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摘要：以某型机载光电探测设备为研究对象，通过对机载光电装备的外场激光校靶工作机理和测试方法的研究分析，采用先进的多光谱采集技术和图像算法技术，实现兼容多型机的机载光电设备激光校靶方法。该方法能大幅提高检测效率和测试精度，有效规避测试中的人为差错和安全隐患，对加强外场保障能力和图像技术在机载设备维护中的推广具有显著意义。
关键词：激光校靶；不平行度；图像采集；图像算法
Keywords： laser target calibration；nonparallelism；image acquisition；image algorithm
0 引言
机载光电设备的激光校靶工作是飞机机载光电探测设备的重要外场维护调校工作，它可实现激光发射轴、接收轴与红外轴的同轴，进而实现与飞机机体的轴线一致，若激光光轴与红外光轴及机体轴系的重合度达不到要求，将影响光电设备对已截获的空中目标进行激光测距的测量准确性。
1 研究目的
目前外场光轴调校中校靶的方法是利用相纸对光斑进行采集，通过激光辐射对相纸中的曝光材质造成超阈值损伤的痕迹。存在的缺点是：相纸需要经常更换，无法重复利用，市场上符合要求的相纸采购困难；使用相纸试验，近距在近200mJ的激光照射下痕迹仍然模糊难辨，对校准过程造成很大困扰；每次进行校靶时均需要人工将相纸从工装上取下，并根据痕迹计算光斑坐标来确定需要校正的角度值；操作过程繁琐，需要多人配合，且1064nm波段激光对人体有危害，在校准过程中对操作人员存在风险。因此，需要研究多光谱光轴调校特别是激光校准的新方法。
2 研制方案
2.1 方案概述
以某型机载光电探测设备为研究对象，对机载光电装备的外场激光校靶工作机理和测试方法进行研究，决定采用先进的多光谱采集技术和图像算法技术，研制外场多光谱光轴检测调校设备，实现校靶方法改进。研究内容包括分析校准原理、制定校准方法、研制外场多光谱光轴检测仪。
2.2 校准工作原理
如图1所示，在距飞机机载光电探测设备20 m处放置靶板，在靶板与飞机机头之间合适位置放置图像采集设备（多光谱成像仪），飞机平显校准后，打开靶板上的卤素灯泡，对机载光电探测设备零位进行调试。关闭卤素灯泡，辐射激光，在靶板上形成光斑，图像采集设备对光斑进行采集，通过软件对采集的光斑进行分析、显示光斑中心坐标值与标准中心在Y轴和Z轴上的偏差，根据光斑中心坐标值来调节机载光电探测设备扫描镜的位置。当光斑落在距靶板中心的范围值（如3.5′或3′）内即为合格，无需调节。
2.3 研制外场多光谱光轴检测仪
外场多光谱光轴检测仪主要由图像采集设备、变焦镜头、靶板、图像分析和测量软件以及供电装置等组成。检测仪工作原理如图2所示，研制内容包括以下4个方面。
1）目标源模块研制
目标源模块由靶板和供电装置组成。靶板需要满足观瞄、红外信号源输出和近红外波段成像要求，靶板放置于距离辐射源20m处，机载光电探测设备扫描镜的码盘精度为1.32′，机上每次对光斑的调整为1.32′的倍数，通过计算得到1.32′对应的距离为7.66mm，则需定制满足以下要求的靶板：
a. 靶板有效面积不小于361cm2、重量不大于5 kg；
b. 设置符合1064nm近红外波段图像校准的标的点，标的点为可见光；
c. 靶板中心设置红外源，孔径为（5±1）mm；
d. 靶板表面要求为1064nm近红外漫反射或吸光材料，涂层或表面处理耐用不易损伤；
e. 靶板能装配于外场靶板工装上。供电装置给靶板的红外源和图像校准标的点供电，采用充电电池组。
