靶标自动调向式光轴平行性检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种光轴平行性检测装置，尤其是涉及一种靶标自动调向式光轴平行性检测装置。

背景技术：

在现代复合光电侦测系统中，一般都包含有电视、红外成像、激光测距等多个光电传感器。这类光电侦测系统在野外使用过程中光轴平行性易受损，易失调，严重影响侦测结果的有效性，所以对其进行经常性的检校保障具有非常重要的意义。

传统的光轴平行性检测主要分为主观判读和客观判读两种类型。主观判读类型的检测方法是用人眼直接观测。该判读类型测量装置检测时耗长，存在人为误差，测量操作自动化程度低。

客观判读类型的检测方法大都是借助计算机和视频采集装置等进行检测：首先确定被测光电侦测系统的一个光轴为基准光轴，进行靶标轴与基准光轴的对准，然后对靶标平行移轴，检测视频采集装置内靶标轴与被测光电侦测系统另一轴的距离，最后通过检测算法数学模型求算出光轴平行性误差。该类型的检测方法提取十字分划中心坐标时，产生测量误差；进行十字分划中心距离测量时，像素尺寸标定过程中还要带来标定误差；另外数据代入检测算法数学模型解算时，靶标准直系统的焦距取值与实际焦距值的差值也引来系统误差。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是提供一种靶标自动调向式光轴平行性检测装置，以解决现有的光轴平行性检测装置中存在的检测误差较大、操作复杂和可靠性较差的问题。

本实用新型是这样实现的：一种靶标自动调向式光轴平行性检测装置，包括：

视频采集装置，用于采集被测光电侦测系统的成像系统分划板上的图像；

靶标自动调向装置，分别与平行光管和伺服控制系统相接，用于对平行光管发出的平行光束进行调向处理，所述靶标自动调向装置包括反射镜、x轴调向反射镜、y轴调向反射镜、与所述x轴调向反射镜固定连接且用于控制x轴调向反射镜转动角度的第一电动机和与所述y轴调向反射镜固定连接且用于控制y轴调向反射镜转动角度的第二电动机，在所述第一电动机和所述第二电动机上均安装有用于测量角位移的码盘；所述反射镜、所述x轴调向反射镜和所述y轴调向反射镜由下到上依次设置；

平行光管，与所述靶标自动调向装置相接，用于产生光轴平行性检测中靶标轴十字分划图像所需的平行光束；

伺服控制系统，分别与所述靶标自动调向装置和计算机相接，用于根据计算机所接收到的所述视频采集装置所采集的视频信号调整所述靶标自动调向装置，以将所述视频采集装置所采集的靶标十字分划图像的中心与被测光电侦测系统的待测光轴的十字分划图像的中心对准；

计算机，与所述伺服控制系统和所述视频采集装置相接，用于处理所述视频采集装置输送的图像信号，并根据图像数据的处理结果向所述伺服控制系统发送伺服控制命令。

在所述靶标自动调向装置的底端安装有用于实现所述靶标自动调向装置的高精度平移的平移导轨。

本实用新型包括视频采集装置、靶标自动调向装置、平行光管、伺服控制系统和计算机，在对被测光电侦测系统进行光轴平行性检测的过程中，通过视频采集装置对视频信号实时采集，在计算机中利用图像处理算法提取出所述平行光管产生的靶标十字分划图像的中心与被测光电侦测系统的待测光轴的十字分划图像的中心，以所述靶标十字分划图像的中心为基准建立平面直角坐标系，识别被测光电侦测系统的待测光轴的十字分划图像的中心所在象限及距靶标十字分划图像的十字中心的距离，通过所述伺服控制系统控制靶标自动调向装置调整光束方向，保证两十字分划中心重合。从码盘读出控制参数。通过对被测光电侦测系统的两个待测光轴的数据采集，得出两组控制参数，最终可利用检测算法数学模型计算光轴平行性误差，降低了在被测光电侦测系统的光轴平行性检测中的误差，提高了检测精度。

