多波段圖像融合系統(tǒng)光軸平行性裝調(diào)技術(shù)研究

張 奇，陸慶華，郭 騫，張春鵬，皮冬明，向柳靜，文洪青，何新宇

多波段圖像融合系統(tǒng)光軸平行性裝調(diào)技術(shù)研究

張 奇，陸慶華，郭 騫，張春鵬，皮冬明，向柳靜，文洪青，何新宇

（云南北方光電儀器有限公司，云南 昆明 650032）

本文基于一種多波段圖像融合系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)光軸平行性裝調(diào)技術(shù)進(jìn)行研究。系統(tǒng)為五光軸平行系統(tǒng)，包括白光模塊、微光模塊、短波紅外模塊、長(zhǎng)波紅外模塊、激光測(cè)距模塊，通過(guò)計(jì)算得到精度最高的為微光模塊，精度為32.092，即平行性偏差小于32.092不影響系統(tǒng)使用。裝調(diào)時(shí)采用光軸中心與平行光管十字靶板中心對(duì)準(zhǔn)的方法，得到的圖像為最大圖像尺寸的99.89%，對(duì)圖像信息獲取不產(chǎn)生影響。最后用搭建好的平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)證明平行性最大偏差為9″，小于系統(tǒng)最大允許誤差，所以得出結(jié)論該裝調(diào)方法對(duì)類(lèi)似產(chǎn)品的裝調(diào)具有一定參考價(jià)值。

圖像融合；光軸平行性；平行性偏差；中心對(duì)準(zhǔn)

0 引言

針對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及偽裝手段日益升級(jí)，單一波段的偵察系統(tǒng)難以滿足作戰(zhàn)需要，所以需要一種多波段圖像融合系統(tǒng)符合現(xiàn)代使用場(chǎng)景，多波段圖像融合系統(tǒng)是一種多波段、多光軸系統(tǒng)。

現(xiàn)如今裝調(diào)的多是兩軸或三軸系統(tǒng)[1-2]，模塊數(shù)量不多，對(duì)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的要求不高。多波段圖像融合系統(tǒng)為五光軸平行系統(tǒng)，模塊較多，需要在輕量化、小型化、功能強(qiáng)的前提下保證光軸平行性?；谶@種現(xiàn)實(shí)狀況，本文對(duì)多波段圖像融合系統(tǒng)光軸平行裝調(diào)技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 裝調(diào)原理

1.1 系統(tǒng)組成

多波段圖像融合系統(tǒng)通過(guò)多波段成像組件，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光、近紅外、短波紅外、長(zhǎng)波紅外的常用波段覆蓋，系統(tǒng)具備反偽裝偵察、晝/夜偵察、透煙霧偵察、透雨霧偵察的能力等。主要由白光模塊、微光模塊、短波紅外模塊、長(zhǎng)波紅外模塊、激光測(cè)距模塊組成，多波段圖像融合系統(tǒng)的外形圖如圖1所示。

為保證光軸之間的平行性[3-4]，將所有模塊固定在前面板上，前面板布局如圖2所示。

圖1 多波段圖像融合系統(tǒng)外形

圖2 前面板布局

1.2 裝調(diào)精度

多波段融合系統(tǒng)由多個(gè)模塊組成，裝調(diào)時(shí)的精度要滿足每個(gè)模塊。

激光測(cè)距模塊可以對(duì)7000m處2.3m×2.3m的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，根據(jù)式(1)計(jì)算得到激光測(cè)距模塊在7000m處最小可分辨角為：

白光模塊、微光模塊、短波紅外模塊、長(zhǎng)波紅外模塊4個(gè)模塊涉及到對(duì)圖像進(jìn)行拼接[5-7]，在對(duì)圖像進(jìn)行拼接時(shí)，為不影響圖像質(zhì)量，一般要求為像素級(jí)對(duì)準(zhǔn)，即對(duì)準(zhǔn)誤差小于一個(gè)像素，如表1所示，表中分別是4個(gè)模塊鏡頭的焦距和選用探測(cè)器單個(gè)像元的尺寸。

通過(guò)式(2)、式(3)、式(4)、式(5)計(jì)算得到每個(gè)模塊的精度，其中精度表示最小可分辨角。探測(cè)器單個(gè)像元為最小顯示尺寸，通過(guò)鏡頭焦距即可計(jì)算出最小可分辨角。

