CN113984344B - 光电系统光轴热稳定性检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

光电系统光轴热稳定性检测装置及方法，属于光电设备检测技术，尤其涉及一种新型的光电系统全工作温度范围光轴热稳定性检测装置和方法。本发明的系统由离轴式平行光管、二维转台、高低温试验箱、自准直仪、平面反射镜、零位反射镜构成，形成自准直仪以及光电系统两个光轴，通过光电电系统图像十字分划线中心是否与靶标中心重合来对光电系统进行检测。本发明排除环境因素；消除温度变化对二维转台的测量稳定性、重复精度以及测量精度的影响，使测量值更接近真实的检测数据；解决了在不同温度影响下对二维转台操作难度大，精度难以控制以及效率低的问题。

Description

光电系统光轴热稳定性检测装置及方法

技术领域

本发明属于光电设备检测技术，尤其涉及一种新型的光电系统全工作温度范围光轴热稳定性检测装置和方法。

背景技术

光电侦查系统在军事领域内经常搭载于装甲、两栖车辆，有人、无人机载平台以及舰船光电系统内，用于对地面、空中、海面目标红外辐射、太阳光反射信息的探测、识别以及瞄准。红外或可见光成像仪对目标锁定瞄准后，同轴激光设备发射连续激光束，激光制导弹药武器根据激光指示信息对目标进行打击。红外观瞄热像仪、可见光观瞄仪与激光器的同轴度及稳定性对于打击精度或者命中率的影响至关重要。

对于目前的光电系统，如红外热像仪光电系统和可见光光电系统，越来越要求其具有较高的稳定性以满足不同的环境下的使用性能以及观测精度。而光电系统的光轴热稳定性可以进一步细化到成像各组部件上的光机结构上，如光学透镜、机械结构、探测器等，而准确检测该光电系统的光轴热稳定性是改善设计、加工、材料选择以及装调工艺的前提。

光电系统中，由于光学镜片和机械结构之间的热膨胀系数、阻尼系数、弹性模量、密度等材料特性差异，在不同温度下光电系统元件会出现不同程度的结构变形和位移响应，进而导致光轴偏移，影响探测观瞄性能。现阶段，由于机械加工精度、光学镜片的加工以及相对应的各种工艺相对不完善等因素，对光轴稳定性的校核更多的依赖于装配和调试过程，因此在装配和调试阶段对光轴热稳定性的检测显得尤为重要。

以往对光轴热稳定性的检测是将光电系统固定在二维转台上，转台放进高低温试验箱，改变温箱温度，观察光电系统对靶标成像位置是否有变化，用转台角度测量仪测量各温度点光轴偏移量的大小。这种传统检测方法中由于温度变化对温箱内的二维转台本身有影响，温度变化导致转台对角度测量的稳定性、重复精度、测量精度产生误差，因此致使光电系统的检测结果也受到了转台影响，继而使测量稳定性、重复精度、测量精度误差相对较大，无法客观的评价光电系统光轴的热稳定性好坏，所以需要一种更为高效、准确的检测方法来反映更真实的光电系统的光轴热稳定性。

发明内容

本发明提出一种光电系统光轴热稳定性检测装置及方法，可以更为高效、准确的检测光电系统光轴热稳定性。

光电系统光轴热稳定性检测装置，由离轴式平行光管、二维转台、高低温试验箱构成，其特征在于二维转台设置在高低温试验箱与离轴式平行光管拐角处，二维转台与平行光管之间设置自准直仪，二维转台上设置一平面反射镜，零位反射镜安装在待测光电系统壳体的前端；其中：

自准直仪发出的十字光源经过平面反射镜和零位反射镜反射后能够回到自准直仪的分划板中心，形成自准直仪光轴；

待测光学电系统通过平面反射镜、离轴式平行光管能够观测到平行光管内靶轮位置十字靶标，形成光电系统光轴。

光电系统光轴热稳定性检测方法，其步骤如下：

步骤1，常温开启待测光电系统，调整光电系统成像位置，使图像采集设备上见到平行光管内清晰的靶像；

步骤2，打开光电系统的十字分划线，显示并使其处于图像中心，记录下该中心的坐标作为初始位置，转动二维转台垂直和水平两个方向，使靶标的中心刚好和十字分划线中心重合；

步骤3，调节自准直仪，使得经平面反射镜、零位反射镜反射回来所形成的十字像与自准直仪内部分划线重合；

步骤4，启动高低温试验箱制冷系统，对温箱进行降温或加热，并保温；

步骤5，当待测的温度点保温时间结束后，先观察自准直仪的分划线是否与反射回来的十字像重合，再观察光电系统图像十字分划线中心是否与靶标中心重合，不重合的计算光轴偏移量与对应的温度点列表即可得到光电系统全工作温度范围光轴偏移量大小、位置和变化规律，从而判断检测结果。

