CN114088351B - 一种多光谱自动校准系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种多光谱自动校准系统，属于多光电传感器系统测试技术领域；包括离轴抛物镜、反射镜、CCD图像传感器、复合光源、激光能量接收、模拟激光回波、角锥棱镜、小分光镜、大分光镜、光学窗口。离轴抛物镜、反射镜组成测试系统光管，所述CCD图像传感器和复合光源均位于校轴光学光管焦点处，相对小分光镜垂直共轭，其中复合光源为测试系统的测试基准，CCD图像传感器用于测试系统基准的自检；本发明系统具有精度高、结构紧凑、轻量化等优点，可实现光电载荷多传感器的全面性能测试，作为光电吊舱、光电雷达、光电砖塔等光电载荷的综合性能测试平台，在军事和民用领域都可广泛应用。

Description

一种多光谱自动校准系统
技术领域
本发明属于多光电传感器系统测试技术领域，具体涉及一种多光谱自动校准系统。
背景技术
随着光电技术的不断发展，激光测距、可见光成像和红外成像等多功能集成的多光电传感器系统广泛应用在各种现代化武器装备平台。如机载光电雷达、光电吊舱、车载光电瞄准装备等。在现代军用光电武器装备中，一般都包含有可见、可见光、红外、激光等多个光电传感器，能够完成对目标的搜索、探测、识别、观察、瞄准和激光照射等功能，这些光学设备的光谱几乎覆盖了可见光到红外的全部波段。由于集成多种光学传感器为一体，必然会产生各传感器光轴平行性问题、各传感器性能测试问题等诸多问题。探测目标位置信息的准确性取决于各传感器光轴的平行性。受加工、安装及使用条件等的限制及影响，光轴平行性难以达到很高的精度，并在使用过程中也会发生变化。因此，需要在使用过程中定期检测和校准。
而众多光电传感器，例如美国L-3公司的MX系列光电转塔、中航光电的龙之眼系列吊舱等，产品包含可见光、近红外、中波红外等多个探测谱段，谱段覆盖范围较大，给各传感器的光轴校准增加了极大难度。目前的光轴校准方法往往只能满足双波段的光轴校准功能，而且校准装置往往体积较大，不便于随产品进行装机测试。目前急需一种集成多功能、多光谱、一体化、小型化的多光谱自动校准系统。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种多光谱自动校准系统，是一种结构紧凑、轻量化的多光电传感器系统的测试设备，具备测试精度高、功能性强、操作简单快捷、适用于复杂环境的优点，是外场多光谱多光轴自动校准的有效途径。
本发明的技术方案是：一种多光谱自动校准系统，其特征在于：包括离轴抛物镜1、反射镜2、CCD图像传感器3、复合光源4、角锥棱镜7、小分光镜8、大分光镜9、光学窗口10；离轴抛物镜1与光学窗口10中心连线为本系统的测试主光轴；离轴抛物镜1和反射镜2组成系统的校轴光学光管，反射镜2在抛物镜1离轴方向，不遮挡主光轴光路；
所述CCD图像传感器3和复合光源4均位于校轴光学光管焦点处，相对小分光镜8垂直共轭，其中复合光源4为测试系统的测试基准，CCD图像传感器3用于测试系统基准的自检；
所述大分光镜9位于抛物镜1与光学窗口10之间，并且保持与主光轴同轴；角锥棱镜7与大分光镜9的中心连线与主光轴正交；由复合光源4发射的光线经反射镜2、离轴抛物镜1、大分光镜9反射至角锥棱镜7，角锥棱镜7将复合光源4的光线按原光路反回至小分光镜8、再到CCD图像传感器3，用于本自动校准系统的光轴自准。
本发明的进一步技术方案是：所述复合光源4位于所述校轴光学光管的一个焦点处，能够辐射光谱范围0.4μm-12μm的光线。
本发明的进一步技术方案是：所述CCD图像传感器3位于所述校轴光学光管的另一焦点处，能够对0.4μm-1.7μm波段感光成像。
