CN103471820B - 便携式多光谱光电设备实时标校测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电技术领域，公开了一种便携式多光谱光电设备实时标校测试仪，其包括：多光谱光源、旋转靶板、平行光管、旋转滤光片、近红外CCD和插拔式反射镜；其中，多光谱光源、旋转靶板和平行光管建立第一光路连接以提供多光谱多靶形准直光源；平行光管、旋转滤光片和近红外CCD建立第二光路连接以对反馈光进行近红外或激光成像；插拔式反射镜在自准直工作模式时置入，将准直光源反射回作为第二光路连接中的反馈光，以实施准直光源和近红外CCD的共轭焦心自校准。本发明适用于在外场提供多光谱多靶形准直光源、快速测试光电设备探测成像和激光辐射功能、定量标校多光谱光轴一致性，满足共轭焦心自校准、便携、实时及外场适应性的需求。

Description

便携式多光谱光电设备实时标校测试仪

技术领域

本发明涉及光电技术领域，更具体地说，涉及一种便携式多光谱光电设备实时标校测试仪。

背景技术

随着光学传感技术的发展，尖端的光电设备可以完成的功能越来越丰富，当前很多大型光电设备能同时完成传感、测量、跟踪等多项任务。这些大型光电设备通常由多个光学子系统组成，比如新型的航空机载光电设备一般同时具备红外传感器、可见传感器和激光测距等多个子系统，多光谱光电设备的应用愈加广泛。由于同时利用多个子系统采用不同频段的光对同一目标进行感测，要保证结果的一致性，必须要对各子系统进行测试校准。

光电设备功能越完备，实际使用前需要进行的测试越复杂，比如多光轴一致性、探测成像性能、激光辐射功能等调校，均需要专业的测试系统才能完成。但现有的测试技术仍过于单一，在光电设备发展的同时，现有测试技术的弊端也逐步显现，具体表现如下：

1）需要搭建不同的测试系统才能满足大型光电设备的应用需求；

2）多项应用分别测试需要的设备多、体积大、重量重，对操作平台和环境要求严格，无法携带，不能在外场使用；

3）大部分测试仪器需要专业技术人员操作，人机交互难度大；

4）某些特定测试，比如光电设备的探测成像和激光辐射功能性能指标等，通常在整机装调时已经完成测试，在后续长期外场试验和使用中，主要关注影响整机功能性能或易退化的指标，例如非均匀性、盲元、脉冲能量、重复频率、束散全角等，目前尚无满足此类指标外场快速测试需求的成熟技术应用；

5）有些功能需要在每次试验或正式使用前通过快速测试进行保障，比如光电设备多光谱光轴一致性随着外场不断试验和使用可能会发生变化，需要进行快速高精度定量标校，尤其是跟踪轴与激光轴的偏差，需要精确测量，根据测量值调整跟踪瞄准中心位置实现对此偏差的校准；在某些应用场景中，有时需要在外场直接调整被测设备传感器角度，这对大部分光电设备而言不具有操作性；现有技术有的通过目测偏差指导校准，精度低；有的要求各传感器平行布局并排放置，应用局限性大；

6）测试仪自身的准直光源焦心和近红外CCD焦心的共轭性是实施光轴一致性标校的前提，现有技术无快速检查调整焦心共轭性的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现便携快速的光电设备定量标校测试。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种便携式多光谱光电设备实时标校测试仪，所述测试仪包括：多光谱光源、旋转靶板、平行光管、旋转滤光片、近红外CCD和插拔式反射镜；其中，

所述多光谱光源、所述旋转靶板和所述平行光管建立第一光路连接以提供多光谱多靶形准直光源；

所述平行光管、所述旋转滤光片和所述近红外CCD建立第二光路连接以对反馈光进行近红外或激光成像；

所述插拔式反射镜在自准直工作模式时置入，将所述第一光路连接产生的所述准直光源反射回作为所述第二光路连接中的反馈光，以实施所述准直光源和所述近红外CCD的共轭焦心自校准。

