相对角运动对多光轴平行性校准的影响分析

冯颖，张卫国，王谭



相对角运动对多光轴平行性校准的影响分析

冯颖，张卫国，王谭

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

针对振动环境下的多个传感器光轴平行性校准需求，基于多光轴平行性校准的基本原理，建立了相对角运动对多光轴平行性校准精度影响的理论模型。分析表明，由于红外探测器积分时间较长，激光和红外热像仪校准精度受角振动的影响更大。提出降低相对角运动的方法，即缩短红外探测器积分时间和利用减振器降低相对角运动的幅度。在此基础上，通过实验得到红外锑化铟探测器的最短积分时间为600 μs，并进行实例分析，结果表明，选用减振器使相对角运动为低频小振幅时，相对角运动对激光/电视校准精度的影响小于1个像素，相对角运动对激光/红外校准精度的影响为1～2个像素。

相对角运动；多光轴平行性校准；校准装置；积分时间

1 引言

光电系统通常包含激光测距机、电视摄像机、红外热像仪等多种传感器。各传感器间的光轴平行性作为光电系统性能的一个重要参数，在保证武器系统的命中概率和精度方面起着至关重要的作用[1]。通常的方法是用平行光管进行校准操作，平行光管和多传感器光电系统保持相对静止[2-5]，而在实际使用中，常需要在振动环境中进行校准。受振动影响，平行光管和多传感器光电系统之间存在相对角运动，会严重影响校准精度。目前，对于实际使用中角振动对多光轴平行性校准精度的影响鲜有研究。

本文针对包含电视、热像仪和激光器三种传感器的光电系统光轴平行性校准开展研究，提出了一种在振动环境中校准激光与电视、激光与热像仪光轴的方法。分析了相对角运动对多光轴平行性校准精度的影响，提出减少相对角运动的方法，即缩短红外探测器积分时间方法和利用减振器降低相对角运动的幅度方法，并以某一产品实际参数进行模拟计算分析。

2 多传感器光轴平行性静态校准方法的原理

当对多个传感器进行校准时，光电系统与平行光管均处于静止状态。如图1所示，激光器发射激光，在平行光管的感光靶纸上灼烧出小孔，观瞄传感器（电视/热像仪）观察小孔光斑，并根据此光斑位置通过机械调整或电子调整，实现观瞄传感器与激光器的光轴校准。

3 多传感器光轴平行性动态校准方法的原理

光电系统在实际使用中，经常需要在振动环境中校准瞄准线，由于振动影响，光电系统与平行光管之间存在相对角运动。当存在角运动的时候，观瞄传感器难以瞄准感光靶纸上光斑。

图1 静态校准原理

如图2所示，校准装置主体是一个多波段卡塞格林反射物镜，小孔光阑位于焦面上，CMOS1中心位于小孔光阑的共轭位置。小孔光阑被白炽灯照亮后，形成校轴基准，能够被电视和热像仪观察到。分光镜透射1.06 μm的激光，反射0.7～0.9 μm和3～5 μm的光线。激光器发射激光，CMOS1收到激光光斑（光斑1），此光斑中心与CMOS1中心在两个方向上的偏差分别为1，1；在发射激光的同时，电视/热像仪通过小孔光阑接收到像光斑（光斑2），设此光斑中心与电视/热像仪探测器中心在两个方向上偏差分别为2，2.

光轴偏差如图3所示。由于CMOS1中心位于小孔光阑的共轭位置，因此3和2是共轭统一的；于是1和4通过3和2建立了关联。从而电视/热像仪与激光器的光轴偏差为△=1－2、△=1－2.通过机械调整或电子调整，即可校准观瞄传感器与激光器的光轴。

图2 动态校准原理

1—激光光斑中心，即激光器光轴；2—小孔光阑像光斑中心； 3—CMOS1中心；4—CMOS2/红外探测器中心，即电视/热像仪光轴。

4 相对角运动对多光轴平行性校准精度的影响分析

根据前文描述，如果能够同一时刻采集CMOS1中激光光斑中心位置和CMOS2中小孔光阑像位置，即可计算出电视和激光器的光轴偏差。同样，通过采集CMOS1中激光光斑中心位置和红外探测器中小孔光阑像位置，可计算出红外热像仪和激光器的光轴偏差。在实际应用中，由于受成像传感器积分时间影响，难以实现同一时刻采集光斑信号，以下对影响进行分析。

将光电系统和校准装置间的相对角运动简化，为正弦运动。光电系统设定为静止，如图3中横直线，也是激光斑的角振动曲线。

如图4所示，在时刻1激光器发射激光；在2时刻校准装置的CMOS1曝光完成，接收到激光光斑；同样在2时刻光电系统的电视探测器CMOS2曝光完成，接收到光源光斑；在3时刻光电系统的红外探测器曝光完成，接收到光源光斑。2－1为CMOS的积分时间；3－1为红外探测器的积分时间。

图4 相对角运动影响图

激光/电视校轴时，1时两光轴角偏差为Δ1，2时两光轴角偏差为Δ2，角运动对激光/电视校准精度的影响为Δ2－Δ1，由于2－1为CMOS的积分时间为微秒级，因此相对角运动对激光/电视校准精度影响较小。

激光/红外校轴时，1时两光轴角偏差为Δ1，3时两光轴角偏差为Δ3.因此角运动对激光/红外校准精度的影响为Δ3－Δ1.由于3－1为红外探测器的积分时间为毫秒级，因此相对角运动对激光/红外校准精度影响较大。可以看出，校准精度与角运动频率、振幅和成像传感器积分时间相关。