2）采集模块
采集模块由变焦镜头和CCD相机组成。变焦镜头参数为近摄距离2m，接口为C口，焦距为200mm可调。CCD相机分辨率为1280（H）×1024（V），图像数据格式为Mono8/Mono10，数据接口为Mini USB3.0，镜头接口为C口。
通过变焦镜头的切换完成可见光与近红外波段的转换，通过设置CCD的曝光系数、帧频设置等参数，确保采集最佳。
3）图像处理模块[1]
图像处理模块是利用软件算法对采集的图像进行处理，包含图像校畸、质心计算、坐标计算和最终操作软件的设计。图像校畸是指采集面与成像面的位差，需通过图像算法实现还原。质心计算是通过成像直接观察光斑质心，根据图像处理算法计算光斑质心。坐标计算是计算光斑质心与靶板中心的Y轴和Z轴方向的偏差。操作软件包含人机互动界面、采集设备驱动嵌入、可见光瞄准调焦模式设计、采集控制、图像设计、参数输出以及记录存储等。
4）光斑测量处理
光斑测量的处理流程如图3所示。
3 关键技术问题及解决措施
1）多光轴校准的工作模型搭建
存在问题：模型搭建过程中要保证靶板输出各个波段的光互相不干扰，如靶板输出红外波段的信号能被机载光电探测设备截获、靶板上用来标定的二极管信号能被相机采集且不影响光斑坐标解算等。
解决措施：在采集激光光斑时，靶板上标定的二极管也需常亮，因此選取焦距在200mm内可变的变焦镜头，确保二极管和激光光斑能同时被采集，使采集的靶板在电脑屏幕上得到最佳显示，光斑清晰可见。
2）图像处理
存在问题：如果光斑光强分布均匀，使用恰当的算法可以使光斑定位精度达到亚像素级别，但是在实际测量中可能有光斑存在散斑，加之目标物体的反射以及各种干扰，使得CCD相机采集到的光斑强度不够均匀，影响了定位的精度。 解决措施：为有效克服噪声及光强不均匀的问题，采用光斑中心定位算法[2，3]并设定光斑灰度阈值。只有当光斑图像像素的亮度值大于该阈值才认为该像素属于光斑图像像素，参与解算光斑中心坐标。
4 外场多光谱光轴检测仪的研制
1）组成
外场多光谱光轴检测仪由靶板、供电装置、图像采集设备、图像分析与测量软件组成，检测仪外形图如图4所示。
2）工作原理
该检测仪既适用于外场某型机载光电探测设备激光校靶，也适用于其他类似机载光电探测设备激光光斑观察和调校，可通过终端显示设备观察激光光斑及光斑中心相对于靶板中心的坐标。设备采购的器材采用市场上成熟稳定的产品，使用的元器件应选用工业级器件并采用标准零件。设备研制成功后，具有大专以上学历的操作人员通过培训能够操作。
3）硬件
外场多光谱光轴检测仪硬件包含靶板、靶板供电装置、相机安装座等。靶板由4个用来标的的二极管和1个红外中心热源组成。供电装置为12V电池组，给靶板的四个标的点和中心热源供电。
4）软件
采用工业相机对靶板图像进行采集，通过Halcon或OpenCV和C++混合编程开发的光斑测量软件对图像进行分析，得出测量数据结果后，輸出并存储光斑坐标及对应图片数据，系统构成如图5所示。软件由图像采集、图像处理和图像测量三部分组成，软件框图如图6所示。
图像分析与测量软件的功能包括：账户管理及登录；光斑图像显示；光斑坐标显示；光斑采集参数设置（如果不能正常识别到参考点或者目标光斑时，需要对参数进行调整）。
软件界面如图7所示，其中图7a）为软件主界面；图7b）为不能正常识别 4个标的点的画面，识别出的点显示黄色，未识别出的点显示灰色，只有当4个标的点均识别为黄色时软件才能正常工作；图7c）为正常识别4个标的点的画面；图7d）为目标识别的画面，识别出的点显示绿色。
5 研究成果
5.1 激光校靶方法
