CN109374261B - 一种基于靶标切换的多光轴一致性检测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于靶标切换的多光轴一致性检测设备及方法，该检测设备采用靶标切换的方法实现红外、激光发射及激光接收等光轴之间的偏差测试。检测设备设置有基准光轴，通过分别计算各光轴相对于基准光轴的偏差，完成多个光轴之间的一致性测试，也可以快速检测光电产品红外与激光发射光轴之间的光轴偏差。检测设备自检及光轴一致性测试过程操作简单，降低了设备使用、维护难度。

Description

一种基于靶标切换的多光轴一致性检测设备及方法

技术领域

本发明属于光电领域，确切地说涉及一种基于靶标切换的多光轴一致性检测设备及方法。

背景技术

随着作战任务需求的不断变化，集可见光、红外热成像和激光测距等为一体的多波段光电传感器系统广泛应用于直升机光电吊舱、车载光电稳瞄系统、舰载光电桅杆、机载光电雷达等武器装备平台，大大提高了武器装备的打击精度和作战效能，成为各国武器装备的重点发展方向。其中，多波段多光轴一致性作为光电装备性能的一个重要参数，是多光轴一致性是多传感器光电武器装备跟踪和激光照射的基本保证。

因此不仅需要在系统设计、安装、检修过程中进行准确的检测和调试，而且由于环境变化也会造成光轴一致性的失调，导致传感器性能的下降，也需在使用过程中适时地进行光轴一致性的校验，而且在进行多光轴一致性校验的时候完成传感器性能的检测。可见，多光轴一致性检测技术对多光轴光电产品的使用维护至关重要，对确保武器系统打击精度具有重要意义。

现有的多光轴一致性检测标定装置多用于红外、可见光与激光发射光轴之间一致性测量，即使涉及激光接收光轴和其它光轴的一致性测量，测量装置也需要跟待测光电产品结合起来，通用性较差，无法满足当前多光轴一致性测试需求。

发明内容

要解决的技术问题

为避免现有多光轴一致性检测设备的不足，本发明提出了一种用于机载光电产品多光轴一致性检测的检测设备及方法，解决了机载光电产品在实验室和外场校检、调试和维护操作复杂、精度不足及通用性差的问题。

技术方案

一种基于靶标切换的多光轴一致性检测设备，其特征在于包括：离轴抛物面反射镜、折转反射镜、靶标模块、辐射源模块、图像采集处理模块、离轴小抛物面镜和双光楔组件；其中离轴抛物面反射镜、折转反射镜、靶标组件及辐射源模块构成红外模拟光轴；离轴抛物面反射镜、折转反射镜、靶标模块、离轴小抛物面镜及图像采集处理模块构成基准光轴及激光模拟接收光轴；离轴抛物面反射镜、折转反射镜、靶标组件、辐射源模块及双光楔组件构成激光模拟辐射光轴，红外辐射模拟光轴与激光模拟辐射光轴合二为一；辐射源模块位于靶标组件的正后方，与靶标组件配合，完成对可见光目标、红外目标和被测光电产品激光回波的模拟，靶标的切换通过拔插实现；图像采集处理模块由可见光及激光接收CCD及图像处理系统组成，作为整个设备的基准光轴，完成设备自身校准以及被测光电产品红外、激光接收/发射光轴之间偏差的测量；双光楔组件，放置于离轴抛物面反射镜准直光路正前方，双光楔零位时，相当于平板玻璃，通过双光楔相对旋转实现模拟激光回波光束的偏转，完成被测产品激光接收光轴相对于基准光轴偏差的测量。

所述的辐射源模块为复合辐射源，可以实现可见光、激光回波及红外辐射模拟。

所述的靶标组件由可插拔靶标和靶标座组成，靶标插入靶标座后，靶标面位于多光轴检测设备的焦面位置，靶标包括点孔靶、激光转红外靶及激光散射靶。

一种光电设备多光轴一致性检测的方法，其特征在于步骤如下：

在使用前进行自身光轴校准：靶标组件换装点孔靶标，辐射源模块打开，双光楔组件移出光路，利用五棱镜、经纬仪来测量多光轴检测设备出口处平行差，通过微调靶标组件中靶标座和可插拔靶标的位置，确保点孔靶标位于多光轴检测设备离轴抛物面镜的焦点位置，并将该位置锁定，完成多光轴检测设备离轴抛物面镜焦点的校准；点孔靶标经折转反射镜、离轴抛物面镜及离轴小抛物面镜成像在图像采集处理模块的接收CCD上，通过图像采集处理模块中图像处理系统完成点孔靶标在CCD上成像质心的提取，并将此质心位置作为整个多光轴检测设备的基准位置；

