对国内的红外热像仪系统瞄准线测试方法的探讨

夏丽昆，字正华，严 敏，陶 亮，莫启元，王正强，李常成



对国内的红外热像仪系统瞄准线测试方法的探讨

夏丽昆1，字正华2，严 敏2，陶 亮2，莫启元1，王正强2，李常成1

（1.重庆军代局驻昆明地区军代室，云南 昆明 650223；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

从使用的角度出发分析了红外热像仪的系统瞄准线指标的重要性和计算方法，围绕如何对其进行准确检测介绍了国内两种典型的系统瞄准线测试方法，并对它们的优缺点进行了分析，对测试系统提出了改进意见。

红外热像仪；系统瞄准线；测试方法

0 引言

红外热像仪[1]（以下简称热像仪）作为近几年兴起的侦察瞄准用传感器，越来越多地用在各种武器平台上，使武器系统在夜间或不良气候条件下长上了“眼睛”。热像仪性能的高低反映了“眼睛”的好坏，除了受热像仪的探测识别能力限制外，还有一点是十分重要的，那就是瞄得准不准。热像仪特别是车载、机载热像仪均需要被安装在武器系统的光瞄装置内部的载物台上，其输出的热图像需经后期处理后用来进行测量、瞄准和图像融合[2]，而热像仪安装面与载物台安装面的平行度不可避免地会给热像仪的光轴带来影响，从而影响后续的数据处理精度。为减小这种影响，除了对热像仪壳体的安装面和载物台安装面的平行度在加工时就要控制和检测外（一般要求误差控制在±0.02mm），还需要在热像仪装调完成后，把热像仪安装到载物台上对热像仪的光轴进行校准，通常要求这类热像仪校准以后的安装基准偏轴度（光轴平行性）必须在十几秒内方能满足使用要求。

在GJB2340-1995《军用热像仪通用规范》中把热像仪光轴平行性的这种性能定义为“系统瞄准线”，并给出的定义是热像仪视线（LINE OF SIGHT）非旋转轴线等对传感器安装基座的校准要求（精度和稳定度）[3]。但是在该标准中没有对检验方法做出明确规定。因此如何准确地测量热像仪的系统瞄准线是一个亟待解决的问题，本文就对该问题作一些探讨。

1 系统瞄准线的计算方法

热像仪的系统瞄准线一般用俯仰和方位两个方向的偏差来表示，俯仰和方位是根据总体系统中热像仪的最终安装姿态来定义的。热像仪在最终安装姿态下，竖直方向即为俯仰方向，水平方向即为方位方向。

假设俯仰方面的偏差值为D，水平方向的偏差值为D，那么系统瞄准线的计算公式为：

这样，对系统瞄准线的测试就转化为分别测量瞄准线在水平方向和垂直方向的偏差。

2 系统瞄准线测试方法分析

2.1 测试系统的基本组成

热像仪系统瞄准线测试系统的组成可能会因原理上的差异而有所不同，其通常由红外平行光管（含靶标）、安装基面模拟面和测量系统组成，如图1所示。

1）经红外平行光管[4]准直后出射的红外辐射靶标（通常选用合适大小的圆孔靶）：用于模拟热像仪观察到的无穷远目标。

2）安装基面模拟面：用于承载待测热像仪，模拟总体端的安装基面。在进行热像仪系统瞄准线指标测量之前，应先对测试系统进行校准，使安装基面模拟面确定的光轴（安装基准轴）与红外平行光管的光轴平行。

3）测量系统：用于测量或读取系统瞄准线偏差，输出测量结果。

图1 热像仪系统瞄准线测试系统原理框图

2.2 典型的测试系统及优缺点分析

下面介绍2种典型的系统瞄准线测试系统，并从其测试原理和测试方法两方面对其优缺点进行分析和总结。

2.2.1 测试方法一

2009年，叶露等建立了一种光轴与其系统瞄准线的检验方法，该方法通过基准转换，将总体端的安装基面和热像仪的安装基面这两个不可分离的量，转换为安装基面模拟面和热像仪的安装基面两个可分离可测量的量，从而实现了系统瞄准线测试[5]。