表1 模塊參數(shù)

計(jì)算得到5個(gè)模塊的精度，其中精度最高的是微光模塊，即多波段圖像融合系統(tǒng)應(yīng)滿足的裝調(diào)精度為32.09″。

1.3 裝調(diào)方法

因?yàn)橄到y(tǒng)涉及到圖像融合，為保證得到的圖像信息盡可能地保持一致，在設(shè)計(jì)伊始，針對(duì)各模塊使用的探測(cè)器不同，即像元大小、像元尺寸各有不同，故保證各模塊的視場(chǎng)近似一致，盡可能減少拼接后圖像信息的損耗。由于像面尺寸不同，視場(chǎng)近似一致，故可以對(duì)得到的圖像進(jìn)行等比例縮放，縮放后的圖像會(huì)更利于圖像拼接，不會(huì)對(duì)圖像信息產(chǎn)生影響。如表2為圖像尺寸參數(shù)。

在拼接時(shí)，如果使用邊緣拼接的方法，會(huì)導(dǎo)致各個(gè)模塊的光軸發(fā)生偏移，所以在系統(tǒng)裝調(diào)時(shí)采用光軸中心與平行光管十字靶板中心對(duì)準(zhǔn)的方法[8-10]，對(duì)邊緣圖像進(jìn)行裁剪得到的圖像信息越接近最大圖像信息，則對(duì)獲取的圖像信息產(chǎn)生影響越小。

表2 圖像尺寸參數(shù)

在裝調(diào)過(guò)程中，需要將多波段圖像融合系統(tǒng)與十字靶板對(duì)準(zhǔn)，十字靶板的線寬為0.1mm，平行光管焦距為2000mm，則對(duì)準(zhǔn)誤差為：

得到的誤差值遠(yuǎn)小于32.09″，不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

因微光模塊精度最高，故使用微光模塊得到的圖像作為底圖，可以計(jì)算得到圖像利用率?，計(jì)算公式如下：

經(jīng)過(guò)截取和拼接后，得到的圖像為最大圖像尺寸的99.89%，得到的圖像面積與最大圖像尺寸差距較小，對(duì)圖像信息獲取不產(chǎn)生影響。

1.4 測(cè)試方法

裝調(diào)完成后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，判斷系統(tǒng)是否符合使用要求。

將需要觀察的十字靶板調(diào)整到觀測(cè)位置，將待測(cè)系統(tǒng)放置于光學(xué)平臺(tái)上，用待測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)模塊對(duì)十字靶板進(jìn)行觀察，首先將待測(cè)系統(tǒng)的十字中心對(duì)準(zhǔn)十字靶板的刻度，然后轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，將待測(cè)系統(tǒng)的十字中心對(duì)準(zhǔn)十字靶板中心，根據(jù)式(8)計(jì)算理論轉(zhuǎn)動(dòng)角度和測(cè)試得到轉(zhuǎn)動(dòng)角度的差值，差值即為待測(cè)系統(tǒng)的平行性偏差。其中理論值為平行光管中角度刻度值，測(cè)試值則為兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度顯示值。若偏差值小于32.09″，則系統(tǒng)符合使用要求，反之則不符合。

偏差值＝理論值－測(cè)試值(8)

2 平臺(tái)搭建

多波段圖像融合系統(tǒng)裝調(diào)平臺(tái)的主要功能是能夠?qū)ο到y(tǒng)各個(gè)模塊光軸平行性進(jìn)行裝調(diào)。系統(tǒng)主要由平行光管、多波段圖像融合系統(tǒng)，兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)組成。測(cè)試平臺(tái)如圖3所示。

圖3 測(cè)試平臺(tái)

2.1 平行光管

平行光管和靶板提供目標(biāo)，可等效為觀察無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)。因裝調(diào)時(shí)涉及到多個(gè)波段，為消除色差，選用反射式平行光管[11]。為校準(zhǔn)各模塊的光軸平行度，選用帶有刻度的十字靶板，刻度包含1°～6°即可。在對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行觀察時(shí)，將平行光管設(shè)置為常溫即可，進(jìn)而使各個(gè)模塊都可以正常觀察，在對(duì)激光測(cè)距模塊進(jìn)行觀察時(shí)，將光敏紙與十字靶板中心重合進(jìn)行校正。如圖4為選用的平行光管。