步骤1：双光楔组件切出光路，靶标组件切换点孔靶标，打开辐射源模块，调整光电产品红外传感十字线/光轴精确瞄准点孔靶所模拟红外点目标，靶标组件切换激光散射靶，光电产品辐射激光，经离轴抛物面镜、折转反射镜、靶标组件漫反射后经折转反射镜、离轴抛物面镜、小离轴抛物面镜后成像在图像采集处理模块的CCD上，取成像激光光斑质心位置(X₁,Y₁)与图像采集处理模块基准位置(X₀,Y₀)的偏差(X₁-X₀,Y₁-Y₀)即为光电产品激光发射光轴与基准光轴之间的偏差，此偏差为像素坐标偏差，可以转换为弧度偏差；

步骤2：靶标组件切换点孔靶，打开辐射源模块，调整光电产品红外传感器十字线/光轴精确瞄准点孔靶所模拟红外点目标，辐射源模块切换激光模拟辐射源，开启激光辐射模拟模块辐射激光，激光模拟辐射源辐射激光分两路，一路经靶标组件、折转反射镜、离轴抛物面镜投射至光电产品光学口径处，另一路经靶标组件、折转反射镜、离轴抛物面镜及小离轴抛物面镜成像至图像采集处理模块的CCD上，提取激光光斑中心(X₂,Y₂)作为激光模拟辐射源相对于基准光轴(X₀,Y₀)的偏差(X₂-X₀,Y₂-Y₀)，切入双光楔组件，记录光电产品激光接收光轴接收到激光强度最大数值I₀，调整双光楔，分别记录方位方向上强度刚好降为0.5I₀的两个位置θ_AZ-0.5及θ_AZ0.5，则光电产品激光接收光轴方位位置为1/2(θ_AZ-0.5+θ_AZ0.5)，分别记录俯仰方向上强度刚好降为0.5I₀的两个位置θ_EL-0.5及θ_EL0.5，同理获得光电产品激光接收光轴俯仰位置为1/2(θ_EL-0.5+θ_EL0.5)，则[1/2(θ_AZ-0.5+θ_AZ0.5)+X₂-X₀,1/2(θ_EL-0.5+θ_EL0.5)+Y₂-Y₀]即为光电产品激光接收光轴与基准光轴的偏差，此偏差为像素坐标偏差，可以转换为弧度偏差；

步骤3：从步骤1可得光电产品激光发射光轴相对于基准光轴之间的偏差；从步骤2可得光电产品激光接收光轴相对于基准光轴之间的偏差，故可得光电产品红外、激光发射及激光接收三个光轴之间的光轴偏差；步骤1中，靶标组件可以通过切换激光转红外靶可快速完成光电产品红外光轴与激光发射光轴之间偏差的测量，具体步骤如下：双光楔组件切出光路，靶标组件切换点孔靶标，打开辐射源模块，调整光电产品红外传感十字线/光轴粗略瞄准点孔靶所模拟红外点目标，靶标组件切换激光转红外靶，光电产品辐射激光，经离轴抛物面镜、折转反射镜、靶标组件中激光转红外靶漫反射后经折转反射镜、离轴抛物面镜成像在光电产品红外传感器焦平面上，取成像红外光斑质心位置(X₁,Y₁)与光电产品红外传感器成像中心(X₀,Y₀)的偏差(X₁-X₀,Y₁-Y₀)即为光电产品红外传感器光轴与激光发射光轴之间的偏差，此偏差为像素坐标偏差，可以转换为弧度偏差。

有益效果

本发明基于复合辐射源结合靶标切换来实现机载光电产品多光轴一致性检测，可实现红外、激光发射/激光接收光轴一致性偏差测试，具备校准简单、通用性强、精度高以及操作维护简单等优点。

附图说明

图1为多光轴一致性检测设备光路示意图；

图2为校准示意图；

其中，1-离轴抛物面反射镜，2-折转反射镜，3-靶标模块，4-辐射源模块，5-图像采集处理模块，6-离轴小抛物面镜，7-双光楔组件，8-五棱镜，9-经纬仪。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

