CN101476844A - 载体光电系列现场动态自校准用校准方法和标准靶板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载体光电系列现场动态多波段多光轴自校准和成像质量评价使用的通用校准方法和标准靶板。由激光致瞬时发光、发热材料制成阵列图案的标准靶板，标准距离模拟器和激光指向器组成。当载体光电***的本机激光(或其他机发射激光)辐照到标准靶板上，产生瞬时辐射，光电***接收到这种瞬时辐射信号的图像，分析该图像，可获得接收视场中十字分划中心在标准靶板处的坐标(瞄准点的坐标)，实现光轴自校准和成像质量评价。也可对载体光电系列转台零位校准。还可进行激光测距机的测距性能评价。本发明无需光电***进行精确瞄准，可一次完成光电***的多项参数校准；且结构简单、成本低廉。

Description

载体光电系列现场动态自校准用校准方法和标准靶板

技术领域

本发明涉及一种载体光电系列动态自校准使用的通用校准方法和标准靶板，主要涉及一种载体光电***现场动态进行多波段多光轴自校准和成像质量评价的标准靶板，尤其涉及一种具有激光发射机的光电系列进行快速现场光轴自校准与性能评估的标准靶板。

技术背景

随着精确制导技术的迅猛发展，光电***在军事和民用产品中的应用越来越多，尤其是集激光、红外、可见光、电视、微光于一体的多波段多光轴的光电监视/侦查***、光电跟踪***和激光压制***及其他们的集成在各类用途的光电平台上得到了广泛的应用，而且对提高载体***的综合作用效能起到了重要作用。对于具有多个光电***的载体，多波段多光轴的光电***及其各光电***光轴而言，其光轴的同轴度将直接影响到载体光电***的最大作用距离，因此它是重要的技术指标之一，而对各光轴的同轴度能否进行客观而准确的评价，则是关系到这类光电***能否调校到满足其同轴度战技指标的前提，也是各个光电***之间实现协同作用的前提。光电***现场动态工作时的成像质量，直接影响到对作用目标的正确侦查与识别，因此也是重要的技术指标之一。在对目标的搜寻过程中，光电***探测器的采样率与目标被发现的概率相关，因此对快速闪烁目标的捕获能力也是评价光电***性能的重要技术指标之一。载体光电***的激光测距机的测距能力也是重要的技术指标之一。

激光是多波段、多光轴光电***的主动作用部分。目前对多波段多光轴光电***进行光轴同轴度调校时，一般都是将激光光轴作为基准轴，即用激光照射位于焦平面上的校轴靶并根据激光光斑位置调校其它光轴，这种方法用于载体现场动态检测时操作难度很大。在载体工作状态，通常由于载体的晃动，多个光电***的光轴校准采用同时瞄准某个星体的瞄星法，这种方法仅适合于能见度极好时；要实现多个光电***的光轴精确校准需要将载体吊起固定后，精确瞄准某一载体专用校轴靶的十字分划中心，进行光轴校准，这种方法费时费力。随着激光技术的发展，高功率激光器和重复频率激光器越来越多地应用于光电侦查、光电跟踪和激光压制作用***。对于采用高功率激光器的光电***来说，若采用焦平面上光斑位置调校的方法进行光轴校正，常会因焦平面的激光损伤阈值低出现严重烧蚀现象和激光衰减器引入畸变，这将影响到激光光斑的形状、大小和位置，最终影响到各光轴的调校精度，同时在载体现场校准不易操作。而对于采用重复频率激光器的光电***而言，由于连续发射的激光时，激光光轴方向存在一定的漂移，因而在焦平面上打出的一列激光脉冲的光斑中心分布呈散斑状，降低了光轴的校正精度。另外，载体在运动期间对光电***的作用力会导致光学器件及其支架形变，导致光轴同轴度和成像质量降低。因此，需要进行现场动态自校准。

美国专利US6734448B2(Methed and apparatus for boresighting alaser with a forward looking infrared device)公开了一种用于激光器与前视红外仪光轴校准的方法与校轴靶。这种方法采用在焦平面打光斑，不能适应于现场动态光轴校准。