优选地，在测试模式时，所述反馈光为被测光电设备探测或跟踪所述准直光源时辐射的激光。

优选地，所述平行光管包括：分色镜、次反射镜和主反射镜；其中，主、次反射镜中心轴重合并通过所述分色镜的面心，所述分色镜的镜面与主、次反射镜中心轴成45°夹角。

优选地，所述旋转靶板、所述旋转滤光片和所述近红外CCD与所述平行光管对应配合安装。

优选地，所述旋转靶板安装在所述分色镜外侧，所述旋转滤光片安装在所述分色镜面向的一侧，所述近红外CCD安装在所述旋转滤光片外侧；

所述旋转滤光片与所述近红外CCD的中心轴重合，且与主、次反射镜中心轴垂直并通过所述分色镜的面心；

所述旋转靶板的星点靶靶心位置与所述近红外CCD面心位置互相共轭。

优选地，所述测试仪还包括信号处理组件，所述的信号处理组件电连接所述被测光电设备和所述近红外CCD，通过对所述被测光电设备各传感器上或所述近红外CCD上成像的图像进行分析，测试所述光电设备的探测成像功能和激光辐射功能，以及实时定量标校所述光电设备的多光谱光轴一致性。

优选地，所述的多光谱光轴包括：长波红外光、中波红外光、近红外光、可见光和激光。

优选地，所述旋转靶板包括：星点靶、十字靶、四杆靶和方形靶，各靶形均匀分布在所述旋转靶板的圆周上。

优选地，所述旋转滤光片包括均匀分布在所述旋转滤光片的圆周上的透明玻璃片和多块不同衰减效率的滤光片。

优选地，所述测试仪为一柱体，所述柱体前端面为光学窗口，后端面设置有操控界面，所述柱体侧面还设有提手。

与现有技术相比，本发明解决了以下问题：

1）集成多光谱多靶形准直光源、光电设备探测成像和激光辐射功能测试系统以及多光谱光轴一致性标校系统，可以快速完成各项测试应用；

2）具有小型化、轻型化、便携性、外场适应性的特点，适用于大部分具备探测、跟踪、测距功能的多光谱光电设备；

3）通过键盘和显示器实现各种测试标校的指令控制和数据显示，简易直观；

4）实时测试光电设备探测成像和激光辐射基本功能性能，例如非均匀性、盲元、脉冲能量、重复频率、束散全角，等易退化的指标；

5）高精度实时定量标校多光谱光轴一致性，对被测光电设备传感器布置方式无特殊要求；

6）快速检测标校测试仪自身的准直光源焦心和近红外CCD焦心的共轭性，调整两者重合。

附图说明

图1是本发明的一种实施例外观示意图；

图2是本发明的一种实施例应用方式示意图；

图3是本本发明的一种实施例系统组成框图；

图4是图3中平行光管内部组成框图；

图5是图3中旋转靶板内部组成示意图；

图6是图3中旋转滤光片内部组成示意图；

图7是图3中信号处理组件内部组成框图；

图8是图3中键盘和显示器组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了满足大型光电设备的复杂测试需求，本发明提供了一种带有准直光源的便携式实时测试仪，该测试仪的基本结构如图1所示。其中，该测试仪为一柱体，该柱体前端面为光学窗口，用于收发测试光线；后端面设置有操控界面，包括键盘区、指示灯区、显示区和接口区等；柱体侧面还设有提手，以便于外场携带或移动该测试仪。在图1优选的实施例中，测试仪为六棱柱体，前端面的光学窗口为圆形，外包络尺寸直径不大于200mm、长度不大于400mm，重量不大于15Kg，满足小型化、轻型化、便携性的要求，便于外场各项检测应用。