一种基于靶标切换的多光轴一致性检测设备，采用靶标切换方法实现红外(电视)、激光发射及激光接收等光轴之间的偏差测试，该设备由离轴抛物面反射镜1、折转反射镜2、靶标模块3、辐射模块4、图像采集处理模块5、离轴小抛物面镜6及双光楔组件7组成，离轴抛物面反射镜1、折转反射镜2、靶标模块3、辐射源模块4、图像采集处理模块5、离轴小抛物面镜、双光楔组件7；其中离轴抛物面反射镜1、折转反射镜2、靶标组件3及辐射源模块4构成设备的红外模拟光轴；离轴抛物面反射镜1、折转反射镜2、靶标模块3、离轴小抛物面镜6及图像采集处理模块5构成设备的激光模拟接收光轴也是检测设备的基准光轴；离轴抛物面反射镜1、折转反射镜2、靶标组件3、辐射源模块4及双光楔组件6构成设备的激光模拟辐射光轴；红外辐射模拟光轴与激光模拟辐射光轴合二为一。

靶标组件3由可插拔靶标和靶标座组成，靶标插入靶标座后，靶标面位于多光轴检测设备的焦面位置，靶标由点孔靶、激光转红外靶及激光散射靶等组成；辐射源模块4位于靶标组件3的正后方，辐射源模块4由可见光校准源、红外模拟辐射源及激光模拟辐射源组成，与靶标组件3配合，完成对红外目标和被测光电产品激光回波的模拟，靶标的切换通过拔插实现，辐射源的切换通过高精度电控导轨进行；图像采集处理模块5由可见光及激光接收CCD及图像处理系统组成，作为整个设备的基准光轴，完成设备自身校准以及被测光电产品红外、激光接收/发射光轴之间偏差的测量；双光楔组件7，放置于离轴抛物面反射镜准直光路正前方，双光楔零位时，相当于平板玻璃，通过双光楔相对旋转实现模拟激光回波光束的偏转，完成被测产品激光接收光轴相对于基准光轴偏差的测量。

一种所述的设备进行光电设备多光轴一致性检测的方法，校准和测量步骤如下：

校准：多光轴一致性检测设备在使用前要进行自身光轴校准，校准光路示意图如图2所示，靶标模块3换装点孔靶标，辐射源模块4换装校准用可见光光源，双光楔组件7移出光路，利用五棱镜8、经纬仪9来测量多光轴检测设备出口处平行差，通过微调靶标组件3中靶标座和可插拔靶标的位置，确保点孔靶标位于多光轴检测设备离轴抛物面镜的焦点位置,并将该位置锁定，完成多光轴检测设备离轴抛物面镜焦点的校准；点孔靶标经折转反射镜2、离轴抛物面镜1及离轴小抛物面镜6成像在图像采集处理模块5的接收CCD上，通过图像采集处理模块5中图像处理系统完成点孔靶标在CCD上成像质心的提取，并将此质心位置作为整个多光轴检测设备的基准位置。

步骤1：双光楔组件7切出光路，靶标组件3切换点孔靶标，辐射源模块4切换红外模拟辐射源，调整光电产品红外传感器十字线/光轴精确瞄准点孔靶所模拟红外点目标，靶标组件3切换激光散射靶，光电产品辐射激光，经离轴抛物面镜1、折转反射镜2、靶标组件3漫反射后经折转反射镜2、离轴抛物面镜1、小离轴抛物面镜6后成像在图像采集处理模块5的CCD上，取成像激光光斑质心位置(X₁,Y₁)与图像采集处理模块5基准位置(X₀,Y₀)的偏差(X₁-X₀,Y₁-Y₀)即为光电产品激光发射光轴相与基准光轴之间的偏差，此偏差为像素坐标偏差，可以转换为弧度偏差；