本发明的进一步技术方案是：所述小分光镜8能够对0.4μm-12μm波段光线进行设定比例分光。
本发明的进一步技术方案是：所述大分光镜9能够对0.4μm-12μm波段光线进行特定比例分光，即按照2:8～5:5比例分光。
本发明的进一步技术方案是：还包括激光能量接收5和模拟激光回波6；激光能量接收5、大分光镜9的中心连线与主光轴正交，并与角锥棱镜7分立于大分光镜9两侧；激光能量接收5为硅或铟镓砷热释电探测器，用于待测光电载荷激光能量测试；
模拟激光回波6与激光能量接收5并排平行放置，与所述校轴光管光轴垂直；能够辐射1.064μm、1.57μm或近红外单色激光，用于模拟激光回波能量，测试光电载荷激光探测灵敏度。
本发明的进一步技术方案是：所述光学窗口10为三光轴测试系统窗口；材料为硫化锌、硒化锌或其他光学材料，透光波段0.4μm-12μm；光学窗口10与待测试产品保持≤5°的倾角，防止光学窗口的残余激光反射造成待测产品损伤。
一种采用多光谱自动校准系统测量被测试产品红外/激光发射光轴偏差的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：由被测试产品发射激光脉冲，依次经过光学窗口10、大分光镜9、离轴抛物镜1、反射镜2、小分光镜8反射至CCD图像传感器部件3，计算激光光斑质心与图像画面理论中心偏差；
步骤2：所述复合光源4发射平行光线依次经过小分光镜8、反射镜2、离轴抛物镜1、大分光镜9、光学窗口10至被测试产品，被测试产品通过图像观察并记录复合光源4成像质心与图像画面理论中心偏差；
步骤3：校准“激光图像与理论中心偏差”与“红外视频图像与理论中心偏差”。
一种采用多光谱自动校准系统测量被测试产品可见光和红外光轴偏差的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：所述复合光源4发射平行光线依次经过小分光镜8、反射镜2、离轴抛物镜1、大分光镜9、光学窗口10至被测试产品，由被测试产品的可见光传感器观测复合光源4形成的目标点像，并记录目标点像质心与图像画面理论中心偏差，并通过软件算法将产品可见光观测中心移动至目标点像质心；
步骤2：所述复合点光源4发射平行光线依次经过小分光镜8、反射镜2、离轴抛物镜1、大分光镜9、光学窗口10至被测试产品，由被测试产品的红外传感器观测复合光源4形成的目标点像，并记录目标点像质心与图像画面理论中心偏差，并通过软件算法将产品红外观测中心移动至目标点像质心。
一种采用多光谱自动校准系统测量被测试产品激光发射/激光接收光轴偏差的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：模拟激光回波6辐射激光脉冲，依次经过所述大分光镜9、光学窗口10至被测试产品，调节本多光谱自动校准系统与被测试产品相对位置至回波信噪比最大；
步骤2：被测试产品发射激光脉冲，依次经所述光学窗口10、大分光镜9反射至激光能量接收5；记录被测激光脉冲能量，调节被测试产品内部调整环节至能量最大，计算激光实际能量；
步骤3：与此同时被测试产品发射的激光脉冲，依次经过光学窗口10、大分光镜9、轴抛物镜1、反射镜2、小分光镜8反射至CCD图像传感器部件3，视频图像显示激光中心与理论图像中心偏差。
有益效果
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用宽谱段紧凑型全反射光学构型设计，满足宽谱段功能需求，实现可见光、中波红外、近红外激光等多谱段光电传感器的光轴一致性校准。
2.本发明测试系统通过回波光路设计可实现自身的光轴一致性自检，免除设备变形造成的检测误差，实现设备的免维护和免标定，适应复杂工况测试环境；
