CN112068322B - 基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正方法，一、利用双激光位移传感器测角原理，测量被校正探测器侧平面调整偏角；二、多次测量侧平面调整偏角及探测器输出图像中十字中心偏移量，建立两者之间的数学模型；三、通过图像处理算法求得探测器输出图像中十字中心与靶标偏差量，带入探测器侧平面调整偏角与图像十字中心偏移量数学模型中求得探测器侧平面偏角调整量；四、调整长圆孔量使双激光位移传感器测角系统数显值与所求得偏角调整量一致即完成该探测器光轴平行性校正。本发明方法量化了光轴校正中长圆孔调整量，校正过程可视化易于操作，校正精度高并可记录偏角调整量，用于之后拆卸复装无需再次校正。

Description

基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正方法

技术领域

本发明属于多探测器平台光电系统光轴调校技术领域，涉及一种基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正方法。

背景技术

为满足光电设备全天候、智能化及复杂使用环境下的使用需求，多光电传感器组成的多模平台光电系统被大量研制并已投入使用。在多传感器平台光电系统的研制及生产过程中，需多次校正各传感器光轴平行性以保证光电设备指示精度。

目前常用的光轴平行性校正方法，是通过探测器对平行光管中目标靶的观测，调节探测器方位或俯仰角度，从而满足系统光轴平行性要求。但在调校过程中方位或俯仰角度只有一个可使用垫片调节，另一角度只能通过结构预留长圆孔进行调节；长圆孔调节过程中调节量无法量化，仅依靠人工经验通过反复拆装进行调校，耗时较长、工作量大且多次拆装极易增加系统结构应力。因此，为解决该问题，需设计一种新型光轴平行性校正方法，量化长圆孔调节角度变化量，快速校正多光电传感器系统光轴平行性。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种采用激光位移传感器进行的可视化、调整参数可量化且具有重复拆装后无需再次校正能力的光轴平行性校正方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正系统，校正系统包括：

光轴校正平台7；

光具座4，安装在光轴校正平台7上，其上安装待校正光电探测器3和基准光电探测器10；具体地，在光轴校正平台7上并排布置光具座固定支架一5和光具座固定支架二6，光具座4安装在光具座固定支架一5和光具座固定支架二6上，实现被支撑和固定；待校正光电探测器3安装在光具座4上方，基准光电探测器10安装在光具座4下方；

纵向传感器支架8，可移动地安装在光轴校正平台7上，其可移动方向为靠近或远离光具座4的方向；

横向传感器支架9，安装在纵向传感器支架8上，其长度方向与纵向传感器支架8的可移动方向垂直；

第一激光位移传感器1及第二激光位移传感器2，并排安装在横向传感器支架9上，其发射口朝向待校正光电探测器3侧面。

基于上述校正系统，本发明的光轴平行性校正方法包括以下步骤：

第一步：搭建光轴平行性校正装置，并将其置于平行光管有效通光孔径中

校正装置包括安装工装，在安装结构工装上安装第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2、待校正光电探测器3与基准光电探测器10，使第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2、待校正光电探测器3三者间的位置关系可调节；并通过串口完成第一激光位移传感器1与第二激光位移传感器2的数据流传输。

具体地，安装结构工装包括：光轴校正平台7、光具座4、纵向传感器支架8和横向传感器支架9；光轴校正平台7上并排布置光具座固定支架一5和光具座固定支架二6，光具座4安装在光具座固定支架一5和光具座固定支架二6上，待校正光电探测器3安装在光具座4上方，基准光电探测器10安装在光具座4下方；纵向传感器支架8可移动地安装在光轴校正平台7上，其可移动方向为靠近或远离光具座4的方向；横向传感器支架9安装在纵向传感器支架8上，其长度方向与纵向传感器支架8的可移动方向垂直；第一激光位移传感器1及第二激光位移传感器2并排安装在横向传感器支架9上，其发射口朝向待校正光电探测器3侧面。

其中，光具座4上开设有长圆孔，待校正光电探测器3安装在长圆孔内，通过长圆孔方便调整待校正光电探测器3侧面的倾斜度，该处的倾斜度可以理解为待校正光电探测器3侧面相对基准光电探测器10光轴的倾斜程度。

基于测角平台，建立O-XYZ坐标系中，OZ向为第一激光位移传感器1与第二激光位移传感器2连线方向，OX向为第一激光位移传感器1激光发射窗口光轴方向，OY向为垂直于OXZ平面方向。

第二步：调整校正装置位置，使基准光电探测器10输出图像中心十字对准平行光管靶标中心

第三步：双激光位移传感器偏差量计算及显示

待校正光电探测器3处于初始位置时，设第一激光位移传感器1及第二激光位移传感器2输出位移值为X1、X2，待校正光电探测器3移动使其侧面倾斜度变化后，第一激光位移传感器1及第二激光位移传感器2输出位移值为Y1、Y2，可得：

