可見和紅外光學系統光軸平行性外場標定

孟慶華

摘 要：光電經緯儀在外場使用一段時間后，可見和紅外光學系統的光軸平行性可能發生變化，需要在外場進行標定。采用卡塞格林反射式平行光管進行子口徑分束，利用平面反射鏡對光束進行折轉得到兩束平行光。兩束平行光分別對準紅外和可見光學系統，利用亞像素細分技術計算質心可得到紅外和可見光學系統平行性。實際結果表明：兩束平行光平行性經標定后可達到1"，紅外和可見光學系統平行性可達到7"。

關鍵詞：光電經緯儀 光軸平行性 外場標定 亞像素細分

中圖分類號：TN247 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098x（2014）03（b）-0200-01

光電測量設備是集光學、機械、電子、伺服控制、信息和計算機多學科技術集成的綜合性光學測量儀器，是現代軍事科學技術高速發展的結果，在國防、軍工、航空和航天等領域的發展和應用日趨廣泛[1-3]。在靶場使用的小型光電經緯儀同時具有可見和紅外多個光學傳感器，這些傳感器的光學系統光軸應嚴格平行，保持指向一致，光學系統光軸的平行性是多光軸系統的一個重要指標之一。

這些傳感器的光軸平行性在出廠前都進行過嚴格標定，在外場使用一段時間后，各光學系統光軸之間的平行性仍然可能發生變化，因此需要在外場對各光學系統光軸進行標定。

該文介紹了具有可見和紅外光學系統的小型光電經緯儀的光軸平行性的標定方法，采用卡塞格林平行光管進行子口徑分束，利用亞像素細分技術測量得到紅外和可見光學系統平行性。采用半導體激光預瞄準，大大節省了對準時間。卡塞格林平行光管子口徑分束裝置可固定在三腳架上，極大方便了在外場的標定工作。

1 標定裝置原理

光軸平行性標定裝置原理見圖1，該裝置由卡塞格林系統、平面反射鏡和半導體激光器組成。

鹵素燈照明星點孔，光線經卡塞格林系統的主次鏡反射，準直為平行光，把光束左右兩半分別經平面反射鏡1和平面反射鏡2反射，再由平面反射鏡3和平面反射鏡4反射形成兩束平行光，分別射向可見和紅外光學系統。根據可見和紅外光學系統的光軸間距確定平面反射鏡3和平面反射鏡4的位置。

可見光CCD相機和紅外相機接收平行光管的星點像，通過亞像素細分技術準確計算星點像對可見和紅外光學系統光軸的偏離量，從而得到可見和紅外光學系統光軸的平行性。

通過亞像素細分技術，通過成像區域像元的灰度值計算得到質心的位置。根據已知成像區域內M×N像元的坐標（i，j）（i=1，…，M；j=1，…，N）和相應的灰度值Gij，得到質心的坐標為：

由以上公式式可算得質心坐標（x，y）。若測得的星點圖像質量較好，灰度比較均勻，有時也采用形心方法。在光學系統像質和雜散光控制較好的條件下，可以做到優于5細分，即質心位置精度優于1/5像素。

標定裝置兩束光的平行性通過大口徑平行光管進行標定，在大口徑平行光管焦面處CCD探測器對分別得到兩路光的星點孔像進行細分，通過調整平面反射鏡使兩個星點孔像重合。

2 精度分析

誤差源主要包括標定裝置兩束光的平行性誤差σ1、可見光系統的瞄準誤差σ2和紅外系統的瞄準誤差σ3。

設大口徑平行光管焦距為14 m，CCD探測器像素尺寸14 μm，則兩束光的平行性為：

面陣CCD探測器像素尺寸取14 μm，紅外探測器像素尺寸大于30 μm，可見光和紅外光學系統焦距f為200 mm，取5細分，則

則可見光和紅外系統的標定誤差為誤差σ為：

3 結語

該文介紹了小型光電經緯儀的光軸平行性的外場標定方法，并對標定精度進行了分析。利用亞像素細分技術可提高紅外和可見光學系統光軸平行性的精度。兩束平行光平行性經標定后可達到1"，紅外和可見光學系統平行性可達到7"。通過在裝校和外場實驗表明，該種方法快速簡便，得到了較好的應用。

參考文獻

[1] 葉露，趙建川.多光譜多光軸設備光軸平行性測量裝置研制[J].光機電信息，2011，28（12）：32-36.

[2] 楊文志，景洪偉，吳時斌，等.可見光與紅外光軸平行度檢測儀[J].紅外與激光工程，2010，39（5）：902-904.

[3] 趙文峰，紀明，劉濤，等.便攜式多波段多光軸平行性檢測儀設計[J].應用光學，2013，34（2）：319-324.