双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性的方法技术方案

为满足使用单位定量检测光电探测系统多光轴一致性偏差的需求，利用通用自准直经纬仪的特性，研究了一种使用双经纬仪和全波段平行光管测量大间距光轴一致性偏差的方法。该方法可以完成可见光轴和红外光轴等多个光轴之间的一致性偏差的定量检测，该方法测量精度高，操作方便，适用于多种光学系统间的光轴一致性检测，解决了使用单位定量检测光电探测系统多光轴一致性偏差的难题。

【技术实现步骤摘要】
双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性的方法
本方法涉及多波段光学系统光轴空间指向的精密测量领域。本方法适用于大间距、多波段光学系统光轴一致性的精确测量。本专利技术属于光学精密测量

技术介绍
为提高光电探测系统的全天候工作能力，目前发展趋势是在一个跟踪平台上集成目视瞄准具、电视成像系统、短波红外系统、中波红外热像系统、长波红外热像系统等多个光电探测和成像系统。根据光电探测系统的设计要求，多个光学系统光轴之间应是平行的，每个光学系统光轴与基准光轴的一致性偏差一般不大于0.1mard。为提高探测范围和探测距离，通常电视成像系统和红外热像系统具有多种视场，光学系统的口径也比较大，因此各光电系统光轴最大间距达到1m～2m以上。各光学系统光轴与基准光轴的一致性是光电探测系统的一项关键技术指标，光轴之间的一致性偏差影响光电探测系统对目标位置的探测准确性，因此不仅在光电探测系统装调中需要精确测量光轴之间的一致性偏差，在光电探测系统使用过程中也需要定期检测各光轴之间的一致性偏差。在光电探测系统装调过程中，一般采用两种方法检测每个光学系统光轴与基准光轴的一致性偏差。第一种方法简称为检测靶法，是根据各光学系统的结构参数，确定各光学系统光轴之间的空间位置关系，按照光学系统光轴之间的空间位置关系研制一个检测靶，在检测靶上标示各光轴的对应标记，标志点的位置就是各光轴平行时在检测靶上的投影。检测时一般将检测靶架设在光电探测系统前方50m～100m处，光电探测系统调平后，调整检测靶与光电探测系统等高，并使光电探测系统基准光轴垂直于检测靶靶面，水平和上下调整检测靶的位置，使基准光学系统光轴瞄准对应的标志点。检查其它光学系统光轴是否瞄准对应标志点，若瞄准了对应标志点，说明该光学系统的光轴与基准光轴一致性满足要求，若没有瞄准对应标志点，可根据该光学系统在检测靶上的瞄准位置，计算光轴的偏差值，按照设计指标进行调整，一直到该光学系统的光轴一致性满足要求为止。第二种方法简称为平行光管法，是采用多波段大口径平行光管，这种光管的口径可达到一米或几米，采用溴钨灯或全波段光源做光源，发出的平行光可以覆盖目视瞄准具、电视成像系统、中波红外热像系统、长波红外热像系统、激光告警系统的使用光谱波段，平行光管一般是投射出暗背景下的亮十字分划，十字分划上有精确刻度线，便于被检测的光学系统瞄准和检测。检测时一般将光电探测系统架设在大口径平行光管前方，调整光电探测系统，使基准光学系统光轴瞄准大口径平行光管的十字分划中心，检查其它光学系统光轴是否瞄准十字分划中心。若没有瞄准十字分划中心，可根据该光学系统的瞄准位置，计算光轴的偏差值，按照设计指标进行调整，一直到该光学系统的光轴一致性满足要求为止。平行光管法是光轴一致性检测的经典方法，测试精度高，操作方便，适于光电系统研制和制造过程中的检测。但多波段大口径平行光管价格昂贵，对测试环境要求高，光电探测系统的使用单位是不具备这种多波段大口径平行光管，目前皆采用检测靶法进行定期检测各光轴之间的一致性偏差。由检测靶法的原理可知，检测靶的加工精度、架设角度、光电探测系统结构误差、外场检测环境、人工瞄准误差等因素皆影响检测精度，因此检测靶方法的精度相比多波段大口径平行光管方法低很多，对于精度要求高的光电探测系统，只能作为一种定性检测手段，不能定量检测光学系统光轴一致性偏差。为满足使用单位定量检测光电探测系统多光轴一致性偏差的需求，利用通用自准直经纬仪的特性，研究了一种双经纬仪测量大间距光轴一致性偏差的方法。该方法测量精度高，操作方便，适用于多种光学系统间的光轴一致性检测。该方法完成了对某型光电探测系统多光轴一致性偏差的检测，同时与平行光管法的检测数据进行了比对，两种检测方法的检测结果相吻合，说明了该方法的正确性和实用性。