其中，R为第一激光位移传感器1及第二激光位移传感器2在OZ轴向上的距离，待校正光电探测器3偏移角度量为γ，设γ0、γ1为待校正光电探测器3移动前及第一次移动后其侧面与OX轴之间夹角；从而量化待校正光电探测器3光轴通过长圆孔调节的调节量。

第四步：待校正光电探测器3调节量与图像十字中心偏移量数学模型的建立

多次通过长圆孔调整待校正光电探测器3与OX轴向夹角，记录探测器偏移角度量γ0、γ1、γ2……γn，由γ1-γ0、γ2-γ1、γ3-γ2……γn-γ(n-1)后得到每次调整后调整量的变化量值记为ω1、ω2、ω3……ωn；通过图像灰度阈值加权光能中心提取算法，即设定图像灰度阈值提取探测器输出图像中亮点坐标值，以亮点灰度为加权条件计算出图像光能中心点与探测器输出图像中心OX轴向偏移值，视为每次调整后探测器输出图像靶标中心点与探测器中心十字OX轴向的偏移量，该量相减后得到每次调整后探测器十字移动量，记为P1、P2、P3……Pn，使用最小二乘法对探测器十字移动量记录值进行拟合，得到待校正光电探测器3调节量ω与图像中探测器十字移动量P之间的系统状态方程：P＝M(ω)。

第五步：待校正光电探测器3光轴平行性校正

通过图像灰度阈值加权光能中心提取算法得出探测器十字到靶标中心移动量S＝P带入待校正光电探测器3调节量与图像探测器十字移动量系统状态方程P＝M(ω)中，求得待校正光电探测器3调节量ω；上述计算过程由工控机通过串口采集第一激光位移传感器1及第二激光位移传感器2输出量并进一步运算得到，运算结果通过工控机显示器显示于光轴平行性校正信息显示界面上，用于操作人员查看；操作人员只需调整长圆孔将激光位移传感器测角的数显显示值γ调节至γ+ω值，即可完成光轴平行性校正工作。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正方法，与现有技术相比，其显著优点为：(1)量化调节量，降低操作人员操作难度，减少对操作人员熟练度及经验的依赖；(2)较高的校正精度，采用高精度激光位移传感器及图像处理技术相结合的方式提升了光轴平行性校正精度；(3)极大提高了探测器重复拆装过程中光轴平行性校正效率，复装时只需通过激光位移传感器测角装置按拆卸前所测量的调整量进行重新安装，即可保证探测器该轴向光轴平行性。

附图说明

图1是双激光位移传感器测角原理示意图；

图2是本发明操作人员光轴平行性校正信息显示界面示意图；

图3是本发明实施例光轴平行性校正装置结构示意图。

图中：1-第一激光位移传感器、2-第二激光位移传感器、3-待校正光电探测器、4-光具座、5-光具座固定支架一、6-光具座固定支架二、7-光轴校正平台、8-纵向传感器支架、9-横向传感器支架、10-基准光电探测器。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

首先，本发明提供一种基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正系统，参照图3所示，校正系统包括：

光轴校正平台7；

光具座4，安装在光轴校正平台7上，其上安装待校正光电探测器3和基准光电探测器10；具体地，在光轴校正平台7上并排布置光具座固定支架一5和光具座固定支架二6，光具座4安装在光具座固定支架一5和光具座固定支架二6上，实现被支撑和固定；待校正光电探测器3安装在光具座4上方，基准光电探测器10安装在光具座4下方；

纵向传感器支架8，可移动地安装在光轴校正平台7上，其可移动方向为靠近或远离光具座4的方向；

横向传感器支架9，安装在纵向传感器支架8上，其长度方向与纵向传感器支架8的可移动方向垂直；

第一激光位移传感器1及第二激光位移传感器2，并排安装在横向传感器支架9上，其发射口朝向待校正光电探测器3侧面。

光轴平行性校正的目的是为将待校正光电探测器3和基准光电探测器10的光轴调整为相互平行。本实施例校正系统的工作原理为：首先，将校正装置置于平行光管有效通光孔径中，图3中所建立O-XYZ坐标系中，OZ向为第一激光位移传感器1与第二激光位移传感器2连线方向，OX向为第一激光位移传感器1激光发射窗口光轴方向，OY向为垂直于OXZ平面方向；其次，调整校正装置位置，使基准光电探测器10输出图像中心十字对准平行光管靶标中心；接下来，使用螺钉将待校正光电探测器3与光具座4相连接，在螺钉未压紧状态下，通过光具座4上的长圆长圆孔的调节使待校正光电探测器3输出图像中心十字与平行光管靶标中心沿OX轴向重合，使用第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2测量待校正光电探测器3侧面与第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2出光口平面沿OX轴向的距离，并通过串口传送至工控机计算待校正光电探测器3侧面在OXZ面上的投影所在直线与OX轴间夹角γ，并以此夹角作为量化待校正光电探测器3长圆孔调节量的参考指标；最后，建立待校正光电探测器3调整量偏角量ω与待校正光电探测器3输出图像中心十字偏移量P的数学模型，并得到将图像中心十字调整至平行光管靶标中心所需调整偏角量，以此作为待校正光电探测器3长圆孔调整量对其进行调整，完成后压紧螺钉，即完成待校正光电探测器3与基准光电探测器10间OX轴向光轴平行性校正。