本实用新型突破了传统的靶标平移测量装置，利用本实用新型进行光轴平行性检测时，靶标十字分划图像的十字中心与被测光电侦测系统的待测光轴十字分划图像的十字中心的对准可避免传统的两个十字分划中心的距离测量所带来的误差，利用本实用新型进行光轴平行性检测时，既可将光轴平行性检测的精度提高到像素级，又提高了光轴平行性检测装置和检测方法的自动化程度。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的靶标自动调向装置的结构示意图。

图3是本实用新型光轴平行性检测方法的原理框图。

图中：1、视频采集装置；2、靶标自动调向装置；2-1、反射镜；2-2、x轴调向反射镜；2-3、y轴调向反射镜；2-4、第一电动机；2-5、第二电动机；2-6、平移导轨；3、平行光管；3-1、筒体；3-2、光源；3-3、十字分划靶板；3-4、主反射镜；3-5、次反射镜；4、伺服控制系统；5-1、计算机；5-2、测控软件；6、被测光电侦测系统；6-1、第一待测光轴；6-2、第二待测光轴；7、标记平面。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型中的靶标自动调向式光轴平行性检测装置包括视频采集装置1、靶标自动调向装置2、平行光管3、伺服控制系统4和计算机5-1。视频采集装置1设置在被测光电侦测系统6的目镜处，用于采集被测光电侦测系统6的成像系统分划板上的图像，被测光电侦测系统6的成像系统分划板为十字分划板，视频采集装置1采用CCD视频采集装置1。当被测光电侦测系统6中内置有视频采集装置1时，将被测光电侦测系统6的视频输出端口与计算机5-1相接，被测光电侦测系统6直接将其内部的视频采集装置1所采集到的视频信号传递给计算机5-1。

靶标自动调向装置2包括反射镜2-1、x轴调向反射镜2-2、y轴调向反射镜2-3、第一电动机2-4和第二电动机2-5。靶标自动调向装置2还包括安装在其底端且用于支撑反射镜2-1、x轴调向反射镜2-2、y轴调向反射镜2-3、第一电动机2-4和第二电动机2-5的支撑底座，其中，x轴调向反射镜2-2和y轴调向反射镜2-3均可旋转，在x轴调向反射镜2-2的中心轴线处和y轴调向反射镜2-3的中心轴线处均设置有旋转轴；反射镜2-1为固定不动的，在反射镜2-1的中心轴线处设置有固定轴。第一电动机2-4与x轴调向反射镜2-2固定连接且用于控制x轴调向反射镜2-2转动角度，第二电动机2-5与y轴调向反射镜2-3固定连接且用于控制y轴调向反射镜2-3转动角度，第一电动机2-4的安装轴线与第二电动机2-5的安装轴线相互垂直。在第一电动机2-4和第二电动机2-5上均安装有用于测量角位移的码盘，第一电动机2-4上的码盘和第二电动机2-5上的码盘均采用光电码盘。由于x轴调向反射镜2-2的旋转轴与z轴平行，x轴调向反射镜2-2的偏转使平行光管3发出的平行光束实现其方位角的偏转；由于y轴调向反射镜2-3的旋转轴与x轴平行，y轴调向反射镜2-3的偏转使平行光管3发出的平行光束实现其俯仰角的偏转。码盘安装在对应的电动机的电机轴上,在靶标自动调向装置2的底端安装有用于实现靶标自动调向装置2的高精度平移的平移导轨2-6，在本实施例中，靶标自动调向装置2的底端的支撑底座与平移导轨2-6滑动连接。反射镜、x轴调向反射镜2-2和y轴调向反射镜2-3由下到上依次设置，且x轴调向反射镜2-2和y轴调向反射镜2-3未进行工作时都设置在初始位置。在本实施例中，按照左手坐标系规则在所述靶标自动调向装置上建立x₀y₀z₀直角坐标系，在x₀y₀z₀直角坐标系中，y₀轴指向靶标自动调向装置2的顶部，反射镜2-1的镜面与x₀y₀z₀直角坐标系中的x₀o₀y₀平面成45°角，反射镜2-1的中心轴线与y₀轴平行，且反射镜2-1固定设置在靶标自动调向装置2上的支撑底座上。x轴调向反射镜2-2的初始位置为x轴调向反射镜2-2的镜面与x₀o₀z₀平面成45°角，且x轴调向反射镜2-2的中心轴线与z₀轴平行；y轴调向反射镜2-3的初始位置为y轴调向反射镜2-3的镜面与x₀o₀y₀平面成45°角，且y轴调向反射镜2-3的中心轴线与x₀轴平行。靶标自动调向装置2分别与平行光管3、被测光电侦测系统6和伺服控制系统4相接，用于对平行光管3发出的平行光束进行调向处理。平行光管3，与靶标自动调向装置2相接，用于产生光轴平行性检测中靶标轴十字分划图像所需的平行光束，在本实施例中，平行光管3的输出端与靶标自动调向装置2的反射镜的入射端相接，被测光电侦测系统6的输入端与y轴调向反射镜2-3的输出端相接，视频采集装置1的输入端与被测光电侦测系统6相接，且将视频采集装置1放置于被测光电侦测系统6的目镜处，视频采集装置1的输出端与计算机5-1的输入端相接，计算机5-1的输出端与伺服控制系统4相接。当被测光电侦测系统6中内置有视频采集装置1时，将被测光电侦测系统6的视频输出端口与计算机5-1相接，被测光电侦测系统6直接将其内部的视频采集装置1所采集到的视频信号传递给计算机5-1。平行光管3包括筒体3-1、设置在筒体3-1前端的光源3-2、与光源3-2的出射端相对设置的十字分划靶板3-3和设置在十字分划靶板3-3出射侧的准直系统，准直系统包括靠近十字分划靶板3-3出射侧的并排设置的两个主反射镜3-4和远离十字分划靶板3-3出射侧的次反射镜3-5，主反射镜3-4和次反射镜3-5呈等腰三角形排布。