其中，检测结果的判断具体如下：

若自准直仪的分划线与反射回来的十字像重合，光电系统成像十字分划线中心与靶标中心重合，说明该光电系统在该温度点下的光轴稳定性很好，没有发生光轴偏移。

若自准直仪的分划线与反射回来的十字像重合，而图像十字分划线中心与靶标中心不重合，则打开二维转台角度测量仪的数显表，将其数值清零，转动二维转台，调节平面反射镜，使靶标中心与十字分划线中心重合，此时记录角度测量仪显示表的读数，水平测量角记为X，垂直测量角记为Y；

若自准直仪的分划线与反射回来的十字像不重合，则转动二维转台，使自准直仪上的分划线与零位反射镜反射回来的十字像相重合，如果此时图像十字分划线中心与靶标中心相重合，这说明在该温度点的光轴没有发生偏移；如果不重合，将角度测量仪数显表的数值清零，转动二维转台，使十字分划线中心再次与靶标中心重合，此时记录角度测量显示表的读数，水平测量角记为X，垂直测量角记为Y；

将记录的角度数据进行计算，在一维空间上光轴A为热像仪常温光轴位置，光轴B为热像仪环境温度变化后光轴跑偏位置，光轴A与B夹角为α，这时只需转动反射镜角度α/2，靶标就可以与图像十字分化中心重合。二维空间同理，二维光轴偏移量记为Z:

步骤6，改变温箱温度并保温，按照步骤5的方法测量计算其他温度点光电系统光轴偏移量，直到测量完成要求的所有温度点，这样就得到光电系统全工作温度范围内光轴的偏移量。

所述的平面反射镜为高精度的平面反射镜。

所述的高低温试验箱包括工作室、光学窗口、热管、制冷系统。制冷系统和工作室之间的制冷传输依靠铜管连接，有效隔离压缩机产生的振动，工作室安装在低频空气弹簧元件上进一步有效隔绝振动、冲击和力峰值，实现工作室内温度的变化和恒温保持，有效隔离环境振动干扰。

所述平面反射镜安装在固定架上，再将固定架安装在二维转台上，使其通过调节转台，使待测光电系统能够通过转台上固定的平面反射镜观测到离轴式平行光管内部的靶标，也能满足调节自准直仪底部位置调节机构来使自准直仪的光源经平面反射镜、零位反射镜反射回到分划板上的中心位置。

所述待测光电系统作为检测单元，光电系统包括红外热像仪、可见光观瞄仪、激光器、光电转塔、光电吊舱。

所述自准直仪的用途是标记、消除环境变化，如设备振动、温箱内光电系统固定支架变形对光电仪器位置造成的影响，其位置如发生变化则零位反射镜也同步变化，通过调整转台上面的平面反射镜相对位置来补偿消除光电系统位置变化给光轴偏移量测量带来的误差影响。

二维角度测量仪采集和记录不同温度下数显表上的数值变化，通过计算光轴的偏移量来评估光电系统光轴热稳定性是否满足指标要求。

传统的检测方法，是将二维转台和待测关系系统设置在高低温试验箱内，和离轴式平行光管在一条直线上进行检测，并未有参考的光轴，准确性相对差。而本发明克服现有技术的不足，排除环境因素；消除温度变化对二维转台的测量稳定性、重复精度以及测量精度的影响，使测量值更接近真实的检测数据；解决了在不同温度影响下对二维转台操作难度大，精度难以控制以及效率低的问题。

