光電跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定精度測試方法研究

王科偉，王小怡，王 晶，劉召慶，王生讓，張魁甲

（1.總參陸航部駐西安應用光學研究所軍事代表室，陜西 西安710065；2.西安應用光學研究所，陜西 西安710065）

引言

光電跟蹤系統(tǒng)主要有瞄準線穩(wěn)定系統(tǒng)、偵察系統(tǒng)、夜間飛行導航系統(tǒng)等。其中穩(wěn)瞄系統(tǒng)最復雜，并且其性能和精度最高。穩(wěn)瞄系統(tǒng)用于隔離載機（直升機、車輛等）振動所引起的圖像晃動，保證光電傳感器的分辨率和輸出圖像的穩(wěn)定性。該類設備最重要的性能指標是穩(wěn)定精度，可通過載機振動的隔離殘差表征。通常，用于瞄準的穩(wěn)瞄系統(tǒng)只需穩(wěn)定方位和俯仰2個軸，橫滾方向不需要穩(wěn)定。按結構形式劃分，穩(wěn)瞄系統(tǒng)可分為兩軸兩框架系統(tǒng)和兩軸四框架系統(tǒng)，兩軸兩框架系統(tǒng)的穩(wěn)定精度一般約為100μrad；兩軸四框架系統(tǒng)的穩(wěn)定精度范圍可達20μrad～40μrad。未來發(fā)展方向是采用粗精組合穩(wěn)定方式，其精度可達5μrad～10μrad［1－5］。針對光電跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定精度測試需求，提出一種穩(wěn)定精度動態(tài)測試方法。該測試方法根據(jù)光學自準直原理，搭建穩(wěn)定精度測試平臺。由安裝于被測光電跟蹤系統(tǒng)上的反射鏡反映系統(tǒng)的振動狀態(tài)，通過反射鏡反射光束至CCD探測器，將被測系統(tǒng)μrad級的角位移變化放大并轉換成光電探測器光敏面上可檢測的光斑位置變化，結合圖像質心算法對圖像數(shù)據(jù)進行處理，最終獲得系統(tǒng)穩(wěn)定精度指標。

1 測量原理

光電跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定精度指標通常具有小的角度范圍和高的測量精度要求，根據(jù)此屬性，該測量系統(tǒng)采用了光學自準直原理，測量系統(tǒng)光路圖如圖1所示，光線通過位于物鏡焦平面的分劃板后，經(jīng)物鏡形成平行光。平行光被垂直于光軸的反射鏡反射回來，再次通過準直鏡頭后由分光棱鏡轉折匯聚在位于共軛焦平面的CCD表面，形成分劃板像。當反射鏡傾斜一個微小角度時，反射回來的光束就產(chǎn)生一個傾角，位于CCD探測表面的分劃板像就產(chǎn)生一個位移。通過CCD對分劃板像位移的判讀就可以得知反射鏡的角位移。

圖1 測量系統(tǒng)光路圖Fig.1 Optical path of measurement system

測量原理示意圖如圖2所示。

圖2 測量原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement

分光棱鏡與反射鏡之間的距離為D，分光棱鏡與CCD探測面之間的距離為d，為便于說明，圖中將分光棱鏡的反射光線沿平面鏡的反射光路方向展開，經(jīng)穩(wěn)定平臺穩(wěn)定后的反射鏡角度改變?yōu)棣?，由此引起的CCD面上光斑的改變量為Δ，由圖中容易看出：

因為α很小，所以有：

式中D，d均是可以根據(jù)光路布置確定的常數(shù)，所以被測穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定精度α可以從CCD上的光斑偏移量Δ計算得出。

測試一個時間歷程，通過測量CCD靶面上的光斑偏移量Δ，可得到光電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定精度測試結果σ。

2 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)由高速動態(tài)自準直儀、測試用計算機、測試軟件和光源組成，穩(wěn)定精度測試系統(tǒng)示意圖如圖3所示。光源使用LED光源。高速動態(tài)自準直儀發(fā)出一束光，被置于穩(wěn)瞄光具座上的反射鏡返回后成像在探測器上，反射光偏轉，則反射角度偏轉2倍，探測器通過測量其上光學像的位置變化，能夠獲得反射角度，通過軟件對該角度進行統(tǒng)計計算，可獲得系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。

圖3 穩(wěn)定精度測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Framework for testing stability accuracy

2.1 高速動態(tài)自準直儀

根據(jù)測量系統(tǒng)方案，初步選定西安光衡光電科技有限公司的高速動態(tài)自準直儀，并針對系統(tǒng)的特性進行改進設計。此高速動態(tài)自準直儀使用了線陣CCD作為探測器，在對光電穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)進行測量時，線陣CCD是對方位和俯仰分別進行測量的。線陣CCD先對方位進行測量，如果出現(xiàn)俯仰偏轉，這時線陣CCD是探測不到數(shù)據(jù)的，再對俯仰進行測量時如若出現(xiàn)方位的偏轉，線陣CCD也是無法探測到的?；诖朔N原因，必須將線陣CCD更換為面陣CCD。該裝置改用了1／2英寸（1.27cm）格式大面陣CCD探測器，型號為FTM50，具有高分辨率、高感光度，抗暈性能好等特點。FTM50型CCD的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 CCD產(chǎn)品（FT50M）相關特性參數(shù)Table 1 CCD-related（FT50M）parameters