3.本多光谱自动校准系统具有小型化、多功能和集成性优势，同时兼顾光轴校准和激光性能评价功能，能对激光测距类产品的激光能量、激光接收灵敏度等关键指标进行测量标定，测试精度可满足产品标定性能标定需求。
4.图3中各视场的MTF均接近衍射极限，这保证能够获得高分辨率的图像信息，校准精度高。从图4可以看出，各视场的弥散斑均方值RMS直径最大不超过12μm。
附图说明
图1是本发明多光谱自动校准系统原理图。
图2是本发明复合光源剖视图。
图3是本发明校轴光学系统的MTF图。
图4是本发明校轴光学系统的点列图。
附图标记说明：1.抛物镜，2.反射镜，3.CCD图像传感器，4.复合光源，5.激光能量接收，6.模拟激光回波，7.角锥棱镜，8.小分光镜，9.大分光镜，10.光学窗口，11.激光光纤，12.热光环，13.复合光源窗口。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明多光谱自动校准系统包括离轴抛物镜1、反射镜2、CCD图像传感器3、复合光源4、激光能量接收5和模拟激光回波6、角锥棱镜7、小分光镜8、大分光镜9、光学窗口10；离轴抛物镜1与光学窗口10中心连线为本系统的测试主光轴；所述光学窗口10为三光轴测试系统窗口；材料为硫化锌、硒化锌或其他光学材料，透光波段0.4μm-12μm；光学窗口10与待测试产品保持≤5°的倾角，防止光学窗口的残余激光反射造成待测产品损伤。
具体参数：所述离轴抛物镜1与反射镜2组成校轴光管，焦距f＝1200mm，F数7.5。反射镜2在抛物镜1离轴方向，不遮挡主光轴光路。
所述CCD图像传感器3和复合光源4均位于光管焦点处，相对小分光镜8垂直共轭。所述复合光源4为测试系统的测试基准，位于所述校轴光学光管的一个焦点处，可辐射光谱范围0.4μm-12μm的光线。所述CCD图像传感器3位于所述校轴光学光管的另一焦点处，能够对0.4μm-1.7μm波段感光成像，用于测试系统基准的自检。所述小分光镜8能够对0.4μm-12μm波段光线进行设定比例分光，例如1:1。
所述大分光镜9位于抛物镜1与光学窗口10之间，并且保持与主光轴同轴，能够对0.4μm-12μm波段光线进行特定比例分光，即按照2:8～5:5比例分光。角锥棱镜7与大分光镜9的中心连线与主光轴正交；由复合光源4发射的光线经反射镜2、离轴抛物镜1、大分光镜9反射至角锥棱镜7，角锥棱镜7将复合光源4的光线按原光路反回至小分光镜8、再到CCD图像传感器3，用于本自动校准系统的光轴自准。
所述激光能量接收5、大分光镜9的中心连线与主光轴正交，并与角锥棱镜7分立于大分光镜9两侧；激光能量接收5为硅或铟镓砷热释电探测器，用于待测光电载荷激光能量测试。
所述模拟激光回波6与激光能量接收5并排平行放置，与所述校轴光管光轴垂直；能够辐射1.064μm、1.57μm或近红外单色激光，用于模拟激光回波能量，测试光电载荷激光探测灵敏度。
如图2所示，所述的复合光源4主要由激光光纤11、热光环12与复合光源窗口13组成，且各组件同轴。所述激光光纤11辐射1.064μm或其他波长激光。所述热光环12辐射光谱范围0.4μm-12μm的光线。所述光源窗口13采用K9玻璃或其他可见光透过玻璃，中心开≤Φ2mm的孔，用于热光环12辐射光谱透过，模拟点目标。所述激光光纤11辐射激光可在全光源窗口13范围透过。
所述的CCD图像传感器3用于测试系统光轴自校准，具体过程为复合光源4中的激光光纤11辐射激光在CCD图像传感器3上成点像，与此同时热光环12辐射可见光在CCD图像传感器3上也成点像，调节激光光纤11位置使两像点重合，完成系统基准自校准。
光轴测试过程
一测量被测试产品红外/激光发射光轴偏差：
