1 引言

基于火炮、雷达、导弹以及无人机等某一特定平台,由多个信息互联的任务单元相互协作,完成瞄准、侦察、跟踪、制导和标定等作战任务的平台光电装备,在各型**装备上得到了广泛应用。平台光电装备含可见光、微光、激光、红外和电视等光学传感器,而多光学传感器之间的轴线一致性是确保整个**系统作战效能的重要保证。**装备在安装、修理过程中需要进行轴线检测和调试,长时间野外环境影响也会造成轴线失调,需要适时进行校验。大跨度、宽光谱、多轴线是平台光电装备轴线一致性检测的主要特点。

目前,常用轴线一致性检测方法有投影靶板法^[1-2]、平行光管法^[3-6]、相交校靶法、惯性测量法^[7]以及摄影测量方法^[8]等。投影靶板法易受气候和场地条件限制,自动化程度低;平行光管法多用于实验室,要求被测对象中各光学传感器的物镜全部或部分包含在测试光路中,故需大通光口径,为适应宽波段且有效减轻重量,常采用折反式光学系统,并联合使用斜方棱镜、五角棱镜或平面反射镜组扩展平行光管口径;相交校靶法是一种解决大间距轴线一致性检测的有效手段,典型代表有以色列CI公司的先进**轴线检测系统O-AWBS^[9-10]、德国Carl Zeiss公司的**装备视频校轴调整系统WASVB^[11]和瑞典SCHILL公司的系列舰船轴线检测系统aligner-308等^[12];惯性测量法基于陀螺稳定与光路自准直技术,无需架设平台或三脚架调校被测对象,解决了大口径平行光管无法完成的大间距机械轴线与光电轴线间一致性测量,美国AAI公司研制的先进校轴设备ABE-301A检测精度可达20″^[13-14];摄影测量法具有非接触、测量范围大、测量快速和精度较高等特点^[15-16],该方法应用于轴线检测的关键是大视场范围内基于多靶板的位姿跟踪测量技术,如挪威METRONOR公司研制的HarmoLign**校准系统测量精度优于20″,已推广应用于20个国家的空军^[17-19]。

综上所述,大间距轴线一致性检测方法在测量范围、精度、便携性及价格方面各有优缺点,相比之下,相交校靶法结构简单、操作便携,但需较长的通视距离,若能在保证测量精度前提下,缩短通视距离,将会大幅提高设备野外在线检测的适用性。为此,本文提出一种基于非合作目标图像处理技术的轴线一致性检测方法,通过选择远场中具有典型特征的景物作为非合作目标,采集不同光学传感器获取非合作目标图像,比较非合作目标在图像中的空间位置差异,进而得到轴线一致性检测结果。

2 有限远图像测量法

有限远图像测量方法利用被测光学传感器采集远场中某一固定景物作为非合作目标,通过计算不同光学传感器对图像中目标特征点的成像位置差异进行轴线一致性检测。图1为非合作目标位于有限远D处时的示意图。

图 1. 有限远图像测量法示意图(D为有限远)。(a)整体;(b)截面

Fig. 1. Diagram of finite distance image measurement method (D is finite). (a) Overall schematic; (b) section

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被测对象两根光轴分别为O₁和O₂,轴间距为L,在轴线方向相距W,与目标距离D。通过其中一个光学传感器瞄准远场中明显特征目标T(如建筑物屋顶、窗台棱角等),在与光轴垂直的图像平面P₁和P₂内,O₁和O₂的分划坐标分别为(x₀,y₀)和(x₁,y₁)。理想状态下,若O₁、O₂平行且T位于无穷远时,T在P₁和P₂中的图像均应位于分划中心;若O₁、O₂平行而T位于有限远时,T在P₁和P₂中的图像存在位置差异,该差异值应和投影靶板法在规定的测量距离下被测对象镜像轴线间距相同。如图2所示,匹配计算P₁和P₂,求得O₁、O₂分划中心在P₂中的坐标分别为O₁(x₀,y₀)和O₂(x₁,y₂)。结合轴间距L,在某一特定观测距离(D)上,若O₁和O₂不平行,则O₁分划中心位于O'₂(x_a,y_a)处,O₁与O'₂的欧氏距离为两根光轴偏差,即

a=Rx0-xa2+y0-ya2,(1)

