高重频激光瞄准系统精度测试方法研究

高重频激光瞄准系统精度测试方法研究

杨俊;亓洪兴;李正文

【摘要】This paper presents a laser aiming accuracy test method to meet the aiming accuracy requirement of laser targeting system.The calibration method of the system is simple.The target and camera system are installed in a fixed relative position,so the system can be used as a moving target to test the laser aiming accuracy of moving objects.The system can track high frame rate laser pulses.The analysis of the grayscale image which shows the energy distribution of laser pulse shows that the centroid of the laser spot is not exactly the center.The system uses the weighted gray barycentric method to calculate the center position of the beam

spot,which provides a better accuracy than the simple barycentric method.System test experimental results with double-wedge method show that the accuracy of laser spot center position is better than O.2 mm.The method is valuable in engineering application.%为满足对激光瞄准系统瞄准精度的测量要求,设计了一套激光瞄准偏差测试系统,该系统定标方法简单,靶标与拍摄系统相对位置固定,能够作为移动靶标测试激光跟瞄移动物体的瞄准精度.该系统能够跟踪高帧频的激光脉冲.通过对激光脉冲能量分布图像的分析确定了图像处理和灰度加权重心法相结合的光斑中心提取算法,提高了系统测试精度.并使用双光楔法对该系统进行了测试,实验结果表明系统对激光光斑中心的定位精度高于0.2 mm.该方法具有较高的工程应用价值.

【期刊名称】《激光与红外》

【年(卷),期】2011(041)006

【总页数】5页(P673-677)

【关键词】激光光斑;图像处理;中心;移动靶标

【作者】杨俊;亓洪兴;李正文

【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所,上海,200083;中国科学院上海技术

物理研究所,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,上海,200083

【正文语种】中文

【中图分类】TN247

激光具有能量集中、稳定度高、发散角小等优点，在空间目标定位等应用中有其无法替代的优越性，因此越来越多的被应用于瞄准设备。当激光瞄准设备距离靶标较远时，激光光束的扩散会导致光斑变大;激光光斑内能量的分布也会随时间发生变化;由于湍流效应的影响，光斑位置也会产生随机的偏折、漂移。这些现象都会导

致激光瞄准精度下降［1－2］。某些情况下，激光瞄准设备跟瞄的目标不是固定的，因此，为了验证跟瞄系统对移动目标的瞄准能力和瞄准精度，需要有能够对其瞄准性能进行测试的移动靶标和测试系统。

激光瞄准的精度决定了跟瞄或其他设备的准确度。为准确测量激光跟瞄移动靶标的瞄准精度，本文设计了一套用于测量激光瞄准精度的测试系统，靶标与测量系统相对位置固定，系统定标方法简单，可以作为移动靶标用于激光跟瞄系统的测试设备。通过对激光能量在激光光斑内分布状况的分析，提出了改进的重心法测量激光光斑能量中心，误差小于0.2 mm。通过双光楔法和移动靶标法的测试，对系统的测试精度进行了检测，测量精度能够满足系统要求。该设备用于激光瞄准系统的精度测

量，具有较高的工程应用价值。

当激光光斑落在探测器光敏面上时，由于光斑能量分布的不同，探测器上不同的光敏元将会获得与相应光能量所对应的灰度值ξ(i，j)，可以根据探测器获得的不同光敏元的灰度值推算出该点所对应的激光光斑的能量密度值κ(i，j):

式中，S(i，j)为光敏元的面积;φ是输入光束的总能量值。在探测器不饱和的前提下，光敏元的灰度值与该点对应的激光能量密度成正比，因此根据激光光斑能量密度值κ(i，j)的分布可以计算出激光光斑的能量中心，从而对激光瞄准精度进行评估。

激光瞄准精度测量实验装置设计如图1所示，其中的测量系统主要由3部分组成:靶标、PIN管探测器和CMOS相机。靶标中心嵌入可见光光源，作为激光瞄准目标，在激光引导设备的引导下，激光器瞄准靶标中心发出脉冲式激光，激光打中靶标后的散射光能被 PIN管采集到，产生触发信号，触发CMOS相机采集一幅靶标上具有激光光斑的照片，通过图像处理计算出激光光斑的中心与靶标中心的误差，从而可以计算出激光瞄准引导系统的引导误差。PIN管激光探测器和相机组成的光斑探测系统通过金属支架臂与靶标固定在一起，使得成像系统与靶标的相对位置不随靶标位置的改变而产生变化，从而靶标坐标系与测量坐标系之间有固定的转换关系。

系统采用对1064 nm波长的激光有响应能力的CMOS相机，并在相机前加1064 nm窄带滤光片以消除靶标中心光源干扰和环境光等光线的影响。当激光器以固定频率发射激光时，如图2所示，PIN管检测到靶标上散射的激光光线后延迟一段时间(约为激光重复周期ΔT)触发相机采集下一个激光光斑，因此该系统采集固定频率激光光斑图像时是从脉冲序列的第二个开始采集。这种测量方法可以最大程度地减小相机系统的积分时间，从而既可以实现光斑图像的高信噪比，又可以提高系统跟踪激光器的跟踪频率。本文试验中使用的相机最大外触发帧频可达15 Hz，因