激光测距机光轴误差的自动测试与校正
激光测距机光轴误差的自动测试与校正
作者:安海忠;苏美开;高稚允;亢俊健;王大成
1 引言
脉冲激光测距仪机测距速度快、精度高 ,已经大量装备部队。激光测距机的“光轴”不同于一般光学仪器的光轴 ,它实际上是指三轴 :白光瞄准光轴、激光发射光轴和激光接收光轴。脉冲激光测距机设计时 ,在结构上通常保证了瞄准光轴和接收光轴的平行。因此检查和校正激光测距机的三轴就变成了校正白光瞄准光轴和激光发射光轴的平行。
激光测距机在运输和野战条件下使用中 ,经常造成光轴失调。而光轴不平行必然影响测距机的测距能力〔1〕,严重时不能测距。因此对激光测距机光轴的校正非常重要。目前通常采用大口径平行光管或球面反射镜 ,进行所谓“激光打点”法〔2〕,这种方法的主要缺点是 :第一、采用人工观察测量 ,受主观因素限制 ,误差大。第二、需要人工调整测距机的瞄准机构 ,反复多次 ,工作效率低。本文提出利用 CCD 图象采集处理技术 ,对测距机的光轴自动检测和校正。
2 检测和校正装置
检测校正装置如图 1。各部分的功能是 :
(一) 相纸 :采用已经曝光的黑相纸 ,其平面与平行光管的焦平面重合 ,用来接受激光测距机发射的激光 ,形成可见的光斑。
(二) 平行光管 :采用口径 30mm(能够包容激光测距机的观察瞄准和激光发射两个窗口) 、焦距 1000mm 的平行光管 ,用来准直和模拟无限远目标。
(三) CCD :将相纸上的激光光斑和测距机的分划板同时成像 ,便于进行定量比较 。
(四) 视频信号放大处理电路 :它由放大器、模拟滤波器和箝位电路组成。放大器将 CCD 输出的图像信号放大 A/ D变换器所需要的电压值 ;模拟滤波器是为了滤掉图像信号中含有的高频噪声信号 ;箝位电路是为了恢复因交流藕合隔离掉的直流成分。
(五) A/ D 变换器 :将处理过的模拟图象信号转换为数字信号。必须使用高速 A/ D 转换器 ,因为对于 CCD 来说 ,若输入 512 ×512 ×8bit 的图像 ,由于电视信号行扫描的时间为2μs ,则每个采样点所允许的 A/ D 转换时间仅为 0. 1μs。
(六) 计算机系统 :它由图像存储器和专用计算机组成。数字图像信息传送到计算机贮存后 ,即完成一次图像信号的输入过程。计算机系统便可对图像进行处理和分析。从场景图像中识别出激光光斑图像 ,确定图像中心位置 ,计算出偏离十字线中心的坐标 ,输送给外伺服回路。图像存储器起缓冲存储作用。
(七) 外伺服电路 :它用来接受计算机送来的误差信号 ,经过 D/ A 变换 ,转变为模拟电量信号 ,自动控制机械校正机构调整测距机物镜偏心环转动 ,达到一个闭环调整系统。
(八) 监视器 :实时显示激光光斑和瞄准十字线图像 ,供操作人员监视。
3 精度分析及检验
该方法的主要误差来源于光斑中心的确定。设光斑中心偏离十字线中心距离为 d ,平行光管的准直物镜焦距为 f ,则角度误差为Δd/ f ,采用一般分辨率 CCD ,Δd 精度都可小于0. 1mm ,则因为 f = 1000mm ,则光轴确定的误差小于 0. 1mrad ,能够满足校正要求〔1〕。
采用野外实际测量的方法 ,来检验校正精度。以 85 式激光测距机为例。首先检验水平方向的精度 :在大于 1000米的距离上选取直径 d1 的竖直目标 (如电线杆) ,用测距机瞄准测距离。同理在一定距离上选取直径 d2 水平目标 (如高压线) 进行测距 ,来检验垂直方向的精度 ,结果如表 1。 CCD 图象采集处理技术 ,对激光测距机的光轴自动检测和校正速度提高数十倍 ,且精度满足使用要求。关于图像的数字化、灰度变换、平滑和滤波等技术限于篇幅 ,这里不再详述。
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