相對角運動對多光軸平行性校準(zhǔn)的影響分析

馮穎，張衛(wèi)國，王譚

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相對角運動對多光軸平行性校準(zhǔn)的影響分析

馮穎，張衛(wèi)國，王譚

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

針對振動環(huán)境下的多個傳感器光軸平行性校準(zhǔn)需求，基于多光軸平行性校準(zhǔn)的基本原理，建立了相對角運動對多光軸平行性校準(zhǔn)精度影響的理論模型。分析表明，由于紅外探測器積分時間較長，激光和紅外熱像儀校準(zhǔn)精度受角振動的影響更大。提出降低相對角運動的方法，即縮短紅外探測器積分時間和利用減振器降低相對角運動的幅度。在此基礎(chǔ)上，通過實驗得到紅外銻化銦探測器的最短積分時間為600 μs，并進(jìn)行實例分析，結(jié)果表明，選用減振器使相對角運動為低頻小振幅時，相對角運動對激光/電視校準(zhǔn)精度的影響小于1個像素，相對角運動對激光/紅外校準(zhǔn)精度的影響為1～2個像素。

相對角運動；多光軸平行性校準(zhǔn)；校準(zhǔn)裝置；積分時間

1 引言

光電系統(tǒng)通常包含激光測距機(jī)、電視攝像機(jī)、紅外熱像儀等多種傳感器。各傳感器間的光軸平行性作為光電系統(tǒng)性能的一個重要參數(shù)，在保證武器系統(tǒng)的命中概率和精度方面起著至關(guān)重要的作用[1]。通常的方法是用平行光管進(jìn)行校準(zhǔn)操作，平行光管和多傳感器光電系統(tǒng)保持相對靜止[2-5]，而在實際使用中，常需要在振動環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)。受振動影響，平行光管和多傳感器光電系統(tǒng)之間存在相對角運動，會嚴(yán)重影響校準(zhǔn)精度。目前，對于實際使用中角振動對多光軸平行性校準(zhǔn)精度的影響鮮有研究。

本文針對包含電視、熱像儀和激光器三種傳感器的光電系統(tǒng)光軸平行性校準(zhǔn)開展研究，提出了一種在振動環(huán)境中校準(zhǔn)激光與電視、激光與熱像儀光軸的方法。分析了相對角運動對多光軸平行性校準(zhǔn)精度的影響，提出減少相對角運動的方法，即縮短紅外探測器積分時間方法和利用減振器降低相對角運動的幅度方法，并以某一產(chǎn)品實際參數(shù)進(jìn)行模擬計算分析。

2 多傳感器光軸平行性靜態(tài)校準(zhǔn)方法的原理

當(dāng)對多個傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時，光電系統(tǒng)與平行光管均處于靜止?fàn)顟B(tài)。如圖1所示，激光器發(fā)射激光，在平行光管的感光靶紙上灼燒出小孔，觀瞄傳感器（電視/熱像儀）觀察小孔光斑，并根據(jù)此光斑位置通過機(jī)械調(diào)整或電子調(diào)整，實現(xiàn)觀瞄傳感器與激光器的光軸校準(zhǔn)。

3 多傳感器光軸平行性動態(tài)校準(zhǔn)方法的原理

光電系統(tǒng)在實際使用中，經(jīng)常需要在振動環(huán)境中校準(zhǔn)瞄準(zhǔn)線，由于振動影響，光電系統(tǒng)與平行光管之間存在相對角運動。當(dāng)存在角運動的時候，觀瞄傳感器難以瞄準(zhǔn)感光靶紙上光斑。

圖1 靜態(tài)校準(zhǔn)原理

如圖2所示，校準(zhǔn)裝置主體是一個多波段卡塞格林反射物鏡，小孔光闌位于焦面上，CMOS1中心位于小孔光闌的共軛位置。小孔光闌被白熾燈照亮后，形成校軸基準(zhǔn)，能夠被電視和熱像儀觀察到。分光鏡透射1.06 μm的激光，反射0.7～0.9 μm和3～5 μm的光線。激光器發(fā)射激光，CMOS1收到激光光斑（光斑1），此光斑中心與CMOS1中心在兩個方向上的偏差分別為1，1；在發(fā)射激光的同時，電視/熱像儀通過小孔光闌接收到像光斑（光斑2），設(shè)此光斑中心與電視/熱像儀探測器中心在兩個方向上偏差分別為2，2.