本发明的方法可应用于红外观瞄仪、可见光观瞄仪、激光发射器、光电转塔、光电吊舱环境温度变化过程中光轴稳定性和偏移量的测量。

附图说明

图1为测量系统示意图。

图2二维转台固定架结构示意图。

图3为测量系统光路示意图。

图4为十字靶标与中心十字分化线重合示意图。

图5十字靶标与中心十字分化线不重合示意图。

图6为光轴偏移量计算示意图。

其中，离轴式平行光管1，二维转台2，高低温试验箱3，自准直仪4，平面反射镜5，零位反射镜6，光电系统壳体7，工作室8，光学窗9，制冷系统10，热管11，光学电系统12，支架13，固定架14，光学试验平台15，物镜16，自准直仪光轴17，光电系统光轴18，十字靶标19，离轴抛物镜20，中心十字分划线21。

具体实施方式

实施例1：光电系统光轴热稳定性检测装置，由离轴式平行光管、二维转台、高低温试验箱构成。二维转台设置在高低温试验箱与轴式平行光管拐角处，二维转台与平行光管之间设置自准直仪，二维转台上设置一高精度平面反射镜，零位反射镜安装在待测光电系统壳体的前端。

离轴式平行光管安装在光学试验平台上，靶轮以及相应的控制组件则设置在离轴式平行光管内。

自准直仪设置在支架上。

平面反射镜安装在固定架上，再将固定架安装在二维转台上，二维转台上设置有二维角度测量仪，具有水平和垂直二维角度测量功能。

高低温试验箱包括工作室、光学窗口、热管、制冷系统。制冷系统和工作室之间由热管连接，光学窗口设置在工作室前端，光电系统壳体位于窗口位置。

实施例2：光电系统光轴热稳定性检测方法，所述的光电系统为红外热像仪，具体检测步骤如下：

步骤1，将红外热像仪放置于高低温试验箱内，物镜对着光学窗口，接通热像仪电源和视频，待热像仪制冷到工作温度。

步骤2，打开离轴式平行光管靶标后面的黑体，设置3℃温差，将靶轮切换到十字靶标，转动二维转台，使得热图像十字靶标与中心十字分化线重合。

步骤3，打开自准直仪，调整底部位置调整机构，使得经平面反射镜、零位反射镜反射回来的十字像与十字分化线重合。

步骤4，设置高低温试验箱温度为-45℃，制冷到温后保温两小时，热像仪开机，检查自准直仪反射十字像是否与十字分化线重合；

若重合，再观察热图像十字靶标是否与图像中心十字分化线重合；

若不重合则将二维角度测量仪清零，转动二维转台，使得十字靶标与图像中心十字分化线重合，记录角度测量值，水平方向角度记为X，垂直方向角度记为Y；

若自准直仪反射十字像不与十字分化线重合，则转动二维转台使其重合，然后再观察热图像十字靶标是否与图像中心十字分化线重合，若不重合则将二维角度测量仪清零，转动二维转台使得十字靶标与图像中心十字分化线重合，记录角度测量值，水平方向角度记为X，垂直方向角度记为Y；

计算光轴偏移量Z，则

步骤5，分别设置高低温试验箱温度为-25℃、-5℃、40℃、60℃，按照上述步骤4进行测量和计算，这时就可以得到热像仪全工作温度范围光轴热稳定性是否满足设计要求。

实例3：光电系统光轴热稳定性检测方法，所述的光电系统为CCD可见光观瞄仪，具体检测步骤如下：

步骤1，将CCD可见光观瞄仪放置于高低温试验箱内，物镜对着温箱光学窗口，接通其电源和视频。

步骤2，打开离轴式平行光管靶标后LED光源，设置合适LED发光强度，将靶轮切换到十字靶标；转动二维转台，使得可见光图像十字靶标与中心十字分化线重合。

步骤3，打开自准直仪，调整其底部位置调整机构，使得经平面反射镜、零位反射镜反射回来的十字像与十字分化线重合。

步骤4，设置高低温试验箱温度为-45℃，制冷到温后保温两小时，CCD可见光观瞄仪开机。检查自准直仪反射十字像是否与十字分化线重合；

若重合，再观察可见光图像十字靶标是否与图像中心十字分化线重合；

若不重合则将二维角度测量仪清零，转动二维转台使得十字靶标与图像中心十字分化线重合，记录角度测量值，水平方向角度记为X，垂直方向角度记为Y；

若自准直仪反射十字像不与十字分化线重合，则转动二维转台使其重合；然后再观察可见光图像十字靶标是否与图像中心十字分化线重合，若不重合则将二维角度测量仪清零，转动二维转台使得十字靶标与图像中心十字分化线重合，记录角度测量值，水平方向角度记为X，垂直方向角度记为Y；

