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1、激光监测系统测量精度的检测方法胡林亭史德民任成才李佩军( 中国白城兵器试验中心白城1 3 7 0 0 1 )摘要：本文阐述了激光光斑模拟靶的检测原理，给出了激光光斑模拟靶标定激光监测系统测量精度的方法。激光光斑模拟靶成功用于激光监测系统的验收，为此类激光监测系统的检测提供了一种精度高、操作性好、经济适用的新方法。1 、前言激光照射精度制约半主动激光制导武器的命中精度。激光监测系统用于测量靶标上激光光斑重心位置，评定激光照射器的照射精度，因此激光监测系统自身测量精度需要检测。因激光监测系统测量精度高，目前国内未有用于检测的1 0 6 1 9 n 激光( 简称激光) 标准光源，也未有高精度设备进行
2、比对测试。通过分析激光监测系统的测量原理，提出了用阳光做光源，用激光光斑模拟靶( 简称光斑模拟靶) 代替激光标准光源进行检测的方法。从测试理论上阐述了C C D( 加装1 0 6 帅窄带) 测量1 0 6 连续光能量分布与1 0 6 1 t m 激光脉冲能量分布在原理上是一致的，精度是相等的；证明了用阳光做光源时，光斑模拟靶模拟光斑重心与其漫反射率重心位置一致，这两点是光斑模拟靶检测激光监测系统的理论基础，使分析和计算光斑模拟靶的检测精度变得简单易行。2 、激光光斑的测试原理2 1 激光监测系统的测试原理激光监测系统主要由C C D ，1 0 6 帅窄带及图像采集处理计算机等组成。C C D
3、具有视频和外触发两种工作模式，外触发模式可提高激光光斑录取率。1 9 7懈一矗刀Lsko“旧m肭乩，一龇川一? 一一一一一一一一吨一一一一一一一一一一一一瞅一一一一一一激m叫一m删叭、+ Lhnp二=m印! =一一一一一一一。一一一一一1 9 8照射在靶板上的激光脉冲具有空间域和时域分布特性。对于C C D 测量系统，激光光斑成像在各像元是空间域分布，各像元对激光脉冲的响应过程体现了时域特性。测试时采用均匀漫反射材料作靶板，在一个激光照射过程中，可认为阳光光强是不变的，未测到激光的C C D 像元( 简称像元) 灰度值是相同的。在时间为T 的激光脉冲测试过程中，像元响应系数为1 3 ，阳光能量
4、函数为E 阳( t ) ，激光能量函数为E 蠢( t ) ，激光脉宽为T 蠢，第i 个像元响应灰度值为I 。，则：。I ；= I j + I o一。( 1 )，式中：，。= 矽rE 期( ，) 西-( 2 )L = 筇PE t ( t ) d t，一一( ”I o 为背景灰度值，是像元对阳光的响应灰度值，等于未收到激光的像元灰度值。I 。为第i 个像元对激光响应灰度值，是激光光斑位置的函数。测试时以I o 为阀值，当I - I o 时，认为是激光光斑，当I t I o 时，是阳光背景。C C D ( 加装1 0 6 啪窄带) 对1 0 6 P r o 连续光与1 0 6 m 激光脉冲的响应是一
5、致的，用阳光做光源模拟激光光斑在原理上是正确的。以C C D 像面中心为原点建立直角坐标系，像元坐标为( x ；，Y ；) ，则激光光斑重心坐标为： i = 皆 歹= 瞥C C D 对阳光积分时间远大于激光脉宽，因此I o 与l i 是同量级的量，计算时应减去阳光背景，提高测量精度。2 2 光斑模拟靶的构成根据激光监测系统测量原理，由( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 式可知，像元响应的线性行影响激光监测系统测量精度，可选用不同漫反射率材料模拟光斑，提高检测的可信度。用低漫反射率( 对1 0 6 P r o光波，下文同) 材料做固定靶板，高漫反射率材料做光斑模拟靶板，在阳光下产生暗背景亮图
6、形，模拟激光光斑，实现检测要求。选取固定靶板漫反射率0 1 ，光斑靶板漫反射率i 0 6 。光斑靶板为方形( 3 0 c m X 3 0 c m ) 和圆形( 巾3 0 c m ) ，可加工多快组合使用。因激光监测系统与测试靶板面有一空间夹角，在测试靶板上设置十字线，修正空间夹角引起的测量误差，十字线定位钉位置精度0 1 m m 。光斑模拟靶结构见图4 。固定靶板十字线守伉点图4 激光光斑模拟靶结构图定位点、，4(、lk0一=吖一= 凡幺警凡“，f当0当，f_-_-_。l_-、2 3 光斑模拟靶的原理固定靶板漫反射率Po 光斑靶板漫反射率Pt ；、pz t 。在测试中，对固定靶板成像的像元响应
7、灰度值为I ot ，对光斑靶板成像的像元响应灰度值为I 。；和I 。因P - t 和Pzt 远大于Pot ，设定测量阈值I ( I o ， I I tt ) ，当像元灰度值I t I 时，设置I 。= O ，亦即I oi _ 0 ，此时光斑模拟靶在C C D 中的像是黑背景亮光斑。由( 2 ) 式、( 4 ) 式光斑模拟靶模拟光斑重心坐标为：( 当p j P o ，P ，= O ) ( i = l ，2 ，刀)( 5 )式中：Pt 为光斑模拟靶漫反射率。( 5 ) 式是( 4 ) 式的一种表达形式，说明光斑模拟靶模拟光斑重心位置等于光斑模拟靶漫反射率重心位置，说明用光斑模拟靶检测激光监测系统的
