一種測試零位走動量的新方法

肖瑞兵，李 林，李彥生，王貴全，于振龍，王喬方，李曉斌

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一種測試零位走動量的新方法

肖瑞兵，李 林，李彥生，王貴全，于振龍，王喬方，李曉斌

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

針對熱像儀光軸穩(wěn)定性及瞄準(zhǔn)精度的高精度戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求，提出了一種測試零位走動量的新方法。通過對零位走動量常規(guī)測試方法的分析研究，總結(jié)出了影響測試零位走動量的主要不確定度，新方法基于計(jì)算機(jī)圖像視覺分析技術(shù)，采用特殊的軟件算法，將來自熱像儀的圖像信息進(jìn)行分析處理，建立熱像儀光學(xué)視場與電視場之間的等效換算關(guān)系，最終精確計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的零位走動量。

熱像儀；光軸穩(wěn)定性；零位走動量

0 引言

熱像儀零位走動量是表征熱像儀在各種環(huán)境條件下（如高低溫、沖擊振動）保持光軸穩(wěn)定的一種能力，是熱像瞄準(zhǔn)具非常重要的指標(biāo)。光電系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如果在使用過程中，其光軸發(fā)生偏差[1]，偏差太大將嚴(yán)重影響武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)性能。所以，目前瞄準(zhǔn)用的熱成像器具均要求有很高的光軸穩(wěn)定精度，評定光軸穩(wěn)定性的指標(biāo)就是零位走動量[2]。

軍用紅外熱像儀的光軸穩(wěn)定性，一般要求小視場光軸穩(wěn)定性誤差應(yīng)小于±0.08mrad，甚至有的項(xiàng)目要求達(dá)到±0.04mrad，這是一個(gè)對熱像儀非常高要求的指標(biāo)，為了滿足戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求，必須研建高精度的測試系統(tǒng)或采用新方法[3]。

零位走動量檢測系統(tǒng)是在前期摸索過程中搭建起來的，所以檢測精度比較低，由于武器系統(tǒng)對熱像儀的瞄準(zhǔn)精度提出了越來越高的要求，現(xiàn)有的檢測設(shè)備已無法滿足研制和生產(chǎn)需求，必須開展零位走動量測試精度提高的工藝技術(shù)研究[4]，為研建新的測試系統(tǒng)打好基礎(chǔ)，解決檢測工藝瓶頸問題。

1 常規(guī)方法的簡介及分析

目前，測試熱像儀零位走動量的常規(guī)方法是：利用紅外準(zhǔn)直儀模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)（一般是點(diǎn)目標(biāo)）；使用光學(xué)自準(zhǔn)儀保證觀瞄系統(tǒng)機(jī)械復(fù)位（環(huán)境實(shí)驗(yàn)前與環(huán)境實(shí)驗(yàn)后），即光學(xué)自準(zhǔn)儀起到一個(gè)測試基準(zhǔn)的作用；將高精度二維轉(zhuǎn)臺置于高低溫箱體中（被測熱像儀置于高低溫箱中），并使高低溫箱體在紅外準(zhǔn)直儀與光學(xué)自準(zhǔn)儀之間，高精度二維轉(zhuǎn)臺測量環(huán)前與環(huán)后熱像儀光軸偏移的偏差量。測試系統(tǒng)的典型配置有：紅外準(zhǔn)直系統(tǒng)、高精度二維轉(zhuǎn)臺、高低溫箱體、光學(xué)自準(zhǔn)儀、監(jiān)視器、系統(tǒng)電源。常規(guī)測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 零位走動量常規(guī)測試系統(tǒng)布置圖

通過對常規(guī)方法的分析發(fā)現(xiàn)存在如下的問題：

1.1 主觀因素大，影響測試精度的因素較多

常規(guī)方法的測試精度主要依靠高精度二維轉(zhuǎn)臺精度、目標(biāo)點(diǎn)的大小、目視對齊程度來保證的。目前，我們普遍采用的高精度二維轉(zhuǎn)臺的精度是32。

