便攜式可見光多光軸平行性校正系統(tǒng)

王瑤，李巖，付躍剛

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 科技處，長春 130022）

現(xiàn)役自行高炮的炮管軸線與瞄準(zhǔn)軸線一起組成了高炮的多軸線系統(tǒng)。兩軸線之間是否平行直接關(guān)系著高炮的打擊火力和打擊精度［1］，如果各炮管之間光軸不平行，則炮彈火力將被分散，降低打擊效果，實(shí)際著彈點(diǎn)與炮手預(yù)期著彈點(diǎn)將會出現(xiàn)偏差，降低打擊精度［2-7］。因此對自行高炮的多軸線系統(tǒng)進(jìn)行一致性檢查十分重要，目前自行高炮多軸線一致性檢查仍在100～300m處立靶，靶上刻有兩個十字，十字的中心距離與炮管軸線和光學(xué)瞄準(zhǔn)軸之間距離一致。仍沿用人工操作校靶鏡瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)距離靶板的全手動方法，該方法需要多人配合反復(fù)調(diào)整靶板與基準(zhǔn)軸垂直位置，存在著調(diào)整過程復(fù)雜、工作強(qiáng)度大、人員技能要求高、受場地和環(huán)境限制多等問題，費(fèi)時費(fèi)力，校準(zhǔn)效率低。

本文研制了一套滿足野外校正要求的便攜式多光軸平行性校正系統(tǒng)，在大空間范圍內(nèi)建立一個高精度基準(zhǔn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)測量基準(zhǔn)的靈活傳遞［8］，提供兩已知角度的可變化間距的光軸（接近平行或完全平行）。為野外環(huán)境以及大光軸間距可見光多光軸系統(tǒng)提供了一種新的光軸平行性校正方法，提高了工作效率。

1 系統(tǒng)原理

便攜式可見光多光軸平行性校正系統(tǒng)（如圖1所示），主要由目標(biāo)組、對準(zhǔn)組、高精度長直線導(dǎo)軌和計算機(jī)等組成。目標(biāo)組與對準(zhǔn)組均安裝在滑塊上，且兩滑塊可在長直線高精度導(dǎo)軌上根據(jù)產(chǎn)品光軸間距調(diào)節(jié)其之間的距離，以供校正使用。

目標(biāo)組主要包括準(zhǔn)直平行光管I和數(shù)字式平行光管（CMOS位于物鏡焦平面處），且兩者由安裝塊固定在導(dǎo)軌上，兩者安裝調(diào)節(jié)后光軸之間夾角固定不變。

對準(zhǔn)組主要包括準(zhǔn)直平行光管II和準(zhǔn)直平行光管III，且兩準(zhǔn)直平行光管由安裝塊固定在導(dǎo)軌上，兩者安裝調(diào)節(jié)后光軸角度固定不變。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目標(biāo)組與對準(zhǔn)組中的準(zhǔn)直平行光管光軸I和準(zhǔn)直平行光管II光軸平行時，目標(biāo)組中的數(shù)字式平行光管采集到對準(zhǔn)組中的準(zhǔn)直平行光管III中的十字分劃信息(x,y)和分劃傾斜角度β（完成定標(biāo)）。當(dāng)目標(biāo)組與對準(zhǔn)組中的準(zhǔn)直平行光管光軸I和準(zhǔn)直平行光管II光軸不平行時，則數(shù)字式平行光管采集到圖2所示的四種情況中的一種。

圖2 光軸夾角示意圖

此時數(shù)字式平行光管將采集到十字分劃信息(x1,x2)和傾斜角β'，可通過公式（1）、（2）得出目標(biāo)組與對準(zhǔn)組的夾角（α水平,α垂直）：

式中，μ為CMOS單個像元大小，f為平行光管物鏡焦距。

2 系統(tǒng)設(shè)計

便攜式可見光多光軸校正系統(tǒng)預(yù)期達(dá)到精度7″，CMOS選用IPG-53H20AF型，像素為1920×1080，像元大小為0.0028mm。

為滿足可見光多光軸平行性校正系統(tǒng)的便攜性，要求外形尺寸盡量小、重量輕、像質(zhì)好，選取如圖3所示光學(xué)結(jié)構(gòu)，焦距f=80mm的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，其設(shè)計結(jié)果如圖3所示。

圖3 物鏡組示意圖

成像系統(tǒng)的MTF曲線如圖4所示，成像質(zhì)量良好。

圖4 物鏡MTF曲線圖

圖5 光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖

圖5為光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖，各視場彌散斑直徑均小于所選CMOS一個像元尺寸，說明系統(tǒng)有較高的分辨率，可以保證成像的清晰性。