第一步是校靶准备工作，包括检测仪相机驱动软件安装、检测仪图像处理软件安装和硬件连接。其中，硬件连接包括：将变焦镜头与相机连接，安装于三角架；将靶板安装于靶板架上，接通靶板电源；通过USB线连接相机和电脑（必须连接电脑的USB3.0接口，否则不能识别相机）。
第二步是进行相机连接测试。
第三步是光斑校靶测量。首先进入主界面，在登录窗口输入密码，单击登录按钮进入主界面；进行参考点测量，调节相机三角架，使4个标的点都在可识别范围内；最后进行光斑测量操作。
5.2 两种校准方法流程对比
两种校准方法操作流程的对比如图 8所示。
多光谱光轴调校方法提高了光轴调校的工作效率，将原90min的校靶时间缩短至20min以内。另外，通过成像仪采集的光斑，软件界面给出光斑中心坐标，根据中心坐标值输入校正角度值，不仅方便外场维护人员操作，还能保证操作人员的安全。
6 结论
以某型机载光电探测设备为研究对象，通过对机载光电探测设备的工作机理和光轴不平行度测试方法研究分析，采用先进的图像采集技术和图像算法技术研制外场多光谱光轴检测仪，制定新型激光校靶方法，实现新老机型可共用。该方法在外场对某型机载光电探测设备校靶的实际使用中，解决了原激光光斑调校方法存在的操作过程繁琐、人员需求多、操作风险大等问题，大幅提高了检测效率和测试精度，有效规避了测试中的人为差错和安全隐患，避免了军用波段激光对人体的危害。不仅可以缩短激光光斑调校工序操作时间，提高操作效率，还能保护操作人员，防止被激光误伤。
本研究成果实现了图像技术在机载光电设备维护中的应用，提高了加强外场保障能力和效率，可推广供其他类似光电设备调校借鉴应用。
参考文献
[1]张宇，于枫，冯毅，周昱含，李洋双. CCD光斑中心空间定位系统的建模与数据处理[J].光电子激光. 2004，15（6）.
[2]徐亚明，邢诚，刘冠兰，唐枫.几种激光光斑中心检测方法的比较[J].海洋测绘. 2007，27（2）.
[3]王芳荣，赵丁选，廖宗建，张宇.激光光斑中心空间定位方法的研究[J].激光技术. 2005，29（1）.
关键词：激光校靶；不平行度；图像采集；图像算法
Keywords： laser target calibration；nonparallelism；image acquisition；image algorithm
0 引言
机载光电设备的激光校靶工作是飞机机载光电探测设备的重要外场维护调校工作，它可实现激光发射轴、接收轴与红外轴的同轴，进而实现与飞机机体的轴线一致，若激光光轴与红外光轴及机体轴系的重合度达不到要求，将影响光电设备对已截获的空中目标进行激光测距的测量准确性。
1 研究目的
目前外场光轴调校中校靶的方法是利用相纸对光斑进行采集，通过激光辐射对相纸中的曝光材质造成超阈值损伤的痕迹。存在的缺点是：相纸需要经常更换，无法重复利用，市场上符合要求的相纸采购困难；使用相纸试验，近距在近200mJ的激光照射下痕迹仍然模糊难辨，对校准过程造成很大困扰；每次进行校靶时均需要人工将相纸从工装上取下，并根据痕迹计算光斑坐标来确定需要校正的角度值；操作过程繁琐，需要多人配合，且1064nm波段激光对人体有危害，在校准过程中对操作人员存在风险。因此，需要研究多光谱光轴调校特别是激光校准的新方法。
2 研制方案
2.1 方案概述
以某型机载光电探测设备为研究对象，对机载光电装备的外场激光校靶工作机理和测试方法进行研究，决定采用先进的多光谱采集技术和图像算法技术，研制外场多光谱光轴检测调校设备，实现校靶方法改进。研究内容包括分析校准原理、制定校准方法、研制外场多光谱光轴检测仪。
2.2 校准工作原理