2.2.1.1 测试原理

测试原理如图2所示，按如下步骤可测出热像仪的系统瞄准线：

1）调整平台2下面的调整螺钉，使平台2的上表面处于水平状态；调整平台1下面的调整螺钉，使其上的自准直仪4发出的平行光经直角棱镜6反射后的自准像的中心与自准直仪4的十字分划中心重合。这样，就能保证自准直仪4的光轴（以下简称光轴1）与平台2的上表面相平行。

2）取下直角棱镜6，调整平台3下面的调整螺钉,使平行光管5焦面上的圆孔靶在自准直仪4焦面上所成像的中心与自准直仪十字分划线的中心相重合。这样，就能保证平行光管5的光轴（以下简称光轴2）与平台2的上表面相平行，从而保证光轴1、光轴2和平台2的上表面三者相互平行。

3）将热像仪7置于平台2上对准平行光管5，要求其安装基面与平台2上表面接触；调出热像仪7的电十字分划线，并使其处于视场中心，并在监视器8中观察平行光管5焦面上的圆孔靶像与电十字分划线的相对位置；调整平台3下面的调整螺钉，使监视器8中圆孔靶像的中心与电十字分划线的中心相重合。

4）取下热像仪7，观察自准直仪4中圆孔靶像的中心与自准直仪4中的十字分划线中心的重合情况；由于光轴2被调整，与光轴1不再平行，即自准直仪4中的像点中心与十字分划线的中心不再重合；利用自准直仪4的读数鼓轮度量出光轴1和光轴2在方位和俯仰方向的偏离角度，代入公式(1)可得到热像仪7的系统瞄准线误差，单位通常为mrad。

2.2.1.2 优缺点分析

1）优点

①对于单台热像仪来说，只需将其放置在平台2上，即可进行测试。测试原理清晰，测试过程简单、测试方法简便易操作。

②测试系统几乎适用于所有热像仪的系统瞄准线测试，设备通用性好。

2）缺点

受设备条件的限制，该测试系统也具有不足之处：

①由于热像仪没有紧固安装在安装基面模拟面（平台2上表面）上，不能保证其安装基面和安装基面模拟面紧密接触，这会导致测量值与实际情况不符。

②在完成测试系统光轴1、光轴2与平台2上表面的平行度校准后，用热像仪7替换下直角棱镜6进行测试时，由于两者的重量或放置位置的差异，导致平台2与光轴1、光轴2的平行度在校准和测量两个阶段存在差异，从而引入测试误差。

③每完成一次热像仪系统瞄准线的测量，都会破坏原有的测试系统状态，以至于要对下一台热像仪测量时，需重新对测试系统进行校准，测量过程相对麻烦。

2.2.2 测试方法二

2.2.2.1 测试原理

1）安装基面平行度的校准

安装基面平行度的校准原理如图3所示，圆孔靶2处于红外平行光管6的焦面上，其辐射能量经过红外平行光管6后，成像于无穷远（即岀射平行光）。分束镜[6]3与圆孔靶2和CCD摄像机4的空间位置已通过高精度的机械定位。分束镜3与光轴成45°角，其到CCD摄像机4的焦面和圆孔靶2的光程是相等的，即CCD摄像机4的焦面和圆孔靶2均处于红外平行光管6的焦面上。平台7固定于红外平行光管6前面，两者相对于地面的高度相差不大，其上有用于固定系统瞄准线测试工装的4个通孔9。

图3 基面平行度校准原理图

图中，辐射源1发出的可见光先后经过圆孔靶2、分束镜3，进入红外平行光管6，变成无限远成像光束，即平行光。红外平行光管6输出的平行光照射到立方镜[7]8上，经立方镜8反射并先后经红外平行光管6、分束镜3后，会在CCD摄像机4的焦面上形成一个圆点像（以下简称像点1），并输出到监视器5上。调出CCD摄像机视场中心的十字分划线，此时可在监视器5中看到十字分划线和像点1。观察监视器5中像点1与电十字的相对位置，在平台7上转动立方镜8，调整红外平行光管尾端的调整手轮，使像点1的中心与电十字分化的中心重合。此时，可以认为平台7的上表面与红外平行光管6的光轴相平行。

