专利名称：光电稳瞄系统的瞄准线稳定精度测量方法
技术领域：
本发明属于光学测量技术领域，主要涉及瞄准线的稳定精度测量方法，尤其涉及一种运动载体光电系统的猫准线稳定精度测量方法。
背景技术：
光电稳瞄系统广泛应用于高新武器装备系统中，是实现高新武器装备精确打击的关键技术。现代机载、车载、舰载光电武器装备均对光电稳猫系统中猫准线的稳定精度提出很高的要求。在实战环境中，光电稳瞄系统将不可避免的受到外界环境各种频率振动的干扰，此时瞄准线的稳定性是决定光电稳瞄系统整体性能的重要评价指标。因此，军方、研制单位、检测部门都迫切要求和需要解决不同振动频率条件下光电稳瞄系统瞄准线稳定精度的高精度测量问题。段志姣等人于2008年6月在《光学与光电技术》第6卷第3期中发表了题为“机 载光电系统稳定精度测试方法研究”的论文，文中提出一种光电系统瞄准线稳定精度测量方法，该方法的测量原理是，激光器发出的激光经聚焦准直后透过半透半反镜垂直入射至安装在被测光电稳瞄系统上的反射镜，其反射光被半透半反镜反射90°后再通过滤光片入射至PSD探测器的光敏面上，由探测器对反射光信号进行检测。被测光电稳瞄系统在角振动系统带动下振动，平面反射镜的空间方位角度的变化就反映了被测光电稳瞄系统的角位移变化。PSD探测器对光斑位置的变化量进行检测，由此实现机载光电稳瞄系统稳定精度的实时测量。由于直接采用激光器的输出光束作为测量光束，而且激光束的功率稳定性只能达到百分之几，出射激光束的功率波动将导致探测器靶面处光斑整体强度的波动，进而影响测量过程中光斑质心定位的精度，另一方面，激光束虽然是平滑变化的近似高斯分布光束，但仍客观存在一些随时间变化的空间噪声及杂散光，影响光斑形态的稳定性，同样对光斑的定位造成较强干扰。光斑定位精度的下降将使被测光电稳瞄系统稳定性测量的不确定度加大，影响最终测量的精度。此外，该方法使用衰减率固定的滤光片进行光强调整，无法对探测器靶面处光强进行灵活调整以有效适应其动态范围，同时所采用的PSD探测器自身也存在着测量精度较低，输出信号与偏离量存在非线性关系等问题，这些问题都会影响到测量结果的精度和可靠性。孙辉等人于2011年9月在《光学精密工程》第19卷第9期中发表了“动载体光电平台视轴稳定精度的检测” 一文，文中提出了一种光电平台视轴稳定精度检测方法，该方法的测量原理是，光源发出的光线通过星点孔后经半透半反镜反射，再由正负透镜组准直成平行光，出射到达安装在光电系统照准架上的平面反射镜，平行光经平面反射镜反射后，再经正负透镜组成像，成像光束经半透半反镜后会聚到高速数字相机传感器靶面，传感器将光信号转换为数字视频信号，生成星点光斑图像，工作站采集图像，通过相位相关配准方法分析光斑图像位置，计算视轴偏移角度，从而完成动载体光电平台视轴稳定精度的检测。该方法中，数字相机传感器的采集对象为具有一定光谱分布(非单色)的星点孔像，因此为了获得较高像质，采用了正组透镜与负组透镜相分离形式，并选择特殊色散的正组透镜材料校正二级光谱，因此这种方法成本较高。另外，该方法中采用的相位相关配准方法的计算复杂度较高，需要较好的工作站性能，同时该配准方法需要参与相关运算的多幅图像中的星点孔像之间差异不宜过大，否则将造成误差，但光源的非均匀性、测量光束功率波动、探测器噪声、环境变化等问题均会导致该条件难以在实际测量中得到保证，影响测量结果的精度和可靠性。