美国专利US5838014(Laser beam boresighting apparatus)公开了一种由热靶材料制作的激光校轴靶。该校轴靶的靶面由两层材料构成，第一层材料为各向异性的低热导率光谱转换材料，第二层材料为起热沉作用的高热导率吸收材料。该校轴靶存在的主要缺陷是：靶面为整块材料，其热扩散后导致光斑增大；光谱转换材料的热导率较低，不能实现快速的温度变化，当用重复频率激光脉冲打点时，会出现多个光点无法区分的现象，影响到自动校轴基准点的计算精度。

现有的光电***校准和评估测试方法只考虑了空间因素的影响，通常为载体静态凝视时校准，没有涉及载体在运动中瞬时搜索时校准，没有涉及光电***在光谱域和时间域的特性评估，更没有考虑各个探测***探测结果的同步与否。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是，为载体光电***提供一种现场动态自校准测量方法。

本发明要解决的第二个技术问题是，为进行载体动态多波段多光轴光电系列的多光轴校正提供一种采用复合材料构成的具有激光致发光功能自校准用标准靶板。

本发明要解决的第三个技术问题是，所提供的标准靶板不仅能够解决的载体动态光轴校准问题，而且还提供具有不同光谱的随时间变化的具有标准刻度的图案进行光谱域和时间域的成像质量评估的自校准用标准靶板。

本发明要解决的第四个技术问题是，所提供的标准靶板不仅能够解决动态校轴和成像质量评估，而且还可以校准光电***激光测距机的测距能力的自校准用标准靶板。

为解决上述技术问题，本发明包括光电***的现场动态自校准方法、标准靶板、标准距离模拟器、激光指示器。

所述光电***的现场动态自校准方法为：若干标准靶板布成一个阵，该阵面积覆盖被校准光电***的激光可能辐射区域，当载体光电***的本机激光(或其他机发射激光)辐照到标准靶板的不同物面上，产生的瞬时辐射效应不同，光电***的激光、红外、可见光探测器接收到这种瞬时辐射信号的图像，提供具有不同光谱的随时间变化的具有标准刻度的图案，该图像的亮度随时间变化，分析该图像与标准靶板上图像的对应关系，获得接收视场中十字分划中心在标准靶板处的坐标，即瞄准点的坐标，计算获得该坐标与激光光斑中心坐标，与载体光电***自身位置参数和运动参数的分析比较，实现对光电***的多波段多光轴自校准和成像质量评价。同样方法实现对载体光电系列转台的零位校准。

所述标准靶板包括基板、可在激光辐射下发出瞬时可见光和不同波段红外光且构成一定图案的多种显示材料、标准距离模拟器、保护膜。其主要技术特点是，基板为隔热板，基板上设有m×m个通孔的方阵；多种显示材料包括显示粉料和附着在基板的孔壁与正反面上的显示膜，显示膜为低热容且导热良好的材料，并通过孔壁上的导热膜将基板的正面和背面相连，显示膜在基板正表面构成规则图案和刻线且大小和线条粗细不同，所述规则图案在靶面上的分布具有一定目标特征；所述显示膜可以选用多种金属膜，且图案和线条表面为朗伯面，并在正面构成对激光致发热不同散热速度的单元，背面整个为金属膜；显示粉填充在通孔内，显示粉料可以选用对红外激光实现波长转换的材料。保护膜采用对激光、可见光和红外光透明的塑料膜，保护膜粘贴在基板的两个表面上。孔点阵、显示膜图案和刻线构成标准刻度尺。

所述的标准距离模拟器包括若干对自聚焦透镜、若干根标准距离光纤和FC接口及其连接支架。所述标准距离光纤的输入/输出端均在自聚焦透镜的焦点上，也可采用一端为全反射端面的标准距离光纤，用于模拟激光大气传输，对激光脉冲的时间延迟和峰值功率衰减。所述自聚焦透镜的光轴与基板的正面垂直，所述标准距离光纤的输入/输出端位于自聚焦透镜的焦点上，所述FC接口及其连接支架用于标准距离光纤与自聚焦透镜的连接。所述标准距离光纤的长度根据被测光电***的激光测距机测试要求而定；所述若干个标准距离模拟器按一定位置并排分布在标准靶板的基板上，每个单元在靶面上占据的面积远小于被测激光在靶面上光斑。所述自聚焦透镜的输入/输出端面还模拟了光电***的光学窗口。

