校靶鏡檢定裝置設計與圖像處理技術研究

王鑫，趙玉艷，劉立欣，向陽，車英

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.中國白城兵器試驗中心，白城 137001）

校靶鏡檢定裝置是靶場試驗的關鍵測試設備，不同于以往的測量手段，而是以光電測量技術為主體的新一代實時光電測量系統。

本文采用外調焦平行光管提供四種模擬目標，由CCD攝像系統對圖像進行采集，根據圖像判讀程序對數據處理分析，達到了檢定要求。

1 校靶鏡檢定裝置工作原理

傳統的校靶鏡檢定裝置的光路圖如圖1所示，分劃板3經透鏡組4和物鏡5成像后與分劃板7相交，人眼通過目鏡8對分劃板3和7的偏移量進行判讀，以此檢定校靶鏡是否符合要求。

圖1 校靶鏡檢定光路原理示意圖

由于傳統的檢定方法對人眼的分辨力要求較高，易產生視覺疲勞。校靶鏡的檢測位置不同，人工操作不便，因此研究了一種新型的校靶鏡檢定裝置。根據光路的可逆原理，將目鏡8改為環形光源，以滿足不同的檢測位置，將光源1改為CCD相機，利用CCD攝像系統替代人眼進行圖像判讀。

如圖2所示，該裝置主要對已有校靶鏡進行檢定。檢測時，將被檢校靶鏡插入標準套筒，通過環形光源照明，校靶鏡提供的目標經過平行光管成像在焦面的分劃板上，通過CCD攝像系統觀察校靶鏡分劃板十字絲與平行光管環形分劃板位置，經圖像判讀系統給出偏移量，經數據處理后，系統自動判定檢測結果。

圖2 校靶鏡檢定裝置結構示意圖

校靶鏡檢定裝置主要由外調焦平行光管、CCD攝像系統、圖像判讀及數據處理系統、標準套筒、V型承座、基座以及支撐等組成。

該系統的工作原理是利用光學成像原理，在室內為各種型號的校靶鏡提供模擬的校靶目標，光學系統是校靶鏡檢定裝置的基本組成部分，其結構參數和性能參數依據校靶鏡的整體要求來確定，所設計的校靶鏡檢定裝置主要由三部分實現：外調焦平行光管、CCD攝像系統和圖像處理系統。

2 系統基本組成

2.1 外調焦平行光管

平行光管的作用是形成平行光。根據幾何光學原理，無限遠處的物體經過透鏡后將成像在焦平面上；反之，從透鏡焦平面上發出的光線經透鏡后將成為一束平行光。如果將一個物體放在透鏡的焦平面上，那么它將成像在無限遠處［1］。

由于該裝置對不同距離的目標進行觀察測量，需要對光學系統進行調焦。從結構形式上說，有內調焦和外調焦之分。根據物體成像清晰度的情況，用手來調節調焦鏡組，以此來保證成像的清晰有效性，本裝置采用外調焦方式。

為了對20m、50m、100m以及無窮遠四種模擬目標進行觀察瞄準，移動物鏡，使之在分劃面上獲得清晰的目標像，通過手動調焦的方式，在調焦時，只需用手來調節鏡頭外端的調焦環，調焦環上刻有被攝物體與所對應調焦量間距離的標度尺，隨著調焦環的轉動，帶動透鏡鏡筒上的機械結構，使得光學系統中的整個透鏡組產生沿軸進行軸向運動，最終使鏡頭的焦點落于成像的感光原件上。由于是整組鏡頭的移動，鏡片與鏡片的相對位置保持不變，因此便能始終保持像的位置處于感光原件上，所成像為最清晰有效像［2］。