本发明的测试仪有两种工作模式：

自准直工作模式，即测试前的校准模式，用于实时检查准直光源焦心和近红外CCD焦心的共轭性，调整两者中心重合；

标校测试工作模式，即测试模式，用于标校测试被测光电设备的探测成像、激光辐射和多光谱光轴一致性等指标。

在本发明的一个实施例中，标校测试工作模式的一种应用方式如图2所示，将测试仪光学窗口与被测光电设备光学窗口基本对正，操作测试仪辐射多光谱多靶形准直光7，模拟无穷远目标；操作被测光电设备接收准直光7，探测或跟踪模拟目标，辐射激光8，输出探测成像视频图像18，操作测试仪根据激光8和视频图像18计算探测成像、激光辐射和光轴一致性等指标。本发明的整个测试系统对测试平台、测试环境要求不高，符合对于被测光电设备通用化的要求。

在本发明的一个实施例中，包括测试仪和被测光电设备的一个测试系统如图3所示。其中，测试仪为图3中虚线框所示部分，包括多光谱光源100、旋转靶板200、平行光管300、插拔式反射镜400、旋转滤光片500、近红外CCD600、信号处理组件700、键盘显示器800和蓄电池900等组件。

在图3的测试系统中，部件之间的连接关系分为光学连接和电学连接，为了更清楚地表述部件的连接关系，下面以测试系统中典型的信号传递流程进行说明。在该测试系统中，信号传递流程分为光学信号传递流程和电学信号传递流程两部分，基本描述如下：

光学信号传递流程，进一步包括两种流程：

A、自准直工作模式下的光学信号传递流程：

自准直工作模式下，插拔式反射镜400置入光路中，参与光学信号传递；多光谱光源100辐射多光谱光信号1，透过旋转靶板200辐射模拟图形光信号2，平行光管300辐射出多光谱准直光3，插拔式反射镜400反射准直光4，平行光管300将准直光汇聚后辐射近红外光5，旋转滤光片500透射出近红外光6，近红外CCD600探测成像；

B、标校测试工作模式下的光学信号传递流程：

标校测试工作模式下，插拔式反射镜400撤出光路，不参与光学信号传递；多光谱光源100辐射多光谱光信号1，透过旋转靶板200辐射模拟图形光信号2，平行光管300辐射出多光谱准直光7，被测光电设备接探测或跟踪准直光7并辐射激光8；平行光管300将激光汇聚后辐射激光5；旋转滤光片500透射出激光6；近红外CCD600探测成像；

电学信号传递流程：

近红外CCD600输出图像9，被测光电设备输出各波段传感器图像18，信号处理组件700分析计算上述图像并输出图像视频和测试数据10至键盘显示器800显示；键盘显示器800输出控制指令16，信号处理组件700接收并分发光源照度控制信号11、旋转靶标控制信号12、旋转滤光片控制信号13、近红外CCD控制信号14、蓄电池控制信号15。

在本发明的优选实施例中，平行光管300内部结构如图4所示。在图4中，平行光管300包括分色镜302、次反射镜303、主反射镜304等部件，主、次反射镜中心轴重合，分色镜302的镜面与中心轴成45°夹角，中心轴通过分色镜302的面心。图4中还进一步示出了与平行光管300配合工作的其他部件的安装位置，其中，旋转靶板200安装在分色镜外侧位置301，其中心轴基本与主、次反射镜中心轴重合；旋转滤光片500安装在分色镜面向的一侧位置305，近红外CCD600安装在旋转滤光片外侧位置306，旋转滤光片与近红外CCD的中心轴重合，且与主、次反射镜中心轴垂直并通过分色镜的面心。需要注意的是，安装时旋转靶板星点靶靶心位置（即准直光源焦心位置）与近红外CCD面心位置（即焦心位置）互相共轭。分色镜采用多光谱硫化锌，双面镀膜，其中3.7μm～4.8μm、7.7μm～10.3μm透过率大于90%，1.064μm透过率大于85%，1.064μm反射率小于15%，主、次反射镜采用超硬铝合金，反射面镀0.4μm～14μm反射率大于94%的宽波段反射膜。