目標(biāo)點(diǎn)大小直接影響著目視對齊的精度，因此盡量將目標(biāo)點(diǎn)做小，但由于受熱像儀性能的制約，既要兼顧熱像儀能夠探測到目標(biāo)點(diǎn)，也要保證目標(biāo)點(diǎn)盡量小，目標(biāo)點(diǎn)不可能做到與分劃線等寬，這增加了操作者在對齊時(shí)的難度。另外目標(biāo)點(diǎn)與熱像儀分劃中心的對齊操作是通過人眼目視觀察進(jìn)行的，不同操作者對齊的效果不盡相同。同一操作者環(huán)境試驗(yàn)前及環(huán)境試驗(yàn)后的對齊也沒有一個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn)，受操作者主觀影響較大。

1.2 測試過程必須使用熱像儀分劃中心作為對齊參照點(diǎn)，單點(diǎn)測量難

常規(guī)方法必須使用熱像儀分劃作為對齊參照點(diǎn)，環(huán)境實(shí)驗(yàn)前必須將熱像儀分劃移動到視場中心，并記錄分劃坐標(biāo)；環(huán)境實(shí)驗(yàn)后，還需檢查分劃是否移位了；此方法只能做一次單點(diǎn)測量。

目前大部分熱像儀分劃形狀都是分段分劃，且分劃中心都有點(diǎn)分劃，目視可以方便地對齊。但也有部分產(chǎn)品，分劃與一般產(chǎn)品的不相同，分劃中心是空心的，沒有中心點(diǎn)分劃。對于這樣形狀的分劃，需人為估計(jì)，將熱像儀中的目標(biāo)點(diǎn)像對齊分劃中心，更是增添了測試過程的不確定度。

1.3 測試效率低

常規(guī)測試方法要求：某一臺產(chǎn)品進(jìn)行零位測試時(shí)，這套測試系統(tǒng)就被占用，直到該臺產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)后測試完成才被釋放。大部分產(chǎn)品的零位測試均是常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目；同一時(shí)段，如果產(chǎn)品種類少，目前的測試系統(tǒng)數(shù)量還能應(yīng)對；如果同一時(shí)段，產(chǎn)品種類多、集中交付時(shí)，測試系統(tǒng)數(shù)量就很難應(yīng)付了。為了更精確地描述常規(guī)方法的精度問題，我們對其進(jìn)行了系統(tǒng)不確定分析。

1.4 測量不確定度分析

國際測量組織采用“測量不確定度”作為一個(gè)測量參數(shù)的準(zhǔn)確度的衡量，測量不確定度表述和最好值的接近程度，通過估計(jì)測量結(jié)果離散度的標(biāo)準(zhǔn)差來衡量測量質(zhì)量，不確定度一般用測量過程的數(shù)學(xué)模型和傳遞規(guī)則來評估。在常規(guī)零位走動量測試方法中，主要的測量不確定度分析如下[5]：

1）測試人員恢復(fù)點(diǎn)目標(biāo)像引入的不確定度

首先，分析測試人員在進(jìn)行熱像儀目標(biāo)點(diǎn)像與分劃線恢復(fù)到原來相對位置關(guān)系的過程中引入的不確定度，它包括兩個(gè)方面的因素，一個(gè)方面的因素是對熱像儀的調(diào)節(jié)引起的，如焦距、亮度、對比度的調(diào)節(jié)，另一個(gè)方面是觀察者的對準(zhǔn)誤差引起的。點(diǎn)目標(biāo)像不可能是一個(gè)理想的點(diǎn)，總有一定的尺寸，觀察者站在不同的觀測位置進(jìn)行對準(zhǔn)總難免引入測試的不確定度。測試人員對點(diǎn)目標(biāo)像的對準(zhǔn)（相對位置的恢復(fù)）引入的不確定度通過多次測量來考量，采用A類不確定度評定方法：

