喬琳，鞏稼民，王貝貝

（西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，西安　710121）

基于激光點陣列探測的多光軸平行性外場測試方法

喬琳，鞏稼民，王貝貝

（西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710121）

提出一種紅外、可見光、激光三軸平行性檢測的外場測試方法。在可見十字靶線和紅外十字靶線重合的測試靶上，點列陣分布激光點源探測器。以重合的十字靶線為基準(zhǔn)，點列陣探測器接受激光照射，精確定位激光光斑中心，獲取激光發(fā)射軸與可見、紅外十字靶線的偏差，實現(xiàn)多光軸的平行性檢測。設(shè)計結(jié)果表明：在待測系統(tǒng)最遠(yuǎn)探測距離范圍內(nèi)，測試距離越遠(yuǎn)，平行度檢測精度越高，在1.5km測試距離，激光與紅外、電視光軸的平行度檢測精度小于5″。

多光軸；平行性；外場測試；點陣列激光探測；十字靶

目前，軍用光電系統(tǒng)為滿足全天候偵察、測距、照射、打擊等軍事需求，已不再是單一光電傳感器的集成，而是包括電視、紅外、激光等傳感器的多光譜、多傳感器綜合光電系統(tǒng)。光電系統(tǒng)內(nèi)各光電傳感器光軸之間的平行性一個重要指標(biāo)參數(shù)，在保證武器系統(tǒng)的命中目標(biāo)概率和命中目標(biāo)精度方面均起著至關(guān)重要的作用［1-4］。

光電系統(tǒng)多光軸的平行性檢測法有平行光管法［5-7］和遠(yuǎn)距離靶板法［8-9］。平行光管法一般由光電系統(tǒng)觀測大口徑平行光管或卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)模擬的無窮遠(yuǎn)十字靶標(biāo)目標(biāo)，通過分劃板測量光軸平行性誤差值，實現(xiàn)電視和紅外傳感器的平行性測試［5-7］。平行光管法不能模擬野外溫度、風(fēng)向、大氣等復(fù)雜條件，一般適用于室內(nèi)光軸平行性檢測。在裝備設(shè)計定型測試階段，還需要在外場進(jìn)行遠(yuǎn)距離平行性測試，常采用遠(yuǎn)距離靶板法［1，8-9］。文獻(xiàn)［9］提出了一種包括遠(yuǎn)距離合作靶和CCD成像系統(tǒng)的激光可見光軸的平行性檢測裝置。待測系統(tǒng)電視圖像中央十字線與遠(yuǎn)距離十字靶線對準(zhǔn)后發(fā)射激光光束，CCD成像系統(tǒng)同時獲取靶板上十字靶線與激光光斑，計算位置偏差值得到電視與激光軸的偏差。該方法檢測系統(tǒng)和目標(biāo)靶的靶面中心不重合，一般檢測CCD成像系統(tǒng)光軸與待檢系統(tǒng)光軸不重合，存在一定夾角。盡管可以調(diào)校光軸，但由于使用方式的限制，該夾角很難消除，實際使用過程定位較難，使用不便，光斑中心定位精度不高。文獻(xiàn)［8］還提出了一種的望遠(yuǎn)鏡、CCD攝像機(jī)、激光測距機(jī)和熱像儀四軸的平行性檢測裝置，但使用過程復(fù)雜，需要人工參與，反復(fù)操作，才能得到測試結(jié)果，自動性差，測試結(jié)果不確定度大、隨機(jī)性高。

本文提出了基于激光點陣列探測原理的外場可見光、紅外、激光多光軸測試方法。首先由可見、紅外共光軸十字靶線確定可見光或紅外傳感器的光軸，然后通過激光點陣列實現(xiàn)了激光光斑中心的精確定位，自動計算得到平行度檢測值。

1　原理及構(gòu)成

1.1激光光斑光強(qiáng)分布

激光束是光束在諧振腔內(nèi)多次反射后形成，在腔鏡邊緣會產(chǎn)生衍射損耗。設(shè)激光束以腔軸z傳播，在垂直于z軸的xy平面上的光波電矢量振幅為：

其中，E0為原點（z=0）處的振幅常數(shù)，ω0為原點處的束腰半徑，ω（z）為z點的光斑半徑，R（z）是z點處波陣面的曲率半徑，?（z）為位相因子［10］。

在光束截面上，激光束不是均勻平面波，而是高斯球面波。激光束光斑中心部分的光強(qiáng)較強(qiáng)，邊緣部分的光強(qiáng)較弱，光斑不存在明顯的邊緣，通常將半徑r方向上電矢量振幅減小到中心（r=0）振幅1 e的位置，稱為光斑半徑。