技术实现思路
光学系统的光轴可看做是从光学系统中心沿光轴向探测方向发出的一条空间射线，光轴出射方向是射线指向，可以用矢量描述光轴的空间指向，两个光学系统光轴一致性偏差实质上是两个光轴矢量之间的空间夹角，因此测量光学系统光轴一致性偏差就是测量两个矢量的空间夹角。空间中的两个矢量，可以相交，也可以不相交。对于相交的两个矢量，为方便计算，以交点为坐标系原点建立三维直角坐标系，就可以用两矢量夹角公式计算了。不相交的两个矢量，可以平移一个矢量与另一个矢量相交后，也可用两个相交矢量夹角公式计算。设两个光轴矢量分别为和长度分别为r1和r2，采用球坐标描述光轴矢量时，M点坐标为N点坐标为两个光轴矢量的关系参见图1所示。设光轴矢量为基准光轴，则光轴矢量相对基准光轴的一致性偏差角φ为：用双经纬仪测量两个光轴的一致性偏差，是利用了经纬仪测角特性，将空间中两个被测量光轴进行了平移，使两个光轴相交，然后测量出两光轴夹角。一个光轴相对另一个光轴的一致性偏差是有方向的，可以向左偏，也可以向上偏，因此测量两个矢量的空间夹角要考虑空间夹角的方向，为准确描述两个光轴的空间位置关系，在测量时需要定义测量坐标系。为测量方便，测量坐标系定义如下：基准光学系统光轴出射方向为Z轴，光学系统中心O点为直角坐标系OXYZ的原点，XOY平面垂直于光轴，OX轴与大地水平面平行，沿光轴出射方向看，OX轴指向左侧，OY轴指向上方，OX轴与OY轴、OZ轴构成右手直角坐标系，测量坐标系OXYZ如图2所示。经纬仪测量光轴空间指向时，给出的是光轴方位角和俯仰角，为计算方便，并与经纬仪的测量角相匹配，采用球坐标描述光轴矢量，见图2所示的三维直角坐标系。通过测量被检光轴ON在测量坐标系OXYZ中的方位偏差角和俯仰偏差角θ，准确描述被检光学系统光轴与基准光学系统光轴的空间位置关系。按照测量习惯，方位偏差角是光轴ON在XOZ平面的投影线与Z轴的夹角，俯仰偏差角θ是光轴ON与其在XOZ平面的投影线的夹角。按照上述定义，基准光学系统光轴矢量是OZ轴指向，被检光轴ON的一致性偏差就是与OZ轴的偏差，OZ轴指向为方位偏差角(-90°～+90°)零点，被检光轴ON与XOZ面平行时，俯仰偏差角θ(-90°～+90°)为零。被检光轴ON在测量坐标系中，若指向偏向X轴的正向，则方位偏角为正，反之为负；若指向偏向Y轴的正向，则俯仰偏角为正，反之为负。参见图2所示。目前使用的典型光电探测系统包括目视瞄准具、电视成像系统、中波红外热像系统、长波红外热像系统等多个光电探测系统，从光谱上划分，目视瞄准具和电视成像系统属于可见光波段，中波红外热像系统和长波红外热像系统属于红外波段。目前通用的自准直经纬仪只能投射出可见光十字分划，红外系统不能观测到自准直经纬仪投射的十字分划，不能用经纬仪直接测量红外光学系统的光轴，需要借助一个全波段平行光管，此全波段平行光管的作用是将红外光学系统光轴平移到平行光管的光轴上，用经纬仪测量平行光管光轴的空间指向，这样就可测得红外光学系统光轴的空间指向。根据光电探测系统的工作原理和多光轴一致性测试需求，光电探测系统多光轴一致性测试需求可以概括为三种测试要求，一是两个可见光光轴之间的一致性测量；二是红外光轴相对可见光光轴的一致性测量；三是两个红外光轴之间的一致性测量。本专利技术针对这三种测量需求，分别设计了相应的测试方案，解决了大间距光轴之间一致性偏差精确测量的难题。