如图1所示，在距飞机机载光电探测设备20 m处放置靶板，在靶板与飞机机头之间合适位置放置图像采集设备（多光谱成像仪），飞机平显校准后，打开靶板上的卤素灯泡，对机载光电探测设备零位进行调试。关闭卤素灯泡，辐射激光，在靶板上形成光斑，图像采集设备对光斑进行采集，通过软件对采集的光斑进行分析、显示光斑中心坐标值与标准中心在Y轴和Z轴上的偏差，根据光斑中心坐标值来调节机载光电探测设备扫描镜的位置。当光斑落在距靶板中心的范围值（如3.5′或3′）内即为合格，无需调节。
2.3 研制外场多光谱光轴检测仪
外场多光谱光轴检测仪主要由图像采集设备、变焦镜头、靶板、图像分析和测量软件以及供电装置等组成。检测仪工作原理如图2所示，研制内容包括以下4个方面。
1）目标源模块研制
目标源模块由靶板和供电装置组成。靶板需要满足观瞄、红外信号源输出和近红外波段成像要求，靶板放置于距离辐射源20m处，机载光电探测设备扫描镜的码盘精度为1.32′，机上每次对光斑的调整为1.32′的倍数，通过计算得到1.32′对应的距离为7.66mm，则需定制满足以下要求的靶板：
a. 靶板有效面积不小于361cm2、重量不大于5 kg；
b. 设置符合1064nm近红外波段图像校准的标的点，标的点为可见光；
c. 靶板中心设置红外源，孔径为（5±1）mm；
d. 靶板表面要求为1064nm近红外漫反射或吸光材料，涂层或表面处理耐用不易损伤；
e. 靶板能装配于外场靶板工装上。供电装置给靶板的红外源和图像校准标的点供电，采用充电电池组。
2）采集模块
采集模块由变焦镜头和CCD相机组成。变焦镜头参数为近摄距离2m，接口为C口，焦距为200mm可调。CCD相机分辨率为1280（H）×1024（V），图像数据格式为Mono8/Mono10，数据接口为Mini USB3.0，镜头接口为C口。
通过变焦镜头的切换完成可见光与近红外波段的转换，通过设置CCD的曝光系数、帧频设置等参数，确保采集最佳。
3）图像处理模块[1]
图像处理模块是利用软件算法对采集的图像进行处理，包含图像校畸、质心计算、坐标计算和最终操作软件的设计。图像校畸是指采集面与成像面的位差，需通过图像算法实现还原。质心计算是通过成像直接观察光斑质心，根据图像处理算法计算光斑质心。坐标计算是计算光斑质心与靶板中心的Y轴和Z轴方向的偏差。操作软件包含人机互动界面、采集设备驱动嵌入、可见光瞄准调焦模式设计、采集控制、图像设计、参数输出以及记录存储等。
4）光斑测量处理
光斑测量的处理流程如图3所示。
3 关键技术问题及解决措施
1）多光轴校准的工作模型搭建
存在问题：模型搭建过程中要保证靶板输出各个波段的光互相不干扰，如靶板输出红外波段的信号能被机载光电探测设备截获、靶板上用来标定的二极管信号能被相机采集且不影响光斑坐标解算等。
解决措施：在采集激光光斑时，靶板上标定的二极管也需常亮，因此選取焦距在200mm内可变的变焦镜头，确保二极管和激光光斑能同时被采集，使采集的靶板在电脑屏幕上得到最佳显示，光斑清晰可见。
2）图像处理
存在问题：如果光斑光强分布均匀，使用恰当的算法可以使光斑定位精度达到亚像素级别，但是在实际测量中可能有光斑存在散斑，加之目标物体的反射以及各种干扰，使得CCD相机采集到的光斑强度不够均匀，影响了定位的精度。 解决措施：为有效克服噪声及光强不均匀的问题，采用光斑中心定位算法[2，3]并设定光斑灰度阈值。只有当光斑图像像素的亮度值大于该阈值才认为该像素属于光斑图像像素，参与解算光斑中心坐标。
4 外场多光谱光轴检测仪的研制
1）组成