在本发明另一个优选实施例中，旋转靶板200的结构如图5所示。在图5中，旋转靶板200包括星点靶、十字靶、方形靶和四杆靶等多种靶形，均匀分布在旋转靶板200的圆周上。旋转滤光片500的结构如图6所示。在图6中，旋转滤光片500包括透明玻璃片和多块不同衰减效率的滤光片，均匀分布在旋转滤光片500的圆周上。

信号处理组件700的内部结构如图7所示。信号处理组件700主要包括光源照度控制模块701、旋转靶板控制模块702、旋转滤光片控制模块703、近红外CCD控制模块704、激光辐射功能测试模块705、光轴一致性计算模块706、探测成像功能测试模块707和显示模块708等部件，分别实现对测试仪各组件的信号控制和数据处理功能。

键盘显示器800的内部结构如图8所示。键盘显示器800主要包括控制键盘801和显示器802，其中显示器802的显示区域划分成多个区域，分别显示：多种传感器图像、激光图像、自准直图像和测试标校数据信息。

在本发明的实施例中，测试仪集成了多光谱多靶形准直光源、光电设备探测成像和激光辐射功能测试系统以及多光谱光轴一致性标校系统，可以快速完成各项测试应用。其中，结合上述各组件结构对个功能的具体实现做如下的进一步说明：

其中，准直光源焦面中心和近红外CCD焦面中心自准直方式为：

使用多光谱光源100、旋转靶板200、平行光管300、插拔式反射镜400、旋转滤光片500、近红外CCD600和信号处理组件700对星点靶光源成像，并实现准直光源焦心和近红外CCD焦心的共轭性校准；插拔式反射镜400采用熔石英材料，反射面镀0.4μm～14μm反射率大于94%的宽波段反射膜；信号处理组件700由光源照度控制模块701、旋转靶板控制模块702、旋转滤光片控制模块703、近红外CCD控制模块704、激光辐射功能测试模块705、光轴一致性计算模块706、探测成像功能测试模块707、显示模块708，等组成；多光谱光源100辐射光透过星点靶，经过平行光管200分色镜202透射、次反射镜203反射、主反射镜204反射，辐射出准直光，再经过插拔式反射镜400反射回准直光，再经过平行光管200主反射镜204反射、次反射镜203反射、分色镜202反射、选定的选择滤光片500透射，在近红外CCD600上成像；信号处理组件700光轴一致性计算模块706检测星点靶光源在近红外CCD600上的成像光斑质心位置，显示模块708控制显示器802实时显示质心位置，如果在近红外CCD600面心，即满足共轭性要求，可以开展光轴一致性标校，如果不在近红外CCD600面心，微调近红外CCD600位置，直至星点靶光源成像光斑质心位置处于近红外CCD600面心位置，实现准直光源焦心和近红外CCD600焦心的共轭性校准。

成像探测基本功能性能测试方法为：

使用多光谱光源100、旋转靶板200、平行光管300和信号处理组件700测试探测成像功能；多光谱光源100辐射光透过选定的方形靶板200，经平行光管300准直，形成模拟方形目标，被测光电设备各传感器探测成像、输出图像，经信号处理组件700探测成像功能测试模块707计算测试结果，显示模块708控制显示器802实时显示；通常光电设备探测成像在外场使用中最关注或易退化的指标有：非均匀性和盲元等，测试方法分别为：

A、非均匀性测试方法：

信号处理组件700探测成像功能测试模块707计算长波红外、中波红外图像中方形目标区域内图像的非均匀性，其中M、N为图像的像素规模（M行×N列），Vs(i,j)为采集到的第(i,j)探测单元的原始输出值， $\stackrel{\‾}{\mathrm{Vg}}=\frac{1}{M\×N}{\mathrm{\Σ}}_i^M{\mathrm{\Σ}}_j^N\mathrm{Vs}(i,j).$

