多波段、多传感器复合光轴平行性调校研究

多波段、多传感器复合光轴平行性调校研究

一、光电技术及火控技术中兵光学科技有限公司是中国兵器工业集团公司的主要光学公司。专业方向以惯性稳定技术为重点，以装配、控制技术、光度技术和火灾控制技术为特色。同时，它也是一家专注于科学研究和生产的高科技公司。企业具有精密机械制造能力、系统集成与总装总调总测能力、电装能力和自主设计研发新产品的能力。随着光电传感器的不断发展和成熟,多波段、多传感器复合已成为光电系统的主流,在光电导引、光电稳瞄、防护告警等各领域得到广泛应用。其目的是使光电系统具备多谱段、多功能的探测能力,具有更强大的环境适应性及目标探测特性的功能。二、群体总结三、选择主题(一)光轴平行性调校我公司目前从事光电稳瞄类产品的设计、研发和生产。此类光电产品均采用多传感器复合形式,光轴平行性是产品的一项重要技术指标,光轴平行性调校是产品的一道关键工序。光轴平行性的检测一直采用传统的人眼主观经验观测判定方法,无法对调试结果进行具体数值的量化,检测结果不仅主观而且不够精确,由于任何的随机误差和人为因素都可能影响调试结果,造成该道工序反复返工,严重影响产品的生产进度和质量。(二)轴平行性调校、检测记录检测小组成员娄颖、刘晓宇于2009年4月对公司2008年度已交付的6台产品的光轴平行性调校、检测记录进行了调查,结果如表1所示。通过调查可得如下结论:由于采用人眼主观经验判断的检测方法,检测结果无法定量,导致每台产品的装调均存在返工现象,且部分台数返工次数较多,严重影响了生产进度和产品质量。(三)资源整合过程为了更好地控制产品质量、提高装调效率、改善检测手段的单一化,小组成员决定打破常规、提出创新。为此小组成员运用头脑风暴法,充分发挥全体成员的创新思维,提出了各自的想法和意见,经归纳整理形成三种可供选择的课题,小组成员对三种备选课题进行了分析评估,具体见表2。综上,我们最终选定的课题为多光学传感器光轴平行性数字化检测研究。术语解释:光轴平行性四、数字化测量检测工艺根据已经选定的课题,小组设定了以下定性和定量目标:定性目标:实现光轴平行性的数字化测量,客观数据代替主观经验。定量目标:检测精度优先0.03mrad。目标设定依据:根据公司产品的光轴平行性指标,本课题将检测精度设定为0.03mrad。五、a循环活动计划实施情况按照设定的目标,小组成员共同制定了PDCA循环活动计划,在整个过程中,严格按照每步骤计划去执行,实际进度与计划进度相符合,保证了活动的顺利实施(见表3)。六、提出不同的建议，并确定最佳方案(一)运用脑风暴法,设计出丰富的群策群力,提出了政围绕小组活动目标,小组成员积极发挥主动性与创造性,运用头脑风暴法,集思广益,群策群力,提出了很多具有创意的方案。通过整理头脑风暴法所产生的各种解决思路,我们绘制了亲和图以帮助分析问题。(二)每个系统的测试和评估结合以上亲和图分析,我们得到了以下三种备选方案:1.光轴平行性偏差检测本方案核心思想是:利用公司现有的平行光管,将多传感器(热像、电视)的视频信号通过图像采集卡采集至计算机,对视频图像进行数字化后以像素为单位计算传感器之间的光轴平行性角度偏差。需要采集的视频图像包括:相纸采集的激光光斑和平行光管十字丝靶标图像。其中,对激光光斑的采集采用了GJB2241-1994(脉冲激光测距仪性能试验方法)规定的感光相纸。原理框图如图4所示。基于以上原理框图我们搭建了相应的试验平台,用于进行备选方案的试验分析论证。2.计算平行光管本方案核心思想是:在平行光管焦面位置用CCD传感器代替感光相纸直接采集激光光斑,通过光斑的位置坐标计算电视测角仪与激光测距机的光轴平行性。另外,平行光管采用了卡塞格林的形式。原理框图如图6所示。同样,针对方案B我们也搭建了相应的试验平台,具体如下:3.外场测距靶标试验平台的搭建本方案的核心思想是:采用实际靶标进行外场测试,将测距结果转换为光轴平行性角度偏移量。原理框图如图8所示。下图为该方案所用的外场测距靶标:上述三种备选方案,我们均搭建了相应的试验平台,进行了一系列的试验和数据实测,具体结果见表4。在进行了三种备选方案的试验和数据实测的基础上,我们小组对三种备选方案分别进行了综合分析评估,具体见表5。