CN108956099A - 双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性的方法 - Google Patents
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Abstract
为满足使用单位定量检测光电探测系统多光轴一致性偏差的需求，利用通用自准直经纬仪的特性，研究了一种使用双经纬仪和全波段平行光管测量大间距光轴一致性偏差的方法。该方法可以完成可见光轴和红外光轴等多个光轴之间的一致性偏差的定量检测，该方法测量精度高，操作方便，适用于多种光学系统间的光轴一致性检测，解决了使用单位定量检测光电探测系统多光轴一致性偏差的难题。
Description
技术领域
本方法涉及多波段光学系统光轴空间指向的精密测量领域。本方法适用于大间距、多波段光学系统光 轴一致性的精确测量。本发明属于光学精密测量技术领域。
背景技术
为提高光电探测系统的全天候工作能力，目前发展趋势是在一个跟踪平台上集成目视瞄准具、电视成 像系统、短波红外系统、中波红外热像系统、长波红外热像系统等多个光电探测和成像系统。根据光电探 测系统的设计要求，多个光学系统光轴之间应是平行的，每个光学系统光轴与基准光轴的一致性偏差一般 不大于0.1mard。为提高探测范围和探测距离，通常电视成像系统和红外热像系统具有多种视场，光学系 统的口径也比较大，因此各光电系统光轴最大间距达到1m～2m以上。各光学系统光轴与基准光轴的一致 性是光电探测系统的一项关键技术指标，光轴之间的一致性偏差影响光电探测系统对目标位置的探测准确 性，因此不仅在光电探测系统装调中需要精确测量光轴之间的一致性偏差，在光电探测系统使用过程中也 需要定期检测各光轴之间的一致性偏差。
在光电探测系统装调过程中，一般采用两种方法检测每个光学系统光轴与基准光轴的一致性偏差。第 一种方法简称为检测靶法，是根据各光学系统的结构参数，确定各光学系统光轴之间的空间位置关系，按 照光学系统光轴之间的空间位置关系研制一个检测靶，在检测靶上标示各光轴的对应标记，标志点的位置 就是各光轴平行时在检测靶上的投影。检测时一般将检测靶架设在光电探测系统前方50m～100m处，光电 探测系统调平后，调整检测靶与光电探测系统等高，并使光电探测系统基准光轴垂直于检测靶靶面，水平 和上下调整检测靶的位置，使基准光学系统光轴瞄准对应的标志点。检查其它光学系统光轴是否瞄准对应 标志点，若瞄准了对应标志点，说明该光学系统的光轴与基准光轴一致性满足要求，若没有瞄准对应标志 点，可根据该光学系统在检测靶上的瞄准位置，计算光轴的偏差值，按照设计指标进行调整，一直到该光 学系统的光轴一致性满足要求为止。第二种方法简称为平行光管法，是采用多波段大口径平行光管，这种 光管的口径可达到一米或几米，采用溴钨灯或全波段光源做光源，发出的平行光可以覆盖目视瞄准具、电 视成像系统、中波红外热像系统、长波红外热像系统、激光告警系统的使用光谱波段，平行光管一般是投射出暗背景下的亮十字分划，十字分划上有精确刻度线，便于被检测的光学系统瞄准和检测。检测时一般 将光电探测系统架设在大口径平行光管前方，调整光电探测系统，使基准光学系统光轴瞄准大口径平行光 管的十字分划中心，检查其它光学系统光轴是否瞄准十字分划中心。若没有瞄准十字分划中心，可根据该 光学系统的瞄准位置，计算光轴的偏差值，按照设计指标进行调整，一直到该光学系统的光轴一致性满足 要求为止。
