一种基于二维快速控制反射镜的跟踪精度测量装置的制作方法

1.本发明属于光学计量与测量技术领域，涉及一种基于二维快速控制反射镜的跟踪精度测量装置。


背景技术：

2.跟踪精度是衡量光电跟踪系统性能的重要指标，跟踪任务是为了消除由于光电系统和目标之间存在相对运动而造成瞄准线对目标的偏离。跟踪精度不仅是光电跟踪系统科研和定型中的一个重要指标，也是维修保障中的一个重要方面。
3.现有的光电搜索跟踪系统动态跟踪精度检测多采用在机械运动机构带动目标靶旋转的方法模拟运动目标。常用的检测方法主要有旋转信标光法、激光模拟信标光法和活动靶标检测法。旋转信标光法以光源(如白炽灯、led等)模拟空间目标，通过电机带动光源旋转，形成运动信标光。激光模拟信标光法则利用安装在两轴转台上的激光发射信标光束，通过控制二维转台转动，在靶面上产生模拟空间目标。被测光电系统通过对模拟运动目标进行跟踪、解算，可以得到光电系统的跟踪精度。
4.以上传统方法的优点是原理简单、便于实施，但缺点主要有以下几个方面：
5.(1)两种方法均采用机械运动带动光源旋转，因此运动频率受到很大限制，难以产生快速运动的信标光；
6.(2)传统方法产生的目标运动主要为圆周运动或两个转台叠加的曲性运动，难以模拟实际高速运动中随机运动以及加速等多种形式的运动方式；
7.(3)旋转信标光法和激光模拟信标光法以白光led或激光光斑作为跟踪精度的测试目标，不能对光电搜索跟踪系统中的红外通道进行测量和评估；
8.(4)现有光电搜索跟踪系统除了对跟踪精度进行测量外，往往还需要对可见光、激光、红外等不同光轴之间的一致性进行测量，但现有方法功能单一，不具备这方面的测量功能。


技术实现要素：

9.(一)发明目的
10.本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种基于二维快速控制反射镜的跟踪精度测量装置，采用角控制精度高的二维快速反射镜反射照明目标模拟动态目标，实施精确高速扫描运动，同时提高动态目标模拟的范围，从而实现高精度的光电系统跟踪精度测量。
11.(二)技术方案
12.为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于二维快速控制反射镜的跟踪精度测量装置，包括光源1、多光谱目标靶2、光学准直系统3、二维快速反射镜4、offner光学系统5、短波红外相机6、图像采集处理系统7、计算机8以及光电跟踪仪9；光源1发出的光束倾斜入射至多光谱目标靶2，经多光谱目标靶2反射后通过折转反射镜入射至光学准直系统3，准直
后光束经二维快速反射镜4反射后入射至光电跟踪仪9；光电跟踪仪9内的激光测距机发射激光束，依次经二维快速反射镜4、光学准直系统3、折转反射镜、多光谱目标靶2、offner光学系统5后由短波红外相机6接收；短波红外相机6和光电跟踪仪9连接图像采集处理系统7，图像采集处理系统7采集被测光电跟踪仪9的视频信号和短波红外相机6的激光光斑的中心位置；计算机8与图像采集处理系统7连接，记录和存储视频信号，计算出瞄准线和十字目标的偏离量，从而得到跟踪精度。
13.所述光源1由可见光源和激光光源组成，可见光源用于照明多光谱目标靶2，反射后形成可见光十字目标。激光光源为被测光斑跟踪仪提供一个光斑目标。
14.所述多光谱目标靶2作用是产生光谱为可见光、红外的有固定形状的目标，通过卡式光学准直系统后为多光谱平行光束，所述多光谱目标靶2既能反射激光和可见光，又能自加热产生红外目标，同时透射激光、可见和红外光，做到了三光合一，能同时满足电视系统和红外系统的需要，避免更换靶标而产生附加误差。
15.所述多光谱目标靶2的照明采用一块zns靶板替代可见与红外两套靶板,其优点是结构简化，尺寸小、重量轻，消除了测量仪自身的目标失调，有利于提高测量准确度。
16.所述光学准直系统3实现平行光束的出射及目标靶的投送，采用共轴反射式系统，可缩短光路长度，由一抛物面主镜和一双曲面次镜，光学准直系统3的入瞳尺寸为φ，波像差为rms，焦距为f。