(三)确定最佳模式根据试验结果和综合评估,我们选定的最佳方案:方案A。(四)方案分解和设定根据方案A的原理流程(见框图4),首先我们对该总体方案进行分解,具体如图10所示。针对上述方案分解,设备选取和参数的设定将直接影响方案的最终结果。因此,我们提出了各个分解模块的实现备选方案,具体见表6。1.平行光管选择的影响平行光管的作用是模拟无穷远目标,是本方案中不可缺少的一个组成部分,平行光管的选用将直接影响光轴平行性的检测的结果。具体选用如下:结论:基于武器系统的口径要求以及公司现有设备情况,我们选用反射式离轴平行光管。2.中小型光系的处理对处理结果的影响感光相纸是本方案中的一个非常重要的环节,感光相纸采集的激光光斑形状、大小对后续的图像处理结果存在非常大的影响,因此,感光相纸的选用显得尤为关键。具体选用如下:结论:后续的图像处理要求相纸采集的激光光斑具有一定的形状和大小,而市场上常用的数码打印相纸很难满足要求,因此,我们选用自制感光相纸。3.集卡编码模块(1)图像采集卡子模块。图像采集卡用于将视频信号输入计算机,以进行下一步的数字图像处理。具体选用如下:结论:考虑到图像采集卡的编码速度与扩展性,我们选用了PCI采集卡。(2)多传感器模拟平台子模块。因XX武器系统用到的电视与热像仪均为高值产品,且受到军品供货周期等影响,故在试验阶段需要选择参数与之匹配的CCD、镜头来搭建一个模拟的多光轴系统。具体选用如下:结论:由于模拟的多光轴系统具有特殊的视场角要求,而USB摄像头难以满足且成像质量差,因此,我们选用了工业CCD和自选镜头。4.采集卡软件设计(1)图像处理子模块。图像处理子模块主要完成图像的实时采集和数据处理,图像数据格式的设置,采集速度、图像制式的控制。具体选用如下:结论:考虑到开发周期较短、人力资源有限,我们选用了采集卡自带函数库。(2)软件编程子模块。软件编程主要完成对图像的采集控制、图像的显示及结果的实时显示,软件设计的开发语言应能够方便地完成上述功能。具体选用如下:结论:根据图像采集卡的选择,我们选用C++语言进行软件编程,并在VC++6.0平台下开发软件。综上,我们对最佳方案进行了逐级分解细化,确定了最优化配置,具体如下:七、起草一份对策表我们QC小组针对以上研究所得的最优化配置方案,按照5W1H原则制定了对策表(见表13)。八、冲印方法及实施实施对策一:平行光管小组成员娄颖、刘晓宇于2009年7月查阅了公司现有反射式离轴平行光管的技术说明书,确定了平行光管的技术参数,具体如下:2009年7月8日,国防科工委光学计量一级站西安205所丰源实业公司对光管进行了检测标定,报告如下:实施效果一:将平行光管的技术参数代入公式计算,可得公司现有反射式离轴平行光管模拟的目标距离为20km,满足大于5km的对策目标。实施对策二:感光相纸2009年8月,小组成员娄颖、刘晓宇对感光相纸进行了自制冲印试验。经过对感光相纸制作方法的学习与对说明书的了解,确定了影响感光相纸采集的激光光斑尺寸大小的两个参数:相纸的显影时间、定影时间。为了让感光相纸达到对激光最敏感,小组成员利用正交试验法对以上两参数进行了优选试验,具体如下:(1)试验目的。通过正交试验找出最佳的显影时间、定影时间。(2)确定要考察的指标。要考察的指标为:激光在冲印后的感光相纸上烧灼的斑点大小,合格为大于3毫米,正交试验中每号试验进行一次。因此确定的考察指标为:激光在感光相纸上烧灼斑点大于3毫米。(该斑点越大越好)(3)挑因素、找水平(位级),制定因素水平(位级)表。小组成员决定本试验需要考察:显影时间、定影时间两种因素。经过对相纸冲印的理论学习,了解到显影时间为1～3分钟,定影时间10～15分钟。对以上两个参数均选取三个位级,综合成一张因素位级表。(4)设计并实施方案。选用L9(34)表安排本次试验,按随机原则,小组开展试验的顺序为:2、5、8、4、1、9、3、6、7;并记录试验结果得到表16。(5)试验结果的分析。(1)直接看,可靠又方便。直接比较9个试验的激光斑点尺寸,容易看出:光斑尺寸最大的是第6号试验的3.5毫米,组合为A3B2。(2)算一算,有效又简单。