2）热像仪的系统瞄准线的测试

在完成系统瞄准线的校准后，需要一个系统瞄准线平行性测试工装10（以下简称工装）来辅助进行热像仪11的系统瞄准线的测量。为了确保测试工装的安装基准轴与红外平行光管的光轴平行，工装10与热像仪的安装面和工装10与平台7的安装面之间的平行度或垂直度（安装面与产品光轴垂直时）要求很高；且工装10为自身不易变形的刚性工装，其上下表面均有螺纹孔，通过螺钉拧紧后，可实现平台7与工装10的安装面，以及热像仪11与工装10的安装面的紧密接触。

取下分束镜3、立方镜8，用螺钉通过通孔9将工装紧固在平台7上。将热像仪11的镜头对准红外平行光管6，将红外热像仪11安装脚上的通孔对准工装10上的螺纹孔，并用螺钉拧紧。圆孔靶2的红外辐射经红外平行光管6，成像到红外热像仪11的焦面上，并输出到监视器12上，如图4所示。通过计算热像仪11的像点中心到视场中心（一般用热像仪十字分划中心来标识）的“竖直距离”，即可得到热像仪11俯仰或方位方向的系统瞄准线偏差（单位一般为mrad）。

图4 测试方法二的系统瞄准线的测试原理图

测试方法二已用于多种型号国产红外热像仪的系统瞄准线平行性的测试，测试精度高，测试过程简单可靠；基于该测试方法建立的系统瞄准线平行性测试系统已在国内XXX一级计量检测站得到广泛应用。

2.2.2.2 优缺点分析

1）优点

①测试方法二几乎适用于所有的热像仪系统瞄准线的测试，设备通用性较好。

②平台7和工装10是刚性的，避免了测试方法一中因重量差异或放置位置差异而引入的测试误差。

③热像仪系统瞄准线测试完成后，不会破坏现有测试系统的测试效果和测试精度，无需针对下一台红外热像仪进行重新校准，仅需一定时间（几周或几个月）对测试系统进行校准或计量即可。

④平台7与工装10之间、红外热像仪和工装10之间均用螺钉紧固配合，测试值更能反映系统瞄准线偏差的实际情况。

⑤光轴稳定性的数值直接通过电脑计算得出，计算误差处于微秒级，不会引入测试人员的读数误差。

2）缺点

①测试方法二仅对平台7进行系统瞄准线平行性校准，工装10引入后，其上下表面的平面度误差、上下表面之间的平行度误差会叠加到测试结果中，影响测试精度；

②在进行系统瞄准线测试之前，均需设计加工与热像仪对应的工装10，且每次需进行工装10及红外热像仪的拆卸或紧固，测试过程相对麻烦一些。

3 测试精度分析及测试方法改进建议

3.1 测试精度分析

通过对测试方法一和测试方法二的优缺点的分析总结，笔者认为测试方法二较测试方法一的测试原理更严谨、测试精度更高。方法二的测试精度主要受立方镜的角度误差、工装10上下表面的平面度误差、工装10上下表面之间的平行度误差的影响。

立方镜用于校准安装基面模拟面与红外平行光管输出平行光束之间的平行度，其自身的角度误差会直接影响红外热像仪瞄准线平行性的测试精度。立方镜相邻两个面的角度误差可以控制在2²以内。

工装10上下表面的平面度误差（设为）和上下表面之间的平行度误差（设为）与安装基面模拟面的长度或宽带（设为）有关。一般来说，越小，、越好控制；但在缩小的同时，、需相应减小，否则、对系统瞄准线平行性精度的影响会加大。、引入的某个方向（方位或俯仰）上系统瞄准线平行性测试误差的最大值max≈3600(＋)/。根据国产典型红外热像仪的外形尺寸及当前的机加水平，取300mm，、均为0.02mm，则max≈0.48²。

