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）

針對熱像儀光軸穩定性及瞄準精度的高精度戰術指標要求，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測試方法的分析研究，總結出了影響測試零位走動量的主要不確定度，新方法基于計算機圖像視覺分析技術，采用特殊的軟件算法，將來自熱像儀的圖像信息進行分析處理，建立熱像儀光學視場與電視場之間的等效換算關系，最終精確計算出目標點的零位走動量。

熱像儀；光軸穩定性；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境條件下（如高低溫、沖擊振動）保持光軸穩定的一種能力，是熱像瞄準具非常重要的指標。光電系統由于其結構的復雜性，如果在使用過程中，其光軸發生偏差[1]，偏差太大將嚴重影響武器系統的瞄準性能。所以，目前瞄準用的熱成像器具均要求有很高的光軸穩定精度，評定光軸穩定性的指標就是零位走動量[2]。

軍用紅外熱像儀的光軸穩定性，一般要求小視場光軸穩定性誤差應小于±0.08mrad，甚至有的項目要求達到±0.04mrad，這是一個對熱像儀非常高要求的指標，為了滿足戰術指標要求，必須研建高精度的測試系統或采用新方法[3]。

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

1 常規方法的簡介及分析

目前，測試熱像儀零位走動量的常規方法是：利用紅外準直儀模擬無窮遠目標（一般是點目標）；使用光學自準儀保證觀瞄系統機械復位（環境實驗前與環境實驗后），即光學自準儀起到一個測試基準的作用；將高精度二維轉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直儀與光學自準儀之間，高精度二維轉臺測量環前與環后熱像儀光軸偏移的偏差量。測試系統的典型配置有：紅外準直系統、高精度二維轉臺、高低溫箱體、光學自準儀、監視器、系統電源。常規測試系統示意圖如圖1所示。

圖1 零位走動量常規測試系統布置圖

通過對常規方法的分析發現存在如下的問題：

1.1 主觀因素大，影響測試精度的因素較多

常規方法的測試精度主要依靠高精度二維轉臺精度、目標點的大小、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臺的精度是32。

目標點大小直接影響著目視對齊的精度，因此盡量將目標點做小，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點，也要保證目標點盡量小，目標點不可能做到與分劃線等寬，這增加了操作者在對齊時的難度。另外目標點與熱像儀分劃中心的對齊操作是通過人眼目視觀察進行的，不同操作者對齊的效果不盡相同。同一操作者環境試驗前及環境試驗后的對齊也沒有一個量化的標準，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，單點測量難

常規方法必須使用熱像儀分劃作為對齊參照點，環境實驗前必須將熱像儀分劃移動到視場中心，并記錄分劃坐標；環境實驗后，還需檢查分劃是否移位了；此方法只能做一次單點測量。

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

1.3 測試效率低

常規測試方法要求：某一臺產品進行零位測試時，這套測試系統就被占用，直到該臺產品環境試驗后測試完成才被釋放。大部分產品的零位測試均是常規試驗項目；同一時段，如果產品種類少，目前的測試系統數量還能應對；如果同一時段，產品種類多、集中交付時，測試系統數量就很難應付了。為了更精確地描述常規方法的精度問題，我們對其進行了系統不確定分析。

1.4 測量不確定度分析

國際測量組織采用“測量不確定度”作為一個測量參數的準確度的衡量，測量不確定度表述和最好值的接近程度，通過估計測量結果離散度的標準差來衡量測量質量，不確定度一般用測量過程的數學模型和傳遞規則來評估。在常規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）測試人員恢復點目標像引入的不確定度

首先，分析測試人員在進行熱像儀目標點像與分劃線恢復到原來相對位置關系的過程中引入的不確定度，它包括兩個方面的因素，一個方面的因素是對熱像儀的調節引起的，如焦距、亮度、對比度的調節，另一個方面是觀察者的對準誤差引起的。點目標像不可能是一個理想的點，總有一定的尺寸，觀察者站在不同的觀測位置進行對準總難免引入測試的不確定度。測試人員對點目標像的對準（相對位置的恢復）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：

測試結果如表1所示。

表1 多次數據測量所得不確定度

2）測試轉臺引入的不確定度

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

3）測試環境影響引入的不確定度

測試環境的影響主要包括溫濕度的變化、環境的振動（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，將影響到作為基準的自準直經緯儀的光學平臺發生變化，從而給測試帶來了誤差，根據目前的試驗條件分析，前者的偏差極限為：±0.1″，后者的偏差極限為±0.5″。假設測試環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為不具備測試的環境條件，如在試驗過程中，光電自準直儀及其基座被觸碰，可能導致光電自準直儀的光軸發生很大的偏差，則試驗作廢。

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直系統焦面上的誤差為±2mm，根據牛頓公式，以紅外準直系統焦距為2m，計算的物方距離為：

＝22/0.002＝2000m

由于采用機械輔助光學法定位，產品在轉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，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算得：