光軸偏差如圖3所示。由于CMOS1中心位于小孔光闌的共軛位置，因此3和2是共軛統(tǒng)一的；于是1和4通過3和2建立了關(guān)聯(lián)。從而電視/熱像儀與激光器的光軸偏差為△=1－2、△=1－2.通過機(jī)械調(diào)整或電子調(diào)整，即可校準(zhǔn)觀瞄傳感器與激光器的光軸。

圖2 動態(tài)校準(zhǔn)原理

1—激光光斑中心，即激光器光軸；2—小孔光闌像光斑中心； 3—CMOS1中心；4—CMOS2/紅外探測器中心，即電視/熱像儀光軸。

4 相對角運動對多光軸平行性校準(zhǔn)精度的影響分析

根據(jù)前文描述，如果能夠同一時刻采集CMOS1中激光光斑中心位置和CMOS2中小孔光闌像位置，即可計算出電視和激光器的光軸偏差。同樣，通過采集CMOS1中激光光斑中心位置和紅外探測器中小孔光闌像位置，可計算出紅外熱像儀和激光器的光軸偏差。在實際應(yīng)用中，由于受成像傳感器積分時間影響，難以實現(xiàn)同一時刻采集光斑信號，以下對影響進(jìn)行分析。

將光電系統(tǒng)和校準(zhǔn)裝置間的相對角運動簡化，為正弦運動。光電系統(tǒng)設(shè)定為靜止，如圖3中橫直線，也是激光斑的角振動曲線。

如圖4所示，在時刻1激光器發(fā)射激光；在2時刻校準(zhǔn)裝置的CMOS1曝光完成，接收到激光光斑；同樣在2時刻光電系統(tǒng)的電視探測器CMOS2曝光完成，接收到光源光斑；在3時刻光電系統(tǒng)的紅外探測器曝光完成，接收到光源光斑。2－1為CMOS的積分時間；3－1為紅外探測器的積分時間。

圖4 相對角運動影響圖

激光/電視校軸時，1時兩光軸角偏差為Δ1，2時兩光軸角偏差為Δ2，角運動對激光/電視校準(zhǔn)精度的影響為Δ2－Δ1，由于2－1為CMOS的積分時間為微秒級，因此相對角運動對激光/電視校準(zhǔn)精度影響較小。

激光/紅外校軸時，1時兩光軸角偏差為Δ1，3時兩光軸角偏差為Δ3.因此角運動對激光/紅外校準(zhǔn)精度的影響為Δ3－Δ1.由于3－1為紅外探測器的積分時間為毫秒級，因此相對角運動對激光/紅外校準(zhǔn)精度影響較大。可以看出，校準(zhǔn)精度與角運動頻率、振幅和成像傳感器積分時間相關(guān)。

5 降低相對角運動的方法

從上述分析可知，為保證激光/紅外光軸的校準(zhǔn)精度，需要減小相對角運動，具體采用以下兩個途徑。

5.1 縮短紅外探測器的積分時間

縮短紅外探測器的積分時間，同時較短的積分時間還可以捕捉到較小的圓形光斑，減少了相對角運動帶來的光斑擴(kuò)散和圖像模糊，更易于尋找光斑中心。

積分時間的縮短要保證足夠的光源光斑與背景噪聲的對比度，使光源光斑可以被分辨。經(jīng)簡單推導(dǎo)可得：

式（1）中：為積分時間；為光斑的探測閾值；為探測器總噪聲電壓；為與探測器有關(guān)的常量；為探測器像面上接收的輻照度；Δ為每個灰度對應(yīng)的電壓值，為常量。

可以看出，通過增大探測器像面上接收的輻照度可以縮短積分時間，即可以通過增大校準(zhǔn)裝置內(nèi)光源的功率來縮短積分時間。

5.2 利用減振器降低相對角運動的幅度

為校準(zhǔn)裝置安裝減振器，衰減高頻振動，使其振動曲線變得平緩，從而減小其積分時間內(nèi)角運動幅值，從根本上減小兩者的相對角運動。

6 實例分析

6.1 實驗選取紅外探測器積分時間

式（1）僅提供了紅外探測器的最短積分時間的定性關(guān)系式，為此進(jìn)行實驗驗證最短積分時間。如圖5所示，將左邊的紅外熱像儀的光學(xué)口徑對準(zhǔn)右邊的校準(zhǔn)裝置，通過縮短熱像儀探測器積分時間，觀察熱像儀是否能夠正常對校準(zhǔn)裝置內(nèi)光源成像。熱像儀參數(shù)如表1所示。