1.被测试产品发射激光脉冲，依次经过所述光学窗口10、大分光镜9、轴抛物镜1、反射镜2、小分光镜8反射至CCD图像传感器部件3，计算激光光斑质心与图像画面理论中心偏差；
2.所述复合光源4发射平行光线依次经过小分光镜8、反射镜2、离轴抛物镜1、大分光镜9、光学窗口10至被测试产品，被测试产品通过图像观察并记录复合光源成像质心与图像画面理论中心偏差；
3.校准“激光图像与理论中心偏差”与“红外视频图像与理论中心偏差”；
二测量被测试产品可见光和红外光轴偏差；
1.所述复合点光源4发射平行光线依次经过小分光镜8、反射镜2、离轴抛物镜1、大分光镜9、光学窗口10至被测试产品，被测试产品可见光传感器观测复合光源4形成的目标点像，并记录目标点像质心与图像画面理论中心偏差，并通过软件算法将产品可见光观测中心移动至目标点像质心；
2.所述复合点光源4发射平行光线依次经过小分光镜8、反射镜2、离轴抛物镜1、大分光镜9、光学窗口10至被测试产品，被测试产品红外传感器观测复合光源4形成的目标点像，并记录目标点像质心与图像画面理论中心偏差，并通过软件算法将产品红外观测中心移动至目标点像质心；
三测量被测试产品激光发射/激光接收光轴偏差；
1.模拟激光回波6辐射激光脉冲，依次经过所述大分光镜9、光学窗口10至被测试产品，调节本多光谱自动校准系统与被测试产品相对位置至回波信噪比最大；
2.被测试产品发射激光脉冲，依次经所述光学窗口10、大分光镜9反射至激光能量接收5。记录被测激光脉冲能量，调节被测试产品内部调整环节至能量最大，计算激光实际能量；
3.与此同时被测试产品发射的激光脉冲，依次经过光学窗口10、大分光镜9、轴抛物镜1、反射镜2、小分光镜8反射至CCD图像传感器部件3，视频图像显示激光中心与理论图像中心偏差；
图3为本发明多光谱自动校准系统的校轴光管传递函数MTF图。如图2所示，各视场的MTF均接近衍射极限。这保证能够获得高分辨率的图像信息，校准精度高。
图4为本发明多光谱自动校准系统的点列图。从图4可以看出，各视场的弥散斑均方值RMS直径最大不超过12μm。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种多光谱自动校准系统，其特征在于：包括离轴抛物镜(1)、反射镜(2)、CCD图像传感器(3)、复合光源(4)、角锥棱镜(7)、小分光镜(8)、大分光镜(9)、光学窗口(10)；离轴抛物镜(1)与光学窗口(10)中心连线为本系统的测试主光轴；离轴抛物镜(1)和反射镜(2)组成系统的校轴光学光管，反射镜(2)在抛物镜(1)离轴方向，不遮挡主光轴光路；
所述CCD图像传感器(3)和复合光源(4)均位于校轴光学光管焦点处，相对小分光镜(8)垂直共轭，其中复合光源(4)为测试系统的测试基准，CCD图像传感器(3)用于测试系统基准的自检；
所述大分光镜(9)位于抛物镜(1)与光学窗口(10)之间，并且保持与主光轴同轴；角锥棱镜(7)与大分光镜(9)的中心连线与主光轴正交；由复合光源(4)发射的光线经反射镜(2)、离轴抛物镜(1)、大分光镜(9)反射至角锥棱镜(7)，角锥棱镜(7)将复合光源(4)的光线按原光路反回至小分光镜(8)、再到CCD图像传感器(3)，用于本自动校准系统的光轴自准；
还包括激光能量接收(5)和模拟激光回波(6)；激光能量接收(5)、大分光镜(9)的中心连线与主光轴正交，并与角锥棱镜(7)分立于大分光镜(9)两侧；激光能量接收(5)为硅或铟镓砷热释电探测器，用于待测光电载荷激光能量测试；模拟激光回波(6)与激光能量接收(5)并排平行放置，与所述校轴光管光轴垂直；能够辐射1.064μm、1.57μm或近红外单色激光，用于模拟激光回波能量，测试光电载荷激光探测灵敏度。
