一种红外瞄准具光轴热稳定性的测试装置及方法与流程

本发明涉及一种红外瞄准具光轴热稳定性的测试装置及方法，属于红外热像仪热稳定性测试领域。

背景技术：

1、由于材料的热胀冷缩性质，红外瞄准具的光轴会在环境温度发生改变时产生相对于常温的漂移情况，光轴的漂移会导致红外瞄准具的光轴与真实光轴之间产生偏差，导致红外瞄准具的瞄准性能下降，所以增强红外瞄准具的光轴热稳定性，能有效提升红外瞄准具的瞄准精度。针对红外瞄准具光轴的变化情况的精确测量，是认识红外瞄准具光轴热变形情况以及优化红外瞄准具光学系统，提高红外瞄准具的光轴热稳定性的前提。

2、红外瞄准具一般包括红外光学系统、红外探测器组件、红外图像处理电路以及机械支撑结构。目标的红外辐射能量通过红外光学系统传输到红外探测器组件的光敏元件，红外探测器组件因为光电转换效应，将接收到的红外辐射能量转换成电信号进行传输，红外图像处理电路通过对电信号处理，最后输出人眼可见的红外热图像。其中，红外光学系统、红外探测器组件以及机械支撑结构能直接影响光轴热稳定性，而红外图像处理电路由于电路的元器件工作时产生的热量，该热量引起的温度梯度能影响红外光学系统、红外探测器组件和机械支撑结构的热稳定性，从而间接影响光轴热稳定性。红外图像是以视频格式输出的，显示器的图像由像素组成，对应到红外瞄准具，就是核心器件探测器的像元，像元数也是探测器规格的一种表达方式。比如中波640×512红外瞄准具，中波是探测器工作波段，640×512指使用的探测器规格，水平方向有640个像元，垂直方向有512个像元。一般情况一个像元对应图像上的一个像素。

3、红外瞄准具的光轴热稳定性，是指红外瞄准具的红外图像中心位置抵抗温度变化的能力，通常以一定温度变化范围内的红外图像中心位置相对基准温度点的中心位置的偏移量来衡量，单位为：像素。也可以通过在一定温度变化范围内的光轴与基准温度点下的初始光轴的偏移角度来衡量，单位为：角秒每度。数值越小，表示该红外瞄准具热稳定性越高。

4、红外瞄准具的光轴热稳定性测试方法一般是在红外瞄准具的安装法兰处粘贴一块平面反射镜，通过测角仪对平面反射镜发出一束极细的光束，并接受反射回来的光束，测角仪得到该平面反射镜的反射角。此时由温度试验箱对红外瞄准具施加温度控制，红外瞄准具在温度变化前后需始终瞄准一个固定不动的红外热辐射靶标，此时温度变化前后的平面反射镜的反射角之差就是红外瞄准具的光轴热漂移量，用偏移角度来衡量。

5、但传统的测量方法对测角仪和红外热辐射靶标的抗干扰能力要求非常高，需要保证在温度试验箱长时间工作振动影响下，测角仪和红外热辐射靶标的初始位置保持固定不动，在此条件下，测试得到的温度变化前后的反射角之差才能准确表示红外瞄准具的光轴热漂移情况。然而，只要在测试过程中测角仪和红外热辐射靶标因环境振动导致自身初始位置发生变化，该变化量将直接引入到最终的测量结果且无法剔除，导致测量结果与真实的光轴热漂移值存在较大且随机的误差，从而干扰红外瞄准具的光轴热稳定性测试及优化设计。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是克服上述不足，提供一种红外瞄准具光轴热稳定性的测试装置及测试方法，其目的是能有效避免传统测试方法因测角仪和红外热辐射靶标抗干扰能力差引入的测量误差，准确测试得到不同温度条件下的红外瞄准具的光轴热漂移情况。

2、本发明的技术方案是：

3、一种红外瞄准具光轴热稳定性的测试装置，包括光学平台、靶标、温度试验箱、工装法兰、经纬仪、图像采集及显示设备、红外平行光管、第一反射镜级第二反射镜。

4、所述光学平台作为靶标、红外平行光管的稳定支撑设备，提供稳定的目标对象的作用；红外平行光管安装到光学平台上，靶标安装到平行光管的侧面孔径处，并将第一反射镜与靶标连接，作为靶标的基准；温度试验箱模拟产品不同的温度环境；工装法兰将温度试验箱与被测红外瞄准具牢固连接；第二反射镜安装到工装法兰上，作为红外瞄准具的基准；将经纬仪放置在平行光管与温度试验箱之间，用于测量第一反射镜与第二反射镜的夹角，通过温箱内温度变化前后交叉试验，测量夹角变化情况，该变化就是红外瞄准具经过温度变化后的光轴漂移量。