從表1可知，F(xiàn)T50M的像素尺寸為5.6μm×5.6μm，高速動態(tài)自準直儀器的焦距是200mm，結合測量精度要求，根據(jù)（3）式得到：

可以看到FT50M探測器達到14μrad級，再經(jīng)過圖像處理之后會更小。本文針對兩軸兩框架穩(wěn)瞄系統(tǒng)的穩(wěn)定精度測試需求開展研究工作，兩軸兩框架系統(tǒng)的穩(wěn)定精度通常在50μrad～100 μrad之間，穩(wěn)定精度按50μrad考慮，所以 遠小于50μrad，此探測器滿足要求。

2.2 信號處理

信號處理流程如圖4所示。

圖4 信號處理流程圖Fig.4 Flow chart of signal processing

質心法圖像預處理算法一般包括：灰度值的計算、圖像半閾值化、圖像邊緣提取，最后根據(jù)質心法計算質心。

1）計算圖像灰度值

對應于每個灰度值，求出圖像中具有該灰度值像素數(shù)的圖形叫做灰度值直方圖。直方圖是表達圖像灰度級分布情況的統(tǒng)計表，但直方圖不提示像素的具體位置。由于直方圖能夠直觀地表征圖像特性的信息，因此在圖像處理中起著非常重要的作用，可以用來作為圖像數(shù)字化的參數(shù)和確定分割圖像閾值的依據(jù)。

2）圖像半閾值化

半閾值法，即將灰度級低于某一閾值的像素灰度變換為0，而其余的灰度級不變，仍保留原來的灰度值［6－7］。其處理方法如下：

全局閾值是根據(jù)整幅圖像f確定的：

式中B為圖像閾值。

設圖像目標為I，I中的每一個像元I（i，j）與閾值B相減，結果大于B值的像素灰度保持不變。結果小于B 值的為“0”。設f（i，j）＝I（i，j）－B，則有：

3）圖像的邊緣檢測

圖像邊緣提取是測量的基礎和關鍵。首先，對經(jīng)過半閾值化處理后的圖像生產(chǎn)一幅矩陣數(shù)據(jù)表；隨后，對這幅圖表在X和Y方向各進行一次卷積，采用的算子為一種較為常用的Sobel算子，圖5所示為Sobel算子，得到兩組數(shù)據(jù)表；再將這兩組數(shù)據(jù)進行相應取最大值運算，可用公式表示如下：

式中：（i，j）為數(shù)據(jù)表中的X和Y方向相應單元格坐標；fX（i，j），fY（i，j）分別為第一和第二組數(shù)據(jù)表中（i，j）處的數(shù)據(jù)。

圖5 Sobel邊緣檢測算子Fig.5 Sobel edge detection operator

最后，查找到的一個最大的f0（i，j）必為邊緣像素，取以f0（i，j）中心的3像素×3像素為單元，對比f0（i，j）周邊值，找到其中的最大值作為下一個邊緣點。如此下去，直到邊緣封閉為止。

4）質心算法

本文采取傳統(tǒng)質心求取算法。圖像質心即圖像灰度的重心，設圖像有i，j兩個方向，m，n分別為i，j方向像素的數(shù)量，g（i，j）為像素點（i，j）處的灰度值，則圖像質心位置坐標表達式如下：

3 試驗結果

首先將自準直儀、計算機、電源等部件連接，并將反射鏡粘貼在被測系統(tǒng)上。其次，測試前行初始對準時，必須通過調(diào)節(jié)安裝夾具使紅光激光束大致入射在測試反射鏡幾何中心位置，以保證測試過程中入射光點始終落在測試鏡上，同時保證經(jīng)過測試反射鏡反射后的光點落在高速動態(tài)自準直儀CCD光敏面的中心點位置附近，以確保測試光點的晃動落在器件線性度較好的區(qū)域。

對某型光電跟蹤系統(tǒng)在室內(nèi)進行動態(tài)穩(wěn)定精度的測量，并對其數(shù)據(jù)進行處理。對采集數(shù)據(jù)的處理分析：首先對測量的圖像數(shù)據(jù)進行了質心的求??；其次將所有圖像的質心作了線性擬合，并對其進行去漂移過程；再次，將處理的結果作了一個均方根的計算，得出穩(wěn)定精度，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 結果數(shù)據(jù)表Table 3 Datasheets of result

將各個方向兩種工作模式下的方位和俯仰進行均方差處理，即可以看出系統(tǒng)分別在X，Y，Z向的兩種工作模式下的穩(wěn)定精度：

4 結論

本文提出一種以光學自準直原理為主要技術的穩(wěn)定精度測試方法，完成了基于光學自準直技術的測試研究。從實驗結果可以看出，測試50μrad級兩軸兩框架系統(tǒng)的穩(wěn)定精度，測出最大穩(wěn)定精度為48μrad，所以本測試系統(tǒng)能滿足50μrad級兩軸兩框架系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定精度測試需求。

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