式中R为图像像素角分辨率。

图 2. 图像测量法原理图

Fig. 2. Schematic of image measurement

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2.1 图像匹配算法

实际应用中,两根光轴的光学系统参数并不相同,所成像的放大倍率也不同,若要对两幅图像进行匹配计算,图像处理算法应具备仿射不变性。采用尺度不变特征变换(SIFT)算法匹配图像P₁和P₂。首先,建立图像的尺度空间表示;然后,在尺度空间中搜索图像极值点,建立特征描述向量;最后,寻找两幅图像间的特征点对应关系。以P₂为基准图像,从P₁中选取含有光轴O₁十字分划的图像块(包含尽可能多的特征或细节信息)作为待匹配模板,与P₂进行模板匹配计算,选用标准平方差作为相似性度量函数,得到

σ=∑x,yI(x,y)-I'(x,y)2/∑x,yI(x,y)2·I'(x,y)2,(2)

式中I(x,y)和I'(x,y)分别为选取的图像块和待匹配图像块灰度值。图3给出了计算结果,当两个图形块达到最大相似度时,认为两个图像块达到了最佳匹配关系。

在P₂中求得最佳匹配图像块后,利用随机抽样一致性算法(RANSAC)求得变换矩阵,点对点配准两幅图像获得图像点的对应关系,所得结果如图4所示,A'点为O₁分划中心在图像P₂上的坐标,B点为O₂分划中心坐标。

图 3. SIFT计算结果

Fig. 3. Calculation result by SIFT

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图 4. 光学传感器采集图像及RANSAC配准后十字分划中心位置示意图。(a) O1采集图像;(b) O2采集图像;(c) O2采集图像放大图

Fig. 4. Images acquired by optical sensors and center position of cross-section after registration of RANSAC. (a) Image acquired by O1; (b) image acquired by O2; (c) enlarged image by O2

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2.2 目镜图像采集装置

光学传感器成像有目镜观察和视频输出两种方式。人眼通过目镜观察光学系统不能存储成像结果,无法实现事后回放、图像处理和分析等功能,因此,设计目镜图像采集装置^[20],利用磁性表座将其固定在光学系统目镜出瞳位置代替人眼,CCD相机将视频图像无线传输至数据处理系统处理并显示,利用接管组件及万向节组件调整CCD相机位置,确保CCD相机对准目镜出瞳。图5给出了目镜图像采集装置外观及示意图。

图 5. 目镜图像采集装置外观及示意图。(a)装置外观;(b)装置结构

Fig. 5. Appearance and diagram of eyepiece image acquiring device. (a) Appearance of the device; (b) device structure

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2.3 机械轴线可视化

实际应用中,不但要求平台光电装备内的各光学传感器共轴,有时还需调校火炮身管与平台光电装备之间的镜炮一致性。为测量机械轴线和多光学传感器轴线一致性,还需将机械轴线可视化。因此,设计带有准直光学系统的机械连接插轴,将机械轴线转换为光轴^[21],保证准直系统分划中心出射光线与火炮身管轴线平行。为实现与机械轴线内壁的紧密配合,可根据机械轴线形式和尺寸设计专用的膨胀式插轴,利用插轴膨胀顶起实现刚性连接,机械连接轴外观和内部结构如图6所示。其中顶块和弹簧通过连接轴固定在连接板上,顶块与连接轴压下后在弹簧弹力作用下自行弹起,连接板与插杆采用螺纹连接固定,插杆通过连接筒以螺纹连接方式与CCD相机连接固定。使用时,将插杆插入机械轴线内腔,顶块受压后在弹簧弹力作用下自动顶紧内壁,从而实现紧定功能;拔出插杆时,顶块在弹簧弹力作用下自动弹起。

图 6. 机械连接插轴外观及内部结构。(a)外观;(b)装置结构

Fig. 6. Appearance and internal structure of mechanical connection plug. (a) Appearance; (b) device structure

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配合误差是影响轴线检测的主要误差源。设备出厂前必须进行自校准,即将机械连接插轴插入标准通孔中,前面放置平行光管,使其十字分划成像于CCD相机十字分划中心,然后顺时针转动360°,若平行光管十字分划像相对机械连接插轴CCD相机十字分划中心摆动量小于阈值,即认为符合出厂精度要求。

3 实验结果与分析

将激光测距机和望远镜安装在光学平板上,望远镜可做高低、方位及俯仰调整,利用大口径平行光管调整两台设备共轴。然后将实验装置对准远场中的典型目标,利用激光测距机测量目标和实验装置的距离,利用目镜图像采集装置分别采集激光测距机光学瞄准系统目镜出瞳图像和望远镜右目镜出瞳图像。激光测距机和望远镜间距L=300 mm。图7为实验装置图。在图像坐标系下进行计算,得到不同距离下的轴线偏差计算结果如表1所示。

