专利名称：光电平台视轴稳定误差测试仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光电平台视轴稳定误差测试仪的光学、结构设计和图像处理技 术，用高速CMOS数字相机作探测器，应用图像处理技术，设计、制造了一种光电平台视轴稳 定误差测试仪。
背景技术：
安装在飞机、舰船或地面车辆上的光电平台不同程度地受到基座的摆动、振动影 响，导致光电平台上光学系统的视轴晃动，使光学系统图像模糊，降低光学系统的探测、识 别距离。工程师们采用减振和伺服控制技术抵消基座的摆动、振动影响，理论上，伺服稳定 系统可以使光电平台相对于惯性空间保持“稳定”，抵消摇摆台或振动台运动造成的光电平 台视轴晃动，由于减振和伺服控制技术不完善，致使光电平台仍然有残余视轴晃动。视轴晃 动是评价光电平台减振和伺服控制技术的关键指标，视轴晃动的测试技术是光电平台研究 的基础。视轴晃动测量需要将光电平台固定在摇摆台或振动台上，摇摆台或振动台按一定 频率、摆(振)幅运动，启动光电平台伺服控制系统，按以下几种方式检查光电平台的视轴 晃动。第一种方法是在光电平台上固定平面反射镜，用小激光器照明平面反射镜，平面 反射镜将激光斑点反射到离开光电平台一定距离的观察屏上，观察反射激光斑点的运动范 围，光电平台的视轴晃动角误差^ = arctan—
2LR 激光斑点晃动的最大直径L 光电平台到观察屏距离由于激光斑点晃动的最大直径测量精度和光电平台到观察屏距离的测量精度低， 导致光电平台的视轴晃动的测量精度低，一般在几角分左右，不能满足高精度光电平台的 视轴晃动测量要求。第二种方法是用静态自准直平行光管正对光电平台上的平面反射镜，光电平台运 动时，观察静态自准直平行光管分划板，根据分划板刻度，目视返回星点像的运动范围，估 计光电平台视轴稳定误差。这种方法属于定性分析，人为因素大，测量精度低。而且静态自 准直平行光管的视场角仅仅10'，如果光电平台的伺服稳定误差稍大，或者记录的起始位 置没有选好，返回的星点像容易偏出静态自准直平行光管视场角，操作难度大。第三种方法是在第二种方法的基础上，用PSD探测器代替自准直平行光管分划 板，进行动态测量。据报道，角度测量精度达到2"，但是，PSD探测器线形区域小，最大值仅 仅士0. 15mm，仪器最大量程只有1' 40"，动态测量时返回的星点像非常容易偏出视场角， 导致测量失败。本文在参照上述检测方法基础上，设计自准直光学系统，用高速CMOS数字相机作探测器，应用图像处理技术，研制了视场角为2° (对角线)，测角精度为1.2"的光电平台 视轴稳定误差测试仪。

发明内容
为了解决背景技术中光电平台视轴稳定误差测量技术中的测量精度低、测量范围 小等缺点，本发明设计了一种新型光电平台视轴稳定误差测试仪。1、光电平台视轴稳定误差测试仪原理光电平台视轴稳定测试仪的光学结构如

图1所示光电平台视轴稳定测试仪与常规的自准直仪原理相同，不同的是在自准直仪的焦 平面上用高速数字CMOS探测器代替常规的目视分划板或者PSD探测器。如背景技术所述， 目视分划板的自准直仪不能定量测量。高速数字CMOS探测器的尺寸是15. 36mmX 12. 29mm, 远大于PSD探测器的有效尺寸0. 3mmX0. 3mm，在相同焦距下，本自准直仪用高速数字CMOS 探测器比PSD探测器的视场角大51. 2倍，视轴稳定误差检测仪由光学系统与图像处理系统两大部分构成，如图1所示。光学系统由平面反射镜1、自准直仪7组成。光学系统采用自准直式，星点孔4与探测器6共轭，星点像经光学系统投射到反射 镜1，探测器6接收到返回的星点像，把不同时刻的星点像位置传输到图像处理系统。图像处理系统由显示器10、工作站11、PCI总线12、图像采集卡13组成。图像采集卡13是光学系统探测器6与工作站11的接口单元，通过PCI总线12与 探测器6连接，输入视频图像信息；工作站11是数据处理的核心单元，承担各工作单元控制 和数据处理任务；显示器10单元实现数据显示功能，显示操作状态、视频图像、数据处理结 果等{曰息。图3是光电平台视轴稳定测试仪的光学系统机械结构图，平面反射镜1，物镜组2， 光源3，星点孔4，立方棱镜5，高速数字CMOS探测器6，自准直仪机械结构7，基座8，基座微 调螺钉9。各部分的位置及连接关系星点孔4位于自准直仪7的焦平面，探测器6与星点孔4共轭，星点孔4被光源3 照明后经立方棱镜5反射，透过自准直仪物镜组2发出准直光，准直光照射到正前方的平 面反射镜1后，反射回自准直仪7，再次穿过物镜组2和立方棱镜5，星点像成像到探测器6 上。图像处理系统记录星点像在探测器上的位置，为精确捕捉反射镜运动中的倾斜位置，选 用高速数字CMOS探测器，与常规帧频30fps探测器相比，缩小相邻两帧图像之间时间采样 间隔，提高了反射镜的空间采样密度，有利于提高反射镜动态位置测量精度。高速数字CMOS 探测器的帧频为200fps，相邻两帧图像的星点像位置差反映出平面反射镜在1/200秒之间 的倾斜角，计算方法见公式1
