多波段圖像融合系統光軸平行性裝調技術研究

張 奇，陸慶華，郭 騫，張春鵬，皮冬明，向柳靜，文洪青，何新宇

多波段圖像融合系統光軸平行性裝調技術研究

張 奇，陸慶華，郭 騫，張春鵬，皮冬明，向柳靜，文洪青，何新宇

（云南北方光電儀器有限公司，云南 昆明 650032）

本文基于一種多波段圖像融合系統，對系統光軸平行性裝調技術進行研究。系統為五光軸平行系統，包括白光模塊、微光模塊、短波紅外模塊、長波紅外模塊、激光測距模塊，通過計算得到精度最高的為微光模塊，精度為32.092，即平行性偏差小于32.092不影響系統使用。裝調時采用光軸中心與平行光管十字靶板中心對準的方法，得到的圖像為最大圖像尺寸的99.89%，對圖像信息獲取不產生影響。最后用搭建好的平臺對系統進行實驗驗證，實驗證明平行性最大偏差為9″，小于系統最大允許誤差，所以得出結論該裝調方法對類似產品的裝調具有一定參考價值。

圖像融合；光軸平行性；平行性偏差；中心對準

0 引言

針對現代戰場復雜的戰場環境及偽裝手段日益升級，單一波段的偵察系統難以滿足作戰需要，所以需要一種多波段圖像融合系統符合現代使用場景，多波段圖像融合系統是一種多波段、多光軸系統。

現如今裝調的多是兩軸或三軸系統[1-2]，模塊數量不多，對協調各個模塊的要求不高。多波段圖像融合系統為五光軸平行系統，模塊較多，需要在輕量化、小型化、功能強的前提下保證光軸平行性。基于這種現實狀況，本文對多波段圖像融合系統光軸平行裝調技術進行了研究。

1 裝調原理

1.1 系統組成

多波段圖像融合系統通過多波段成像組件，實現可見光、近紅外、短波紅外、長波紅外的常用波段覆蓋，系統具備反偽裝偵察、晝/夜偵察、透煙霧偵察、透雨霧偵察的能力等。主要由白光模塊、微光模塊、短波紅外模塊、長波紅外模塊、激光測距模塊組成，多波段圖像融合系統的外形圖如圖1所示。

為保證光軸之間的平行性[3-4]，將所有模塊固定在前面板上，前面板布局如圖2所示。

圖1 多波段圖像融合系統外形

圖2 前面板布局

1.2 裝調精度

多波段融合系統由多個模塊組成，裝調時的精度要滿足每個模塊。

激光測距模塊可以對7000m處2.3m×2.3m的目標進行測距，根據式(1)計算得到激光測距模塊在7000m處最小可分辨角為：

白光模塊、微光模塊、短波紅外模塊、長波紅外模塊4個模塊涉及到對圖像進行拼接[5-7]，在對圖像進行拼接時，為不影響圖像質量，一般要求為像素級對準，即對準誤差小于一個像素，如表1所示，表中分別是4個模塊鏡頭的焦距和選用探測器單個像元的尺寸。

通過式(2)、式(3)、式(4)、式(5)計算得到每個模塊的精度，其中精度表示最小可分辨角。探測器單個像元為最小顯示尺寸，通過鏡頭焦距即可計算出最小可分辨角。

表1 模塊參數

計算得到5個模塊的精度，其中精度最高的是微光模塊，即多波段圖像融合系統應滿足的裝調精度為32.09″。

1.3 裝調方法

因為系統涉及到圖像融合，為保證得到的圖像信息盡可能地保持一致，在設計伊始，針對各模塊使用的探測器不同，即像元大小、像元尺寸各有不同，故保證各模塊的視場近似一致，盡可能減少拼接后圖像信息的損耗。由于像面尺寸不同，視場近似一致，故可以對得到的圖像進行等比例縮放，縮放后的圖像會更利于圖像拼接，不會對圖像信息產生影響。如表2為圖像尺寸參數。

在拼接時，如果使用邊緣拼接的方法，會導致各個模塊的光軸發生偏移，所以在系統裝調時采用光軸中心與平行光管十字靶板中心對準的方法[8-10]，對邊緣圖像進行裁剪得到的圖像信息越接近最大圖像信息，則對獲取的圖像信息產生影響越小。