伺服控制系统4分别与靶标自动调向装置2和计算机5-1相接，用于根据计算机5-1所接收到的视频采集装置1所采集的视频信号调整靶标自动调向装置2，以将视频采集装置1所采集的靶标十字分划图像的中心与被测光电侦测系统6的待测光轴的十字分划图像的中心对准。在计算机5-1上安装有用于处理检测数据的测控软件5-2。在本实施例中，伺服控制系统4为伺服控制器，伺服控制系统4的输入端与安装在第一电动机2-4上的码盘、安装在第二电动机2-5上的码盘电连接，伺服控制系统4的输出端与第一电动机2-4、第二电动机2-5电连接。计算机5-1的输出端与伺服控制系统4的输入端电连接，计算机5-1的输入端与视频采集装置1电连接。计算机5-1用于处理视频采集装置1输送的图像信号，并根据图像数据的处理结果向伺服控制系统4发送伺服控制命令。

如图1～图3所示，利用本实用新型进行光轴平行性检测的过程包括以下步骤：

a、通过视频采集装置1采集被测光电侦测系统6的成像系统十字分划板上的图像，成为第一待测光轴6-1十字分划图像；将被测光电侦测系统6的第一待测光轴6-1的输入端与靶标自动调向装置2中的y轴调向反射镜2-3的输出端相接，并将靶标自动调向装置2中的x轴调向反射镜2-2和y轴调向反射镜2-3调到初始位置。在本实施例中，按照左手坐标系规则在靶标自动调向装置上建立x₀y₀z₀直角坐标系，其原点为o₀，其中y₀轴指向靶标自动调向装置的顶部，z₀轴沿靶标自动调向装置2的纵轴指向其光线出射侧。x轴调向反射镜2-2的初始位置为x轴调向反射镜2-2的镜面与x₀o₀z₀平面成45°角，且x轴调向反射镜2-2的中心轴线与z₀轴平行，x轴调向反射镜2-2的旋转轴与x轴调向反射镜2-2的中心轴线处重合，且x轴调向反射镜2-2可绕其旋转轴转动；y轴调向反射镜2-3的初始位置为y轴调向反射镜2-3的镜面与x₀o₀y₀平面成45°角，且y轴调向反射镜2-3的中心轴线与x₀轴平行，y轴调向反射镜2-3的旋转轴与y轴调向反射镜2-3的中心轴线处重合，且y轴调向反射镜2-3可绕其旋转轴转动。

