拜飛 王慶祥

摘要：以某型機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)機(jī)載光電裝備的外場(chǎng)激光校靶工作機(jī)理和測(cè)試方法的研究分析，采用先進(jìn)的多光譜采集技術(shù)和圖像算法技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兼容多型機(jī)的機(jī)載光電設(shè)備激光校靶方法。該方法能大幅提高檢測(cè)效率和測(cè)試精度，有效規(guī)避測(cè)試中的人為差錯(cuò)和安全隱患，對(duì)加強(qiáng)外場(chǎng)保障能力和圖像技術(shù)在機(jī)載設(shè)備維護(hù)中的推廣具有顯著意義。

關(guān)鍵詞：激光校靶；不平行度；圖像采集；圖像算法

Keywords： laser target calibration；nonparallelism；image acquisition；image algorithm

0 引言

機(jī)載光電設(shè)備的激光校靶工作是飛機(jī)機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備的重要外場(chǎng)維護(hù)調(diào)校工作，它可實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射軸、接收軸與紅外軸的同軸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)機(jī)體的軸線一致，若激光光軸與紅外光軸及機(jī)體軸系的重合度達(dá)不到要求，將影響光電設(shè)備對(duì)已截獲的空中目標(biāo)進(jìn)行激光測(cè)距的測(cè)量準(zhǔn)確性。

1 研究目的

目前外場(chǎng)光軸調(diào)校中校靶的方法是利用相紙對(duì)光斑進(jìn)行采集，通過(guò)激光輻射對(duì)相紙中的曝光材質(zhì)造成超閾值損傷的痕跡。存在的缺點(diǎn)是：相紙需要經(jīng)常更換，無(wú)法重復(fù)利用，市場(chǎng)上符合要求的相紙采購(gòu)困難；使用相紙?jiān)囼?yàn)，近距在近200mJ的激光照射下痕跡仍然模糊難辨，對(duì)校準(zhǔn)過(guò)程造成很大困擾；每次進(jìn)行校靶時(shí)均需要人工將相紙從工裝上取下，并根據(jù)痕跡計(jì)算光斑坐標(biāo)來(lái)確定需要校正的角度值；操作過(guò)程繁瑣，需要多人配合，且1064nm波段激光對(duì)人體有危害，在校準(zhǔn)過(guò)程中對(duì)操作人員存在風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要研究多光譜光軸調(diào)校特別是激光校準(zhǔn)的新方法。

2 研制方案

2.1 方案概述

以某型機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)載光電裝備的外場(chǎng)激光校靶工作機(jī)理和測(cè)試方法進(jìn)行研究，決定采用先進(jìn)的多光譜采集技術(shù)和圖像算法技術(shù)，研制外場(chǎng)多光譜光軸檢測(cè)調(diào)校設(shè)備，實(shí)現(xiàn)校靶方法改進(jìn)。研究?jī)?nèi)容包括分析校準(zhǔn)原理、制定校準(zhǔn)方法、研制外場(chǎng)多光譜光軸檢測(cè)儀。

2.2 校準(zhǔn)工作原理

如圖1所示，在距飛機(jī)機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備20 m處放置靶板，在靶板與飛機(jī)機(jī)頭之間合適位置放置圖像采集設(shè)備（多光譜成像儀），飛機(jī)平顯校準(zhǔn)后，打開(kāi)靶板上的鹵素?zé)襞荩瑢?duì)機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備零位進(jìn)行調(diào)試。關(guān)閉鹵素?zé)襞?，輻射激光，在靶板上形成光斑，圖像采集設(shè)備對(duì)光斑進(jìn)行采集，通過(guò)軟件對(duì)采集的光斑進(jìn)行分析、顯示光斑中心坐標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)中心在Y軸和Z軸上的偏差，根據(jù)光斑中心坐標(biāo)值來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備掃描鏡的位置。當(dāng)光斑落在距靶板中心的范圍值（如3.5′或3′）內(nèi)即為合格，無(wú)需調(diào)節(jié)。

2.3 研制外場(chǎng)多光譜光軸檢測(cè)儀

外場(chǎng)多光譜光軸檢測(cè)儀主要由圖像采集設(shè)備、變焦鏡頭、靶板、圖像分析和測(cè)量軟件以及供電裝置等組成。檢測(cè)儀工作原理如圖2所示，研制內(nèi)容包括以下4個(gè)方面。