计算光轴偏移量记Z，则

步骤5，分别设置高低温试验箱温度为-25℃、-5℃、40℃、60℃，按照上述步骤4进行测量和计算，这时就可以得到CCD可见光观瞄仪全工作温度范围光轴热稳定性是否满足设计要求。

实施例4，光电系统光轴热稳定性检测方法，所述的光电系统为激光发射器，具体检测步骤如下：

步骤1，将激光发射器放置于高低温试验箱内，光学镜对着温箱光学窗口，接通其电源。

步骤2，在离轴式平行光管靶轮上粘贴激光显影卡片，在卡片上用油墨笔画出十字线；转动二维转台，使得激光光斑与激光显影卡片十字线中心重合。

步骤3，打开自准直仪，调整其底部位置调整机构，使得经平面反射镜、零位反射镜反射回来的十字像与十字分化线重合。

步骤4，设置高低温试验箱温度为-45℃，制冷到温后保温两小时，激光发射器开机；检查自准直仪反射十字像是否与十字分化线重合；

若重合，再观察激光光斑是否与激光显影卡片十字线中心重合；

若不重合则将二维角度测量仪清零，转动二维转台使得激光光斑与激光显影卡片十字线中心重合，记录角度测量值，水平方向角度记为X，垂直方向角度记为Y；

若自准直仪反射十字像不与十字分化线重合，则转动二维转台使其重合；然后再观察激光光斑是否与激光显影卡片十字线中心重合，若不重合则将二维角度测量仪清零，转动二维转台使得激光光斑与激光显影卡片十字线中心重合，记录角度测量值，水平方向角度记为X，垂直方向角度记为Y；

计算光轴偏移量记Z，则

步骤5，分别设置高低温试验箱温度为-25℃、-5℃、40℃、60℃，按照上一步骤进行测量和计算，这时就可以得到激光发射器全工作温度范围光轴热稳定性是否满足设计要求。

实施例5，光电系统光轴热稳定性检测方法，具体步骤如下：

步骤1，将零位反射镜粘贴于红外热像仪、可见光观瞄仪、激光测距或指示机共同的安装固定板上，光电转塔或光电吊舱放置于高低温试验箱内，光学镜对着温箱光学窗口，接通其电源和视频。

步骤2，打开离轴式平行光管打开离轴式平行光管靶标后面的黑体，设置3℃温差，将靶轮切换到十字靶标。转动二维转台，使得热图像十字靶标与中心十字分化线重合。常温温度没有变化时，可见光光轴、激光器光轴与热像仪光轴同轴，靶标均在图像分化中心。

步骤3，打开自准直仪，调整其底部位置调整机构，使得经高平面反射镜、零位反射镜反射回来的十字像与十字分化线重合。

步骤4，设置高低温试验箱温度为-45℃，制冷到温后保温两小时，光电转塔或光电吊舱开机；检查自准直仪反射十字像是否与十字分化线重合；

若重合，依次切换十字靶轮后面的黑体、LED光源、激光显影卡片，观察热像仪、可见光观瞄仪十字靶标是否与图像中心十字分化线重合，激光器光斑是否与靶轮十字靶标重合；

若不重合则将二维角度测量仪清零，转动二维转台依次使得热像仪、可见光观瞄仪十字靶标与图像中心十字

分化线重合、激光器光斑与十字靶标中心重合。记录角度测量值，水平方向角度记为X，垂直方向角度记为Y；

若自准直仪反射十字像不与十字分化线重合，则转动二维转台使其重合；然后依次切换十字靶轮后面的黑体、LED光源、激光显影卡片，观察热像仪、可见光观瞄仪十字靶标是否与图像中心十字分化线重合，激光器光斑是否与靶轮十字靶标重合；

若不重合则将二维角度测量仪清零，转动二维转台依次使得热像仪、可见光观瞄仪十字靶标与图像中心十字分化线重合、激光器光斑与十字靶标中心重合重合；记录角度测量值，水平方向角度记为X，垂直方向角度记为Y；

计算光轴偏移量记Z，则

步骤5，分别设置高低温试验箱温度为-25℃、-5℃、40℃、60℃，按照上述步骤4进行测量和计算，这时就可以得到光电吊舱或转塔工作温度范围光轴热稳定性是否满足设计要求。