測量不確定度：

測試結(jié)果如表1所示。

表1 多次數(shù)據(jù)測量所得不確定度

2）測試轉(zhuǎn)臺引入的不確定度

選用的二維轉(zhuǎn)臺在水平方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為2″，在豎直方向上的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為3″。由此可知轉(zhuǎn)臺的不確定度為：

3）測試環(huán)境影響引入的不確定度

測試環(huán)境的影響主要包括溫濕度的變化、環(huán)境的振動（包括地基振動和聲振動）、測試人員在活動過程引起的大氣擾動影響及其他應(yīng)力形變，這些影響因素一方面將造成紅外平行光管的光軸微小變化，另一方面，將影響到作為基準(zhǔn)的自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀的光學(xué)平臺發(fā)生變化，從而給測試帶來了誤差，根據(jù)目前的試驗(yàn)條件分析，前者的偏差極限為：±0.1″，后者的偏差極限為±0.5″。假設(shè)測試環(huán)境帶來的偏差為均勻分布，故不確定度分別為：

合成不確定度為：

正常情況下，可以滿足上述要求，若無法滿足上述要求則認(rèn)為不具備測試的環(huán)境條件，如在試驗(yàn)過程中，光電自準(zhǔn)直儀及其基座被觸碰，可能導(dǎo)致光電自準(zhǔn)直儀的光軸發(fā)生很大的偏差，則試驗(yàn)作廢。

4）紅外平行光管出射光束的不平行性引入的不確定度

因小孔徑光闌位于紅外準(zhǔn)直系統(tǒng)焦面上的誤差為±2mm，根據(jù)牛頓公式，以紅外準(zhǔn)直系統(tǒng)焦距為2m，計(jì)算的物方距離為：

＝22/0.002＝2000m

由于采用機(jī)械輔助光學(xué)法定位，產(chǎn)品在轉(zhuǎn)臺上沿垂直于平行光管軸線的平面移動的極限誤差為2mm，此時(shí)，平行光管出射光束不平行性引起的最大誤差為：

＝arctan(rad) (6)

紅外平行光管出射光束的不平行性引起的測試不確定度按均勻分布計(jì)算得：

5）高低溫試驗(yàn)對工藝反射鏡的影響引入的不確定度

平面反射鏡作為工藝反射鏡，對自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀的成像質(zhì)量起著決定性作用，通常，平面反射鏡的反射面質(zhì)量用光圈數(shù)來表示，它表征了反射鏡偏離理想平面的程度，該數(shù)值用激光干涉儀來測量，它由半徑偏差、像散和局部偏差組成。本分析主要考慮經(jīng)緯儀兩次對準(zhǔn)的位置偏移量引起的反射自準(zhǔn)直像的偏差，從而引入測量的不確定性[6]。由于平面反射鏡不可能是理想的平面，所以，平面反射鏡平面度引起的偏差可以用下式來計(jì)算：

式中：為平面反射鏡的偏移量，直徑為30mm平面反射鏡，按照高低溫試驗(yàn)前后自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀對準(zhǔn)時(shí)，反射點(diǎn)最大偏移量不超過2mm來計(jì)算；＝2/8，＝30mm為平面鏡直徑，為平面反射鏡的面形偏差，＝/2，＝2（為光圈數(shù)，按照極限值＝2計(jì)算，＝632.8nm為測試波長）。

則極限偏差為：

測量按均勻分布計(jì)算，不確定度為：

6）光學(xué)自準(zhǔn)直儀測量偏差引入的不確定度

按照自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀說明書和校準(zhǔn)報(bào)告，所用的自準(zhǔn)直儀測試精度為1″，若測量按均勻分布計(jì)算，則其不確定度為：