8、测量精度在原理上是正确的。因1 0 6 1 - m 红外光源造价高，用均匀性好的阳光作光源。经测试，阳光光强满足检测要求。将激光监测系统测量值与光斑模拟靶理论值进行比较，可知激光监测系统测量精度。3 、激光光斑模拟靶精度分析3 1 误差分析根据光斑模拟靶检测原理，主要误差为光斑靶板定位误差和光斑靶板漫反射率重心位置误差。光斑靶板尺寸及位置误差0 1 m m ，安装误差0 5 m m ，因此光斑靶板定位误差0 6 m m 。3 2 光斑靶板漫反射率重心位置误差光斑靶板漫反射率重心位置误差主要由材料喷涂不均匀性引起。受漫反射率测量仪( 探测器口径为巾l O m m 圆孔) 和被试品尺寸制约，只能测
9、量光斑靶板小块样品。为分析方便，将光斑靶板均分为尺寸l O m m Xl O m m 的小方格，可认为小方格中各点漫反射率相同。以方形光斑靶板为例分析计算漫反射率重心位置，靶板均分方格数为3 0 3 0 。对光斑靶板样品进行随机抽样测量值( 相对值) 可知，光斑靶板漫反射率不均匀性是一种离散分布，不是正态分布。由离散量数学期望和均方差计算方法，设数学期望为毛，均方差为0 ，则：毛= 2 9 9 3o = 1 3 6以靶板中心0 为原点，建立直角坐标系X O Y 。喷涂均匀时，光斑靶板漫反射率重心理论值在原点0 ，实际喷涂不均匀，每行和每列方格漫反射率均值存在散布误差。先分析漫反射率重心在x方向
10、偏差，该偏差由每列方格漫反射率重心位置偏差和漫反射率均值误差构成。设每列方格漫反射率重心在该列中心点，由( 6 ) 式和( 7 ) 式，每列3 0 个方格漫反射率均值为毛，均方差为0 ，毛的均方差为0t ，则有：1 9 9生鱼出n 跏面=一Jy口f 一0 2 4 5口f 。了。当每列方格漫反射率重心位置用该列中心点代替时，存在随机分布的数学模型误差，可设该误差是正态分布，方格尺寸为b b ，则每列方格漫反射率重心位置误差。列为：仃爿； 丁b = 1 6 7 ( 脚所) +同理可得每行方格漫反射率均值的均方差oc 和漫反射率重心位置误差。行。3 2 3 光斑靶板漫反射率重心位置误差模型每列方格数
11、为n ，每列方格漫反射率重心位置X 坐标为X 列，由( 5 ) 式可得光斑靶板漫反射率重心位置x 坐标为： 工：乓由( 8 ) 式和函数误差计算公式，考虑光斑靶板形状对称，光斑靶板漫反射率重心位置X 方向误差o 。为；盯，2 = O - H 专萨儿仃；2( 9 ) ，因ot 远小于毛，考虑极限情况得：”2 盯H 型尝：) 2 x 盯；= 仃翕62 ( ) 。盯，二“ 一P ；2 叭丁同理得光斑靶板漫反射率重心位置Y 轴方向误差o ，为：仃，2 = 仃磊62 ( 等) 4因光斑靶板对称分布，方形光斑靶板漫反射率重心位置误差o 。为：盯；= 仃嘉62 ( ) 4( 1 0 )由( 1 0 ) 式得
12、方形光斑靶板漫反射率重心位置误差为1 6 7 m m 。3 3 两块光斑靶板组合使用时漫反射率重心位置误差估算方形光斑靶板相对模拟靶中心漫反射率重心位置误差为：口；+ 仃未= 1 6 72 + 0 6 2 = I 7 8 ( m m )靶板l ( 面积S 、漫反射率P t 、漫反射率误差AP 。、到固定靶中心位置1 1 ) 和靶板2 ( 面积S z 、漫反射率p z 、漫反射率误差AP z 、到固定靶中心位置1 2 ) 组合使用时，误差l 估算如下。考虑极限情况，两块光斑靶板漫反射率重心偏向同一侧时，适当简化后，漫反射率重心位置。误差为：，：虹! 纠随剑垣! 纠出竺! !( 1 2 )P I
13、S I + P 2 S 2设靶板l 为方形低漫反射率，靶板2 为圆形高漫反射率时，S 。= O 0 9m 2 、p 。= O 6 4 2 、p l = 3 7 1 0 一、l l = 1 2 = O 3 ( m ) 、S 2 = O 0 7 1m 2 、p 2 = 0 9 5 3 、Ap 2 = 5 5 1 0 一、l l - 1 2 = 0 3 ( m ) 、1 1 = A1 2 = I 7 8 ( m m ) ，两块组合使用时，由( 1 2 ) 式可得光斑模拟靶漫反射率重心位置误差AI = 1 7 9( r a m ) 。经计算四块光斑靶板两两组合使用时，重心位置最大偏差1 7 9 m m
14、 。因此光斑模拟靶检测精度满足激光监测系统检测要求。为使光斑模拟靶工作在漫反射区域，使用时应控制靶板与阳光夹角和靶板与激光监测系统夹角皆在4 5 。内，保证测量精度。4 结论使用阳光作光源，用光斑模拟靶检测激光监测系统测量精度的方法科学可行。该方法操作简单易行，测试精度高，适用范围广。参考文献l 胡林亭激光技术，2 0 0 1 ：2 5 ( 2 ) ：1 5 52 费业泰误差理论与数据处理北京机械工业出版社，1 9 8 1 3 潘承泮武器弹药试验的检验的公算与统计北京国防工业出版社，1 9 8 0 2 0 1激光监测系统测量精度的检测方法激光监测系统测量精度的检测方法作者：胡林亭， 史德民， 任成才， 李佩军 作者单位：中国白城兵器试验中心 白城137001本文链接：http:/