5 降低相对角运动的方法

从上述分析可知，为保证激光/红外光轴的校准精度，需要减小相对角运动，具体采用以下两个途径。

5.1 缩短红外探测器的积分时间

缩短红外探测器的积分时间，同时较短的积分时间还可以捕捉到较小的圆形光斑，减少了相对角运动带来的光斑扩散和图像模糊，更易于寻找光斑中心。

积分时间的缩短要保证足够的光源光斑与背景噪声的对比度，使光源光斑可以被分辨。经简单推导可得：

式（1）中：为积分时间；为光斑的探测阈值；为探测器总噪声电压；为与探测器有关的常量；为探测器像面上接收的辐照度；Δ为每个灰度对应的电压值，为常量。

可以看出，通过增大探测器像面上接收的辐照度可以缩短积分时间，即可以通过增大校准装置内光源的功率来缩短积分时间。

5.2 利用减振器降低相对角运动的幅度

为校准装置安装减振器，衰减高频振动，使其振动曲线变得平缓，从而减小其积分时间内角运动幅值，从根本上减小两者的相对角运动。

6 实例分析

6.1 实验选取红外探测器积分时间

式（1）仅提供了红外探测器的最短积分时间的定性关系式，为此进行实验验证最短积分时间。如图5所示，将左边的红外热像仪的光学口径对准右边的校准装置，通过缩短热像仪探测器积分时间，观察热像仪是否能够正常对校准装置内光源成像。热像仪参数如表1所示。

实验结果如图6所示。

表1 实验用热像仪参数

参数数值 焦距46 mm F数2 探测器锑化铟探测器 像元尺寸15 μm 像素数640×512 噪声等效温差20～25 mK

图6（a）、图6（b）分别是热像仪探测器积分时间为628 μs、600 μs时的观察结果。图片中红色圆圈中的白色亮点为光源成的光斑像。可以看出，随着红外探测器积分时间的缩短，噪声变大，光斑与背景的对比度变小，光斑变得不易辨别，这与公式分析结果一致。从实验结果可知，对于锑化铟探测器积分时间只能减小到600 μs，积分时间减至550 μs时无法正常成像。

图5 积分时间选取实验

图6 实验结果

6.2 实例分析

以某型光电系统和校准装置为例，分析相对角运动对校准精度的影响。该光电系统中安装有激光测距机、电视摄像机和红外热像仪。观瞄传感器和校准装置参数如表2所示，激光器参数如表3所示。

表2 各实际产品参数

像元大小/μm像素数焦距/mm积分时间/μs瞬时视场角/mrad 电视摄像机4.81 280×1 024300 10.016 红外热像仪15640×512280 6000.054 校准装置4.81 280×1 0242 50010.001 9

表3 激光器参数

激光器参数值波长脉冲时间 1.06 μm15 ns

设校准装置的相对角运动方程为：

△=´sin2π（2）

式（2）中：Δ为角度；′为角振动幅值，为振动频率；为时间。Δ对求导，得Δ=2′π×cos2π.令Δ最大，得=0，可知=0时相对角运动影响最大。

取1=0，2=1 μs，3=600 μs，在不同幅值和频率组合下：′=1 mrad，=5 Hz、=10 Hz、=15 hz和′=0.5 mrad，=15 Hz、=20 Hz、=25 Hz及′=5 mrad，=1 Hz、=3 Hz、=5 Hz，分别计算相对角运动对激光/电视，激光/红外校准精度的影响Δ2－Δ1和Δ3－Δ1，结果如表4所示。

分析结果可知，选用减振器使相对角运动为低频小振幅的情况下，相对角运动对激光/电视校准精度的影响小于CMOS 1个像素对应的瞬时视场角，相对角运动对激光/红外校准精度的影响为1～2个像素对应的瞬时视场角，满足实际振动环境下的校准精度需求。

表4 实例计算结果

角振动幅值/mrad1110.50.50.5555 振动频率/Hz51015152025135 激光/电视0.000 0320.000 0630.000 0940.000 0470.000 0630.000 0790.000 0320.000 0940.000 16 激光/红外0.0190.0380.0570.0280.0380.0470.0190.0570.094

7 结束语

本文提出了一种动态多光轴平行性校准方法，并分析了相对角运动对多光轴平行性校准精度的影响，提出了降低相对角运动的方法，采用该方法后，实例分析表明角运动对激光/红外的影响为1～2个像素，角运动对激光/电视的影响小于1个像素。本文的分析为振动环境下的光轴调校提供了理论指导，从而保证光电系统在实际使用中的光轴一致性。

［1］马世帮，杨红，杨照金.光电系统多光轴平行性校准方法研究［J］.应用光学，2011，32（5）：917-921.

［2］赵文峰，纪明，刘涛.便携式多波段多光轴平行性检测仪设计［J］.应用光学，2013，34（2）：319-324.

［3］刘亚辰，张新磊，高扬，等.光电跟踪瞄准系统的多光轴平行度校准方法研究［J］.宇航计测技术，2015，35（4）：5-8，23.

［4］夏元杰，刘志东，段红建.T型光电转台多传感器结构布局及多光轴平行性调校研究［J］.光电技术应用，2016，31（2）.

［5］黄欣，沈湘衡，叶露.多光轴光学系统光轴间平行性检测仪的研制［J］.应用光学，2015，36（1）：19-23.

2095－6835（2019）07－0018－03

O213.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.018

冯颖（1994—），女，山西孝义人，研究方向为光电系统总体结构设计。

〔编辑：严丽琴〕