以下具体实施例中将介绍通过双激光位移传感器测角原理量化校正过程中的长圆长圆孔调整量及光轴OX轴向校正过程。

图1为双激光位移传感器测角原理示意图。实施例中采用松下HG-C1030激光位移传感器，其测量范围为30±5mm、精度为0.01mm；根据待校正光电探测器尺寸调整第一激光位移传感器1及第二激光位移传感器2于横向传感器支架9上相对位置确定双激光位移传感器相对位置量R；并调整纵向传感器支架8于光轴校正平台7上位置使第一激光位移传感器1及第二激光位移传感器2发射口端面距离待校正光电探测器3侧面距离为30mm；通过工控机串口采集第一激光位移传感器1及第二激光位移传感器2输出位移值Z1、Z2，由图1所示双激光位移传感器测角原理可得：

计算出γ角度值，显示于工控机光轴平行性校正信息显示界面如图2所示的偏角值显示窗口中。

操作人员通过长圆孔调整探测器安装位置，记录工控机光轴平行性校正信息显示界面中偏角值γ及由图像处理算法得到并显示于界面中的探测器十字与靶标中心偏移值S，形成TXT文件，并通过数据分析软件处理逐次相减计算出偏角的变化量值ω1、ω2、ω3……ωn及每次调整后探测器十字移动量值为P1、P2、P3……Pn，使用最小二乘法对两种数据进行拟合，得到探测器调节量ω与图像中探测器十字移动量p之间的系统状态方程：P＝M(ω)。

记录当前时刻记录工控机光轴平行性校正信息显示界面中偏角值γ0及偏移值S0，将P＝S₀带入方程P＝M(ω)中求得ω，通过长圆孔调节探测器安装位置使得工控机光轴平行性校正信息显示界面中偏角值γ＝γ0+ω；此时完成该探测器OX轴向光轴平行性校正。如需重新拆装待校正光电探测器3，只需在复装时通过长圆孔调节将工控机光轴平行性校正信息显示界面中的偏角值调整至γ＝γ0+ω，即可保证该探测器OX轴向的光轴平行性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正系统，其特征在于，包括：

光轴校正平台(7)；

光具座(4)，安装在光轴校正平台(7)上，其上安装待校正光电探测器(3)和基准光电探测器(10)；

纵向传感器支架(8)，可移动地安装在光轴校正平台(7)上，其可移动方向为靠近或远离光具座(4)的方向；

横向传感器支架(9)，安装在纵向传感器支架(8)上，其长度方向与纵向传感器支架(8)的可移动方向垂直；

第一激光位移传感器(1)及第二激光位移传感器(2)，并排安装在横向传感器支架(9)上，其发射口朝向待校正光电探测器(3)侧面。

2.如权利要求1所述的基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正系统，其特征在于，所述光轴校正平台(7)上并排布置光具座固定支架一(5)和光具座固定支架二(6)，光具座(4)安装在光具座固定支架一(5)和光具座固定支架二(6)上；待校正光电探测器(3)安装在光具座(4)上方，基准光电探测器(10)安装在光具座(4)下方。

3.如权利要求2所述的基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正系统，其特征在于，所述光具座(4)上开设有长圆孔，待校正光电探测器(3)安装在长圆孔内，通过长圆孔调整待校正光电探测器(3)侧面的倾斜度，该倾斜度为待校正光电探测器(3)侧面相对基准光电探测器(10)光轴的倾斜程度。

4.如权利要求3所述的基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正系统，其特征在于，所述第一激光位移传感器(1)和第二激光位移传感器(2)通过串口连接工控机，向工控机传输所采集的数据流。

5.一种基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：搭建光轴平行性校正装置，并将其置于平行光管有效通光孔径中

校正装置包括安装工装，在安装结构工装上安装待校正光电探测器3、基准光电探测器(10)和并排布置的第一激光位移传感器(1)、第二激光位移传感器(2)，第一激光位移传感器(1)、第二激光位移传感器(2)发射口朝向待校正光电探测器(3)侧面且三者间的位置关系可调节；通过串口完成第一激光位移传感器(1)与第二激光位移传感器(2)的数据流传输；