其中，λ為波長。

1.2激光光斑中心點源探測陣列檢測原理

本文采用點源激光探測器檢測激光的輻射能量。當(dāng)有激光入射到激光探測器上時，探測器就會輸出一定量的微弱電壓。通過鎖定、放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等前置處理，微處理器可以采集到電壓值，該電壓值反映激光在靶面上的能量值，如圖1所示。由式（1）可知，在激光光斑中心，輻射能量最大，越往外輻射能量越小。即越靠近光斑中心的探測器的輸出電壓越大，越往外探測器的輸出電壓越小。

圖1　激光探測信號處理圖

圖2　點陣列光斑中心定位原理圖

為了確定激光光斑中心，在靶面上按照行和列均布方式，布設(shè)點源探測器。如圖2所示，在測試靶面上，行列等間隔布置了點源探測器，每個探測器的行列間隔為d。行列間隔d與探測器的分辨能力和定位精度的要求有關(guān)。雖然d值越大，光斑中心的定位精度越低，但是d值也不能過小，否則相鄰探測器檢測的不同光斑半徑的輻射能量無差別，不利于光斑精確定位。

1.3激光光斑中心計算

當(dāng)激光束照射到遠(yuǎn)距離反射靶上，光斑中心以十字交叉符號表示，如圖2所式?？拷獍咧行牡乃膫€探測器接收的能量最大。在圖2中分別以1、2、3、4表示四個接收到最大能量值的探測點位。其他探測點與光斑中心的距離均大于d，其他探測器的電壓顯著小于這四個點的電壓值。光斑中心的坐標(biāo)P：

2　裝置構(gòu)成及使用方法

2.1系統(tǒng)構(gòu)成

提出如圖3所示的激光與可見/紅外光軸平行性檢測靶，靶板上布置7行×7列，d×d尺寸的方形小靶。測試大靶有13塊黑色小靶構(gòu)成可見十字靶線，可作為遠(yuǎn)距離可見光探測器觀瞄。每塊黑色小靶同時也是加熱靶，可通過電控加熱產(chǎn)生溫差，構(gòu)成紅外十字靶線，供遠(yuǎn)距離紅外探測器觀瞄。其他白色小靶為激光漫反射靶。

圖3　靶板設(shè)計原理圖

如圖3所示，為了便于描述，將十字靶線交叉處的小靶稱作“中心小靶”；在中間3行×3列區(qū)域內(nèi)，與中心小靶緊鄰的8塊小靶稱作“近心小靶”，把測試靶上遠(yuǎn)離中心小靶的其他36塊小靶稱為“周圍小靶”。中心小靶所處的區(qū)域稱為中心區(qū)域，近心小靶所處的區(qū)域稱為近心區(qū)域，周圍小靶所處的位置稱為周圍區(qū)域。為了通過探測照射激光能量，確定激光光斑中心，在檢測靶面的不同位置布置了激光點源探測器。在中心小靶上布置9個探測器，每個探測器的間隔d/4；在每塊“近心小靶”上分別布置5個探測器；在周圍小靶的中心鑲嵌1個點源激光探測器。

為了適應(yīng)遠(yuǎn)距離觀測需要，設(shè)計方形小靶大小d=0.2m，整個靶面有1.4m×1.4m，中心小靶上探測器間隔為0.05m，近心區(qū)域激光探測器間隔為0.1m，周圍區(qū)域激光探測器間隔為0.2m。這種設(shè)計方法的優(yōu)點是，中心區(qū)域激光光斑的定位精度最高，近心區(qū)域激光光斑的定位精度次之，周圍區(qū)域激光光斑定位精度較差。既滿足了使用要求，又降低了成本和復(fù)雜度。

檢測靶的可見十字靶線和紅外十字靶線是重合的，因此可以作為遠(yuǎn)距離可見光探測器和紅外探測器光軸校準(zhǔn)測試使用。通過激光點源探測器可以計算得到照射激光光斑中心，即光電激光測距機(jī)、激光照射器發(fā)射軸位置?？梢娛职芯€、紅外十字靶線、激光探測器列陣可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離電視與紅外傳感器光軸平行性檢測、電視與激光光軸平行性檢測、紅外與激光平行性檢測功能。

2.2電視光軸與紅外瞄準(zhǔn)軸平行性檢測

在外場，將檢測靶與待檢測光電系統(tǒng)間隔距離L放置，紅外靶板加熱到一定溫度。首先將電視傳感器對準(zhǔn)靶板的十字靶，使得圖像中央的十字線和可見十字靶線對正。然后切換到紅外傳感器，記錄紅外圖像，獲取圖像中央十字線與紅外十字靶線的間隔像素數(shù)，計算得到電視與紅外光軸的平行性檢測值：