权利要求
光电平台视轴稳定误差测试仪，其特征在于在自准直仪(7)的焦平面上采用高速数字CMOS探测器(6)代替常规的目视分划板或者PSD探测器，该视轴稳定误差检测仪包括光学系统和图像处理系统两大部分；光学系统包括平面反射镜(1)、自准直仪(7)；光学系统采用自准直式，星点孔与探测器(6)共轭，星点像经光学系统投射到反射镜(1)，探测器(6)接收到返回的星点像，把不同时刻的星点像位置传输到图像处理系统；图像处理系统包括显示器(10)、工作站(11)、PCI总线(12)、图像采集卡(13)；图像采集卡(13)是光学系统探测器(6)与工作站(11)的接口单元，通过PCI总线(12)与探测器(6)连接，输入视频图像信息；工作站(11)是数据处理的核心单元，承担各工作单元控制和数据处理任务；显示器(10)实现数据显示功能，显示操作状态、视频图像、数据处理结果。
2.根据权利要求1所述的光电平台视轴稳定误差测试仪，其特征在于所述光学系统包括反射镜(1)和自准直仪(7)其中反射镜(1)为平面反射镜；自准直仪(7)包括物镜组(2)，光源(3)，星点孔(4)，立方棱镜(5)，高速数字CMOS探 测器(6)，自准直仪(7)，基座(8)，基座微调螺钉(9)；各部件的连接关系星点孔(4)位于自准直仪的焦平面，探测器(6)与星点孔(4)共 轭，星点孔(4)被光源(3)照明后经立方棱镜(5)反射，透过物镜组(2)发出准直光，准直 光照射到正前方的平面反射镜(1)后，反射回自准直仪(7)，再次穿过物镜组(2)和立方棱 镜(5)，星点像成像到探测器(6)上，基座(8)承载自准直仪(7)，基座微调螺钉(9)调整自 准直仪(7)的视轴与平面反射镜(1)法线平行，保证自准直仪接收到平面反射镜(1)返回 的自准像，物镜组(2)、立方棱镜(5)、探测器(6)安装在同一光轴上，并且位于自准直仪7 的机械壳体中。
3.根据权利要求1所述的光电平台视轴稳定误差测试仪，其特征在于所述图像处理系统包括显示器(10)、工作站(11)、PCI总线(12)、图像采集卡(13)；工作站(11)是图像处理系统的核心单元，主要由图像采集、图像存储、光斑运动检测、 稳定精度计算、数据分析功能模块组成；功能分配方案如下a)图像采集通过通信接口，输入控制图像采集参数，包括图像分辨率、采集帧频等，通过图像采集 卡，从光电平台视轴稳定测试仪图像接口设备采集视频图像数据；b)图像存储分配所需的内存缓冲区空间，将采集的图像数据存储在计算机内存中；c)读取数据从内存中读取数据；d)光斑运动检测从计算机内存中装载采集到的全部视频图像数据，分析图像数据，采用图像运动检测 算法，检测图像中星点像的运动量，计算星点像所处的角度值；e)稳定精度计算统计分析序列图像中星点像的运动量，计算最大值、最小值、平均值及样本方差等。
全文摘要
光电平台视轴稳定误差测试仪，属于光学结构设计和图像处理技术，光电平台视轴稳定测试仪包括光学系统和图像处理系统两大部分，主要特征是在自准直仪的焦平面上用高速数字CMOS探测器代替常规的目视分划板或者PSD探测器，这样视场大51.2倍，高速数字CMOS探测器的帧频为200fps，与常规帧频30fps探测器相比，缩小了相邻两帧图像之间时间采样间隔，提高了反射镜的空间采样密度，有利于提高反射镜动态位置测量精度。采用光斑图像亚像元运动检测技术，即基于相位相关的亚像元配准技术，把图像分辨率提高到1/15像元，实现了光学系统拥有较宽视场角、高分辨率，该测试仪的视场角为2°(对角线)，测角精度为1.2″。
文档编号G01M11/02GK101943631SQ20101024174
公开日2011年1月12日 申请日期2010年8月2日 优先权日2010年8月2日
发明者孙俊喜, 孙辉, 郎小龙 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所