基于安装工装，建立O-XYZ坐标系中，OZ向为第一激光位移传感器(1)与第二激光位移传感器(2)连线方向，OX向为第一激光位移传感器(1)激光发射窗口光轴方向，OY向为垂直于OXZ平面方向；

第二步：调整校正装置位置，使基准光电探测器(10)输出图像中心十字对准平行光管靶标中心

第三步：双激光位移传感器偏差量计算

待校正光电探测器(3)处于初始位置时，设第一激光位移传感器(1)及第二激光位移传感器(2)输出位移值为X1、X2，待校正光电探测器(3)移动使其侧面倾斜度变化后，第一激光位移传感器(1)及第二激光位移传感器(2)输出位移值为Y1、Y2，可得：

其中，R为第一激光位移传感器(1)及第二激光位移传感器(2)在OZ轴向上的距离，待校正光电探测器(3)偏移角度量为γ，设γ0、γ1为待校正光电探测器(3)移动前及第一次移动后其侧面与OX轴之间夹角，以量化待校正光电探测器(3)光轴通过长圆孔调节的调节量；

第四步：待校正光电探测器(3)调节量与图像十字中心偏移量数学模型的建立

多次通过长圆孔调整待校正光电探测器(3)与OX轴向夹角，记录探测器偏移角度量γ0、γ1、γ2……γn，由γ1-γ0、γ2-γ1、γ3-γ2……γn-γ(n-1)后得到每次调整后调整量的变化量值，记为ω1、ω2、ω3……ωn；设定图像灰度阈值提取待校正光电探测器(3)输出图像中亮点坐标值，以亮点灰度为加权条件计算出图像光能中心点与探测器输出图像中心OX轴向偏移值，视为每次调整后探测器输出图像靶标中心点与探测器中心十字OX轴向的偏移量，该量相减后得到每次调整后探测器十字移动量，记为P1、P2、P3……Pn，使用最小二乘法对探测器十字移动量记录值进行拟合，得到待校正光电探测器3调节量ω与图像中探测器十字移动量P之间的系统状态方程：P＝M(ω)；

第五步：待校正光电探测器(3)光轴平行性校正

通过图像灰度阈值加权光能中心提取，得出探测器十字到靶标中心移动量S＝P带入待校正光电探测器(3)调节量与图像探测器十字移动量系统状态方程P＝M(ω)中，求得待校正光电探测器(3)调节量ω，以此值调整待校正光电探测器(3)光轴，实现与基准光电探测器(10)光轴的平行性校正。

6.如权利要求5所述的基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正方法，其特征在于，第一步中，安装工装包括：光轴校正平台(7)、光具座(4)、纵向传感器支架(8)和横向传感器支架(9)；光轴校正平台7上并排布置光具座固定支架一(5)和光具座固定支架二(6)，光具座(4)安装在光具座固定支架一(5)和光具座固定支架二(6)上，待校正光电探测器(3)安装在光具座(4)上方，基准光电探测器(10)安装在光具座(4)下方；纵向传感器支架(8)可移动地安装在光轴校正平台(7)上，其可移动方向为靠近或远离光具座(4)的方向；横向传感器支架(9)安装在纵向传感器支架(8)上，其长度方向与纵向传感器支架(8)的可移动方向垂直；第一激光位移传感器(1)及第二激光位移传感器(2)并排安装在横向传感器支架(9)上。

7.如权利要求6所述的基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正方法，其特征在于，第一步中，光具座(4)上开设有长圆孔，待校正光电探测器(3)安装在长圆孔内，通过长圆孔调整待校正光电探测器(3)侧面的倾斜度，该倾斜度为待校正光电探测器(3)侧面相对基准光电探测器(10)光轴的倾斜程度。

8.如权利要求7所述的基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正方法，其特征在于，第三步至第五步中，工控机通过串口采集第一激光位移传感器(1)及第二激光位移传感器(2)输出量并计算得到待校正光电探测器(3)调节量ω，运算结果通过工控机显示器显示于光轴平行性校正信息显示界面上，用于操作人员查看；操作人员调整长圆孔将激光位移传感器测角的数显显示值γ调节至γ+ω值，即完成光轴平行性校正工作。

9.如权利要求5所述的基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正方法，其特征在于，所述第一激光位移传感器(1)、第二激光位移传感器(2)采用松下HG-C1030激光位移传感器，其测量范围为30±5mm、精度为0.01mm。

10.如权利要求5所述的基于激光位移传感器的多探测器系统光轴平行性校正方法，其特征在于，所述第一激光位移传感器(1)及第二激光位移传感器(2)发射口端面距离待校正光电探测器(3)侧面距离为30mm。

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