综上所述，方法二对红外热像仪系统瞄准线平行性的测试误差[8-9]最大值约为(2＋3600(＋)/)²；对国产典型红外热像仪系统瞄准线平行性的测试误差小于3²，远低于国产典型红外热像仪系统瞄准线平行性的技术指标要求：0.3mrad(61.8²)～0.8mrad(164.8²)。

3.2 测试方法改进建议

可针对测试方法二的不足之处，进行设备改进，使其测试原理更严谨、测试精度更高。改进措施如下：

1）针对某几种或更多型号的热像仪的机械接口来设计工装10，即在工装10上设计能够分别安装多种型号红外热像仪的螺纹孔。在设计和加工过程中，在保证安装螺纹孔各自的大小和位置的同时，严格控制工装10上所有与热像仪安装基面接触的平面（安装基面模拟面）的平面度和平行度，一般控制在0.02mm以内。

2）测试之前，对照测试方法二，直接对工装10上的安装基面模拟面进行系统瞄准线校准，从而有效去除3.1节中所述的、误差，进一步提高红外热像仪系统瞄准线平行性的测试精度。

改进后的测试方法拥有测试方法二的所有优点，改进或避免了测试方法二的缺点，测试原理更严谨；虽然只能针对有限种类的热像仪进行测试，通用性相对于测试方法二稍差，但统一使用一套工装10来对一定种类的热像仪进行系统瞄准线测试，有利于提高测试精度和减小反复拆装工装10的繁琐度；仅需定期对系统进行一次校准或计量，即可在一定时间周期内满足一定种类和批量的红外热像仪系统瞄准线的测试需求，测试通用性更好，测试效率更高。

[1] 蔡毅, 王岭雪. 红外成像技术中的9个问题[J]. 红外技术, 2013, 35(11): 671-682.

[2] 姚敏, 刘邦. 一种基于图像融合的红外图像预处理算法[J]. 红外技术, 2014, 36(4): 326-330.

[3] 国防科学技术工业委员会. 军用热像仪通用规范[S]. 1995.

[4] 田海雷, 汪岳峰, 张伟. 基于自准直的立方镜姿态测量方法研究[J]. 红外技术, 2007, 29(12): 701-707.

[5] 叶露, 马军. 光轴与其系统瞄准线检验方法的探讨[J]. 计量技术, 2004(7): 65-66.

[6] 阙立志. 3～13mm宽带红外分束镜研究[J]. 红外技术, 2011, 33(12): 695-698.

[7] 杨振, 李广云, 黄桂平, 等. 基于自准直的立方镜姿态测量方法研究[J]. 宇航计测技术, 2010, 30(2): 14-17.

[8] 沙定国. 实用误差理论与数据处理[M]. 北京: 北京理工大学出版社，1993.

[9] 林洪桦. 测量误差与不确定度评估[M]. 北京: 机械工业出版社，2010.

Discussion of Domestic Testing Methods for Parallelism of Optical Axis and Datum Clamp Plane for IR Imager

XIA Li-kun1，ZI Zheng-hua2，YAN Ming2，TAO Liang2，MO Qi-yuan1，WANG Zheng-qiang2，LI Chang-cheng1

（1.，650223，；2.，650223，）

Parallelism of optical axis and datum clamp plane for IR imager is discussed and its meaning is analyzed and summarized. Then, two typical domestic methods for parallelism of optical axis and datum clamp plane for IR imager are analyzed and their rigors, advantages and disadvantages are summarized. Finally, a more effective and reliable testing method is proposed. Its testing principle is more rigorous and its testing precision is higher.

IR imager，parallelism of optical axis and datum clamp plane，test method

TN216

A

1001-8891(2015)06-0523-05

2014-10-21；

2015-01-05.

夏丽昆（1974-），女，工程硕士，工程师，主要从事红外产品的质量监督和检验验收。

国防科技工业技术基础科研项目。