17.所述二维快速反射镜4为跟踪精度测量提供动态目标，用于精确快速地控制光束的出射方向，精确快速地调整和稳定光学系统视轴。所述二维快速反射镜4采用音圈电机驱动型式，二维快速反射镜4的摆角范围为
±
30mrad，可实现120mrad视场。
18.所述offner光学系统5作为光学中继系统将激光光斑像转移，十字靶标经过该系统后可清晰成像，能够为激光、红外系统光轴校准提供高清成像。offner光学系统采用由两个同心球面反射镜组成的三反射系统，次镜为凸面反射镜，一镜及三镜为共用的凹面反射镜。
19.所述短波红外相机6和光学准直系统3组合，构成短波红外摄像机，短波红外相机6用于采集在被测光电跟踪仪的可见、红外传感器表面的成像图像，同时获得被测光电跟踪仪激光通道发射的激光光斑。
20.所述图像采集处理系统7由多功能图像采集卡和高速摄像机组成，采用数据接口转换盒对不同格式的视频转换后由采集卡进行采集，对pal制模拟图像信号和cameralink高清数字信号同时采集，最高采样速率为100mb/s。
21.所述计算机8与图像采集处理系统7连接，记录和存储视频信号，计算出瞄准线和十字目标的偏离量，从而得到跟踪精度。
22.本发明还提供一种基于二维快速控制反射镜的跟踪精度测量方法，当测量跟踪精度时，先将光电跟踪仪9架设在光路中，调整光电跟踪仪9的姿态，使光电跟踪仪9与光学准直系统3光轴重合。由光源1的激光光源或者可见光源照射多光谱目标靶2，从而产生一个十字目标，十字目标经过光学准直系统3整形为平行光，再经过二维快速反射镜4反射后进入到被测光电跟踪仪9，被测光电跟踪仪9接收并瞄准十字目标，进入跟踪状态。由计算机8编程驱动二维快速反射镜4做规定轨迹的扫描运动，相当于被跟踪的十字目标做一个规则运动，较逼真地模拟远场真实空间运动目标的轨迹，被测光电跟踪仪9进行实时跟踪，由图像
采集处理系统7采集被测光电跟踪仪9的视频信号，由计算机8计算出瞄准线和十字目标的偏离量，从而得到跟踪精度。
23.当测量光轴一致性时，第一步：首先测量可见光光轴与激光光轴的偏差。先将光电跟踪仪9架设在光路中，调整光电跟踪仪9的姿态，使光电跟踪仪9与光学准直系统3光轴大致重合。由光源1的激光光源或者可见光源照射多光谱目标靶2，从而产生一个十字目标，十字目标经过卡式光学准直系统3整形为平行光，再经过二维快速反射镜4反射后进入到被测光电跟踪仪9。用被测光电跟踪仪9的电视轴瞄准线瞄准多光谱目标靶的十字目标，然后由被测光电跟踪仪9的激光测距机发射激光，激光束通过光学准直系统3会聚到多光谱目标靶2，短波红外相机6对多光谱目标靶2成像，探测激光光斑，用短波红外相机6测出激光光斑的中心位置(x1,y1)，初始十字目标中心座标为(0，0)，由下式计算激光光轴与电视轴的平行性：
[0024][0025]
式中f为准直光学系统焦距。
[0026]
第二步：再测量红外光轴与激光光轴的偏差。由多光谱目标靶2上的合金丝加热，从而产生一个红外十字目标，红外十字目标经过光学准直系统3整形为平行光，再经过二维快速反射镜4反射后进入到被测光电跟踪仪。用被测光电跟踪仪9的红外热像仪瞄准线瞄准多光谱目标靶2的十字目标；然后由被测光电跟踪仪9激光测距机发射激光，激光束通过光学准直系统3会聚到多光谱目标靶，短波红外相机6对多光谱目标靶2成像，探测激光光斑，用短波红外相机6测出激光光斑的中心位置(x2,y2)，由下式计算激光光轴与红外光轴的平行性：
[0027][0028]
通过上述步骤，分别测量了可见光轴与激光光轴的偏差，红外光轴与激光光轴的偏差，由于是在同一个座标系下进行的测量，因此可以计算可见光轴、激光光轴和红外光轴的光轴一致性。
[0029]
(三)有益效果
[0030]
上述技术方案所提供的基于二维快速控制反射镜的跟踪精度测量装置，具有以下有益效果：
[0031]
(1)本发明采用大行程的二维快速控制反射镜进行动态光束模拟，控制带宽为100hz，控制精度达到10μrad,配合瞄准线图像同步获取技术实现跟踪精度的高精度测量,克服了传统模拟信标光法中运动频率过低，精度不高的缺点；
[0032]
