校靶镜检定装置设计与图像处理技术研究

王鑫，赵玉艳，刘立欣，向阳，车英

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国白城兵器试验中心，白城 137001）

校靶镜检定装置是靶场试验的关键测试设备，不同于以往的测量手段，而是以光电测量技术为主体的新一代实时光电测量系统。

本文采用外调焦平行光管提供四种模拟目标，由CCD摄像系统对图像进行采集，根据图像判读程序对数据处理分析，达到了检定要求。

1 校靶镜检定装置工作原理

传统的校靶镜检定装置的光路图如图1所示，分划板3经透镜组4和物镜5成像后与分划板7相交，人眼通过目镜8对分划板3和7的偏移量进行判读，以此检定校靶镜是否符合要求。

图1 校靶镜检定光路原理示意图

由于传统的检定方法对人眼的分辨力要求较高，易产生视觉疲劳。校靶镜的检测位置不同，人工操作不便，因此研究了一种新型的校靶镜检定装置。根据光路的可逆原理，将目镜8改为环形光源，以满足不同的检测位置，将光源1改为CCD相机，利用CCD摄像系统替代人眼进行图像判读。

如图2所示，该装置主要对已有校靶镜进行检定。检测时，将被检校靶镜插入标准套筒，通过环形光源照明，校靶镜提供的目标经过平行光管成像在焦面的分划板上，通过CCD摄像系统观察校靶镜分划板十字丝与平行光管环形分划板位置，经图像判读系统给出偏移量，经数据处理后，系统自动判定检测结果。

图2 校靶镜检定装置结构示意图

校靶镜检定装置主要由外调焦平行光管、CCD摄像系统、图像判读及数据处理系统、标准套筒、V型承座、基座以及支撑等组成。

该系统的工作原理是利用光学成像原理，在室内为各种型号的校靶镜提供模拟的校靶目标，光学系统是校靶镜检定装置的基本组成部分，其结构参数和性能参数依据校靶镜的整体要求来确定，所设计的校靶镜检定装置主要由三部分实现：外调焦平行光管、CCD摄像系统和图像处理系统。

2 系统基本组成

2.1 外调焦平行光管

平行光管的作用是形成平行光。根据几何光学原理，无限远处的物体经过透镜后将成像在焦平面上；反之，从透镜焦平面上发出的光线经透镜后将成为一束平行光。如果将一个物体放在透镜的焦平面上，那么它将成像在无限远处［1］。

由于该装置对不同距离的目标进行观察测量，需要对光学系统进行调焦。从结构形式上说，有内调焦和外调焦之分。根据物体成像清晰度的情况，用手来调节调焦镜组，以此来保证成像的清晰有效性，本装置采用外调焦方式。

为了对20m、50m、100m以及无穷远四种模拟目标进行观察瞄准，移动物镜，使之在分划面上获得清晰的目标像，通过手动调焦的方式，在调焦时，只需用手来调节镜头外端的调焦环，调焦环上刻有被摄物体与所对应调焦量间距离的标度尺，随着调焦环的转动，带动透镜镜筒上的机械结构，使得光学系统中的整个透镜组产生沿轴进行轴向运动，最终使镜头的焦点落于成像的感光原件上。由于是整组镜头的移动，镜片与镜片的相对位置保持不变，因此便能始终保持像的位置处于感光原件上，所成像为最清晰有效像［2］。

设计要求平行光管焦距 f=500mm，口径D=50mm，提供校靶距离为20m、50m、100m以及无穷远。可知相对口径，视场角2ω=0.8°。

根据要求可知x分别为20m、50m、100m及∞，焦距 f=500mm，则根据牛顿公式有：

其中，x：表示物方距离；x'：表示像方距离。

该装置选用FPG-6型F500平行光管，具有像质良好的双胶物镜，可作瞄准用的无穷远目标，是光学仪器生产装校工作中最基本的仪器之一。技术参数如下：焦距 f=500mm，有效孔径Φ=50mm。

外调焦平行光管可提供四种模拟距离，具体参数如表1所示。

表1 外调焦平行光管参数

2.2 CCD摄像系统

CCD摄像系统一般由光学系统（主要指物镜）、光电转换系统（主要指CCD）和电路系统（主要指视频处理和控制电路）三大部分组成。其工作原理如图3所示，由目标反射的可见光经光学系统成像到光敏面上经过光电转换产生的信号电流放大后进入CCD相机，经计算机处理后把目标图像输出到显示器上［3］。

图3 CCD摄像系统工作原理图

该装置CCD摄像系统要求像素≥1634×1200，选用型号为IK200M的CCD工业相机，具体参数如表2所示。

表2 IK200M相机主要参数

2.3 图像处理系统

2.3.1 图像判读原理

以主镜十字丝中心为原点建立笛卡尔坐标系（判读设置时，用鼠标选定的电轴中心位置，应和图像上的电轴中心重合），设A点为目标点，坐标为（xA,yA），它偏离原点（xo,yo）的量称为偏离量，记做（Δx,Δy）。把测量出来的偏离量（Δx,Δy）连同光测设备的测量信息进行数据处理，可完成对目标运动参数的事后分析［4］。图像判读原理如图4所示，则对应的偏离量为：

图4 图像判读原理图

2.3.2 判读方法

本文采用环形分划板与十字丝分划板结合的方式对校靶镜的偏移量进行检定。

环形分划板的分划间隔为0.1mil（即21.6″），以环形分划板中心为原点，十字丝交点为目标点，目标点偏离原点的距离即为被检定校靶镜的偏移量。如图5所示，通过CCD摄像系统观察校靶镜分划板十字丝与平行光管环形分划板位置，经图像判读系统给出偏移量，数据处理后，系统自动判定检测结果。根据视场角公式计算可知：

其中ω=21.6",f=500mm，计算得出x的最小间距为0.05mm，即环形分划板最小间距为0.05mm。

图5 环形分划板与十字丝偏移量判读示意图

3 结论

传统的校靶镜检定方法都是通过人工检定，但是由于被测校靶镜不同的检测位置，对于人工检定具有局限性。本文设计研究了一种新型的校靶镜检定装置，通过外调焦准直光管对校靶镜成像，满足四种不同校靶距离的校靶镜的检定需要。同时利用CCD摄像系统与图像判读系统替代了人眼读数，排除了校靶过程中人为的不确定因素，使校靶过程自动化。

与传统的测试方法相比，该装置具有精度高，误差小，省时省力的特点，能够满足现代军事测试试验领域的需求，提高自动化程度，简化检定环节，减少人为误差。

［1］王磊，王守印，周虎，等.平行光管的基本原理及使用方法［J］.仪器仪表学报，2006，27（6）：980-981.

［2］王珊珊.机器视觉大孔径大市场内调焦光学系统的研究［D］.长春理工大学，2012.

［3］王庆有.CCD应用技术［M］.天津：天津大学出版社，2000.

［4］刘春霞.红外视频图像判读的预处理技术研究［D］.长春光学精密机械与物理研究所，2003.

［5］崔莹莹，文大化，吕超，等.可见与近红外波段大视场平行光管物镜设计研究［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2011，34（2）：38-39.

［6］王子沫.火炮稳定精度测试系统研究［D］.长春理工大学，2012.