图 7. 实验装置

Fig. 7. Experimental equipment

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表1中坐标A'为O₁分划中心在O₂图像中所对应的坐标位置,坐标B为光轴O₂图像分划中心位置,参考坐标为光轴O₂分划密位读数为2的位置。分别计算L_A'B和L_BC的像素长度,由图8可知, l_BC对应10 mil,则在某一距离上,l_A'B的空间长度即为像高H,H可表示为

H=D·lA'B/lBC·100,(3)

式中D为实验装置与目标的测距值。由于两根光轴平行,则测量误差角为

a≈arctanH-L/D,(4)

式中L为实验装置两根光轴的间距。由表1结果可知,测量误差角均值为14.82″,标准偏差为4.27″。

为进一步验证本文方法的测量精度,调整望远镜与激光测距机不共轴,具体方法如图8所示,将激光测距机十字分划中心对准远处某一典型目标,望远镜右目镜十字分划中心与目标错开一定距离,采集两幅图像并计算偏差量,利用望远镜分划密位线计算所得两根光轴的不平行偏差为1219″。实验装置至目标距离为2930 m,对同一目标计算5次并求均值。两根光轴不平行时,轴线偏差计算结果如表2所示,与理论值(1219″)之间的偏差均值为-15.37″,标准偏差为26.84″。对比表1和表2结果可知,本文方法测量精度满足绝大部分被测对象检测需求。

图 8. 两根光轴不平行时的采集图像。(a) O1采集图像;(b) O2采集图像;(c) O1与O2分划中心偏差示意图

Fig. 8. Captured images when two optical axes are not parallel. (a) Images captured by O1; (b) images captured by O2; (c) center deviation of O1 and O2

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4 误差分析

影响测量精度的误差主要包括机械轴线装配误差、图像匹配误差、目标测距误差以及被测对象各轴间距误差等。机械连接插轴装配误差由加工精度和出厂前自校准精度确定,一般情况下可控制σ₁<30″;图像匹配误差主要取决于CCD相机获取的图像显示精度,CCD镜头光学系统焦距f=80 mm,像元宽度w=10 μm,则CCD图像显示精度为

σ2=arctan(w/f)=25.78″,(5)

观测目标距离D由激光测距机测距获得,误差为σ₃<±1 m;轴间距L由机械加工图纸确定,误差为σ₄<±10 mm。除σ₁、σ₂外,轴间距误差σ₃和测距误差σ₄是影响精度的重要因素。将σ₃和σ₄分别代入(4)式中进行蒙特卡罗误差分析,样本数取10⁴,目标测距误差为正态分布,轴间距测量误差为均匀分布,所得结果如图9所示。

图 9. 轴间距测量误差为10 mm,测距误差为1 m时的误差分析结果

Fig. 9. Error analysis result for axis distance measurement error of 10 mm and range error of 1 m

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由图9可知,当轴间距测量误差为10 mm,测距误差为1 m,轴间距为100~1000 mm,实验装置与远场目标距离100 m时,系统测量误差范围从20″增大至29″;实验装置与远场目标距离200 m时,系统测量误差范围从10″增大至11″;而在50 m时,系统测量误差范围从42″增大至90″,可见为保证测量精度,当轴间距增大时,要求系统具有更大的测量距离。另外,轴间距越小,两个光学传感器共有成像区域越大,此时被测对象与远场目标之间的检测距离较近;轴间距越大,两个光学传感器共有成像区域越小,检测距离则较远,该结果还与光学系统焦距、口径等参数有关。选择100 m左右的通视距离作为被测对象与目标的测量距离,即可满足绝大部分装备检测精度要求,同时,在较短的测量距离下,利用半导体激光器可将测距误差控制在更小范围内,进一步提高测量精度,而轴间距的获得主要依靠被测对象设计图纸,±10 mm的测量误差有较大余量。

5 结论

归纳分析多轴线一致性检测技术,提出了一种基于非合作目标图像处理的多光轴一致性检测技术,为平台光电装备光轴一致性在线检测提供了有效技术途径,该方法实现了大空间跨度机械轴线与光学传感器轴线的自动检测,能够满足复杂光电观瞄系统的野外在线检测需求,同时,结合后续的图像处理技术,可进一步完成复杂轴线检测任务,适用于多种光电观瞄系统轴线检测。

下一步将研究含激光光轴的平台光电装备轴线一致性检测;优化火力轴线可视化过程中的共轴问题,进一步减少配合误差;同时,寻找含红外光轴的平台光电系统中更优的共有特征,优化图像匹配算法,提高测量精度。