鏡的角度誤差、工裝10上下表面的平面度誤差、工裝10上下表面之間的平行度誤差的影響。

立方鏡用于校準(zhǔn)安裝基面模擬面與紅外平行光管輸出平行光束之間的平行度，其自身的角度誤差會直接影響紅外熱像儀瞄準(zhǔn)線平行性的測試精度。立方鏡相鄰兩個面的角度誤差可以控制在22以內(nèi)。

工裝10上下表面的平面度誤差（設(shè)為）和上下表面之間的平行度誤差（設(shè)為）與安裝基面模擬面的長度或?qū)拵ВㄔO(shè)為）有關(guān)。一般來說，越小，、越好控制；但在縮小的同時，、需相應(yīng)減小，否則、對系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線平行性精度的影響會加大。、引入的某個方向（方位或俯仰）上系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線平行性測試誤差的最大值max≈3600(＋)/。根據(jù)國產(chǎn)典型紅外熱像儀的外形尺寸及當(dāng)前的機加水平，取300mm，、均為0.02mm，則max≈0.482。

綜上所述，方法二對紅外熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線平行性的測試誤差[8-9]最大值約為(2＋3600(＋)/)2；對國產(chǎn)典型紅外熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線平行性的測試誤差小于32，遠(yuǎn)低于國產(chǎn)典型紅外熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線平行性的技術(shù)指標(biāo)要求：0.3mrad(61.82)～0.8mrad(164.82)。

3.2 測試方法改進建議

可針對測試方法二的不足之處，進行設(shè)備改進，使其測試原理更嚴(yán)謹(jǐn)、測試精度更高。改進措施如下：

1）針對某幾種或更多型號的熱像儀的機械接口來設(shè)計工裝10，即在工裝10上設(shè)計能夠分別安裝多種型號紅外熱像儀的螺紋孔。在設(shè)計和加工過程中，在保證安裝螺紋孔各自的大小和位置的同時，嚴(yán)格控制工裝10上所有與熱像儀安裝基面接觸的平面（安裝基面模擬面）的平面度和平行度，一般控制在0.02mm以內(nèi)。

2）測試之前，對照測試方法二，直接對工裝10上的安裝基面模擬面進行系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線校準(zhǔn)，從而有效去除3.1節(jié)中所述的、誤差，進一步提高紅外熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線平行性的測試精度。

改進后的測試方法擁有測試方法二的所有優(yōu)點，改進或避免了測試方法二的缺點，測試原理更嚴(yán)謹(jǐn)；雖然只能針對有限種類的熱像儀進行測試，通用性相對于測試方法二稍差，但統(tǒng)一使用一套工裝10來對一定種類的熱像儀進行系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線測試，有利于提高測試精度和減小反復(fù)拆裝工裝10的繁瑣度；僅需定期對系統(tǒng)進行一次校準(zhǔn)或計量，即可在一定時間周期內(nèi)滿足一定種類和批量的紅外熱像儀系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的測試需求，測試通用性更好，測試效率更高。

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Discussion of Domestic Testing Methods for Parallelism of Optical Axis and Datum Clamp Plane for IR Imager

XIA Li-kun1，ZI Zheng-hua2，YAN Ming2，TAO Liang2，MO Qi-yuan1，WANG Zheng-qiang2，LI Chang-cheng1

（1.，650223，；2.，650223，）

Parallelism of optical axis and datum clamp plane for IR imager is discussed and its meaning is analyzed and summarized. Then, two typical domestic methods for parallelism of optical axis and datum clamp plane for IR imager are analyzed and their rigors, advantages and disadvantages are summarized. Finally, a more effective and reliable testing method is proposed. Its testing principle is more rigorous and its testing precision is higher.

IR imager，parallelism of optical axis and datum clamp plane，test method

TN216

A

1001-8891(2015)06-0523-05

2014-10-21；

2015-01-05.

夏麗昆（1974-），女，工程碩士，工程師，主要從事紅外產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督和檢驗驗收。

國防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研項目。