平行光管法是光轴一致性检测的经典方法，测试精度高，操作方便，适于光电系统研制和制造过程中 的检测。但多波段大口径平行光管价格昂贵，对测试环境要求高，光电探测系统的使用单位是不具备这种 多波段大口径平行光管，目前皆采用检测靶法进行定期检测各光轴之间的一致性偏差。由检测靶法的原理 可知，检测靶的加工精度、架设角度、光电探测系统结构误差、外场检测环境、人工瞄准误差等因素皆影 响检测精度，因此检测靶方法的精度相比多波段大口径平行光管方法低很多，对于精度要求高的光电探测 系统，只能作为一种定性检测手段，不能定量检测光学系统光轴一致性偏差。
为满足使用单位定量检测光电探测系统多光轴一致性偏差的需求，利用通用自准直经纬仪的特性，研 究了一种双经纬仪测量大间距光轴一致性偏差的方法。该方法测量精度高，操作方便，适用于多种光学系 统间的光轴一致性检测。该方法完成了对某型光电探测系统多光轴一致性偏差的检测，同时与平行光管法 的检测数据进行了比对，两种检测方法的检测结果相吻合，说明了该方法的正确性和实用性。
发明内容
光学系统的光轴可看做是从光学系统中心沿光轴向探测方向发出的一条空间射线，光轴出射方向是射 线指向，可以用矢量描述光轴的空间指向，两个光学系统光轴一致性偏差实质上是两个光轴矢量之间的空 间夹角，因此测量光学系统光轴一致性偏差就是测量两个矢量的空间夹角。空间中的两个矢量，可以相交， 也可以不相交。对于相交的两个矢量，为方便计算，以交点为坐标系原点建立三维直角坐标系，就可以用 两矢量夹角公式计算了。不相交的两个矢量，可以平移一个矢量与另一个矢量相交后，也可用两个相交矢量夹角公式计算。设两个光轴矢量分别为和长度分别为r1和r2，采用球坐标描述光轴矢量时， M点坐标为N点坐标为两个光轴矢量的关系参见图1所示。设光轴矢量 为基准光轴，则光轴矢量相对基准光轴的一致性偏差角φ为：
用双经纬仪测量两个光轴的一致性偏差，是利用了经纬仪测角特性，将空间中两个被测量光轴进行了 平移，使两个光轴相交，然后测量出两光轴夹角。一个光轴相对另一个光轴的一致性偏差是有方向的，可 以向左偏，也可以向上偏，因此测量两个矢量的空间夹角要考虑空间夹角的方向，为准确描述两个光轴的 空间位置关系，在测量时需要定义测量坐标系。为测量方便，测量坐标系定义如下：
基准光学系统光轴出射方向为Z轴，光学系统中心O点为直角坐标系OXYZ的原点，XOY平面垂直 于光轴，OX轴与大地水平面平行，沿光轴出射方向看，OX轴指向左侧，OY轴指向上方，OX轴与OY 轴、OZ轴构成右手直角坐标系，测量坐标系OXYZ如图2所示。
经纬仪测量光轴空间指向时，给出的是光轴方位角和俯仰角，为计算方便，并与经纬仪的测量角相匹 配，采用球坐标描述光轴矢量，见图2所示的三维直角坐标系。通过测量被检光轴ON在测量坐标系OXYZ 中的方位偏差角和俯仰偏差角θ，准确描述被检光学系统光轴与基准光学系统光轴的空间位置关系。按 照测量习惯，方位偏差角是光轴ON在XOZ平面的投影线与Z轴的夹角，俯仰偏差角θ是光轴ON与 其在XOZ平面的投影线的夹角。按照上述定义，基准光学系统光轴矢量是OZ轴指向，被检光轴ON的 一致性偏差就是与OZ轴的偏差，OZ轴指向为方位偏差角(-90°～+90°)零点，被检光轴ON与XOZ 面平行时，俯仰偏差角θ(-90°～+90°)为零。被检光轴ON在测量坐标系中，若指向偏向X轴的正向， 则方位偏角为正，反之为负；若指向偏向Y轴的正向，则俯仰偏角为正，反之为负。参见图2所示。