发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术·的不足，为光电稳瞄系统提供一种瞄准线稳定精度测量方法。本发明提供的稳定精度测量方法包括以下步骤第一步，将被测光电稳瞄系统固定在振动模拟台上，开启振动模拟台，将模拟台的振动模式设置为定频模式，工作状态为振动停止状态；第二步，搭建测量装置，将平面反射镜粘贴于被测量光电系统稳像稳瞄装置的内环框架，激光光源与振动模拟台相隔一定距离放置，调整激光光源位置，使激光出射方向正对平面反射镜，在激光光源与被测光电稳猫系统之间依次放置激光强度稳定器、空间滤波器、半透半反分束镜、准直物镜，其中，空间滤波器的光束输出端面位于准直物镜的物方焦面上；沿半透半反分束镜反射方向依次放置衰减器和CMOS摄像机，并使CMOS摄像机探测器靶面与空间滤波器的光束输出端面相对于准直物镜成共轭关系；将CMOS摄像机与图像记录与处理系统相连；测试前，首先调整衰减器至其最大衰减量，开启激光光源和激光强度稳定器，激光光源的出射光束依次经过激光强度稳定器和空间滤波器后成为稳功率整形光束，该光束经半透半反分束镜透射后，由准直物镜准直成为平行光，平行光经平面反射镜反射后，再次通过准直物镜成为会聚光，会聚光经半透半反分束镜反射90°再经衰减器衰减后，最终聚焦于CMOS摄像机的探测器靶面处；待激光强度稳定器出射光束的功率稳定度达到该稳定器的稳定指标时，开启图像记录与处理系统并进行初始化设置，初始化设置内容包括图像采集时间T和CMOS摄像机的帧频F ;初始化之后，开启被测量光电系统并使其处于运行状态；第三步，手动调节衰减器，与此同时，操作人员通过图像记录与处理系统向CMOS摄像机发送采集指令；CM0S摄像机接收到采集指令后以帧频F向图像记录与处理系统发送光斑图像数据，图像记录与处理系统计算当前光斑图像数据的图像最大灰度值与CMOS摄像机探测器饱和灰度值的百分比值？_^并将该值实时显示在其屏幕上，当操作人员看到屏幕上显示的百分比值P_—t达到规定值时，停止调节衰减器并通过图像记录与处理系统向CMOS摄像机发送停止采集指令；第四步，设置振动模拟台振动频率为《，切换其工作状态为振动状态，操作人员通过图像记录与处理系统向CMOS摄像机发送采集指令，CMOS摄像机接收到采集指令后以帧频F向图像记录与处理系统发送图像数据，图像记录与处理系统将接收到的各帧图像数据记录于存储器，当图像记录与处理系统中计时器的计时到达T时向CMOS摄像机发送停止采集指令；操作人员将振动模拟台的工作状态切换为振动停止状态；第五步，当图像记录与处理系统接收到操作人员的计算指令后，调用存储器中的图像序列，并按照以下算法获得每帧图像的光斑质心位置坐标
5. I采用二值化阈值Tbw对图像序列中的一帧图像进行二值图像处理，得到该帧的
二值化图像Ibw ;5. 2利用以下公式计算二值化图像Ibw中强度值为I的所有像素点的坐标的平均iM.xw， jw
权利要求
1.一种光电稳瞄系统的瞄准线稳定精度測量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 第一歩，将被测光电稳瞄系统固定在振动模拟台上，开启振动模拟台，将模拟台的振动模式设置为定频模式，工作状态为振动停止状态； 第二歩，搭建测量装置，将平面反射镜(1-6)粘贴于被測量光电稳瞄系统的内环框架，激光光源(1-1)与振动模拟台相隔一定距离放置，调整激光光源(1-1)位置，使激光出射方向正对平面反射镜(1-6)，在激光光源(1-1)与被测光电稳瞄系统之间依次放置激光强度稳定器(1-2)、空间滤波器(1-3)、半透半反分束镜(1-4)、准直物镜(1-5)，其中，空间滤波器(1-3)的光束输出端面位于准直物镜(1-5)的物方焦面上；沿半透半反分束镜(1-4)反射方向依次放置衰减器(1-7)和CMOS摄像机(2)，并使CMOS摄像机(2)探测器靶面与空间滤波器(1-3)的光束输出端面相对于准直物镜(1-5)成共轭关系JfCMOS摄像机(2)与图像记录与处理系统(3)相连；测试前，首先调整衰减器(1-7)至其最大衰减量，开启激光光源(1-1)和激光强度稳定器(1-2)，激光光源(1-