3 光軸一致性試驗(yàn)

按圖6所示安裝試驗(yàn)系統(tǒng)，將目標(biāo)組和對準(zhǔn)組分別安裝在多維調(diào)整臺上（方位、俯仰、橫滾均可調(diào)節(jié)），并在前面放置大口徑平行光管，用于校正對準(zhǔn)組和目標(biāo)組的準(zhǔn)直平行光管光軸I和準(zhǔn)直平行光管II平行。調(diào)節(jié)多維調(diào)整臺使對準(zhǔn)組和目標(biāo)組的準(zhǔn)直平行光管光軸I和準(zhǔn)直平行光管II的十字分劃中心分別與大口徑平行光管十字分劃中心重合，記錄此時數(shù)字式平行光管中觀察到的準(zhǔn)直平行光管III的十字分劃信息，完成系統(tǒng)定標(biāo)（即初始數(shù)據(jù)獲?。?。

圖6 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)安裝圖

然后目標(biāo)組固定不動，調(diào)節(jié)多維調(diào)整臺，使對準(zhǔn)組中的準(zhǔn)直平行光管II與試驗(yàn)用大口徑平行光管的某一位置重合，并記錄此時重合時準(zhǔn)直平行光管II觀察到的大口徑平行光管的坐標(biāo)信息(x1,y1)（單位為密位）。此時計算機(jī)將采集到目標(biāo)組與對準(zhǔn)組的兩光軸夾角信息(x2,y2)。比較已知角度與試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 理論數(shù)據(jù)與測量結(jié)果

理論計算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比，數(shù)值的最大偏差為7″，可以證明理論與計算的正確性。高炮的炮管軸線與瞄準(zhǔn)軸線平行線校正時，先將校炮鏡裝入炮管軸內(nèi)，使其光軸與目標(biāo)組上平行光管光軸平行。然后調(diào)節(jié)瞄準(zhǔn)軸與對準(zhǔn)組中上平行光管光軸平行，兩者分別平行后即完成炮管軸線與瞄準(zhǔn)軸線的平行行校正。

4 系統(tǒng)誤差分析

在系統(tǒng)中產(chǎn)生誤差的主要原因有：平行光管的視差（包括定標(biāo)用前置鏡視差）、CMOS判讀十字分劃位置時的像素誤差、定標(biāo)時人眼對準(zhǔn)誤差等。

平行光管的校正采用可調(diào)前置鏡法，事先把前置鏡調(diào)焦于無限遠(yuǎn)（確定零位），再通過它觀察被檢平行光管的分劃板的像，若該分劃板在前置鏡的分劃面上生成清晰的影像，且擺頭時不能發(fā)現(xiàn)兩分劃線互相錯動，即表示視差已被消除，否則，需軸向移動被檢平行光管的分劃板，直到視差消除為止。為減少調(diào)校的盲目性，先按下式計算平行光管：

式中，X'——觀察到的被檢分劃板的清晰影像時，可調(diào)前置鏡伸縮筒離開零位（調(diào)焦于無限遠(yuǎn)）的距離

X——被檢平行光管軸向移動量

根據(jù)算出的值X移動平行光管后，只要X'不大于式（6），就認(rèn)為平行光管視差在允許范圍內(nèi)：

D——平行光管物鏡是有效口徑（毫米）

用上述公式調(diào)整好后，平行光管仍有一些殘余視差，主要來源于前置鏡本身的殘余視差ε（分）按式（5）傳遞給平行光管：

調(diào)焦誤差所造成的殘余視差：

式中，e—人眼對準(zhǔn)誤

τ—前置鏡視放大率

DZ—平行光管與前置鏡組合的有效口徑

數(shù)碼前置鏡中CMOS采集系統(tǒng)的判讀精度為1/2個像素，圖像采集精度為：

CMOS像元大小為0.0028mm，平行光管焦距為80mm。

綜上所述，系統(tǒng)總誤差［9-10］：

5 結(jié)論

本系統(tǒng)提供的校正方法是在傳統(tǒng)的校正檢校方法上增加了CMOS，減少了人眼識別帶來的誤差。在高炮的炮管軸線與光學(xué)瞄準(zhǔn)軸平行性校正時，可以做到不受場地、人員限制，提高了校正效率。圖7為該校正系統(tǒng)實(shí)物圖，簡化了儀器體積與結(jié)構(gòu)，有利避免由于儀器長時間使用或擺放等環(huán)境因素改變而帶來的誤差，達(dá)到便攜式、大光軸間距使用條件，解決了可見光大光軸間距野外校正問題，具有一定的使用價值。

圖7 產(chǎn)品實(shí)物圖