B、盲元测试方法：

信号处理组件700探测成像功能测试模块707计算长波红外、中波红外图像中方形目标区域内图像的盲元数量。

激光辐射基本功能性能测试方法为：

使用平行光管300、旋转滤光片500、近红外CCD600和信号处理组件700测试激光辐射功能；被测光电设备辐射激光，经平行光管300汇聚、滤光片500衰减，在近红外CCD600上成像并输出激光光斑图像，经信号处理组件700激光辐射功能测试模块705计算测试结果，显示模块708控制显示器802实时显示；通常影响光电设备激光测距能力的关键是激光辐射功能，其在外场使用中最关注或易退化的指标有：脉冲能量、重复频率和束散全角等，测试方法分别为：

A、脉冲能量测试方法：

a）建立能量灰度比对查找表：采用标准激光器，设置不同的脉冲能量值，例如50mJ、150mJ、200mJ、250mJ、300mJ、350mJ，对标校测试仪辐射激光，经平行光管300汇聚、滤光片500衰减，在近红外CCD600上成像并输出激光光斑图像，经信号处理组件700激光辐射功能测试模块705计算不同脉冲能量激光光斑对应的不同灰度值，建立能量灰度比对查找表，存储在系统中；

b）根据查找表反算能量值：控制被测光电设备对标校测试仪辐射激光，经平行光管300汇聚、滤光片500衰减，在近红外CCD600上成像并输出激光光斑图像，经信号处理组件700激光辐射功能测试模块705计算激光光斑灰度值，根据存储在系统中的能量灰度比对查找表，反算出脉冲能量值；

B、重复频率测试方法：

信号处理组件700激光辐射功能测试模块705计算近红外CCD600图像视频中一段连续时间ti的激光光斑数量n，那么重复频率

C、束散全角测试方法：

信号处理组件700激光辐射功能测试模块705计算近红外CCD600上激光光斑直径d，除以平行光管300焦距f，可得激光辐射束散全角φ，即

多光谱光轴一致性高精度实时定量标校方法：

使用多光谱光源100、旋转靶板200、平行光管300、旋转滤光片500、近红外CCD600和信号处理组件700标校光轴一致性；通常被测光电设备涉及的传感器有可见光相机、中波红外热像仪、长波红外热像仪和激光测距机，涉及的光轴有可见光轴、近红外轴、中波红外轴、长波红外轴和激光轴，以长波红外轴为基准的标校方法，包括步骤：

1）多光谱光源100辐射光透过选定的星点靶板200，经平行光管300准直，形成模拟点目标，操作被测光电设备长波红外热像仪探测成像，瞄准该点目标并输出图像，使用信号处理组件700探测成像功能测试模块707计算长波红外图像中点目标质心位置，显示模块708控制显示器802实时显示质心位置，该位置应处于图像中心；

2）操作被测光电设备中波红外热像仪对模拟点目标探测成像并输出图像，使用信号处理组件700探测成像功能测试模块707计算中波红外图像中点目标质心位置，显示模块708控制显示器802实时显示质心位置，该位置与图像中心的偏差即为中波红外光轴与长波红外光轴的偏差；

3）操作被测光电设备可见光相机对模拟点目标探测成像并输出图像，使用信号处理组件700探测成像功能测试模块707计算可见光图像中点目标质心位置，显示模块708控制显示器802实时显示质心位置，该位置与图像中心的偏差即为可见光轴与长波红外光轴的偏差；

4）根据需要选择滤光片500置入光路中，操作被测光电设备辐射激光，经平行光管300汇聚、滤光片500衰减，在近红外CCD600上成像并输出激光光斑图像，经信号处理组件700激光辐射功能测试模块705计算激光光斑质心位置，显示模块708控制显示器802实时显示质心位置，该位置与图像中心的偏差即为激光轴与长波红外光轴的偏差；