所述的激光指示器包括一个发出可见光的激光器、传输光纤、自聚焦透镜。所述自聚焦透镜的光轴与基板的正面垂直，所述传输光纤用于激光器发出的激光传输到自聚焦透镜的焦点上，输出一束激光，被校准光电***进入该激光照射区域内，即可对标准靶板发射激光，进行自校准。在有合作探测器时，也可采用其他波长激光器。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(一)本发明的标准靶板结构简单、成本低廉，可以大面积布阵，光电***无需进行精确瞄准，解决了载体在运动中采用十字分划凝视瞄准困难问题。

(二)本发明采用了激光致发光点阵、激光致发热的不同显示膜图案构成的标准刻度尺，借助光电***接收到的瞬时图像，获得瞄准点的瞬时坐标。

(三)本发明采用了激光致发光点阵、激光致发热的显示膜，这些材料均为激光辐射快速响应材料，被激光照射后实时辐射可见光和红外光，且辐射的可见光和红外光的余晖时间短，光电***的电视和红外成像***可实时接收，接收图像的托影少，利于进行图形的计算机图形数据处理，实现快速自校准。

(四)本发明采用多种显示材料构成的规则图案和刻线及其分布，使得激光致辐射图像具有多波段、多亮度、多个空间分辨率、多个余晖时间，层次清楚，便于自校准观测人员和图像处理时的信息析出。同时实现了复杂背景的光电目标模拟，尤其适合对光电主动搜索***的性能评估。

(五)本发明采用了具有自聚焦透镜与标准距离模拟器的标准靶板，使得载体光电***光轴校准和激光测距机测距能力校准一次完成。

附图说明

图1是本发明标准靶板的局部结构组成示意图。

图2是本发明标准靶板的局部剖面图。

图3是含有本发明的载体单个光电***现场动态自校准示意图。

图4是含有本发明的载体光电系列现场动态自校准示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

根据图1所示，本发明的优选实施例包括基板1、图案2、标准距离模拟器3、保护膜4(参见图2)、激光指示器5。本优选实施例的基板1为印制电路板，规格为400×400×5mm，基板1上m×m个φamm通孔的方阵，孔间距为2amm。本优选实施例的图案2由多种显示材料20构成，包括显示粉21、显示膜23、显示膜24、显示膜25、导热膜22、散热膜26，均为金属膜，可以是铜膜，亦可以是镍膜；显示膜23是以通孔为中心的同心圆环，该同心圆环通过孔壁上导热膜22与背面散热膜26相连，激光辐照后，显示膜23的散热速度快；显示膜24为不与背面相连的同心圆环，散热速度相对较慢。相邻通孔的同心圆环分别为显示膜23、24。四个相邻通孔之间的菱形区域为显示膜25，在光电***的视场中菱形像的锐度可直接解析出光电***的分辨率。显示膜和散热膜全部进行打毛处理，使其表面形成朗伯面。显示粉21为上转换材料。显示粉21构成的点阵和显示膜23、24、25的图案2阵列形成光电***的标准刻度尺。

图2是标准靶板的剖面图，给出了激光的工作光路和剖面结构。自聚焦透镜31的直径依据被校准光电***发射激光功率密度和激光的最小探测灵敏度而定，其光轴位于某通孔的中心，自聚焦透镜31的光轴并与基板1的正面垂直，在基板1的背面通过连接件35紧固在基板1上；FC接口32的座与连接件35紧固连接，且确保标准距离光纤33的FC接口32的输出/输入端位于自聚焦透镜31的焦点上。标准距离光纤34是一端为全反射镜的光纤。所述标准距离光纤33用于模拟激光大气传输，对激光脉冲的时间延迟和峰值功率衰减。传输光纤51把指示激光导入一个自聚焦透镜31中，输出一束垂直于基板1的激光束，用于对被校准光电***的位置导引。

图3是采用了本发明的载体单个光电***现场动态的自校准示意图。下面以该校准过程为例，进一步阐述本发明的测量方法。将本发明基板1布阵并将其板面垂直悬挂起来，光电***进入指示激光辐照区域，粗瞄准标准靶板发射一系列激光脉冲，并开启光电接收***接收激光致辐射的可见光、红外光、激光图像，对可见光敏感的电视获得显示粉21的点面阵图像，对红外光敏感的热像仪获得显示膜的同心圆环、菱形构成的具有一定温差的面阵图像。通过一系列对应激光脉冲的各个面阵图像在视场中的位置和分辨率数据分析，获得光电***各光轴的十字分划中心在标准靶板处瞄准点的坐标，结合载体光电***的相互位置坐标和运动状态的分析获得光电***各个光轴的同轴度和成像质量数据，进行相应电十字自动校准或微位移手动调整校准。