目前使用的典型光电探测系统包括目视瞄准具、电视成像系统、中波红外热像系统、长波红外热像系 统等多个光电探测系统，从光谱上划分，目视瞄准具和电视成像系统属于可见光波段，中波红外热像系统 和长波红外热像系统属于红外波段。目前通用的自准直经纬仪只能投射出可见光十字分划，红外系统不能 观测到自准直经纬仪投射的十字分划，不能用经纬仪直接测量红外光学系统的光轴，需要借助一个全波段 平行光管，此全波段平行光管的作用是将红外光学系统光轴平移到平行光管的光轴上，用经纬仪测量平行光管光轴的空间指向，这样就可测得红外光学系统光轴的空间指向。
根据光电探测系统的工作原理和多光轴一致性测试需求，光电探测系统多光轴一致性测试需求可以概 括为三种测试要求，一是两个可见光光轴之间的一致性测量；二是红外光轴相对可见光光轴的一致性测量； 三是两个红外光轴之间的一致性测量。本发明针对这三种测量需求，分别设计了相应的测试方案，解决了 大间距光轴之间一致性偏差精确测量的难题。本发明提出的三种测试方案共同点是通过两个经纬仪对瞄、 归零建立测量基准，不同点是对于红外光轴需要借助全波段平行光管进行测量。测试中使用的经纬仪为正像经纬仪，使用的全波段平行光管有焦面十字分划位置微调功能(方位、俯仰可调)，同时全波段平行光 管架设在三维姿态调整台上(方位、俯仰、横滚可调)，便于光电探测系统与平行光管十字分划的快速对 准。
第一种测试方案的双经纬仪测量原理示意图见图3，测量方法是：第一步，将光电探测系统调整到检 测状态后，在基准可见光系统(3)前方架设经纬仪(1)对准可见光系统(3)光轴；第二步，在被检可 见光系统(4)前方架设经纬仪(2)，调整经纬仪(2)对准可见光系统(4)的同时，可方便与经纬仪(1) 对瞄；第三步，设置经纬仪(1)和经纬仪(2)为自准直状态，操作经纬仪(1)和经纬仪(2)对瞄，经 纬仪(1)瞄准经纬仪(2)的自准直十字分划后，将经纬仪(1)和经纬仪(2)置零，完成经纬仪(1) 和经纬仪(2)的对瞄，建立数据计算基准；第四步，操作经纬仪(1)对准可见光系统(3)光轴，操作 经纬仪(2)对准可见光系统(4)光轴，记录经纬仪(1)和经纬仪(2)的方位角、俯仰角示数(α1，β1)和 (α2，β2)，根据经纬仪(1)的俯仰角示数建立图2所示的测量坐标系OXYZ，便于与其它测量设备的测 量结果比对。
由经纬仪测量原理可知，经纬仪俯仰角度量以大地坐标系水平面为基准，指向天顶时为零，方位角度 量以经纬仪置零位置为零点，因此在该测试方案中，被测光轴相对基准光轴的位置不同，计算公式是不同 的。测量时需要考虑基准光轴与被测光轴的位置关系。参见图3所示，当面向光电探测系统时，被检可见 光系统(4)位于基准可见光系统(3)右侧时，可见光系统(4)光轴相对可见光系统(3)光轴在方位和 俯仰的偏差角计算公式为：
式中：α1，β1分别为经纬仪(1)的方位和俯仰示数；
α2，β2分别为经纬仪(2)的方位和俯仰示数。
参见图3，若以可见光系统(4)为基准光轴，这相当于被检光轴与基准光轴的左右位置互换，按照上 述测试方法，可见光系统(3)光轴相对可见光系统(4)光轴在方位和俯仰的偏差角计算公式为：
第二种测试方案的测量原理示意见图4，测量方法是：第一步，将光电探测系统调整到检测状态后， 在基准可见光系统(13)前方架设经纬仪(11)对准基可见光系统(13)光轴；第二步，在被检红外光学 系统(14)前方架设一个全波段平行光管(15)并置于三维姿态调整台(16)上，平行光管(15)光轴中 心与红外光学系统(14)光轴中心等高，红外光学系统(14)位于平行光管(15)的一侧，操作三维姿态 调整台(16)和平行光管(15)的十字分划，使红外光学系统(14)对准平行光管(15)光轴，在红外光 学系统(14)和平行光管(15)之间架设经纬仪(12)并位于平行光管(15)另一侧，经纬仪(12)光轴 中心与平行光管(15)光轴中心等高并对准平行光管(15)光轴，这种布局方式可以充分利用平行光管(15) 口径，避免经纬仪(12)遮挡红外光学系统(14)，保证红外光学系统(14)和经纬仪(12)同时瞄准平 行光管(15)光轴。