圖4 平行光管

2.2 兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)

兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)由轉(zhuǎn)臺(tái)和角度顯示器組成。轉(zhuǎn)臺(tái)可以在水平方向和俯仰方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度由左側(cè)的角度顯示器顯示，精度達(dá)到了1″，符合測(cè)試需求，如圖5為兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)。

圖5 兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

完成平臺(tái)搭建和系統(tǒng)裝調(diào)后，根據(jù)測(cè)試方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)得到待測(cè)系統(tǒng)的平行性偏差[12-13]，如表3～表7所示。

表3～表7分別表示的是對(duì)短波紅外模塊、激光測(cè)距模塊、白光模塊、長(zhǎng)波紅外模塊、微光模塊平行性偏差的結(jié)果。分別對(duì)1°～6°視場(chǎng)時(shí)的俯仰角和方位角進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果與理論角度進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算得到偏差值，通過(guò)與最大允許偏差值32.09″進(jìn)行對(duì)比，判斷裝調(diào)是否符合使用要求。

通過(guò)測(cè)試5個(gè)模塊在1°～6°視場(chǎng)時(shí)平行性偏差值，計(jì)算得到系統(tǒng)平行性的最大偏差為9″，小于系統(tǒng)最大允許誤差。

表3 待測(cè)系統(tǒng)的平行性偏差（短波紅外模塊）

表4 待測(cè)系統(tǒng)的平行性偏差（激光測(cè)距模塊）

表5 待測(cè)系統(tǒng)的平行性偏差（白光模塊）

4 結(jié)論

本文描述的裝調(diào)方法主要是為了平衡各個(gè)模塊之間的光軸平行性，根據(jù)像素級(jí)對(duì)準(zhǔn)的要求計(jì)算可得到最大允許誤差為32.09″，最后對(duì)裝調(diào)好的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)證明平行性最大偏差為9″，小于系統(tǒng)最大允許誤差，所以得出結(jié)論該裝調(diào)方法對(duì)類(lèi)似產(chǎn)品的裝調(diào)具有一定參考價(jià)值。

表6 待測(cè)系統(tǒng)的平行性偏差（長(zhǎng)波紅外模塊）

表7 待測(cè)系統(tǒng)的平行性偏差（微光模塊）

[1] 謝國(guó)兵, 李超良, 蔡錦浩, 等. 激光測(cè)距機(jī)光軸平行性測(cè)試方法[J]. 電子測(cè)試, 2020(19): 48-51.

XIE Guobing, LI Chaoliang, CAI Jinhao, et al. Test method for optical axis parallelism of laser rangefinder[J]., 2020(19): 48-51

[2] 賈文武, 劉培正, 唐自力, 等. 靶場(chǎng)適用的光電經(jīng)緯儀光軸平行性檢測(cè)[J]. 光學(xué)精密工程, 2020, 28(8): 1670-1677.

JIA Wenwu, LIU Peizheng, TANG Zili, et al. Detection of optical axis parallelism using photoelectric theodolites suitable for shooting ranges[J]., 2020, 28(8): 1670-1677

[3] 楊雪, 陳文紅, 張璽, 等. 寬光譜光電系統(tǒng)多光軸平行性工程化測(cè)試方法研究[J]. 激光與紅外, 2019, 49(8): 978-982.

YANG Xue, CHEN Wenhong, ZHANG Xi, et al. Research on engineering testing method for multi axis parallelism of wide spectral optoelectronic systems [J]., 2019, 49(8): 978-982

[4] 王瑤, 李巖, 付躍剛. 便攜式可見(jiàn)光多光軸平行性校正系統(tǒng)[J]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019, 42(2): 65-68.

WANG Yao, LI Yan, FU Yuegang. Portable visible light multi axis parallelism correction system[J].(Natural Science Edition), 2019, 42(2): 65-68

[5] 趙瑋, 昌明, 劉虎, 等. 空間旋轉(zhuǎn)多光軸平行性校準(zhǔn)技術(shù)[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2018, 39(5): 627-632.