5、试验时，温度试验箱对温箱内的红外瞄准具、工装法兰以及第二反射镜提供恒定的温度条件，使红外瞄准具内外完全达到指定温度；经纬仪测量第一反射镜和第二反射镜之间的夹角；同时，通过红外瞄准具记录此时输出的红外图像中心位置相对红外热辐射靶标的位置变化量；通过计算和分析经过夹角变化量修正后的位置变化量，得出光轴热漂移，评估红外热瞄具的光轴热稳定性。

6、一种红外瞄准具光轴稳定性的测试方法，测试步骤如下：

7、步骤一：初始温度条件下，首先使红外瞄准具瞄准红外热辐射靶标的中心或者附近位置，通过图像采集及显示设备读出红外瞄准具中心位置相对红外热辐射靶标的坐标位置，即光轴的初始位置，记录为(x0，y0)，单位：像素。

8、步骤二：接着用tm6100a经纬仪分别瞄准并测量第一反射镜和第二反射镜的角度，分别记录为α0(x反1-0，y反1-0)、β0(x反2-0，y反2-0)，并用公式(β0-α0)＝(x反1-0-x反2-0，y反1-0-y反2-0)计算出二者空间角之间的夹角，记录为γ0＝β0-α0，单位：角秒。

9、步骤三：通过温度试验箱对红外瞄准具(包括工装法兰以及第二反射镜)施加温度变化至试验目标温度变化范围。此过程，红外瞄准具不工作。

10、步骤四：开启红外瞄准具，通过图像采集及显示设备读出红外瞄准具中心位置相对靶标的坐标位置，即光轴总变化位置，记录为(xi，yi)，单位：像素。

11、步骤五：用tm6100a经纬仪分别瞄准并测量第一反射镜和第二反射镜的角度，分别记录为

12、αi(x反1-i，y反1-i)、βi(x反2-i，y反2-i)，并用公式(βi-αi)＝(x反1-i-x反2-i，y反1-i-y反2-i)计算出二者空间角之间的夹角，记录γi＝βi-αi，单位：角秒。

13、则通过前后交叉两次试验，得出的关系式：

14、

15、其中，a＝[1 -1 -1]为转换矩阵，为测量结果，为待求量。

16、修正量xamend、yamend与测量结果γi(αi，βi)和γ0(α0，β0)有关，可通过以下关系式求解：

17、

18、其中，fov为红外瞄准具的视场角，nupixel和nvpixel分别为红外瞄准具的探测器的水平和俯仰方向的像素数量。

19、至此，红外瞄准具的光轴热稳定性测试完毕。

20、本发明与现有技术相比具有以下方面的优点：

21、(1)现有技术通常需要测角设备具备长时间稳定性的能力，否则，由于温度试验箱的振动、测角设备自身不稳或者环境噪声，会对测角设备造成干扰，引入不必要且不可预测的测试误差。本发明通过评判夹角变化的方式，将测量基准与测量仪器基准分离，测量基准为反射镜1，测量结果的稳定性与反射镜1位置的稳定性有关，不再受测量仪器基准不稳定性的影响，有效排除了长时间测量过程中测量仪器基准不稳定引入的测试误差，有效的降低了高精度测量对测试设备稳定性的苛刻需求；

22、(2)现有技术对测量环境要求非常高，需要温度试验箱与测量仪器具备较高程度的隔震处理，防止外界环境或振动对测量过程的干扰，导致建设该类试验室建设成本高、数量少，单个项目占用时间长，使用效率低。本发明只需设置合理的光学平台对靶标保持一定的稳定性即可，测试环境无太高要求，一般温度实验室环境也可达到较高精度要求，使得建设实验室成本降低，同等经费情况下，可增加实验室数量，提高检测效率；

23、(3)本发明的测试精度是基于一般温度试验交检环境中完成，具有良好的环境的适应性和较高的通用性。

24、(4)现有技术无法分离并定位测试系统和被测对象的光轴漂移量的主要影响因素。本发明通过同时监测多个目标与唯一基准之间的夹角变化情况，了解并定位光轴漂移量主要影响因素。