1）目標(biāo)源模塊研制

目標(biāo)源模塊由靶板和供電裝置組成。靶板需要滿足觀瞄、紅外信號(hào)源輸出和近紅外波段成像要求，靶板放置于距離輻射源20m處，機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備掃描鏡的碼盤(pán)精度為1.32′，機(jī)上每次對(duì)光斑的調(diào)整為1.32′的倍數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到1.32′對(duì)應(yīng)的距離為7.66mm，則需定制滿足以下要求的靶板：

a. 靶板有效面積不小于361cm2、重量不大于5 kg；

b. 設(shè)置符合1064nm近紅外波段圖像校準(zhǔn)的標(biāo)的點(diǎn)，標(biāo)的點(diǎn)為可見(jiàn)光；

c. 靶板中心設(shè)置紅外源，孔徑為（5±1）mm；

d. 靶板表面要求為1064nm近紅外漫反射或吸光材料，涂層或表面處理耐用不易損傷；

e. 靶板能裝配于外場(chǎng)靶板工裝上。供電裝置給靶板的紅外源和圖像校準(zhǔn)標(biāo)的點(diǎn)供電，采用充電電池組。

2）采集模塊

采集模塊由變焦鏡頭和CCD相機(jī)組成。變焦鏡頭參數(shù)為近攝距離2m，接口為C口，焦距為200mm可調(diào)。CCD相機(jī)分辨率為1280（H）×1024（V），圖像數(shù)據(jù)格式為Mono8/Mono10，數(shù)據(jù)接口為Mini USB3.0，鏡頭接口為C口。

通過(guò)變焦鏡頭的切換完成可見(jiàn)光與近紅外波段的轉(zhuǎn)換，通過(guò)設(shè)置CCD的曝光系數(shù)、幀頻設(shè)置等參數(shù)，確保采集最佳。

3）圖像處理模塊[1]

圖像處理模塊是利用軟件算法對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，包含圖像校畸、質(zhì)心計(jì)算、坐標(biāo)計(jì)算和最終操作軟件的設(shè)計(jì)。圖像校畸是指采集面與成像面的位差，需通過(guò)圖像算法實(shí)現(xiàn)還原。質(zhì)心計(jì)算是通過(guò)成像直接觀察光斑質(zhì)心，根據(jù)圖像處理算法計(jì)算光斑質(zhì)心。坐標(biāo)計(jì)算是計(jì)算光斑質(zhì)心與靶板中心的Y軸和Z軸方向的偏差。操作軟件包含人機(jī)互動(dòng)界面、采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)嵌入、可見(jiàn)光瞄準(zhǔn)調(diào)焦模式設(shè)計(jì)、采集控制、圖像設(shè)計(jì)、參數(shù)輸出以及記錄存儲(chǔ)等。

4）光斑測(cè)量處理

光斑測(cè)量的處理流程如圖3所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及解決措施

1）多光軸校準(zhǔn)的工作模型搭建

存在問(wèn)題：模型搭建過(guò)程中要保證靶板輸出各個(gè)波段的光互相不干擾，如靶板輸出紅外波段的信號(hào)能被機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備截獲、靶板上用來(lái)標(biāo)定的二極管信號(hào)能被相機(jī)采集且不影響光斑坐標(biāo)解算等。

解決措施：在采集激光光斑時(shí)，靶板上標(biāo)定的二極管也需常亮，因此選取焦距在200mm內(nèi)可變的變焦鏡頭，確保二極管和激光光斑能同時(shí)被采集，使采集的靶板在電腦屏幕上得到最佳顯示，光斑清晰可見(jiàn)。

2）圖像處理

存在問(wèn)題：如果光斑光強(qiáng)分布均勻，使用恰當(dāng)?shù)乃惴梢允构獍叨ㄎ痪冗_(dá)到亞像素級(jí)別，但是在實(shí)際測(cè)量中可能有光斑存在散斑，加之目標(biāo)物體的反射以及各種干擾，使得CCD相機(jī)采集到的光斑強(qiáng)度不夠均勻，影響了定位的精度。

解決措施：為有效克服噪聲及光強(qiáng)不均勻的問(wèn)題，采用光斑中心定位算法[2，3]并設(shè)定光斑灰度閾值。只有當(dāng)光斑圖像像素的亮度值大于該閾值才認(rèn)為該像素屬于光斑圖像像素，參與解算光斑中心坐標(biāo)。

4 外場(chǎng)多光譜光軸檢測(cè)儀的研制

1）組成

外場(chǎng)多光譜光軸檢測(cè)儀由靶板、供電裝置、圖像采集設(shè)備、圖像分析與測(cè)量軟件組成，檢測(cè)儀外形圖如圖4所示。

2）工作原理

該檢測(cè)儀既適用于外場(chǎng)某型機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備激光校靶，也適用于其他類似機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備激光光斑觀察和調(diào)校，可通過(guò)終端顯示設(shè)備觀察激光光斑及光斑中心相對(duì)于靶板中心的坐標(biāo)。設(shè)備采購(gòu)的器材采用市場(chǎng)上成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品，使用的元器件應(yīng)選用工業(yè)級(jí)器件并采用標(biāo)準(zhǔn)零件。設(shè)備研制成功后，具有大專以上學(xué)歷的操作人員通過(guò)培訓(xùn)能夠操作。