第三步，设置经纬仪(11)和经纬仪(12)为自准直状态，操作经纬仪(11)和经纬仪(12)对瞄，经纬仪(11)瞄准经纬仪(12)的自准直十字分划后，将经纬仪(11)和经纬仪(12)置 零，完成经纬仪(11)和经纬仪(12)的对瞄，建立数据计算基准。第四步，操作经纬仪(11)对准可见 光系统(13)光轴，操作经纬仪(12)对准平行光管(15)光轴，记录经纬仪(11)和经纬仪(12)的方 位角、俯仰角示数(α11，β11)和(α12，β12)。根据经纬仪(11)的俯仰角示数建立图2所示的测量坐标系 OXYZ。红外光学系统(14)光轴相对可见光系统(13)光轴在方位和俯仰的偏差角计算公式为：
式中：α11，β11分别为经纬仪(11)的方位和俯仰示数；
α12，β12分别为经纬仪(12)的方位和俯仰示数。
在该测试方案中，被检红外光学系统(14)与基准可见光系统(13)的相对位置关系，不影响公式(33) 的使用。
第三种测试方案的测量原理示意见图5，测量方法是：第一步，将光电探测系统调整到检测状态后， 按照第二种测试方案的经纬仪和平行光管架设方法，在基准红外光学系统(23)前方架设一个全波段平行 光管(25)、三维姿态调整台(27)和经纬仪(21)，操作三维姿态调整台(27)和平行光管(25)使红外 光学系统(23)对准平行光管(25)光轴，操作经纬仪(21)对准平行光管(25)光轴，将经纬仪(21) 置零，记录经纬仪(21)的俯仰角示数β21；第二步，与第一步相同方法在被检红外光学系统(24)前方 架设全波段平行光管(26)、三维姿态调整台(28)和经纬仪(22)，经纬仪(22)的位置应方便与经纬仪 (21)对瞄，操作经纬仪(22)对准平行光管(26)光轴，将经纬仪(22)置零，记录经纬仪(22)的俯 仰角示数β22；第三步，设置经纬仪(21)和经纬仪(22)为自准直状态，操作经纬仪(21)和经纬仪(22) 对瞄，经纬仪(21)瞄准经纬仪(22)的自准直十字分划后，记录经纬仪(21)和经纬仪(22)的方位角示数α21和α22。根据经纬仪(21)的俯仰角示数建立图2所示的测量坐标系OXYZ。红外光学系统(24) 光轴相对基准红外光学系统(23)光轴在方位和俯仰的偏差角计算公式为：
式中：α21，β21分别为经纬仪(21)的方位和俯仰示数；
α22，β22分别为经纬仪(22)的方位和俯仰示数。
参见图5，若以红外光学系统(24)为基准光轴，按照上述测试方法，红外光学系统(23)光轴相对 红外光学系统(24)光轴在方位和俯仰的偏差角计算公式为：
如图5所示的测量，若只有1个全波段平行光管(25)和1个三维姿态调整台(27)，可以按照第一 步方法先测量基准红外光学系统(23)，经纬仪(21)对准平行光管(25)后置零，记录经纬仪(21)的 俯仰角示数β21；按照第二步方法，移动平行光管(25)和三维姿态调整台(27)到被检红外光学系统(24) 前进行对准，经纬仪(22)对准平行光管(25)后置零，记录经纬仪(22)的俯仰角示数β22，按照第三 步方法完成后续测量和计算。该测试方法优点是利用一个全波段平行光管兼顾两个大间距红外光学系统光 轴一致性的测试。
三种测试方案中，皆采用经纬仪先瞄准需测量的光学系统光轴后，在操作经纬仪对瞄，这种测试流程 可提高测试效率，因为瞄准需测量光学系统光轴的过程更复杂.