1)的出射光束依次经过激光強度稳定器(1-2)和空间滤波器(1-3)后成为稳功率整形光束，该光束经半透半反分束镜(1-4)透射后，由准直物镜(1-5)准直成为平行光，平行光经平面反射镜(1-6)反射后，再次通过准直物镜(1-5)成为会聚光，会聚光经半透半反分束镜(1-4)反射90°再经衰减器(1-7)衰减后，最終聚焦于CMOS摄像机(2)的探测器靶面处；待激光强度稳定器(1-2)出射光束的功率稳定度达到该稳定器的稳定指标时，开启图像记录与处理系统(3)并进行初始化设置，初始化设置内容包括图像采集时间T和CMOS摄像机(2)的帧频F ;初始化之后，开启被测量光电系统稳像稳瞄装置并使其处于运行状态； 第三步，手动调节衰减器(1-7)，与此同时，操作人员通过图像记录与处理系统(3)向CMOS摄像机(2)发送采集指令；CM0S摄像机(2)接收到采集指令后以帧频F向图像记录与处理系统(3)发送光斑图像数据，图像记录与处理系统(3)计算当前光斑图像数据的图像最大灰度值与探测器饱和灰度值的百分比值 _^并将该值实时显示在其屏幕上，当操作人员看到屏幕上显示的百分比值P_—t达到规定值时，停止调节衰减器(1-7)并通过图像记录与处理系统(3)向CMOS摄像机(2)发送停止采集指令； 第四步，设置振动模拟台振动频率为《，切換其工作状态为振动状态，操作人员通过图像记录与处理系统⑶向CMOS摄像机⑵发送采集指令，CMOS摄像机⑵接收到采集指令后以帧频F向图像记录与处理系统(3)发送图像数据，图像记录与处理系统(3)将接收到的各帧图像数据记录于存储器，当图像记录与处理系统(3)中计时器的计时到达T时向CMOS摄像机(2)发送停止采集指令；操作人员将振动模拟台的工作状态切换为振动停止状态； 第五步，当图像记录与处理系统(3)接收到操作人员的计算指令后，调用存储器中的图像序列，并按照以下算法获得每帧图像的光斑质心位置坐标 ·5.I采用ニ值化阈值Tbw对图像序列中的ー帧图像进行ニ值图像处理，得到该帧的ニ值化图像Ibw ; ·5.2利用以下公式计算ニ值化图像Ibw中強度值为I的所有像素点的坐标的平均值■Xw， *
2.根据权利要求I所述的光电稳瞄系统的瞄准线稳定精度測量方法，其特征在于，所述的图像最大灰度值与探测器饱和灰度值的百分比值Pmax—t为85% 95%。
3.根据权利要求I所述的光电稳瞄系统的瞄准线稳定精度測量方法，其特征在干，所述的激光強度稳定器在0. 40 ii m 0. 740 u m波长范围内的出射光功率长时间稳定度<0. 03% rms ;所述衰减器的光强衰减量连续可变，其在0. 38 y m 0. 75 y m波长范围内的衰减量范围AR > 30dB。
全文摘要
本发明公开了一种光电稳瞄系统的瞄准线稳定精度测量方法，属于光学测量技术领域。其特点是，将平面反射镜固定于被测光电稳瞄系统的内环框架并使被测光电稳瞄系统处于振动状态下，测量激光束经强度稳定、空间滤波和准直后照射到平面反射镜上，CMOS摄像机将成像于靶面上的反射光束的光斑图像序列传输至图像记录与处理系统，图像记录与处理系统对光斑图像序列进行一系列处理后，获得光斑质心坐标序列、稳定精度值序列及稳定精度值序列标准偏差，由此完成了稳定精度的测量。本发明解决了光电稳瞄系统瞄准线稳定精度的高精度测量问题，可推广至炮控系统测试等其它稳定精度测量领域，具有广泛的应用前景。
文档编号G01M11/02GK102735431SQ201210208448
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者吕春莉, 岳文龙, 杨冶平, 杨斌, 杨鸿儒, 汪建刚, 王乐, 薛战理, 袁良, 谢毅, 闫晓宇, 韩占锁, 黎高平 申请人:中国兵器工业第二0五研究所