b、开启平行光管3使平行光管3产生平行光束，平行光管3产生平行光束经靶标自动调向装置2入射到被测光电侦测系统6，平行光管3产生的平行光束经过平行光管3内部的十字分划靶板3-3后成为靶标十字分划图像被测光电侦测系统6接收，被测光电侦测系统6将接收到的靶标十字分划图像输入到视频采集装置1，再由视频采集装置1输入到计算机5-1的计算机上。

c、输入到计算机5-1的计算机上视频信号经过图像处理方法将平行光管3产生的靶标十字分划图像的十字中心和被测光电侦测系统6的第一待测光轴6-1十字分划图像的十字中心提取出来，并以靶标十字分划图像的十字中心为基准建立平面直角坐标系，识别被测光电侦测系统6的第一待测光轴6-1十字分划图像的十字中心所在的象限及距靶标十字分划图像的十字中心的距离，通过伺服控制系统4控制靶标自动调向装置2中的第一电动机2-4和第二电动机2-5，通过调整x轴调向反射镜2-2和y轴调向反射镜2-3的偏转角度来调整平行光管3产生的平行光束的光束方向，保证靶标十字分划图像的十字中心与第一待测光轴6-1十字分划图像的十字中心重合。

在步骤c中将所述平行光管产生的靶标十字分划图像的十字中心和被测光电侦测系统的待测光轴十字分划图像的十字中心提取出来的图像处理方法为：

c-1、在计算机中采用卡尔曼滤波将从视频采集装置中接收到的图像信号进行噪声的过滤；

c-2、采用霍夫变换的方法提取出靶标十字分划图像和待测光轴十字分划图像的直线，找出相应直线的交点。

d、从安装在第一电动机2-4上的码盘和安装在第二电动机2-5上的码盘分别读出靶标十字分划图像的十字中心由初始位置到与第一待测光轴6-1十字分划图像的十字中心重合时x轴调向反射镜2-2的偏转角度α₁与y轴调向反射镜偏转角度β₁，将α₁与β₁输出至计算机5-1。

e、将靶标自动调向装置2中的x轴调向反射镜2-2和y轴调向反射镜2-3恢复到初始位置，通过视频采集装置1采集被测光电侦测系统6的成像系统十字分划板上的图像，成为第二待测光轴6-2十字分划图像。利用平移导轨2-6对靶标自动调向装置2进行平移，使被测光电侦测系统6的第二待测光轴6-2的输入端与靶标自动调向装置2中的y轴调向反射镜2-3的输出端相接。在本实施例中，被测光电侦测系统6的两个待测光轴之间的轴间距较小时，靶标自动调向装置2在平移导轨2-6上的相对位置不变；被测光电侦测系统6的两个待测光轴之间的轴间距较大时，将靶标自动调向装置2在平移导轨2-6上移动以实现靶标自动调向装置2的高精度平移。

f、按照步骤c、步骤d和步骤e的方法对被测光电侦测系统6的第二待测光轴6-2进行图像的处理，得到靶标十字分划图像的十字中心由初始状态到与第二待测光轴6-2十字分划图像的十字中心重合时x轴调向反射镜2-2的偏转角度α₂与y反射镜片偏转角度β₂，将α₂与β₂输出至计算机5-1。

g、将输入到计算机5-1的数据α₁、β₁、α₂和β₂代入到计算机5-1内，利用计算机5-1的测控软件5-2内设定的检测算法数学模型计算光轴平行性误差γ，并且将结果显示在计算机5-1上。