步骤2：靶标组件3切换点孔靶，辐射源模块4切换红外模拟辐射源，整光电产品红外传感十字线/光轴精确瞄准点孔靶所模拟红外点目标，辐射源模块4切换激光模拟辐射源，开启激光辐射模拟模块7辐射激光，激光模拟辐射源辐射激光分两路，一路经靶标组件3、折转反射镜2、离轴抛物面镜1投射至光电产品光学口径处，另一路经靶标组件3、折转反射镜2、离轴抛物面镜1及小离轴抛物面镜6成像至图像采集处理模块5的CCD上，提取激光光斑中心(X₂,Y₂)作为激光模拟辐射源相对于基准光轴(X₀,Y₀)的偏差(X₂-X₀,Y₂-Y₀)，切入双光楔组件7，记录光电产品激光接收光轴接收到激光强度最大数值I₀，调整双光楔，分别记录方位方向上强度刚好降为0.5I₀的两个位置θ_AZ-0.5及θ_AZ0.5，则光电产品激光接收光轴方位位置为1/2(θ_AZ-0.5+θ_AZ0.5)，分别记录方位方向上强度刚好降为0.5I₀的两个位置θ_EL-0.5及θ_EL0.5，同理获得光电产品激光接收光轴俯仰位置为1/2(θ_EL-0.5+θ_EL0.5)，则[1/2(θ_AZ-0.5+θ_AZ0.5)+X₂-X₀,1/2(θ_EL-0.5+θ_EL0.5)+Y₂-Y₀]即为光电产品激光接收光轴与基准光轴的偏差，此偏差为像素坐标偏差，可以转换为弧度偏差；

步骤3：从步骤1可得光电产品激光发射光轴相对于基准光轴之间的偏差；从步骤2可得光电产品激光接收光轴相对于基准光轴之间的偏差，故可得光电产品红外、激光发射及激光接收三个光轴之间的光轴偏差；步骤1中，靶标组件3可以通过切换激光转红外靶可快速完成光电产品红外光轴与激光发射光轴之间偏差的测量，具体步骤如下：双光楔组件7切出光路，靶标组件3切换点孔靶标，辐射源模块4切换红外模拟辐射源，调整光电产品红外传感十字线/光轴粗略瞄准点孔靶所模拟红外点目标，靶标组件3切换激光转红外靶，光电产品辐射激光，经离轴抛物面镜1、折转反射镜2、靶标组件3中激光转红外靶漫反射后经折转反射镜2、离轴抛物面镜1成像在光电产品红外传感器焦平面上，取成像红外光斑质心位置(X₁,Y₁)与光电产品红外传感器成像中心(X₀,Y₀)的偏差(X₁-X₀,Y₁-Y₀)即为光电产品红外传感器光轴与激光发射光轴之间的偏差，此偏差为像素坐标偏差，可以转换为弧度偏差。

Claims (3)

1.一种基于靶标切换的多光轴一致性检测方法，其特征在于：所使用的检测设备包括：离轴抛物面反射镜(1)、折转反射镜(2)、靶标组件(3)、辐射源模块(4)、图像采集处理模块(5)、离轴小抛物面镜(6)和双光楔组件(7)；其中离轴抛物面反射镜(1)、折转反射镜(2)、靶标组件(3)及辐射源模块(4)构成红外模拟光轴；离轴抛物面反射镜(1)、折转反射镜(2)、靶标组件(3)、离轴小抛物面镜(6)及图像采集处理模块(5)构成基准光轴及激光模拟接收光轴；离轴抛物面反射镜(1)、折转反射镜(2)、靶标组件(3)、辐射源模块(4)及双光楔组件(7)构成激光模拟辐射光轴，红外辐射模拟光轴与激光模拟辐射光轴合二为一；辐射源模块(4)位于靶标组件(3)的正后方，与靶标组件(3)配合，完成对可见光目标、红外目标和被测光电产品激光回波的模拟，靶标的切换通过拔插实现；图像采集处理模块(5)由可见光及激光接收CCD及图像处理系统组成，作为整个设备的基准光轴，完成设备自身校准以及被测光电产品红外、激光接收/发射光轴之间偏差的测量；双光楔组件(7)，放置于离轴抛物面反射镜(1)准直光路正前方，双光楔零位时，相当于平板玻璃，通过双光楔相对旋转实现模拟激光回波光束的偏转，完成被测产品激光接收光轴相对于基准光轴偏差的测量；步骤如下：

在使用前进行自身光轴校准：靶标组件(3)换装点孔靶标，辐射源模块(4)打开，双光楔组件(7)移出光路，利用五棱镜(8)、经纬仪(9)来测量多光轴检测设备出口处平行差，通过微调靶标组件(3)中靶标座和可插拔靶标的位置，确保点孔靶标位于多光轴检测设备离轴抛物面镜的焦点位置，并将该位置锁定，完成多光轴检测设备离轴抛物面镜焦点的校准；点孔靶标经折转反射镜(2)、离轴抛物面镜(1)及离轴小抛物面镜(6)成像在图像采集处理模块(5)的接收CCD上，通过图像采集处理模块(5)中图像处理系统完成点孔靶标在CCD上成像质心的提取，并将此质心位置作为整个多光轴检测设备的基准位置；

