可见和红外光学系统光轴平行性外场标定

摘 要：光电经纬仪在外场使用一段时间后，可见和红外光学系统的光轴平行性可能发生变化，需要在外场进行标定。采用卡塞格林反射式平行光管进行子口径分束，利用平面反射镜对光束进行折转得到两束平行光。两束平行光分别对准红外和可见光学系统，利用亚像素细分技术计算质心可得到红外和可见光学系统平行性。实际结果表明：两束平行光平行性经标定后可达到1"，红外和可见光学系统平行性可达到7"。

关键词：光电经纬仪 光轴平行性 外场标定 亚像素细分

中图分类号：TN247 文献标识码：A 文章编号：1674-098x（2014）03（b）-0200-01

光电测量设备是集光学、机械、电子、伺服控制、信息和计算机多学科技术集成的综合性光学测量仪器，是现代军事科学技术高速发展的结果，在国防、军工、航空和航天等领域的发展和应用日趋广泛[1-3]。在靶场使用的小型光电经纬仪同时具有可见和红外多个光学传感器，这些传感器的光学系统光轴应严格平行，保持指向一致，光学系统光轴的平行性是多光轴系统的一个重要指标之一。

这些传感器的光轴平行性在出厂前都进行过严格标定，在外场使用一段时间后，各光学系统光轴之间的平行性仍然可能发生变化，因此需要在外场对各光学系统光轴进行标定。

该文介绍了具有可见和红外光学系统的小型光电经纬仪的光轴平行性的标定方法，采用卡塞格林平行光管进行子口径分束，利用亚像素细分技术测量得到红外和可见光学系统平行性。采用半导体激光预瞄准，大大节省了对准时间。卡塞格林平行光管子口径分束装置可固定在三脚架上，极大方便了在外场的标定工作。

1 标定装置原理

光轴平行性标定装置原理见图1，该装置由卡塞格林系统、平面反射镜和半导体激光器组成。

卤素灯照明星点孔，光线经卡塞格林系统的主次镜反射，准直为平行光，把光束左右两半分别经平面反射镜1和平面反射镜2反射，再由平面反射镜3和平面反射镜4反射形成两束平行光，分别射向可见和红外光学系统。根据可见和红外光学系统的光轴间距确定平面反射镜3和平面反射镜4的位置。

可见光CCD相机和红外相机接收平行光管的星点像，通过亚像素细分技术准确计算星点像对可见和红外光学系统光轴的偏离量，从而得到可见和红外光学系统光轴的平行性。

通过亚像素细分技术，通过成像区域像元的灰度值计算得到质心的位置。根据已知成像区域内M×N像元的坐标（i，j）（i=1，…，M；j=1，…，N）和相应的灰度值Gij，得到质心的坐标为：

由以上公式式可算得质心坐标（x，y）。若测得的星点图像质量较好，灰度比较均匀，有时也采用形心方法。在光学系统像质和杂散光控制较好的条件下，可以做到优于5细分，即质心位置精度优于1/5像素。

标定装置两束光的平行性通过大口径平行光管进行标定，在大口径平行光管焦面处CCD探测器对分别得到两路光的星点孔像进行细分，通过调整平面反射镜使两个星点孔像重合。

2 精度分析

误差源主要包括标定装置两束光的平行性误差σ1、可见光系统的瞄准误差σ2和红外系统的瞄准误差σ3。

设大口径平行光管焦距为14 m，CCD探测器像素尺寸14 μm，则两束光的平行性为：

面阵CCD探测器像素尺寸取14 μm，红外探测器像素尺寸大于30 μm，可见光和红外光学系统焦距f为200 mm，取5细分，则

则可见光和红外系统的标定误差为误差σ为：

3 结语

该文介绍了小型光电经纬仪的光轴平行性的外场标定方法，并对标定精度进行了分析。利用亚像素细分技术可提高红外和可见光学系统光轴平行性的精度。两束平行光平行性经标定后可达到1"，红外和可见光学系统平行性可达到7"。通过在装校和外场实验表明，该种方法快速简便，得到了较好的应用。

参考文献

[1] 叶露，赵建川.多光谱多光轴设备光轴平行性测量装置研制[J].光机电信息，2011，28（12）：32-36.

[2] 杨文志，景洪伟，吴时斌，等.可见光与红外光轴平行度检测仪[J].红外与激光工程，2010，39（5）：902-904.

[3] 赵文峰，纪明，刘涛，等.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.