本专利技术提出的三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性，包括以下步骤：第一步，选用2台具有自准直功能的经纬仪、1台全波段平行光管和1台具有锁定功能的三维姿态调整台，平行光管十字分划可精确二维移动，经纬仪和平行光管精度可根据多轴一致性测量精度需求确定，若条件允许，测量两个红外系统光轴一致性时，可以再增加同功能的全波段平行光管和具有锁定功能的三维姿态调整台各1台，提高测试效率；第二步，测试方案一和测试方案二中，架设2台经纬仪分别对准需测量的光学系统光轴后(若是红外光学系统，需要借助全波段平行光管和三维姿态调整台)，操作2台经纬仪对瞄，对2台经纬仪置零，测试方案三中，借助全波段平行光管和三维姿态调整台，架设2台经纬仪分别对准需测量的红外光学系统光轴后，记录2台经纬仪俯仰角示数，将2台经纬仪置零，；第三步，测试方案一和测试方案二中，操作2台经纬仪分别对准需测量的光学系统光轴，记录2台经纬仪的方位角和俯仰角示数，测试方案三中，操作2台经纬仪对瞄，记录2台经纬仪方位角示数；第四步，根据基准光学系统光轴的空间指向，计算测量坐标系与大地坐标系的关系，建立测量坐标系，在测量坐标系中计算一个光学系统光轴相对基准光学系统光轴的偏差角。其特征在于：第一步所述经纬仪一般选用高精度自准直经纬仪，平行光管口径一般为200mm～300mm，该口径经济适用；所述平行光管十字分划移动分辨率优于0.1′，提高对准精度；所述三维姿态调整台分辨率高于20′，便于调整平行光管姿态；第二步中，所述经纬仪(1)和经纬仪(2)的对瞄和置零、经纬仪(11)和经纬仪(12)的对瞄和置零，建立了数据计算基准，使用全波段平行光管(15)和三维姿态调整台(16)，实现了经纬仪(12)对红外光学系统(14)光轴的瞄准；第三步中，测试方案三的测试方法，实现了借助1台全波段平行光管(25)和1台具有锁定功能的三维姿态调整台(27)，完成两个红外光学系统(23)和红外光学系统(24)之间的光轴一致性测试；所述的经纬仪(21)和经纬仪(22)首先测量红外光学系统(23)和红外光学系统(24)的俯仰角，然后将经纬仪(21)和经纬仪(22)置零，最后操作经纬仪(21)和经纬仪(22)对瞄，记录经纬仪(21)和经纬仪(22)方位角示数，这个测试方法与测试方案一的测量原理一样，利用经纬仪(21)和经纬仪(22)对瞄建立数据计算基准，区别是对瞄的时机不一样；第四步中，三种测试方案的数据处理，皆在图2所示的测量坐标系中计算一个光轴相对另一个光轴的偏差角。...

【技术特征摘要】
1.双经纬仪测量多波段光学系统光轴一致性，包括以下步骤：第一步，选用2台具有自准直功能的经纬仪、1台全波段平行光管和1台具有锁定功能的三维姿态调整台，平行光管十字分划可精确二维移动，经纬仪和平行光管精度可根据多轴一致性测量精度需求确定，若条件允许，测量两个红外系统光轴一致性时，可以再增加同功能的全波段平行光管和具有锁定功能的三维姿态调整台各1台，提高测试效率；第二步，测试方案一和测试方案二中，架设2台经纬仪分别对准需测量的光学系统光轴后(若是红外光学系统，需要借助全波段平行光管和三维姿态调整台)，操作2台经纬仪对瞄，对2台经纬仪置零，测试方案三中，借助全波段平行光管和三维姿态调整台，架设2台经纬仪分别对准需测量的红外光学系统光轴后，记录2台经纬仪俯仰角示数，将2台经纬仪置零，；第三步，测试方案一和测试方案二中，操作2台经纬仪分别对准需测量的光学系统光轴，记录2台经纬仪的方位角和俯仰角示数，测试方案三中，操作2台经纬仪对瞄，记录2台经纬仪方位角示数；第四步，根据基准光学系统光轴的空间指向，计算测量坐标系与大地坐标系的关系，建立测量坐标系，在测量坐标系中计算一个光学系统光轴相对基准光学系统光轴的偏差角。其特征在于：第一步所述经纬仪一般选用高精度自准直经纬仪，平行光管口径一般为200mm～300mm，该口径经济适用；所述平行光管十字分划移动分辨率优于0.1′，提高对准精度；所述三维姿态调整台分辨率高于20′，便于调整平行光管姿态；第二步中，所述经纬仪(1)和经纬仪(2)的对瞄和置零、经纬仪(11)和经纬仪(12)的对瞄和置零，建立了数据计算基准，使用全波段平行光管(15)和三维姿态调整台(16)，实现了经纬仪(12)对红外光学系统(14)光轴的瞄准；第三步中，测试方案三的测试方法，实现了借助1台全波段平行光管(25)和1台具有锁定功能的三维姿...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡林亭，李佩军，刘泓佚，任成才，何洋，史圣兵，吴岩，廖旭博，
申请(专利权)人：胡林亭，李佩军，刘泓佚，
类型：发明
国别省市：吉林,22