其中，α為紅外圖像的瞬時視場角，n是誤差間隔像素數(shù)。由于檢測靶的可見十字靶線和紅外十字靶線重合，理論上檢測裝置的電視光軸與紅外瞄準(zhǔn)軸的平行性檢測精度很高。實際使用過程中，精度取決于操作過程人眼的視覺判讀誤差，包括電視傳感器對準(zhǔn)可見十字靶線的誤差，圖像中央十字線與紅外十字靶線間隔像素數(shù)讀取誤差。對于有經(jīng)驗的檢測人眼，綜合誤差能控制在±0.5個像素，即平行性檢測精度為紅外圖像的瞬時視場角，滿足光電系統(tǒng)可見光軸與紅外瞄準(zhǔn)軸平行性檢測需求。

2.3紅外瞄準(zhǔn)軸與激光發(fā)射軸平行性檢測

檢測靶與待檢測光電系統(tǒng)間隔距離L，將紅外傳感器對準(zhǔn)到靶板的紅外十字靶線，使得圖像中央的十字線和十字靶線對正。然后光電系統(tǒng)發(fā)射激光，檢測靶板檢測照射激光，由式（3）得到光斑中心位置P，計算得到紅外與激光光軸的平行性檢測值：

其中，Px，Py是光斑中心位置x、y兩個方向的坐標(biāo)值。光軸平行性檢測精度誤差：

由此不難知道，提高光軸平行性精度檢測的方法：（1）外場測試距離越遠(yuǎn)，測試精度越高；（2）點源激光探測器距離間隔越小，檢測精度越高；（3）高信噪比點源探測器，保證相鄰探測數(shù)據(jù)有區(qū)分。表1列出了不同試驗距離時，光斑中心分別落在中心區(qū)域、近心區(qū)域、周圍區(qū)域?qū)?yīng)的測試精度。值得注意的是，受待測系統(tǒng)焦距和分辨力的制約，當(dāng)試驗距離超過靶板目標(biāo)的最遠(yuǎn)探測距離時，平行性檢測精度反而會急劇下降。在外場試驗時，1.4m×1.4方靶可以在外場由光電系統(tǒng)清晰觀測，由表1可知1.5km測試時，同軸性檢測精度小于5″，滿足光電系統(tǒng)同軸性測試需求。

2.4電視光軸與激光發(fā)射軸平行性檢測

電視光軸與激光發(fā)射軸平行性檢測方法與紅外瞄準(zhǔn)軸與激光發(fā)射軸平行性檢測方法相同。光軸平行性檢測值由式（5）計算獲得，平行性檢測精度由式（6）計算獲得，不同距離的測試精度如表1所示。

表1　不同試驗距離光斑中心測試精度

3　結(jié)論

本文提出了一種紅外、可見光、激光三軸平行性檢測的外場試驗裝置設(shè)計方案。首先由可見、紅外共光軸十字靶線確定可見光或紅外傳感器的光軸位置。通過密集點陣列激光點源探測器獲取的四個最大探測值，計算得到光斑中心，即激光傳感器光軸。通過激光光斑遠(yuǎn)距離有限平面誤差換取高精度角誤差。通過獲取激光軸與可見、紅外共軸十字線的偏差，實現(xiàn)多光軸的平行性測試。設(shè)計結(jié)果表明：點源探測器間隔越小，檢測精度越高，在待測系統(tǒng)最遠(yuǎn)探測距離范圍內(nèi)，測試距離越遠(yuǎn)，平行度檢測精度越高，在1.5km測試距離，激光與紅外、電視光軸的平行度檢測精度小于5″。該裝置原理簡單、實現(xiàn)方便、自動化程度高、測試結(jié)果重復(fù)好，具有較好的應(yīng)用前景。

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Multiple Optical Axis Parallelism Test Method Base on Laser Spot Array Detection Method in Field

QIAO Lin，GONG Jiamin，WANG Beibei
（School of Electronic Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121）

The parallelism test method among laser，visible and infrared optical axis is presented.The laser point detectors are array located on the test board with the coincident visible cross line and the infrared cross line.On the basis of the coincident cross line，Laser point detectors accept laser’s irradiation，and then the central position of laser facula is accurately located.Multiple optical axis parallelism can be calculated by the deviation between the laser emission axis and the visible or the infrared cross line.The design result shows that test distance is farther，the precision of parallelism is higher in the detection distance range of the tested system，and the precision of parallelism between laser axis and visible or infrared axis is less than 5″in 1.5km distance.

multiple optical axis；parallelism；test in field；spot array laser detection；cross target

TN247

A

1672-9870（2016）04-0008-04

2016-04-20

國家“863”計劃課題（2013AA014504）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（15JK1683）

喬琳（1983-），女，碩士，E-mail：qiaolin@xupt.edu.cn