3）硬件

外場(chǎng)多光譜光軸檢測(cè)儀硬件包含靶板、靶板供電裝置、相機(jī)安裝座等。靶板由4個(gè)用來(lái)標(biāo)的的二極管和1個(gè)紅外中心熱源組成。供電裝置為12V電池組，給靶板的四個(gè)標(biāo)的點(diǎn)和中心熱源供電。

4）軟件

采用工業(yè)相機(jī)對(duì)靶板圖像進(jìn)行采集，通過(guò)Halcon或OpenCV和C++混合編程開(kāi)發(fā)的光斑測(cè)量軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析，得出測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果后，輸出并存儲(chǔ)光斑坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)圖片數(shù)據(jù)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。軟件由圖像采集、圖像處理和圖像測(cè)量三部分組成，軟件框圖如圖6所示。

圖像分析與測(cè)量軟件的功能包括：賬戶管理及登錄；光斑圖像顯示；光斑坐標(biāo)顯示；光斑采集參數(shù)設(shè)置（如果不能正常識(shí)別到參考點(diǎn)或者目標(biāo)光斑時(shí)，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整）。

軟件界面如圖7所示，其中圖7a）為軟件主界面；圖7b）為不能正常識(shí)別 4個(gè)標(biāo)的點(diǎn)的畫(huà)面，識(shí)別出的點(diǎn)顯示黃色，未識(shí)別出的點(diǎn)顯示灰色，只有當(dāng)4個(gè)標(biāo)的點(diǎn)均識(shí)別為黃色時(shí)軟件才能正常工作；圖7c）為正常識(shí)別4個(gè)標(biāo)的點(diǎn)的畫(huà)面；圖7d）為目標(biāo)識(shí)別的畫(huà)面，識(shí)別出的點(diǎn)顯示綠色。

5 研究成果

5.1 激光校靶方法

第一步是校靶準(zhǔn)備工作，包括檢測(cè)儀相機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件安裝、檢測(cè)儀圖像處理軟件安裝和硬件連接。其中，硬件連接包括：將變焦鏡頭與相機(jī)連接，安裝于三角架；將靶板安裝于靶板架上，接通靶板電源；通過(guò)USB線連接相機(jī)和電腦（必須連接電腦的USB3.0接口，否則不能識(shí)別相機(jī)）。

第二步是進(jìn)行相機(jī)連接測(cè)試。

第三步是光斑校靶測(cè)量。首先進(jìn)入主界面，在登錄窗口輸入密碼，單擊登錄按鈕進(jìn)入主界面；進(jìn)行參考點(diǎn)測(cè)量，調(diào)節(jié)相機(jī)三角架，使4個(gè)標(biāo)的點(diǎn)都在可識(shí)別范圍內(nèi)；最后進(jìn)行光斑測(cè)量操作。

5.2 兩種校準(zhǔn)方法流程對(duì)比

兩種校準(zhǔn)方法操作流程的對(duì)比如圖 8所示。

多光譜光軸調(diào)校方法提高了光軸調(diào)校的工作效率，將原90min的校靶時(shí)間縮短至20min以內(nèi)。另外，通過(guò)成像儀采集的光斑，軟件界面給出光斑中心坐標(biāo)，根據(jù)中心坐標(biāo)值輸入校正角度值，不僅方便外場(chǎng)維護(hù)人員操作，還能保證操作人員的安全。

6 結(jié)論

以某型機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備的工作機(jī)理和光軸不平行度測(cè)試方法研究分析，采用先進(jìn)的圖像采集技術(shù)和圖像算法技術(shù)研制外場(chǎng)多光譜光軸檢測(cè)儀，制定新型激光校靶方法，實(shí)現(xiàn)新老機(jī)型可共用。該方法在外場(chǎng)對(duì)某型機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備校靶的實(shí)際使用中，解決了原激光光斑調(diào)校方法存在的操作過(guò)程繁瑣、人員需求多、操作風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題，大幅提高了檢測(cè)效率和測(cè)試精度，有效規(guī)避了測(cè)試中的人為差錯(cuò)和安全隱患，避免了軍用波段激光對(duì)人體的危害。不僅可以縮短激光光斑調(diào)校工序操作時(shí)間，提高操作效率，還能保護(hù)操作人員，防止被激光誤傷。

本研究成果實(shí)現(xiàn)了圖像技術(shù)在機(jī)載光電設(shè)備維護(hù)中的應(yīng)用，提高了加強(qiáng)外場(chǎng)保障能力和效率，可推廣供其他類似光電設(shè)備調(diào)校借鑒應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]張宇，于楓，馮毅，周昱含，李洋雙. CCD光斑中心空間定位系統(tǒng)的建模與數(shù)據(jù)處理[J].光電子激光. 2004，15（6）.

[2]徐亞明，邢誠(chéng)，劉冠蘭，唐楓.幾種激光光斑中心檢測(cè)方法的比較[J].海洋測(cè)繪. 2007，27（2）.

[3]王芳榮，趙丁選，廖宗建，張宇.激光光斑中心空間定位方法的研究[J].激光技術(shù). 2005，29（1）.