激光测距机光轴平行性测试方法
激光测距机光轴平行性测试方法
谢国兵,李超良,蔡锦浩,杨场,郭健,张博伦,吴奉泽,虎将,翁凯强
现代军用光电武器系统中,由于激光方向性、单色性和相干性好的显著优点,激光测距机被作为光电系统搜索指示打击的核心部件。激光测距机瞄准轴和发射轴的平行性是考量指示和测距精度至关重要的指标.目前,激光测距仪机光轴平行性检测方法主要分为人眼观测的靶纸烧蚀法和借助CCD检测的大口径平行光管法。人眼观测的靶纸烧蚀法原理是激光测距机的瞄准镜十字线和激光靶纸标定十字线重合,发射激光烧蚀激光靶纸,测量激光光斑中心和靶纸十字线中心的偏差,根据公式计算出激光光轴平行性,这种方法结构简单,操作容易,但是自动化程度不高,人工计算,精度偏低测量误差一般在30”左右。借助CCD检测的大口径平行光管法,检测原理和方法与靶纸烧蚀法基本相同。不同之处在于,利用CCD的图像釆集和图像处理技术,替换人眼观测和测量,剔除了人为主观误差,使得测量精度取得显著提高。
本文提出的激光测距机光轴平行性测试方法是基于LABVIEW的高效的、自动化的检测方法,重点论述了十字靶标中心坐标提取和激光光斑中心坐标提取软件设计,并通过对比目前常用的靶纸烧蚀法的测试数据,验证了本测试方法的适用性。
1硬件结构设计与检测原理
文中激光光轴平行性测试方法硬件结激光光轴平行性测试系统主要由离轴式大口径抛物面镜平行光管、立方棱镜、目标靶、中继光学系统和控制处理计算机系统等几部分构成,其中离轴大口径平行光离轴式大口径抛物面镜平行光管为被测试产品提供实验室测试条件,当目标靶位于平行光管焦面位置时成无穷远像,其中靶标和CCD分别固定在平行光管的焦面和共轨焦面位置,其中CCD像元尺寸4. 25 urn,焦距480mm。立方棱镜和中继光学系统实现光路转换、汇聚和准直。
控制处理计算机系统主要作用是釆集处理分析CCD图像和激光光斑图像。
本文中激光光轴平行性测试方法的流程:首先利用LABVIEW中的DirectShow接口,实现检测系统对CCD端口与被测产品图像输出端口的识别和驱动;将高标准反射镜放置于测试系统前,调整CCD和靶标至CCD观察到靶标图像最清晰,当测试环境和测试状态调整至最佳状态后;调用LABVIEW编写的检测软件分别获取十字靶标图像和激光光斑图像;最后测试软件实现对釆集到的光斑图像和十字靶标图像进行灰度变换、去噪、分割等处理,提取各个图像所需的特性参数曲,最后利用相关公式计算出激光光轴平行性偏差。
本文中激光光轴平行性的测试原理是,控制处理计算机釆集靶标图像,计算分析采集到的靶标图像,提取此时靶标位置中心坐标(X。,Y。);然后将被测产品放置于产品放置台,通过激光测距机瞄准镜观察靶标,使被测产品瞄准光轴准直靶标,发射被测产品激光脉冲,此时,控制处理计算机釆集CCD成像的激光光斑图像,处理计算获得激光光斑中心坐标(X” YJ,由⑴式计算出瞄准光轴与激光光轴的偏差。
2软件系统设计
2. 1靶标十字中心检测软件设计
靶标十字中心坐标软件检测流程图中只有当目标靶放置于CCD的共轨位置时,目标靶才能清晰的成像于CCD上。如果人眼判断目标靶是否成像最清晰时,会引入主观误差;因此本文中引入清晰度评价函数作为判定图像是否清晰依据。为了选择LABVIEW ImageProcessing中的Tenengrad函数、能量梯度函数、Brenner函数、方差函数最优清晰度评价函数,对图3中清晰图像和图4中模糊图像分别进行灵敏度评价数据可以看出,对于不同清晰度的图像,Tenengrad函数灵敏度最高,其次是方差函数。因此本文中十字像图像清晰度评价函数可以选择Tenengrad函数和方差函数。
另外,十字像背景后面有很强的亮斑,如果直接对十字图像进行分析处理,会引入较大误差。因此本文中测试方法为了准确的检测十字像的中心,分别在十字像十字线的上下左右四个方向选取四个区域,选取的区域能够将十字像四个方向图像包括进去。再分别利用重心算法算出四个区域的中心,根据上下区域的中心可以得到一条直线,再根据左右区域的中心又可得到另一条直线,这两条直线的交点,即为十字像的中心坐标。
2. 2激光光斑中心检测软件设计
本文中测试系统釆集到光斑图像由于各种因素的影响,会混杂各种噪声,使得有用图像信息被弱化,影响光斑特性参数分析精度。需要对原始釆集的光斑图像进行一系列分析处理,其中包括灰度变换、去噪、分割处理。将釆集到的图像中有用的部分增强,没用的部分弱化,提高图像中有用信息的识别能力。
激光光斑图像的边境由于灰度变换呈现高频特性,而激光光斑图像均匀呈现低频特性。在空间域下,LABVIEW中的IMAQ Convoluted. Vi中包含均值平滑去噪、高斯平滑去噪、梯度去噪、拉普拉斯算子去噪等大量滤波函数。拉普拉斯算子可以使图像出暗色区域的亮点锐化,所以当图像的灰度发生跳变时,拉普拉斯算子就可以更好地反映边境信息拉普拉斯算子滤波不仅能够很好的去除激光光斑图像的噪声,而且能够很好的显示光斑图像的边缘信息。
经过试验对比显示,本文测试方法选择空间域内的Laplacian5X5算子作为图像去噪算法。利用LABVIEW中的IMAQ ROI to Mask, vi对加载的灰度图像进行区域选择,然后用IMAQ Histograph. vi反映出所选灰度图像区域的灰度直方图具体情况。基于以上光斑灰度灰度图像的直方图的显示结果,找出图像中灰度的最大值max和最小值min,求出灰度的最大值和最小值之间的差值dif,阈值用thres表示。
当Thres<min+21*dif/30时,处理得到的激光亮斑的X坐标或者Y坐标和临近阈值的结果的差值都是在一个像素以上,当Thres=min+21*dif/30时,处理得到的激光亮斑的X坐标或者Y坐标和临近阈值的结果的差值都小于0. 4个像素,当hres>min+24*dif/30时,处理得到的激光亮斑的X坐标或者Y坐标和临近阈值的结果的差值都小于0.1个像素,此时,阈值的不同对处理的结果的影响最小。因此本文中的测试方法选择阈值Thres>min+24*dif/30时,能够准确检测出激光光斑中心。
3试验验证与结论
釆用激光烧蚀法对某一台激光测距机光轴平行性进行5次试验。采用本文基于LABVIEW的激光测距机光轴平行性测试方法同时对这台激光测距机光轴平行性进行5次测试,其中所选CCD像元尺寸4. 25 u m,焦距480mm,获得的数据二者数据最大偏差不大于0. 05mrad,对比试验验证了本文提出的基于LABVIEW的激光光轴平行性测试方法,相比比普遍使用的激光烧蚀
法,自动化程度和测试精度高,能满足一般激光测距机光轴测试要求。
4结束语
本文以激光光轴平行性测试方法为研究对象,重点研究了基于LabVIEW的十字像中心坐标检测和激光光斑中心坐标检测软件设计,并且理论结合对比试验,验证了本文提出的测试方法相比于激光烧蚀法,具有高精度、高自动化化的优点。
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