同理，也可以其他光轴为基准采用相同方法标校光轴一致性，显示器802显示的各光轴偏差值精度为20μrad，可直接用于被测光电设备跟踪瞄准算法程序中的参数加载。

本发明在上述特定应用实例中的具体工作参数如下：光谱范围0.4μm-14μm；平行光管焦距1500mm，通光口径90mm；近红外CCD阵列数1280×1024、分辨力7.2μrad；光轴一致性标校精度20μrad；供电220V；功耗50W；重量15kg；尺寸直径Ф200mm、长度400mm；工作温度范围-20℃～40℃。

本发明提供了一种便携式多光谱光电设备实时标校测试仪，通过基于多光谱多靶形准直光源和信号处理组件，快速测试光电设备探测成像和激光辐射功能、定量标校多光谱光轴一致性的设计，解决了内外场应用方便、操作简单、便携性、实时性和定量测试兼顾的问题。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种便携式多光谱光电设备实时标校测试仪，其特征在于，所述测试仪为一柱体，所述柱体前端面为光学窗口，后端面设置有操控界面，所述柱体侧面还设有提手；

所述测试仪包括：多光谱光源、旋转靶板、平行光管、旋转滤光片、近红外CCD和插拔式反射镜；其中，

所述多光谱光源、所述旋转靶板和所述平行光管建立第一光路连接以提供多光谱多靶形准直光源；

所述平行光管、所述旋转滤光片和所述近红外CCD建立第二光路连接以对反馈光进行近红外或激光成像；

所述插拔式反射镜在自准直工作模式时置入，将所述第一光路连接产生的所述准直光源反射回作为所述第二光路连接中的反馈光，以实施所述准直光源和所述近红外CCD的共轭焦心自校准。

2.如权利要求1所述的测试仪，其特征在于，在测试模式时，所述反馈光为被测光电设备探测或跟踪所述准直光源时辐射的激光。

3.如权利要求1所述的测试仪，其特征在于，所述平行光管包括：分色镜、次反射镜和主反射镜；其中，主、次反射镜中心轴重合并通过所述分色镜的面心，所述分色镜的镜面与主、次反射镜中心轴成45°夹角。

4.如权利要求3所述的测试仪，其特征在于，所述旋转靶板、所述旋转滤光片和所述近红外CCD与所述平行光管对应配合安装。

5.如权利要求4所述的测试仪，其特征在于，所述旋转靶板安装在所述分色镜外侧，所述旋转滤光片安装在所述分色镜面向的一侧，所述近红外CCD安装在所述旋转滤光片外侧；

所述旋转滤光片与所述近红外CCD的中心轴重合，且与主、次反射镜中心轴垂直并通过所述分色镜的面心；

所述旋转靶板的星点靶靶心位置与所述近红外CCD面心位置互相共轭。

6.如权利要求2所述的测试仪，其特征在于，所述测试仪还包括信号处理组件，所述的信号处理组件电连接所述被测光电设备和所述近红外CCD，通过对所述被测光电设备各传感器上或所述近红外CCD上成像的图像进行分析，测试所述光电设备的探测成像功能和激光辐射功能，以及实时定量标校所述光电设备的多光谱光轴一致性。

7.如权利要求6所述的测试仪，其特征在于，所述的多光谱光轴包括：长波红外光、中波红外光、近红外光、可见光和激光。

8.如权利要求1所述的测试仪，其特征在于，所述旋转靶板包括：星点靶、十字靶、四杆靶和方形靶，各靶形均匀分布在所述旋转靶板的圆周上。

9.如权利要求1所述的测试仪，其特征在于，所述旋转滤光片包括均匀分布在所述旋转滤光片的圆周上的透明玻璃片和多块不同衰减效率的滤光片。