(2)本发明通过计算机控制，可以驱动二维快速反射镜对入射光束实现圆形轨迹运动、直线轨迹运动、随机运动以及匀速和加速等形式的运动，克服了传统模拟信标光法电机转速不高、模拟目标运动轨迹单一、运动幅度小的缺点。
[0033]
(3)本发明采用在zns基底中内置热电阻丝的方式，制作了能满足激光、红外和可见光公用的测试靶标，克服了传统方法中只能提供激光或led可见光测试靶标，无法对红外通道跟踪性能进行测量和评估的缺点。
[0034]
(4)本发明通过offner光学系统，实现了可见光、红外波段和激光通道跟踪精度和光轴一致性的测试功能集成。
附图说明
[0035]
图1是本发明实施例基于二维快速控制反射镜的跟踪精度测量装置构成示意图。
[0036]
图2是本发明多光谱目标靶示意图。
具体实施方式
[0037]
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0038]
如图1所示，本实施例基于二维快速控制反射镜的跟踪精度测量装置包括光源1、多光谱目标靶2、光学准直系统3、二维快速反射镜4、offner光学系统5、短波红外相机6、图像采集处理系统7、计算机8以及光电跟踪仪9；光源1发出的光束倾斜入射至多光谱目标靶2，经多光谱目标靶2反射后通过折转反射镜入射至光学准直系统3，准直后光束经二维快速反射镜4反射后入射至光电跟踪仪9；光电跟踪仪9内的激光测距机发射激光束，依次经二维快速反射镜4、光学准直系统3、折转反射镜、多光谱目标靶2、offner光学系统5后由短波红外相机6接收；短波红外相机6和光电跟踪仪9连接图像采集处理系统7，图像采集处理系统7采集被测光电跟踪仪9的视频信号和短波红外相机6的激光光斑的中心位置；计算机8与图像采集处理系统7连接，记录和存储视频信号，计算出瞄准线和十字目标的偏离量，从而得到跟踪精度。
[0039]
所述光源1由可见光源和激光光源组成，可见光源用于照明多光谱目标靶2，反射后形成可见光十字目标。激光光源为被测光斑跟踪仪提供一个光斑目标。在本优选实施例中，采用卤钨灯配合椭球面反射镜反射的形式作为可见光源。提高光源的利用效率，并且可以使照明面均匀照明。选择1.540μm激光器用来照射瞄准线目标。
[0040]
所述多光谱目标靶2作用是产生光谱为可见光、红外的有固定形状的目标，通过卡式光学准直系统后为多光谱平行光束，所述多光谱目标靶2的照明采用一块zns靶板替代可见与红外两套靶板,其优点是结构简化，尺寸小、重量轻，消除了测量仪自身的目标失调，有利于提高测量准确度。在本优选实施例中，所述多光谱目标靶2是在zns晶体玻璃基底2-1上刻蚀十字分划线，同时在zns基底2-1十字分划线同样位置布置加热电阻丝2-2，加热后又可以产生红外十字目标或者可见亮十字目标。靶标的照明采用自发光和反射光形式，能同时满足电视系统和红外系统的需要，避免更换靶标而产生的附加误差。
[0041]
所述光学准直系统3实现平行束的出射及目标靶的投送，在本优选实施例中，采用共轴反射式系统，由一抛物面主镜和一双曲面次镜，光学准直系统3的入瞳尺寸为φ150mm(6英寸)，光学系统焦距1800mm，光学系统波像差rms值优于λ/8(λ＝632.8nm)。
[0042]
所述二维快速反射镜4为跟踪精度测量提供动态目标，用于精确快速地控制光束的出射方向，精确快速地调整和稳定光学系统视轴。所述二维快速反射镜4采用音圈电机驱动型式，二维快速反射镜4的摆角范围为
±
30mrad，可实现120mrad视场。在本优选实施例中，选用微位移传感器在快反镜全行程范围内的读数分辨率为16bit，传感器输入模拟信号的噪声水平约0.6lsb，在测量范围内传感器的角度可以达到分辨率2μrad，能够满足控制指向精度要求。
[0043]
所述offner光学系统5作为光学中继系统将激光光斑像转移，十字靶标经过该系统后可清晰成像，能够为激光、红外系统光轴校准提供高清成像。在本优选实施例中，采用
offner光学系统由两个同心球面反射镜组成的三反射系统，次镜为凸面反射镜，一镜及三镜为共用的凹面反射镜。
[0044]