表2 圖像尺寸參數

在裝調過程中，需要將多波段圖像融合系統與十字靶板對準，十字靶板的線寬為0.1mm，平行光管焦距為2000mm，則對準誤差為：

得到的誤差值遠小于32.09″，不會對測量結果產生影響。

因微光模塊精度最高，故使用微光模塊得到的圖像作為底圖，可以計算得到圖像利用率?，計算公式如下：

經過截取和拼接后，得到的圖像為最大圖像尺寸的99.89%，得到的圖像面積與最大圖像尺寸差距較小，對圖像信息獲取不產生影響。

1.4 測試方法

裝調完成后對系統進行檢測，判斷系統是否符合使用要求。

將需要觀察的十字靶板調整到觀測位置，將待測系統放置于光學平臺上，用待測系統的各個模塊對十字靶板進行觀察，首先將待測系統的十字中心對準十字靶板的刻度，然后轉動轉臺，將待測系統的十字中心對準十字靶板中心，根據式(8)計算理論轉動角度和測試得到轉動角度的差值，差值即為待測系統的平行性偏差。其中理論值為平行光管中角度刻度值，測試值則為兩軸轉臺轉動角度顯示值。若偏差值小于32.09″，則系統符合使用要求，反之則不符合。

偏差值＝理論值－測試值(8)

2 平臺搭建

多波段圖像融合系統裝調平臺的主要功能是能夠對系統各個模塊光軸平行性進行裝調。系統主要由平行光管、多波段圖像融合系統，兩軸轉臺組成。測試平臺如圖3所示。

圖3 測試平臺

2.1 平行光管

平行光管和靶板提供目標，可等效為觀察無窮遠目標。因裝調時涉及到多個波段，為消除色差，選用反射式平行光管[11]。為校準各模塊的光軸平行度，選用帶有刻度的十字靶板，刻度包含1°～6°即可。在對各個模塊進行觀察時，將平行光管設置為常溫即可，進而使各個模塊都可以正常觀察，在對激光測距模塊進行觀察時，將光敏紙與十字靶板中心重合進行校正。如圖4為選用的平行光管。

圖4 平行光管

2.2 兩軸轉臺

兩軸轉臺由轉臺和角度顯示器組成。轉臺可以在水平方向和俯仰方向上轉動，轉動的角度由左側的角度顯示器顯示，精度達到了1″，符合測試需求，如圖5為兩軸轉臺。

圖5 兩軸轉臺

3 實驗驗證

完成平臺搭建和系統裝調后，根據測試方法對系統進行試驗，根據試驗得到待測系統的平行性偏差[12-13]，如表3～表7所示。

表3～表7分別表示的是對短波紅外模塊、激光測距模塊、白光模塊、長波紅外模塊、微光模塊平行性偏差的結果。分別對1°～6°視場時的俯仰角和方位角進行測量，將測量結果與理論角度進行對比，計算得到偏差值，通過與最大允許偏差值32.09″進行對比，判斷裝調是否符合使用要求。

通過測試5個模塊在1°～6°視場時平行性偏差值，計算得到系統平行性的最大偏差為9″，小于系統最大允許誤差。

表3 待測系統的平行性偏差（短波紅外模塊）

表4 待測系統的平行性偏差（激光測距模塊）

表5 待測系統的平行性偏差（白光模塊）

4 結論

本文描述的裝調方法主要是為了平衡各個模塊之間的光軸平行性，根據像素級對準的要求計算可得到最大允許誤差為32.09″，最后對裝調好的系統進行測量，實驗證明平行性最大偏差為9″，小于系統最大允許誤差，所以得出結論該裝調方法對類似產品的裝調具有一定參考價值。

表6 待測系統的平行性偏差（長波紅外模塊）

表7 待測系統的平行性偏差（微光模塊）

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Research on Optical Axis Parallelism Adjustment Technology for Multi band Image Fusion System

ZHANG Qi，LU Qinghua，GUO Qian，ZHANG Chunpeng，PI Dongming，XIANG Liujing，WEN Hongqing，HE Xinyu

(Yunnan North Optical＆Electron Instrument Co., Ltd., Kunming 650032, China)

This article is based on a multiband image fusion system and studies the alignment technology of the parallelism of the optical axis of the system. The five-axis parallel system includes a white light module, low light level module, short wave infrared module, long wave infrared module, and laser ranging module. The lowest light level module with the highest accuracy was 32.09. A parallelism deviation of less than 32.09 does not impact the system's usability. During installation and adjustment, the optical axis was aligned with the center of the collimator cross-target plate. This alignment produced an image size that is 99.89% of the maximum possible, which does not hinder the acquisition of image information. Finally, the system is verified experimentally using the developed platform. Experiments proved that the maximum deviation of the parallelism was nine, which is less than the maximum allowable error of the system. Therefore, this assembly and adjustment method had a certain reference value for the assembly and adjustment of similar products.

image fusion, parallelism of optical axis, parallelism deviation, center alignment

TH74

A

1001-8891(2023)12-1294-05

2023-07-26；

2023-08-08.

張奇（1996-），男，吉林省長春市人，碩士，工程師，主要研究方向為光學設計。E-mail：1021154748@qq.com。

陸慶華（1981-），男，壯族，廣西省百色市人，學士，高級工程師，主要研究方向為體設計。E-mail：99711694@qq.com。