ZHAO Wei, CHANG Ming, LIU Hu, et al. Multi axis parallelism calibration technique for spatial rotation[J]., 2018, 39(5): 627-632.

[6] 徐丹慧, 唐霞輝, 方國(guó)明, 等. 基于干涉條紋的光軸平行性校準(zhǔn)方法[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 40(17): 129-136.

XU Danhui, TANG Xiahui, FANG Guoming, et al. A calibration method for optical axis parallelism based on interference fringes[J]., 2020, 40(17): 129-136

[7] ZOU Huihui, WU Hongbing, ZHOU Lujun. A testing method of optical axes parallelism of shipboard photoelectrical theodolite[J].(China), 2016, 9684: 96841V-96841V-5.

[8] 謝國(guó)兵, 薛永剛, 晁格平, 等. 基于LABVIEW的多光軸平行性測(cè)試方法[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2018, 39(6): 856-861.

XIE Guobing, XUE Yonggang, CHAO Geping, et al. Multi axis parallelism testing method based on LABVIEW[J]., 2018, 39(6): 856-861.

[9] 應(yīng)家駒, 陳玉丹, 武東生, 等. 雙目光軸平行性檢校儀檢測(cè)精度分析[J].激光與紅外, 2018, 48(6): 750-755.

YING Jiaju, CHEN Yudan, WU Dongsheng, et al. Analysis of testing accuracy of binocular optical axis parallelism calibration instrument[J]., 2018, 48(6): 750-755.

[10] 崔啟胤. 大間距光軸平行性檢測(cè)方法研究[D]. 長(zhǎng)春: 長(zhǎng)春理工大學(xué), 2018.

CUI Qiyin. Research on the Detection Method of Large Distance Optical Axis Parallelism[D]. Changchun: Changchun University of Technology, 2018.

[11] 王志強(qiáng). 350mm口徑離軸反射式平行光管的設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)春: 長(zhǎng)春理工大學(xué), 2020.

WANG Zhiqiang. Design of 350mm Off-axis Reflective Collimator[D]. Changchun: Changchun University of Technology, 2020.

[12] YING Jiaju, CHEN Yudan, LIU Jie, et al. Design and realization of photoelectric instrument binocular optical axis parallelism calibration system[C]//on, 2016: 10155: 101550X.

[13] 黃富瑜, 李剛, 史云勝, 等. 多光譜多光軸平行性檢測(cè)方案設(shè)計(jì)與誤差分析[J]. 光電工程, 2019, 46(2): 12-20.

HUANG Fuyu, LI Gang, SHI Yunsheng, et al. Design and error analysis of multi spectral and multi axis parallelism detection scheme[J]., 2019, 46(2): 12-20.

Research on Optical Axis Parallelism Adjustment Technology for Multi band Image Fusion System

ZHANG Qi，LU Qinghua，GUO Qian，ZHANG Chunpeng，PI Dongming，XIANG Liujing，WEN Hongqing，HE Xinyu

(Yunnan North Optical＆Electron Instrument Co., Ltd., Kunming 650032, China)

This article is based on a multiband image fusion system and studies the alignment technology of the parallelism of the optical axis of the system. The five-axis parallel system includes a white light module, low light level module, short wave infrared module, long wave infrared module, and laser ranging module. The lowest light level module with the highest accuracy was 32.09. A parallelism deviation of less than 32.09 does not impact the system's usability. During installation and adjustment, the optical axis was aligned with the center of the collimator cross-target plate. This alignment produced an image size that is 99.89% of the maximum possible, which does not hinder the acquisition of image information. Finally, the system is verified experimentally using the developed platform. Experiments proved that the maximum deviation of the parallelism was nine, which is less than the maximum allowable error of the system. Therefore, this assembly and adjustment method had a certain reference value for the assembly and adjustment of similar products.

image fusion, parallelism of optical axis, parallelism deviation, center alignment

TH74

A

1001-8891(2023)12-1294-05

2023-07-26；

2023-08-08.

張奇（1996-），男，吉林省長(zhǎng)春市人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)設(shè)計(jì)。E-mail：1021154748@qq.com。

陸慶華（1981-），男，壯族，廣西省百色市人，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)轶w設(shè)計(jì)。E-mail：99711694@qq.com。