如图2和图3所示，检测算法数学模型的建立方法为：

g-1、如图2所示，在步骤b中建立的左手坐标系中建立标记平面7。在靶标自动调向装置2的光线出射侧按左手坐标系规则建立标记平面7所在的xyz直角坐标系，其原点为o，xyz直角坐标系的x轴、y轴、z轴分别与x₀y₀z₀直角坐标系中的x₀轴、y₀轴、z₀轴平行且指向相同，则x轴调向反射镜2-2处于初始位置时，x轴调向反射镜2-2的镜面与xoz平面成45°角，且x轴调向反射镜2-2的中心轴线与z轴平行；y轴调向反射镜2-3处于初始位置时，y轴调向反射镜2-3的镜面与xoy平面成45°角，且y轴调向反射镜2-3的中心轴线与x轴平行。将左手坐标系中的xoy平面作为标记平面7，定义方位角θ_x为光轴向量在xoz面投影与z轴的夹角，俯仰角θ_y为光轴向量与xoz面的夹角。

g-2、如图2所示，在平行光管发出的平行光束入射到靶标自动调向装置时，将平行于z₀轴且经过反射镜2-1反射后能与x轴调向反射镜2-2的转动轴共面的光线定义为基准入射光线，将经初始位置时依次经反射镜2-1、x轴调向反射镜2-2和y轴调向反射镜2-3反射后的反射光束RMNCO为基准光束光路。通过第一电动机2-4控制x轴调向反射镜2-2的旋转角度，通过第二电动机2-5控制y轴调向反射镜2-3的旋转角度，将靶标十字分划图像的十字中心由初始位置到与其中一个待测光轴十字分划图像的十字中心重合时，x轴调向反射镜2-2的旋转角度记为α、y轴调向反射镜2-3旋转角度记为β，此时经靶标自动调向装置反射后的反射光束产生偏移，其与基准光束光路的出射光线的夹角为扫描角度。

g-3、求解方位角θ_x和俯仰角θ_y。

如图2所示，光束RM经过反射镜2-1反射后的反射光束MN的单位指向向量为：

x轴调向反射镜2-2的旋转角度为α时，x轴调向反射镜2-2旋转后的镜面的法线向量为：

x轴调向反射镜2-2的镜面反射矩阵为：

入射光束MN经过x轴调向反射镜2-2反射后的反射光束的单位指向向量为：

y轴调向反射镜2-3的旋转角度为β时，y轴调向反射镜2-3旋转后的镜面的法线向量为：

y轴调向反射镜2-3的镜面反射矩阵为：

经y轴调向反射镜2-3反射后的反射光束的单位向量为：

根据反射光束的单位向量即可求得反射光束相对基准光束光路的方位角θ_x和俯仰角θ_y：

g-4、求解最终反射光束与标记平面交点的坐标。

由图2可知，最终反射光束的单位向量的起点位置为B，则

CB＝etan2α (9)

如图2所示，最终反射光束与标记平面交点的坐标为：

由于1-sin²2βcos²2α＝sin²2α+cos²2βcos²2α (11)

将式(11)代入式(10)，得出：

在式(9)、式(10)和式(12)中，e为x轴调向反射镜2-2到y轴调向反射镜2-3之间的距离，d为y轴调向反射镜2-3到标记平面之间的距离。

g-5、求解光轴之间平行性误差γ。

通过控制靶标自动调向装置控制平行光管所射出的平行光束的偏转，完成靶标十字分划图像的十字中心与被测光电侦测系统的第一待测光轴十字分划图像的十字中心的对准，以及靶标十字分划图像的十字中心与被测光电侦测系统的第二待测光轴十字分划图像的十字中心的对准。

靶标十字分划图像的十字中心与被测光电侦测系统的第一待测光轴十字分划图像的十字中心的对准时，记录与x轴调向反射镜2-2对应的码盘上的输出角α₁、与y轴调向反射镜对应的码盘上的输出角β₁；靶标十字分划图像的十字中心与被测光电侦测系统的第二待测光轴十字分划图像的十字中心的对准时，记录与x轴调向反射镜2-2对应的码盘上的输出角α₂、与y轴调向反射镜对应的码盘上的输出角β₂。

将靶标十字分划图像的十字中心与被测光电侦测系统的第一待测光轴十字分划图像的十字中心的对准时，经y轴调向反射镜2-3反射后的反射光束的向量，即扫描向量记为将靶标十字分划图像的十字中心与被测光电侦测系统的第二待测光轴十字分划图像的十字中心的对准时，经y轴调向反射镜2-3反射后的反射光束的向量，即扫描向量记为光轴的平行性误差即为与之间的夹角γ，根据数量积公式得出：

式(13)即为检测算法数学模型的公式。