图4是采用了本发明的载体光电系列现场动态自校准示意图。下面以该校准过程为例，进一步阐述本发明的测量方法。载体光电系列的测量过程如下：

①将本发明基板1布阵并将其板面垂直悬挂起来，先将每个光电***按照图3所述方法进行校准；

②将每个光电***转台的方位/俯仰设置在相同的角坐标上；

③将其中某个光电***进入指示激光辐照区域，粗瞄准标准靶板发射一系列激光脉冲，并开启载体上其他光电***的接收***接收激光致辐射的可见光、红外光、激光图像；

④通过对这些面阵图像在各自接收视场中的位置和分辨率数据分析获得各个光电***各光轴的十字分划中心在标准靶板处瞄准点的坐标，与载体各个光电***的相对位置坐标进行比较，其偏差量除以载体到标准靶板的距离获得各个光电***转台零位的相对偏差；

⑤依据各个转台零位的相对偏差，进行自动校准或手动校准。

Claims (6)

1.一种载体光电系列现场动态自校准使用的通用自校准方法和标准靶板[1]。其特征在于：若干标准靶板[1]布成一个阵，该阵面积覆盖被校准光电***的激光可能辐射区域，当载体光电***的本机激光(或其他机发射激光)辐照到标准靶板的不同物面上，产生的瞬时辐射效应不同，产生不同的图像，被光电***接收，通过分析接收图像的分辨率和位置，实现对载体光电系列的自校准和成像质量评价。

2.根据权利要求1所述的自校准方法，其特征在于：用激光致瞬时发光、瞬时发热材料制成具有一定图案[2]的标准靶板[1]，该图案[2]在标准靶板[1]上按照标准刻度均匀分布，构成阵列；标准靶板[1]提供具有不同光谱和亮度的随时间变化的具有标准刻度的图像和信息，光电***的激光、红外、可见光探测器接收到这种瞬时辐射信号和图像。分析该图像与标准靶板上图像的对应关系，获得接收视场中十字分划中心在标准靶板处的坐标，即瞄准点的坐标，通过对该坐标和载体光电***自身位置参数和运动参数的分析比较，实现对光电***的光谱域和时间域的成像质量评价和光轴自校准。

3.根据权利要求1所述的标准靶板[1]，其特征在于：还包括基板[11]、可在激光辐射下发出瞬时可见光和不同波段红外光且构成一定图案[2]的多种显示材料[20]、标准距离模拟器[3]、保护膜[4]、激光指示器[5]。所述基板[11]为隔热板，基板[11]上设有m×m个通孔的方阵；所述多种显示材料[20]包括显示粉[21]和正面上的显示膜[23、24、25]，显示膜为低热容且导热良好的材料，并通过孔壁上的导热膜[22]将基板[11]的正面显示膜[23]和背面散热膜[26]相连，显示膜[23、24、25]在基板正表面构成规则图案和刻线且大小和线条粗细不同，所述规则图案在靶面上的分布具有一定目标特征。所述显示粉[21]填充在通孔内，显示粉[21]可以选用对红外激光实现波长转换的材料。所述显示膜[23、24、25]可以选用多种金属膜，且图案和线条表面为朗伯面，并在正面构成对激光致发热不同散热速度的图案阵列。标准距离模拟器[3]用于对激光测距机测距能力校准。保护膜[4]起密封作用。激光指示器[5]用于对被校准光电***的位置导引作用。

4.根据权利要求3所述的标准靶板，其特征在于：还包括标准距离模拟器[3]。所述标准距离模拟器[3]包括若干对自聚焦透镜[31]、若干根标准距离光纤[33]、若干组FC接口[32]，也可采用一端为全反射端面的标准距离光纤[34]。所述标准距离光纤[33、34]用于模拟激光大气传输，对激光脉冲的时间延迟和峰值功率衰减。所述自聚焦透镜的输入/输出端面还模拟了光电***的光学窗口。

5.根据权利要求3所述的标准靶板，其特征在于：保护膜[4]采用对激光、可见光和红外光透明的塑料膜，保护膜粘贴在基板的两个表面上。

6.根据权利要求3所述的标准靶板，其特征在于：传输光纤51把指示激光导入一个自聚焦透镜31中，输出一束垂直于基板1的激光束。

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