所述短波红外相机6和光学准直系统3组合，构成短波红外摄像机，短波红外相机6用于采集在被测光电跟踪仪的可见、红外传感器表面的成像图像，同时获得被测光电跟踪仪激光通道发射的激光光斑。在本优选实施例中，选用国惠光电系列红外相机，光谱范围为0.9μm～2.3μm，分辨率为640
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512，制冷方式为te1或te3，相机控制接口为usb2.0，图像采集接口为usb2.0/camera link。
[0045]
所述图像采集处理系统7由多功能图像采集卡和高速摄像机组成，采用数据接口转换盒对不同格式的视频转换后由采集卡进行采集，对pal制模拟图像信号和cameralink高清数字信号同时采集。在本优选实施例中，cameralink采集卡采用精度为8bit，最高采样速率为100mb/s，系统带宽1gb/s。
[0046]
所述计算机8与图像采集处理系统7连接，记录和存储视频信号，计算出瞄准线和十字目标的偏离量，从而得到跟踪精度。
[0047]
本实施例中，当被测光电跟踪仪9不能提供视频接口时，所述测量装置使用高速摄像机拍摄被测光电跟踪仪的显示器，以拍摄图像中十字目标和瞄准线的偏离程度，再配合高速摄像机的放大倍率进行实际偏离量的计算，从而得到跟踪精度。高速摄像机的ccd分辨力为2048
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2048，ccd像素大小为5μm；其对焦距离为400mm，工作距离为0.3m～∞。
[0048]
本发明的工作原理为：当测量跟踪精度时，先将光电跟踪仪9架设在光路中，调整光电跟踪仪9的姿态，使光电跟踪仪9与光学准直系统3光轴大致重合。由通道二光源1的激光光源或者可见光源照射多光谱目标靶2，从而产生一个十字目标，十字目标经过卡式光学准直系统3整形为平行光，再经过二维快速反射镜4反射后进入到被测光电跟踪仪9，被测光电跟踪仪9接收并瞄准十字目标，进入跟踪状态。由计算机8编程驱动二维快速反射镜4做规定轨迹的扫描运动，相当于被跟踪的十字目标做一个规则运动，较逼真地模拟远场真实空间运动目标的轨迹，被测光电跟踪仪9进行实时跟踪，由图像采集处理系统7采集被测光电跟踪仪9的视频信号，计算出瞄准线和十字目标的偏离量，从而得到跟踪精度。
[0049]
当测量光轴一致性时，第一步：首先测量可见光光轴与激光光轴的偏差。先将光电跟踪仪9架设在光路中，调整光电跟踪仪9的姿态，使光电跟踪仪9与光学准直系统3光轴大致重合。由光源1的激光光源或者可见光源照射多光谱目标靶2，从而产生一个十字目标，十字目标经过卡式光学准直系统3整形为平行光，再经过二维快速反射镜4反射后进入到被测光电跟踪仪9。用被测光电跟踪仪9的电视轴瞄准线瞄准多光谱目标靶的十字目标，然后由被测光电跟踪仪9激光测距机发射激光，激光束通过光学准直系统3会聚到多光谱目标靶2，短波红外相机6对多光谱目标靶2成像，探测激光光斑，用短波红外相机6测出激光光斑的中心位置(x1,y1)。初始十字目标中心坐标为(0，0)，由下式计算激光光轴与电视轴的平行性：
[0050][0051]
式中f为准直光学系统焦距。
[0052]
第二步：再测量红外光轴与激光光轴的偏差。由多光谱目标靶2上的合金丝加热，从而产生一个红外十字目标，红外十字目标经过光学准直系统3整形为平行光，再经过二维快速反射镜4反射后进入到被测光电跟踪仪。用被测光电跟踪仪9的红外热像仪瞄准线瞄准
多光谱目标靶2的十字目标；然后由被测光电跟踪仪9激光测距机发射激光，激光束通过光学准直系统3会聚到多光谱目标靶，短波红外相机6对多光谱目标靶2成像，探测激光光斑，用短波红外相机6测出激光光斑的中心位置(x2,y2)，由下式计算激光光轴与红外光轴的平行性：
[0053][0054]
通过上述步骤，分别测量了可见光轴与激光光轴的偏差，红外光轴与激光光轴的偏差，由于是在同一个坐标系下进行的测量，因此可以计算可见光轴、激光光轴和红外光轴的光轴一致性。
[0055]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。