最終合成的不確定度如下所示：

則c=4.412。

2 新的測試系統(tǒng)方案簡介

根據(jù)前面的分析可知，引入測量不確定度最大的是測角用的數(shù)顯轉(zhuǎn)臺以及測量人員對目標(biāo)點(diǎn)的對準(zhǔn)誤差，如何降低兩者的測量誤差：一種方法是采購高精度的測量轉(zhuǎn)臺，另一種方法是不用數(shù)顯轉(zhuǎn)臺來測量，而用圖像分析的方法來測量零位走動量，根據(jù)這個(gè)思想，本文以熱像儀的十字分劃線為基準(zhǔn)，用圖像采集分析的方法來測量零位走動量。

測試零位走動量的新方法是基于計(jì)算機(jī)圖像視覺分析技術(shù)，采用先進(jìn)的軟件算法，將來自熱像儀的圖像信息進(jìn)行分析處理，建立熱像儀光學(xué)視場與電視場之間的等效換算關(guān)系，精確計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的微小角位移（即：零位走動量）的測量方法。

測試系統(tǒng)配置：紅外準(zhǔn)直系統(tǒng)（含點(diǎn)目標(biāo)）、高低溫箱體、光電自準(zhǔn)直儀、可調(diào)節(jié)支架、計(jì)算機(jī)及分析軟件、及系統(tǒng)電源。新測試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

靶標(biāo)（即點(diǎn)目標(biāo)）位于準(zhǔn)直儀的焦面上，模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，使被測熱像儀接收到近似于無窮遠(yuǎn)目標(biāo)的平行光束。熱像儀放在高低溫箱體中，調(diào)整熱像儀的位置使點(diǎn)目標(biāo)經(jīng)過熱像儀所成的像點(diǎn)處于熱像儀的分劃中心并鎖定位置，再調(diào)整光電自準(zhǔn)直儀的位置使其十字分劃經(jīng)熱像儀后表面平面反射鏡所成的像位于光電自準(zhǔn)直儀的分劃中心并鎖定位置。圖像采集卡實(shí)時(shí)采集熱像儀光軸隨溫度偏移的圖像并進(jìn)行計(jì)算處理得到光軸零位走動量的數(shù)據(jù)。

2.1 目標(biāo)像點(diǎn)的抽象化

采用高分辨率圖像采集卡，將熱像儀視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，建立像素空間坐標(biāo)系，目標(biāo)像點(diǎn)在坐標(biāo)參照系中的位置就被明確定義。如圖3所示。

由于目標(biāo)像點(diǎn)是有大小的，本文采用了相關(guān)算法，將有大小的目標(biāo)像點(diǎn)抽象為坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)（這個(gè)點(diǎn)類似目標(biāo)像點(diǎn)的“質(zhì)心”，沒有大?。?，且計(jì)算出“質(zhì)心”點(diǎn)的坐標(biāo)（用重心法來計(jì)算），即完成目標(biāo)像點(diǎn)的抽象化，如圖4所示。

2.2 目標(biāo)像點(diǎn)微位移的計(jì)算

在新方法中，零位走動量測試就是計(jì)算目標(biāo)像點(diǎn)“質(zhì)心”環(huán)前與環(huán)后的相對位移量，若目標(biāo)像點(diǎn)位移前后的“質(zhì)心”像素灰度坐標(biāo)值為(0,0)與(1,1)，如圖5所示。

光軸偏移具體計(jì)算方法如下例所示：若某熱像儀窄視場為1.2°×0.9°，所采用的圖像采集卡分辨率為768×576。設(shè)每個(gè)像元的空間張角為：

＝1.2×3600/768＝5.632(13)

若目標(biāo)像點(diǎn)偏移前后的“質(zhì)心”像素坐標(biāo)之差為(D,D)，則光軸的偏移量為：

那么零位走動量即就為：

＝(15)