實驗結(jié)果如圖6所示。

表1 實驗用熱像儀參數(shù)

參數(shù)數(shù)值 焦距46 mm F數(shù)2 探測器銻化銦探測器 像元尺寸15 μm 像素數(shù)640×512 噪聲等效溫差20～25 mK

圖6（a）、圖6（b）分別是熱像儀探測器積分時間為628 μs、600 μs時的觀察結(jié)果。圖片中紅色圓圈中的白色亮點為光源成的光斑像。可以看出，隨著紅外探測器積分時間的縮短，噪聲變大，光斑與背景的對比度變小，光斑變得不易辨別，這與公式分析結(jié)果一致。從實驗結(jié)果可知，對于銻化銦探測器積分時間只能減小到600 μs，積分時間減至550 μs時無法正常成像。

圖5 積分時間選取實驗

圖6 實驗結(jié)果

6.2 實例分析

以某型光電系統(tǒng)和校準(zhǔn)裝置為例，分析相對角運動對校準(zhǔn)精度的影響。該光電系統(tǒng)中安裝有激光測距機(jī)、電視攝像機(jī)和紅外熱像儀。觀瞄傳感器和校準(zhǔn)裝置參數(shù)如表2所示，激光器參數(shù)如表3所示。

表2 各實際產(chǎn)品參數(shù)

像元大小/μm像素數(shù)焦距/mm積分時間/μs瞬時視場角/mrad 電視攝像機(jī)4.81 280×1 024300 10.016 紅外熱像儀15640×512280 6000.054 校準(zhǔn)裝置4.81 280×1 0242 50010.001 9

表3 激光器參數(shù)

激光器參數(shù)值波長脈沖時間 1.06 μm15 ns

設(shè)校準(zhǔn)裝置的相對角運動方程為：

△=′sin2π（2）

式（2）中：Δ為角度；′為角振動幅值，為振動頻率；為時間。Δ對求導(dǎo)，得Δ=2′π×cos2π.令Δ最大，得=0，可知=0時相對角運動影響最大。

取1=0，2=1 μs，3=600 μs，在不同幅值和頻率組合下：′=1 mrad，=5 Hz、=10 Hz、=15 hz和′=0.5 mrad，=15 Hz、=20 Hz、=25 Hz及′=5 mrad，=1 Hz、=3 Hz、=5 Hz，分別計算相對角運動對激光/電視，激光/紅外校準(zhǔn)精度的影響Δ2－Δ1和Δ3－Δ1，結(jié)果如表4所示。

分析結(jié)果可知，選用減振器使相對角運動為低頻小振幅的情況下，相對角運動對激光/電視校準(zhǔn)精度的影響小于CMOS 1個像素對應(yīng)的瞬時視場角，相對角運動對激光/紅外校準(zhǔn)精度的影響為1～2個像素對應(yīng)的瞬時視場角，滿足實際振動環(huán)境下的校準(zhǔn)精度需求。

表4 實例計算結(jié)果

角振動幅值/mrad1110.50.50.5555 振動頻率/Hz51015152025135 激光/電視0.000 0320.000 0630.000 0940.000 0470.000 0630.000 0790.000 0320.000 0940.000 16 激光/紅外0.0190.0380.0570.0280.0380.0470.0190.0570.094

7 結(jié)束語

本文提出了一種動態(tài)多光軸平行性校準(zhǔn)方法，并分析了相對角運動對多光軸平行性校準(zhǔn)精度的影響，提出了降低相對角運動的方法，采用該方法后，實例分析表明角運動對激光/紅外的影響為1～2個像素，角運動對激光/電視的影響小于1個像素。本文的分析為振動環(huán)境下的光軸調(diào)校提供了理論指導(dǎo)，從而保證光電系統(tǒng)在實際使用中的光軸一致性。

［1］馬世幫，楊紅，楊照金.光電系統(tǒng)多光軸平行性校準(zhǔn)方法研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2011，32（5）：917-921.

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2095－6835（2019）07－0018－03

O213.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.018

馮穎（1994—），女，山西孝義人，研究方向為光電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