小组成员对正交试验的结果进行了计算:首先,对于各列的比较可知:对于显影时间,位级3最好;对于定影时间,是位级2最好,最好方案为A3B2。“直接看”与“算一算”的结果一致!且结果满足考核指标激光烧灼斑点大于3毫米。因此确定冲印方法为:显影3分钟定影13分钟。实施效果二:小组成员根据正交试验法得到的冲印参数,冲印了一批相纸,在进行试验后发现激光烧灼的光斑均大于3毫米,实现对策目标。实施对策三:图像采集卡小组成员金新、安春华于2009年8月调研OK-M10A、大恒DH-VT120等各种PCI图像采集卡技术资料并对其进行分析对比,均满足支持二组复合视频输入、单帧、连续帧采集方式;支持CCIR制式、采集速度24帧/秒;支持图像数据值范围0～255、色度2～253。由于大恒公司能够提供更好的技术支持服务,最终选择了大恒DH-VT120图像采集卡,具体如图14所示。小组成员金新、安春华于2009年8月对大恒DH-VT120图像采集卡进行了调试,以确定图像数据格式、采集速度和图像制式等参数设置,具体如图15所示。实施效果三:大恒DH-VT120图像采集卡可实现图像采集功能,其参数满足对策目标要求的支持二组复合视频输入、单帧、连续帧采集方式;采集速度可达到24帧/秒、支持CCIR制式;支持图像数据值范围0～255,色度2～253等要求。实施对策四:多传感器模拟平台小组成员马长正、安春华、王庆于2009年8月根据产品输出视场角和制式的要求,通过对众多型号的CCD相机及镜头的分析对比,选择了795(水平)×596(垂直)分辨率、CCIR制式输出的敏通1362工业CCD,镜头则选择了焦距为100mm的日本兴和KowaLM100JC镜头,具体如下:小组成员马长正、安春华、王庆于2009年8月采用敏通1362工业CCD与日本兴和KowaLM100JC镜头搭建了模拟多传感器试验平台,具体如下:实施效果四:通过敏通1362摄像头与KowaLM100JC长焦镜头的搭配,组建的模拟多传感器平台输出视频制式为CCIR、视场角小于2°×1.5°,与XX武器系统的产品一致,确保了后续产品实际检测过程中不出现视场、制式不匹配的情况。实施对策五:图像处理小组成员马长正、张爽、王庆于2009年8月将大恒图像采集控制函数库与图形处理算法相结合,根据实际激光光斑的强度分布,采用重心法对相纸采集的激光光斑中心进行了检测;而对十字靶标的中心检测则基于图像背景和噪声特点,选用了基于Hough变换及直线拟合求取十字靶标中心的方法。重心法和基于Hough变换及直线拟合法的检测流程如下:小组成员马长正、张爽于2009年8月利用检测出的激光光斑和十字靶标中心对光轴平行性进行了数据计算,流程如下:小组成员马长正于2009年9月采用仿真法对图像处理算法和精度进行了验证,采用的仿真图像如下:采用仿真法进行的激光光斑中心检测算法与精度测试结果为:误差小于1个像素,由3σ法则确定其精度为0.015mrad,优于0.03mrad。具体见表17。采用仿真法进行的十字靶标中心检测算法与精度测试结果为:误差小于1个像素,由3σ法则确定其精度为0.024mrad,优于0.03mrad。具体见表18。实施对策六:软件编程小组成员马长正、管康萍于2009年9月在VC++6.0平台下开发软件,软件界面调用MFC基础类库进行设计,软件控制和图像处理由C++语言和OpenCV库进行。小组成员马长正、管康萍于2009年11月利用黑盒测试法主要对软件的以下三部分进行测试:(1)软件的安装登陆是否正确;(2)界面控件菜单是否实现功能;(3)数据分析处理精度和速度是否达到要求。实施效果六:利用C++语言完成了界面设计,软件界面见图24。软件实现了界面的图像采集,能正确显示分辨率为768×576的图像,响应速度小于0.1秒。组员管康萍、马长正于2009年11月对软件进行了测试:测试结果见表19。九、效果评估(一)数字动物检测系统的应用1.定性目标:多传感器的光轴平行性从通过监视器人眼主观判断到通过计算机直接获得,实现了客观、数字化的检测,实现预期目标。2.定量目标:通过视场检测及图像分辨率的计算,检测精度由创新前人眼主观经验判断的0.1mrad,提升到0.026mrad,优于0.03mrad,实现预期目标。(二)检测手段的改进带来了经济效益1.