所述光电转塔、光电吊舱是采用陀螺稳定技术的一种光电设备，通常包括红外热像仪、可见光观瞄仪、激光测距/指示机等多种光学传感器，并具有隔离载体运动保持瞄准线在惯性空间角度稳定的功能。设计时，通常要求热像仪光轴、可见光光轴、激光光轴平行或者要求三光光轴保持稳定的、较小的夹角。装调时，通常以激光光轴为基准，将热像仪光轴和可见光光轴调至与激光光轴同轴。

Claims (4)

1.光电系统光轴热稳定性检测装置，由离轴式平行光管、二维转台、高低温试验箱构成，其特征在于二维转台设置在高低温试验箱与离轴式平行光管拐角处，二维转台与平行光管之间设置自准直仪，二维转台上设置一平面反射镜，零位反射镜安装在待测光电系统壳体的前端；其中：

自准直仪发出的十字光源经过平面反射镜和零位反射镜反射后能够回到自准直仪的分划板中心，形成自准直仪光轴；

待测光学电系统通过平面反射镜、离轴式平行光管能够观测到平行光管内靶轮位置十字靶标，形成光电系统光轴。

2.如权利要求1所述的光电系统光轴热稳定性检测装置，其特征在于所述平面反射镜安装在固定架上，再将固定架安装在二维转台上，使其通过调节转台，使待测光电系统能够通过转台上固定的平面反射镜观测到离轴式平行光管内部的靶标，也能满足调节自准直仪底部位置调节机构来使自准直仪的光源经平面反射镜、零位反射镜反射回到分划板上的中心位置。

3.如权利要求1所述的光电系统光轴热稳定性检测装置，其特征在于所述待测光电系统包括红外热像仪、可见光观瞄仪、激光器、光电转塔和光电吊舱。

4.如权利要求1所述的光电系统光轴热稳定性检测装置的检测方法，其特征在检测方法包括以下步骤：

步骤1，常温开启待测光电系统，调整光电系统成像位置，使图像采集设备上见到平行光管内清晰的靶像；

步骤2，打开光电系统的十字分划线，显示并使其处于图像中心，记录下该中心的坐标作为初始位置，转动二维转台垂直和水平两个方向，使靶标的中心刚好和十字分划线中心重合；

步骤3，调节自准直仪，使得经平面反射镜、零位反射镜反射回来所形成的十字像与自准直仪内部分划线重合；

步骤4，启动高低温试验箱制冷系统，对温箱进行降温或加热，并保温；

步骤5，当待测的温度点保温时间结束后，先观察自准直仪的分划线是否与反射回来的十字像重合，再观察光电系统图像十字分划线中心是否与靶标中心重合，不重合的计算光轴偏移量与对应的温度点列表即可得到光电系统全工作温度范围光轴偏移量大小、位置和变化规律，从而判断检测结果；

其中，检测结果的判断具体如下：

若自准直仪的分划线与反射回来的十字像重合，光电系统成像十字分划线中心与靶标中心重合，说明该光电系统在该温度点下的光轴稳定性很好，没有发生光轴偏移；

若自准直仪的分划线与反射回来的十字像重合，而图像十字分划线中心与靶标中心不重合，则打开二维转台角度测量仪的数显表，将其数值清零，转动二维转台，调节平面反射镜，使靶标中心与十字分划线中心重合，此时记录角度测量仪显示表的读数，水平测量角记为X，垂直测量角记为Y；

若自准直仪的分划线与反射回来的十字像不重合，则转动二维转台，使自准直仪上的分划线与零位反射镜反射回来的十字像相重合，如果此时图像十字分划线中心与靶标中心相重合，这说明在该温度点的光轴没有发生偏移；如果不重合，将角度测量仪数显表的数值清零，转动二维转台，使十字分划线中心再次与靶标中心重合，此时记录角度测量显示表的读数，水平测量角记为X，垂直测量角记为Y；

将记录的角度数据进行计算，在一维空间上光轴A为热像仪常温光轴位置，光轴B为热像仪环境温度变化后光轴跑偏位置，光轴A与B夹角为α，这时只需转动反射镜角度α/2，靶标就可以与图像十字分化中心重合；二维空间同理，二维光轴偏移量记为Z，

；

步骤6，改变温箱温度并保温，按照步骤5的方法测量计算其他温度点光电系统光轴偏移量，直到测量完成要求的所有温度点，这样就得到光电系统全工作温度范围内光轴的偏移量。

Images