2.根据权利要求1所述多光谱自动校准系统，其特征在于：所述复合光源(4)位于所述校轴光学光管的一个焦点处，能够辐射光谱范围0.4μm-12μm的光线。
3.根据权利要求1所述多光谱自动校准系统，其特征在于：所述CCD图像传感器(3)位于所述校轴光学光管的另一焦点处，能够对0.4μm-1.7μm波段感光成像。
4.根据权利要求1所述多光谱自动校准系统，其特征在于：所述小分光镜(8)能够对0.4μm-12μm波段光线进行设定比例分光。
5.根据权利要求1所述多光谱自动校准系统，其特征在于：所述大分光镜(9)能够对0.4μm-12μm波段光线进行特定比例分光，即按照2:8～5:5比例分光。
6.根据权利要求1所述多光谱自动校准系统，其特征在于：所述光学窗口(10)为三光轴测试系统窗口；材料为硫化锌、硒化锌或其他光学材料，透光波段0.4μm-12μm；光学窗口(10)与待测试产品保持≤5°的倾角，防止光学窗口的残余激光反射造成待测产品损伤。
7.一种采用权利要求1所述多光谱自动校准系统测量被测试产品红外/激光发射光轴偏差的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：由被测试产品发射激光脉冲，依次经过光学窗口(10)、大分光镜(9)、离轴抛物镜(1)、反射镜(2)、小分光镜(8)反射至CCD图像传感器部件(3)，计算激光光斑质心与图像画面理论中心偏差；
步骤2：所述复合光源(4)发射平行光线依次经过小分光镜(8)、反射镜(2)、离轴抛物镜(1)、大分光镜(9)、光学窗口(10)至被测试产品，被测试产品通过图像观察并记录复合光源(4)成像质心与图像画面理论中心偏差；
步骤3：校准“激光图像与理论中心偏差”与“红外视频图像与理论中心偏差”。
8.一种采用权利要求1所述多光谱自动校准系统测量被测试产品可见光和红外光轴偏差的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：所述复合光源(4)发射平行光线依次经过小分光镜(8)、反射镜(2)、离轴抛物镜(1)、大分光镜(9)、光学窗口(10)至被测试产品，由被测试产品的可见光传感器观测复合光源(4)形成的目标点像，并记录目标点像质心与图像画面理论中心偏差，并通过软件算法将产品可见光观测中心移动至目标点像质心；
步骤2：所述复合点光源(4)发射平行光线依次经过小分光镜(8)、反射镜(2)、离轴抛物镜(1)、大分光镜(9)、光学窗口(10)至被测试产品，由被测试产品的红外传感器观测复合光源(4)形成的目标点像，并记录目标点像质心与图像画面理论中心偏差，并通过软件算法将产品红外观测中心移动至目标点像质心。
9.一种采用权利要求1所述多光谱自动校准系统测量被测试产品激光发射/激光接收光轴偏差的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：模拟激光回波(6)辐射激光脉冲，依次经过所述大分光镜(9)、光学窗口(10)至被测试产品，调节本多光谱自动校准系统与被测试产品相对位置至回波信噪比最大；
步骤2：被测试产品发射激光脉冲，依次经所述光学窗口(10)、大分光镜(9)反射至激光能量接收(5)；记录被测激光脉冲能量，调节被测试产品内部调整环节至能量最大，计算激光实际能量；
步骤3：与此同时被测试产品发射的激光脉冲，依次经过光学窗口(10)、大分光镜(9)、轴抛物镜(1)、反射镜(2)、小分光镜(8)反射至CCD图像传感器部件(3)，视频图像显示激光中心与理论图像中心偏差。
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