步骤1：双光楔组件(7)切出光路，靶标组件(3)切换点孔靶标，打开辐射源模块(4)，调整光电产品红外传感十字线/光轴精确瞄准点孔靶所模拟红外点目标，靶标组件(3)切换激光散射靶，光电产品辐射激光，经离轴抛物面镜(1)、折转反射镜(2)、靶标组件(3)漫反射后经折转反射镜(2)、离轴抛物面镜(1)、小离轴抛物面镜(6)后成像在图像采集处理模块(5)的CCD上，取成像激光光斑质心位置(X₁,Y₁)与图像采集处理模块(5)基准位置(X₀,Y₀)的偏差(X₁-X₀,Y₁-Y₀)即为光电产品激光发射光轴与基准光轴之间的偏差，此偏差为像素坐标偏差，可以转换为弧度偏差；

步骤2：靶标组件(3)切换点孔靶，打开辐射源模块(4)，调整光电产品红外传感器十字线/光轴精确瞄准点孔靶所模拟红外点目标，辐射源模块(4)切换激光模拟辐射源，开启激光辐射模拟模块辐射激光，激光模拟辐射源辐射激光分两路，一路经靶标组件(3)、折转反射镜(2)、离轴抛物面镜(1)投射至光电产品光学口径处，另一路经靶标组件(3)、折转反射镜(2)、离轴抛物面镜(1)及小离轴抛物面镜(6)成像至图像采集处理模块(5)的CCD上，提取激光光斑中心(X₂,Y₂)作为激光模拟辐射源相对于基准光轴(X₀,Y₀)的偏差(X₂-X₀,Y₂-Y₀)，切入双光楔组件(7)，记录光电产品激光接收光轴接收到激光强度最大数值I₀，调整双光楔，分别记录方位方向上强度刚好降为0.5I₀的两个位置θ_AZ-0.5及θ_AZ0.5，则光电产品激光接收光轴方位位置为1/2(θ_AZ-0.5+θ_AZ0.5)，分别记录俯仰方向上强度刚好降为0.5I₀的两个位置θ_EL-0.5及θ_EL0.5，同理获得光电产品激光接收光轴俯仰位置为1/2(θ_EL-0.5+θ_EL0.5)，则[1/2(θ_AZ-0.5+θ_AZ0.5)+X₂-X₀,1/2(θ_EL-0.5+θ_EL0.5)+Y₂-Y₀]即为光电产品激光接收光轴与基准光轴的偏差，此偏差为像素坐标偏差，可以转换为弧度偏差；

步骤3：从步骤1可得光电产品激光发射光轴相对于基准光轴之间的偏差；从步骤2可得光电产品激光接收光轴相对于基准光轴之间的偏差，故可得光电产品红外、激光发射及激光接收三个光轴之间的光轴偏差；步骤1中，靶标组件(3)可以通过切换激光转红外靶可快速完成光电产品红外光轴与激光发射光轴之间偏差的测量，具体步骤如下：双光楔组件(7)切出光路，靶标组件(3)切换点孔靶标，打开辐射源模块(4)，调整光电产品红外传感十字线/光轴粗略瞄准点孔靶所模拟红外点目标，靶标组件(3)切换激光转红外靶，光电产品辐射激光，经离轴抛物面镜(1)、折转反射镜(2)、靶标组件(3)中激光转红外靶漫反射后经折转反射镜(2)、离轴抛物面镜(1)成像在光电产品红外传感器焦平面上，取成像红外光斑质心位置(X₁,Y₁)与光电产品红外传感器成像中心(X₀,Y₀)的偏差(X₁-X₀,Y₁-Y₀)即为光电产品红外传感器光轴与激光发射光轴之间的偏差，此偏差为像素坐标偏差，可以转换为弧度偏差。

2.根据权利要求1所述的一种基于靶标切换的多光轴一致性检测方法，其特征在于所述的辐射源模块(4)为复合辐射源，可以实现可见光、激光回波及红外辐射模拟。

3.根据权利要求1所述的一种基于靶标切换的多光轴一致性检测方法，其特征在于所述的靶标组件(3)由可插拔靶标和靶标座组成，靶标插入靶标座后，靶标面位于多光轴检测设备的焦面位置，靶标包括点孔靶、激光转红外靶及激光散射靶。

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