外场多光谱光轴检测仪由靶板、供电装置、图像采集设备、图像分析与测量软件组成，检测仪外形图如图4所示。
2）工作原理
该检测仪既适用于外场某型机载光电探测设备激光校靶，也适用于其他类似机载光电探测设备激光光斑观察和调校，可通过终端显示设备观察激光光斑及光斑中心相对于靶板中心的坐标。设备采购的器材采用市场上成熟稳定的产品，使用的元器件应选用工业级器件并采用标准零件。设备研制成功后，具有大专以上学历的操作人员通过培训能够操作。
3）硬件
外场多光谱光轴检测仪硬件包含靶板、靶板供电装置、相机安装座等。靶板由4个用来标的的二极管和1个红外中心热源组成。供电装置为12V电池组，给靶板的四个标的点和中心热源供电。
4）软件
采用工业相机对靶板图像进行采集，通过Halcon或OpenCV和C++混合编程开发的光斑测量软件对图像进行分析，得出测量数据结果后，輸出并存储光斑坐标及对应图片数据，系统构成如图5所示。软件由图像采集、图像处理和图像测量三部分组成，软件框图如图6所示。
图像分析与测量软件的功能包括：账户管理及登录；光斑图像显示；光斑坐标显示；光斑采集参数设置（如果不能正常识别到参考点或者目标光斑时，需要对参数进行调整）。
软件界面如图7所示，其中图7a）为软件主界面；图7b）为不能正常识别 4个标的点的画面，识别出的点显示黄色，未识别出的点显示灰色，只有当4个标的点均识别为黄色时软件才能正常工作；图7c）为正常识别4个标的点的画面；图7d）为目标识别的画面，识别出的点显示绿色。
5 研究成果
5.1 激光校靶方法
第一步是校靶准备工作，包括检测仪相机驱动软件安装、检测仪图像处理软件安装和硬件连接。其中，硬件连接包括：将变焦镜头与相机连接，安装于三角架；将靶板安装于靶板架上，接通靶板电源；通过USB线连接相机和电脑（必须连接电脑的USB3.0接口，否则不能识别相机）。
第二步是进行相机连接测试。
第三步是光斑校靶测量。首先进入主界面，在登录窗口输入密码，单击登录按钮进入主界面；进行参考点测量，调节相机三角架，使4个标的点都在可识别范围内；最后进行光斑测量操作。
5.2 两种校准方法流程对比
两种校准方法操作流程的对比如图 8所示。
多光谱光轴调校方法提高了光轴调校的工作效率，将原90min的校靶时间缩短至20min以内。另外，通过成像仪采集的光斑，软件界面给出光斑中心坐标，根据中心坐标值输入校正角度值，不仅方便外场维护人员操作，还能保证操作人员的安全。
6 结论
以某型机载光电探测设备为研究对象，通过对机载光电探测设备的工作机理和光轴不平行度测试方法研究分析，采用先进的图像采集技术和图像算法技术研制外场多光谱光轴检测仪，制定新型激光校靶方法，实现新老机型可共用。该方法在外场对某型机载光电探测设备校靶的实际使用中，解决了原激光光斑调校方法存在的操作过程繁琐、人员需求多、操作风险大等问题，大幅提高了检测效率和测试精度，有效规避了测试中的人为差错和安全隐患，避免了军用波段激光对人体的危害。不仅可以缩短激光光斑调校工序操作时间，提高操作效率，还能保护操作人员，防止被激光误伤。
本研究成果实现了图像技术在机载光电设备维护中的应用，提高了加强外场保障能力和效率，可推广供其他类似光电设备调校借鉴应用。
参考文献
[1]张宇，于枫，冯毅，周昱含，李洋双. CCD光斑中心空间定位系统的建模与数据处理[J].光电子激光. 2004，15（6）.
[2]徐亚明，邢诚，刘冠兰，唐枫.几种激光光斑中心检测方法的比较[J].海洋测绘. 2007，27（2）.
[3]王芳荣，赵丁选，廖宗建，张宇.激光光斑中心空间定位方法的研究[J].激光技术. 2005，29（1）.