提高了产品调校效率,缩短了工作周期,加快了任务进度,保证了公司产品生产任务的提前完成,为公司创造了可观的经济效益,实现了利润的持续增长。2.通过计算机代替人脑,数据代替经验,创造了新思路,增加了新方法,改善了检测手段的单一化。3.高精度数字化的检测手段保证了产品的高质量,为公司的持续发展做出了贡献。4.无形效益。通过本次QC活动,小组成员在质量意识、团队合作、解决问题能力、技术创新等方面均有不同程度的提高。十、光轴平行性数字化检测路径为提高产品质量,小组成员将所有确定的方案及检测方法落实到技术文件中,形成了企业标准《光轴平行性数字化检测操作规程》,经领导审批已开始实施,并投入车间使用,效果十分良好。十活动成果成文明:七色光qc小组(1)经过本次活动,实现了多光学传感器光轴平行性的数字化检测,用数据代替经验、客观代替主观,提高了光轴平行性调校的效率和精度,减少了工作周期,为公司创造利润打下了坚实的基础。(2)经过本次活动,为单位在今后的光学传感器光轴平行性的调校方法上实现了创新,改变了其测试方法的单一化,在今后的项目上可以根据不同的要求选择不同的方法。(3)经过本次活动,小组成员学会了用科学的方法来面对所有的问题,在较短的时间内,小组成员都能很好地执行PDCA循环,让专业技术和管理技术紧密结合、互相协调、充分发挥作用,最终圆满地完成了课题。不仅提高了成员的素质、发掘了潜能、而且增强了成员之间的团结和协作能力,体现了小组分析问题和解决问题的能力。(4)当然,本课题还存在很多需要持续改进的地方,我们打算继续对该数字化检测方法中的误差源进行详细分析,以期进一步减小系统误差、提高检测精度。(5)随着光谱应用范围的不断拓展,多模复合的形式呈现越来越多样化的趋势,我公司目前参与的某国家重点型号项目采用了红外、激光与毫米波三模复合形式。我们光学技术室QC小组将结合自身的实际工作,不断展开QC小组活动。现已经将《毫米波传感器光学天线优化设计》列为下一年度的QC小组活动课题。小组理想让七色光照亮无限创意!七色光QC小组成员力争将专业技术与质量管理紧密结合,通过不断创新,多出成果,把小组打造成兵器乃至全国的一个知名品牌!活动感言组长:产品即人品,质量求效益。组员:QC小组活动使大家学到了质量管理理论,掌握了QC工具方法,以及如何更有效地提高工作效率。活动的成功,不仅提高了组员素质,更加激发了员工的工作积极性和主动性。自我评价七色光QC小组是一个和谐、创意无限的团队。小组成员本科3人、硕士6人、博士1人,均为公司技术骨干。小组成员将专业技术与管理技术紧密结合,冲破了固有经验与墨守陈规思想的束缚。通过活动,小组成员分析问题和解决问题的能力大大提高,攻克了一个个难关,留下我们闪亮的足迹。主要活动对产品调校检测记录进行全面调查分析;头脑风暴法提出各种很有创意方案;创新出便捷、有效、高精度数字化检测方法;将确定的方案及检测方法落实到技术文件中,形成了企业标准,并投入车间使用。遇到的困难本课题为创新型,要实现光轴平行性数字化检测,涉及到大量的光学、图像处理、软件编程等专业知识。为了更加准确、客观地评价各个方案的优劣,小组对三种方案均搭建了试验平台。时间紧、任务急给本课题带来一定的困难度。成果介绍1.选题理由。我公司目前从事的XX武器系统昼夜观瞄装置及其它光电稳瞄转塔采用了多传感器复合形式,光轴平行性是产品的一项重要技术指标,光轴平行性调校是产品的一道关键工序。光轴平行性的检测一直采用传统的人眼主观经验观测判定方法,无法对调试结果进行具体数值的量化,检测结果不仅主观而且不够精确,由于任何的随机误差和人为因素都可能影响调试结果,造成该道工序反复返工,严重影响产品的生产进度和质量。为了更好地控制产品质量、提高装调效率、改善检测手段的单一化,小组成员决定打破常规、提出创新。2.取得效益。本课题所创新的数字化检测方法通过计算机代替人脑,数据代替经验,创造了新思路,改善了检测手段的单一化,不仅保证了武器系统的质量,而且提高了产品调校效率,缩短了工作周期,加快了任务进度,保证了公司产品生产任务的提前完成,为公司创造了相当可观的经济效益,实现了利润的持续增长。而且通过本次QC活动,小组成员在质量意识、团队合作、解决问题能力