圖2 零位走動量新測試系統(tǒng)布置圖

圖3 圖像等效轉(zhuǎn)換示意圖

Fig.3 Schematic diagram of image equivalent transformation

圖4 點(diǎn)目標(biāo)像的抽象

Fig.4 The abstraction of point target image

圖5 單一點(diǎn)目標(biāo)像位移量計(jì)算

Fig.5 Calculation of single point target image displacement

2.3 新方法的測試不確定度分析

新方法的測試不確定度主要由下面幾個(gè)因素構(gòu)成：①測試人員恢復(fù)點(diǎn)目標(biāo)像引入的不確定度；②測試環(huán)境的影響引入的不確定度；③紅外平行光管出射光束的不平行性引入的不確定度；④高低溫試驗(yàn)對工藝反射鏡的影響引入的不確定度（包括產(chǎn)品復(fù)位過程中引入的不確定度）；⑤光電自準(zhǔn)直儀測量誤差引入的不確定度；⑥圖像采集誤差引入的不確定度。

在此，前4個(gè)的不確定度大致和常規(guī)測試方法的不確定度相同，在這里我們只分析后兩者的不確定度。

1）光電自準(zhǔn)直儀測量誤差引入的不確定度

按照光電自準(zhǔn)直儀的參數(shù)指標(biāo)，所用的自準(zhǔn)直儀測試精度為0.2″，若測量按均勻分布計(jì)算，則其不確定度為：

2）圖像采集誤差引入的不確定度

最終整個(gè)新方法的合成不確定度為：

最終得到：

c＝2.482

對比傳統(tǒng)的測試方法，改進(jìn)后的測試方法不確定度下降了1.93″，高低溫試驗(yàn)前后零位走動量測試不確定度由原來的4.41″降低到了2.48″。

3 結(jié)論

本論文通過對傳統(tǒng)光軸偏移測試方法研究及分析，提出了一種新的測試方法，該測試方法的優(yōu)點(diǎn)是：①通過圖像采集，建立像素相對位置坐標(biāo)，進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)抽象“質(zhì)心“化，可準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)像點(diǎn)的位置坐標(biāo)，并可實(shí)時(shí)記錄位置坐標(biāo)，操作簡便，減少了測試人員目視對齊和測試轉(zhuǎn)臺精度有限引入的不確定度，在減少設(shè)備誤差、人為誤差的基礎(chǔ)上提高了測試精度，并解決了單臺測試占用測試設(shè)備過多，時(shí)間過長，測試效率低下的問題，滿足了紅外熱像儀零位走動測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠、數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)等測試要求。②新方法在原有測試設(shè)備上，去除二維數(shù)顯轉(zhuǎn)臺，僅需要一個(gè)圖像采集裝置和后端分析計(jì)算程序就可實(shí)現(xiàn)，不增加測試設(shè)備硬件投入，成本小，效率高?？傊?，新方法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了紅外熱像儀零位走動量的精確測試，實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)器視覺的分析測試功能，有效控制了熱像儀的瞄準(zhǔn)質(zhì)量，并提供了可靠、準(zhǔn)確的參數(shù)數(shù)據(jù)，滿足了紅外成像產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化、市場化、軍事化的發(fā)展需求。經(jīng)一段時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證表明，該方法具有穩(wěn)定、可靠、精度高、工作效率高的特點(diǎn)。

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A New Method to Measure the Zero Position offset

XIAO Ruibing，LI Lin，LI Yansheng，WANG Guiquan，YU Zhenlong，WANG Qiaofang，LI Xiaobin

(,650223,)

According to the requirement of the high precision tactical index for the stability of the optical axis and the accuracy of the assembly, a new method to measure the zero position offset of the camera is proposed. Through the analysis and research of zero position offset with conventional test methods, the main factors that impact the zero position offset test are summed up. New methods are based on computer vision and image analysis technology, using the advanced software algorithms to analyze thermal imager image information and build a equivalent relationship between thermal imager optical field of view (FOV) and television field. Finally, the point target of zero position offset is calculated accurately.

thermal imager，stability of optical axis，zero position offset

TP274

A

1001-8891(2017)02-0178-06

2016-06-15；

2016-01-08.

肖瑞兵（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧t外測試技術(shù)。E-mail:610656371@qq.com。