5）高低溫試驗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，對自準直經緯儀的成像質量起著決定性作用，通常，平面反射鏡的反射面質量用光圈數來表示，它表征了反射鏡偏離理想平面的程度，該數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。本分析主要考慮經緯儀兩次對準的位置偏移量引起的反射自準直像的偏差，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，按照高低溫試驗前后自準直經緯儀對準時，反射點最大偏移量不超過2mm來計算；＝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，按照極限值＝2計算，＝632.8nm為測試波長）。

則極限偏差為：

測量按均勻分布計算，不確定度為：

6）光學自準直儀測量偏差引入的不確定度

按照自準直經緯儀說明書和校準報告，所用的自準直儀測試精度為1″，若測量按均勻分布計算，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 新的測試系統方案簡介

根據前面的分析可知，引入測量不確定度最大的是測角用的數顯轉臺以及測量人員對目標點的對準誤差，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臺，另一種方法是不用數顯轉臺來測量，而用圖像分析的方法來測量零位走動量，根據這個思想，本文以熱像儀的十字分劃線為基準，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算機圖像視覺分析技術，采用先進的軟件算法，將來自熱像儀的圖像信息進行分析處理，建立熱像儀光學視場與電視場之間的等效換算關系，精確計算出目標點的微小角位移（即：零位走動量）的測量方法。

測試系統配置：紅外準直系統（含點目標）、高低溫箱體、光電自準直儀、可調節支架、計算機及分析軟件、及系統電源。新測試系統示意圖如圖2所示。

靶標（即點目標）位于準直儀的焦面上，模擬無窮遠目標，使被測熱像儀接收到近似于無窮遠目標的平行光束。熱像儀放在高低溫箱體中，調整熱像儀的位置使點目標經過熱像儀所成的像點處于熱像儀的分劃中心并鎖定位置，再調整光電自準直儀的位置使其十字分劃經熱像儀后表面平面反射鏡所成的像位于光電自準直儀的分劃中心并鎖定位置。圖像采集卡實時采集熱像儀光軸隨溫度偏移的圖像并進行計算處理得到光軸零位走動量的數據。

2.1 目標像點的抽象化

采用高分辨率圖像采集卡，將熱像儀視頻進行實時采集，建立像素空間坐標系，目標像點在坐標參照系中的位置就被明確定義。如圖3所示。

由于目標像點是有大小的，本文采用了相關算法，將有大小的目標像點抽象為坐標系中的一個點（這個點類似目標像點的“質心”，沒有大小），且計算出“質心”點的坐標（用重心法來計算），即完成目標像點的抽象化，如圖4所示。

2.2 目標像點微位移的計算

在新方法中，零位走動量測試就是計算目標像點“質心”環前與環后的相對位移量，若目標像點位移前后的“質心”像素灰度坐標值為(0,0)與(1,1)，如圖5所示。

光軸偏移具體計算方法如下例所示：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。設每個像元的空間張角為：

＝1.2×3600/768＝5.632(13)

若目標像點偏移前后的“質心”像素坐標之差為(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布置圖

圖3 圖像等效轉換示意圖

Fig.3 Schematic diagram of image equivalent transformation

圖4 點目標像的抽象

Fig.4 The abstraction of point target image

圖5 單一點目標像位移量計算

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因素構成：①測試人員恢復點目標像引入的不確定度；②測試環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高低溫試驗對工藝反射鏡的影響引入的不確定度（包括產品復位過程中引入的不確定度）；⑤光電自準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個的不確定度大致和常規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）光電自準直儀測量誤差引入的不確定度

按照光電自準直儀的參數指標，所用的自準直儀測試精度為0.2″，若測量按均勻分布計算，則其不確定度為：

2）圖像采集誤差引入的不確定度

最終整個新方法的合成不確定度為：

最終得到：

c＝2.482

對比傳統的測試方法，改進后的測試方法不確定度下降了1.93″，高低溫試驗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 結論

本論文通過對傳統光軸偏移測試方法研究及分析，提出了一種新的測試方法，該測試方法的優點是：①通過圖像采集，建立像素相對位置坐標，進行目標點抽象“質心“化，可準確地獲得目標像點的位置坐標，并可實時記錄位置坐標，操作簡便，減少了測試人員目視對齊和測試轉臺精度有限引入的不確定度，在減少設備誤差、人為誤差的基礎上提高了測試精度，并解決了單臺測試占用測試設備過多，時間過長，測試效率低下的問題，滿足了紅外熱像儀零位走動測試數據準確、可靠、數據重復性強等測試要求。②新方法在原有測試設備上，去除二維數顯轉臺，僅需要一個圖像采集裝置和后端分析計算程序就可實現，不增加測試設備硬件投入，成本小，效率高。總之，新方法的應用實現了紅外熱像儀零位走動量的精確測試，實現了基于機器視覺的分析測試功能，有效控制了熱像儀的瞄準質量，并提供了可靠、準確的參數數據，滿足了紅外成像產品產業化、市場化、軍事化的發展需求。經一段時間的實際應用驗證表明，該方法具有穩定、可靠、精度高、工作效率高的特點。

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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，主要研究方向為紅外測試技術。E-mail:610656371@qq.com。