公式(31)计算的偏差角是在图2所示的测量坐标系中测量的，OY轴与铅垂线夹角为90°-β1， 利用经纬仪(1)可方便的确定测量坐标系OXYZ与大地直角坐标系的关系，以便与其它测量系统的测量 数据相互比对。同理可知，使用公式(32)时，OY轴与铅垂线夹角为90°-β11，使用公式(33)时，OY 轴与铅垂线夹角为β21-90°。
附图说明
图1两个光轴矢量的空间关系示意图
图2一个光轴矢量相对基准光轴的测量坐标系示意图
图3两个可见光系统光轴一致性测试方法示意图
图4红外光学系统光轴与可见光系统光轴一致性测试方法示意图
图5两个红外光学系统光轴一致性测试方法示意图
具体实施方式
下面以某型光电探测系统的具体测试过程为例，对本发明的使用方法进行详细阐述，以使发明的优点 和特征便于理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。
某型光电探测系统包括一个目视瞄准镜、大视场电视系统、小视场电视系统、大视场红外系统、小视 场红外系统、雷达搜索系统，雷达搜索系统的基座上安装了一个目视光学瞄准具(简称雷达基准镜)，与 雷达电轴同轴，用于雷达的校准。该型光电探测系统的基准轴为目视瞄准镜，与电视系统中心和红外系统 中心间距约为0.5m～0.8m，与雷达基准镜间距约为1.1m。各光学系统光轴相对目视瞄准镜的光轴一致性 偏差不大于0.1mrad，雷达轴相对目视瞄准镜光轴一致性偏差不大于0.15mrad。
测试中使用2台莱卡TM6100A经纬仪，测角误差0.5′。定制的全波段平行光管，口径300mm，精度4′， 十字分划移动步长0.1′。三维姿态调整台转动分辨率10′。
以小视场红外系统的测试为例说明测试过程。第一步，将该型光电探测系统在空间开阔的工房内架设 调平后，开机，各系统自检、归零位；第二步，在小视场红外系统前方约4m处架设三维姿态调整台，平 行光管固定在三维姿态调整台上，调整三维姿态调整台位置、高度和姿态，使平行光管中心与小视场红外 系统中心等高，小视场红外系统位于平行光管边缘位置且可清晰完整观察到平行光管十字分划，锁紧三维 姿态调整台。在小视场红外系统前方约2m处架设经纬仪并调平，其视场中心与平行光管中心等高，位于 平行光管另一边且可清晰完整观察到平行光管十字分划，经纬仪应不遮挡小视场红外系统观察平行光管十 字分划；第三步，在目视瞄准镜前方约3m处架设经纬仪，使用目视瞄准镜观察经纬仪位置，调整经纬仪 位置和高度，使经纬仪瞄准镜位于目视瞄准镜中心，调平经纬仪，在目视瞄准镜目镜处放置一个白光光源， 便于经纬仪观察目视瞄准镜的瞄准十字线；第四步，设置两台经纬仪为自准直状态，操控两台经纬仪对瞄 后，两台经纬仪置零；第五步，操控两台经纬仪分别对准平行光管十字分划和目视瞄准镜的瞄准十字线， 记录两台经纬仪的方位和俯仰示数；第六步，重复测量3次，两台经纬仪的方位和俯仰示数取均值，用公 式(32)计算出小视场红外系统光轴相对目视瞄准镜光轴的方位和俯仰偏差。
某型光电探测系统的其余各轴线的一致性测量过程不再赘述，可参照上述测试过程和测试方案一和测 试方案二实施。
上述双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性的方法，适用于多种波段光学系统轴线一致性的测量， 重点是解决了使用方检测大间距光学系统轴线一致性的难题。对于外场四季使用的光电探测系统，很多探 测系统规定的使用温度范围为-40℃～+55℃，高低温环境下的多波段光学系统光轴一致性的检测也是使用 方常遇到的难题之一。按照本发明的方法，使用定制的经纬仪(适用于-40℃～+55℃)和定制的全波段平 行光管(适用于-40℃～+55℃)，可以完成高低温环境下的多波段光学系统光轴一致性的检测。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图所阐 述的双经纬仪测量光轴一致性的方法，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性，包括以下步骤：