設計要求平行光管焦距 f=500mm，口徑D=50mm，提供校靶距離為20m、50m、100m以及無窮遠?？芍鄬趶?，視場角2ω=0.8°。

根據要求可知x分別為20m、50m、100m及∞，焦距 f=500mm，則根據牛頓公式有：

其中，x：表示物方距離；x'：表示像方距離。

該裝置選用FPG-6型F500平行光管，具有像質良好的雙膠物鏡，可作瞄準用的無窮遠目標，是光學儀器生產裝校工作中最基本的儀器之一。技術參數如下：焦距 f=500mm，有效孔徑Φ=50mm。

外調焦平行光管可提供四種模擬距離，具體參數如表1所示。

表1 外調焦平行光管參數

2.2 CCD攝像系統

CCD攝像系統一般由光學系統（主要指物鏡）、光電轉換系統（主要指CCD）和電路系統（主要指視頻處理和控制電路）三大部分組成。其工作原理如圖3所示，由目標反射的可見光經光學系統成像到光敏面上經過光電轉換產生的信號電流放大后進入CCD相機，經計算機處理后把目標圖像輸出到顯示器上［3］。

圖3 CCD攝像系統工作原理圖

該裝置CCD攝像系統要求像素≥1634×1200，選用型號為IK200M的CCD工業相機，具體參數如表2所示。

表2 IK200M相機主要參數

2.3 圖像處理系統

2.3.1 圖像判讀原理

以主鏡十字絲中心為原點建立笛卡爾坐標系（判讀設置時，用鼠標選定的電軸中心位置，應和圖像上的電軸中心重合），設A點為目標點，坐標為（xA,yA），它偏離原點（xo,yo）的量稱為偏離量，記做（Δx,Δy）。把測量出來的偏離量（Δx,Δy）連同光測設備的測量信息進行數據處理，可完成對目標運動參數的事后分析［4］。圖像判讀原理如圖4所示，則對應的偏離量為：

圖4 圖像判讀原理圖

2.3.2 判讀方法

本文采用環形分劃板與十字絲分劃板結合的方式對校靶鏡的偏移量進行檢定。

環形分劃板的分劃間隔為0.1mil（即21.6″），以環形分劃板中心為原點，十字絲交點為目標點，目標點偏離原點的距離即為被檢定校靶鏡的偏移量。如圖5所示，通過CCD攝像系統觀察校靶鏡分劃板十字絲與平行光管環形分劃板位置，經圖像判讀系統給出偏移量，數據處理后，系統自動判定檢測結果。根據視場角公式計算可知：

其中ω=21.6",f=500mm，計算得出x的最小間距為0.05mm，即環形分劃板最小間距為0.05mm。

圖5 環形分劃板與十字絲偏移量判讀示意圖

3 結論

傳統的校靶鏡檢定方法都是通過人工檢定，但是由于被測校靶鏡不同的檢測位置，對于人工檢定具有局限性。本文設計研究了一種新型的校靶鏡檢定裝置，通過外調焦準直光管對校靶鏡成像，滿足四種不同校靶距離的校靶鏡的檢定需要。同時利用CCD攝像系統與圖像判讀系統替代了人眼讀數，排除了校靶過程中人為的不確定因素，使校靶過程自動化。

與傳統的測試方法相比，該裝置具有精度高，誤差小，省時省力的特點，能夠滿足現代軍事測試試驗領域的需求，提高自動化程度，簡化檢定環節，減少人為誤差。

［1］王磊，王守印，周虎，等.平行光管的基本原理及使用方法［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：980-981.

［2］王珊珊.機器視覺大孔徑大市場內調焦光學系統的研究［D］.長春理工大學，2012.

［3］王慶有.CCD應用技術［M］.天津：天津大學出版社，2000.

［4］劉春霞.紅外視頻圖像判讀的預處理技術研究［D］.長春光學精密機械與物理研究所，2003.

［5］崔瑩瑩，文大化，呂超，等.可見與近紅外波段大視場平行光管物鏡設計研究［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2011，34（2）：38-39.

［6］王子沫.火炮穩定精度測試系統研究［D］.長春理工大學，2012.