第一步，选用2台具有自准直功能的经纬仪、1台全波段平行光管和1台具有锁定功能的三维姿态调整台，平行光管十字分划可精确二维移动，经纬仪和平行光管精度可根据多轴一致性测量精度需求确定，若条件允许，测量两个红外系统光轴一致性时，可以再增加同功能的全波段平行光管和具有锁定功能的三维姿态调整台各1台，提高测试效率；
第二步，测试方案一和测试方案二中，架设2台经纬仪分别对准需测量的光学系统光轴后(若是红外光学系统，需要借助全波段平行光管和三维姿态调整台)，操作2台经纬仪对瞄，对2台经纬仪置零，测试方案三中，借助全波段平行光管和三维姿态调整台，架设2台经纬仪分别对准需测量的红外光学系统光轴后，记录2台经纬仪俯仰角示数，将2台经纬仪置零，；
第三步，测试方案一和测试方案二中，操作2台经纬仪分别对准需测量的光学系统光轴，记录2台经纬仪的方位角和俯仰角示数，测试方案三中，操作2台经纬仪对瞄，记录2台经纬仪方位角示数；
第四步，根据基准光学系统光轴的空间指向，计算测量坐标系与大地坐标系的关系，建立测量坐标系，在测量坐标系中计算一个光学系统光轴相对基准光学系统光轴的偏差角。其特征在于：
第一步所述经纬仪一般选用高精度自准直经纬仪，平行光管口径一般为200mm～300mm，该口径经济适用；
所述平行光管十字分划移动分辨率优于0.1′，提高对准精度；
所述三维姿态调整台分辨率高于20′，便于调整平行光管姿态；
第二步中，所述经纬仪(1)和经纬仪(2)的对瞄和置零、经纬仪(11)和经纬仪(12)的对瞄和置零，建立了数据计算基准，使用全波段平行光管(15)和三维姿态调整台(16)，实现了经纬仪(12)对红外光学系统(14)光轴的瞄准；
第三步中，测试方案三的测试方法，实现了借助1台全波段平行光管(25)和1台具有锁定功能的三维姿态调整台(27)，完成两个红外光学系统(23)和红外光学系统(24)之间的光轴一致性测试；
所述的经纬仪(21)和经纬仪(22)首先测量红外光学系统(23)和红外光学系统(24)的俯仰角，然后将经纬仪(21)和经纬仪(22)置零，最后操作经纬仪(21)和经纬仪(22)对瞄，记录经纬仪(21)和经纬仪(22)方位角示数，这个测试方法与测试方案一的测量原理一样，利用经纬仪(21)和经纬仪(22)对瞄建立数据计算基准，区别是对瞄的时机不一样；
第四步中，三种测试方案的数据处理，皆在图2所示的测量坐标系中计算一个光轴相对另一个光轴的偏差角。
2.根据权利要求1所述双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性的方法，其特征在于：
使用2台具有自准直功能的经纬仪，通过2台经纬仪对瞄和置零，建立方位角的计算基准，利用经纬仪俯仰角以天顶角为零点的特性，建立俯仰角的计算基准。
3.根据权利要求1所述双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性的方法，其特征在于：
使用十字分划精确可调的全波段平行光管和三维姿态调整台，操作平行光管和三维姿态调整台使红外光学系统瞄准平行光管光轴，解决了经纬仪不能直接瞄准红外光学系统光轴的问题。
4.根据权利要求1所述双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性的方法，其特征在于：
通过设计测试流程，实现了使用1台全波段平行光管和1台三维姿态调整台完成两个红外光学系统之间光轴一致性的测量。
5.根据权利要求1所述双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性的方法，其特征在于：
利用经纬仪的测角特性，建立了以基准光学系统光轴指向为Z轴的测量坐标系OXYZ，如图2所示，给出了测量坐标系OXYZ与大地坐标系的关系参数，方便与其它测试设备的测量数据相互比对。
6.根据权利要求1所述双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性的方法，其适用范围不局限于可见光和红外光，也适用于其它光谱段，如紫外光。
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