用于角秒级三维变形的光学准直测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于角秒级三维变形的光学准直测量方法，其步骤为：（1）构建测量装置，包括发射模块和接收模块；采用点目标的组合作为投影光阑上的图样；（2）预处理，对面阵探测器得到的图像进行预处理；（3）提取点阵质心序列；创建点目标辨识窗口，利用目标辨识窗口对图像进行逐行扫描，辨识并提取出全部点所在区域；当目标辨识窗口辨识到点目标后，对点目标进行质心提取；（4）计算三维变形角，根据点阵中各点坐标计算方位变形和俯仰变形，根据点阵中各点坐标计算横滚变形。本发明具有原理简单、适用范围广、精度高、能够提高温度稳定性等优点。
【专利说明】用于角秒级三维变形的光学准直测量方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及到光学变形测量【技术领域】，特指一种用于角秒级大型运动平台三维变形的测量方法。
【背景技术】
[0002]三维变形光学测量方法广泛应用于大型运动平台的高精度变形测量和姿态传递对准等方面，具有精度高、成本低、实时性好等特点。目前，现有的光学变形测量方法多采用准直光路方法实现。
[0003]有从业者提出了一种基于准直光路的角秒级三维变形测量装置与方法，其测量装置结构如图1所示。该测量装置由发射模块33、接收模块34和处理模块35三部分构成，能实时测量待测物22与参考基准23的三维变形。发射模块33由光源1、光阑2和发射光学系统31构成，发射模块33的各部件采用光学固定座和调节架固定在参考基准23上。光阑2位于光源I和发射光学系统31之间，且位于发射光学系统31的焦平面上,光源I和光阑2的中心都在发射光学系统31的光轴上，由此构成发射准直光路。光源I照射光阑2,发射光学系统31将透过光阑2的光束准直发射到接收模块34中。接收模块34主要由接收光学系统32和面阵探测器8构成，接收模块34的各部件采用光学固定座和调节架固定在待测物22上。面阵探测器8位于接收光学系统4的焦平面上，而且其中心位于接收光学系统32光轴上，由此构成接收准直光路。发射模块33发射的准直光束经过接收光学系统32会聚后成像在面阵探测器8上，面阵探测器8探测的是光阑2的光阑图像。处理模块35采用工控机、嵌入式计算机、台式计算机或笔记本电脑等设备，在处理模块35中包含变形解算软件。处理模块35通过千兆以太网、高速USB或1394等接口与接收模块34中的面阵探测器8连接，实时采集面阵探测器8探测的光阑图像，变形解算软件计算三维变形。该装置能够实时测量待测物22与参考基准23之间的三维变形，方位、俯仰和横滚方向变形的测量精度都可以达到角秒量级，而且具有结构简单、成本低、加工难度小和占用空间小等优点。
[0004]然而，上述测量方法在测量中也存在一定的局限。其局限表现在该装置需要在恒温环境或温度变化较小的环境中才能实现角秒级测量。当测量环境温度发生变化时，测量结果漂移幅度为十几到几十角秒，严重影响到了测量结果的可靠性。温漂问题一直是困扰光学三维变形测量的难题之一，传统的解决方法是通过维持测量环境的温度不变来排除温度影响。然而，这种解决方式无疑限制了该方法的应用范围。造成温漂问题的本质原因主要有两个，其一是光学系统的热胀冷缩导致各元器件的位姿变化，其二是透镜像差的变化导致成像质量的下降。为了解决第一个问题，另有从业者提出了用于角秒级三维光学变形测量装置的安装装置与方法，对三维光学变形测量装置的发射模块和接收模块的各部分进行可靠安装，同时具有精密可调、调节方便和调节后稳定可靠等特点，而且在环境温度变化和受力状态变化等实际条件下具有很好的稳定性。然而，仅依靠装置合理安装并不能完全解决温漂问题，像差变化导致成像质量下降依然能够很大程度影响测量结果。
[0005]如何在实现角秒级光学三维变形测量的同时克服环境温度变化对测量结果的影响，提高测量方法的温度稳定性，是本领域技术人员极为关注的技术问题。

【发明内容】

[0006]本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、适用范围广、精度高、能够提高温度稳定性的用于角秒级三维变形的光学准直测量方法。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种用于角秒级三维变形的光学准直测量方法，其步骤为:
[0009](1)构建测量装置，包括发射模块和接收模块，发射模块中光源和光阑的中心设置在发射光学系统的光轴上，构成发射准直光路，发射模块固定在参考基准上；接收模块包括接收光学系统和面阵探测器，接收模块固定在待测物上；采用点目标的组合作为投影光阑上的图样；
[0010](2)预处理，对面阵探测器得到的图像进行预处理；
[0011](3)提取点阵质心序列；创建点目标辨识窗口，利用目标辨识窗口对图像进行逐行扫描，辨识并提取出全部点所在区域；当目标辨识窗口辨识到点目标后，对点目标进行质心提取；
[0012](4)计算三维变形角，根据点阵中各点坐标计算方位变形和俯仰变形，根据点阵中各点坐标计算横滚变形。
[0013]作为本发明的进一步改进:所述步骤(3)的具体流程为:
[0014](3.1)创建点目标辨识窗口:辨识窗口大小为aXa，其中a>d, d为光斑直径，a、d单位为像素；
[0015](3.2)点目标区域辨识:将面阵探测器的像元行序号记为m，1≤m≤mmax，mmax为图像的像素总行数，从下向上依次由小到大编号；将像元列序号记为n，1 ≤ η ≤ nmax，nmax为图像的像素总列数，从左向右依次由小到大编号；运用创建的辨识窗口对图像进行逐行扫描，辨识并提取出全部N2个点所在区域；
[0016](3.3)点目标质心提取:当目标辨识窗口辨识到点目标后，采用灰度质心法计算目标辨识窗口内点目标质心坐标；记目标辨识窗口第一行第一个点在图像中的坐标为(ar, a。),该窗口内像元(m, η)的灰度为I (m, n), m、η的取值范围分别为≤m≤ar+a-l,ac < m < ae+a-l,则该区域质心坐标(x, y)为:
【权利要求】
1.一种用于角秒级三维变形的光学准直测量方法，其特征在于，步骤为: (1)构建测量装置，包括发射模块和接收模块，发射模块中光源和光阑的中心设置在发射光学系统的光轴上，构成发射准直光路，发射模块固定在参考基准上；接收模块包括接收光学系统和面阵探测器，接收模块固定在待测物上；采用点目标的组合作为投影光阑上的图样； (2)预处理，对面阵探测器得到的图像进行预处理； (3)提取点阵质心序列；创建点目标辨识窗口，利用目标辨识窗口对图像进行逐行扫描，辨识并提取出全部点所在区域；当目标辨识窗口辨识到点目标后，对点目标进行质心提取； (4)计算三维变形角，根据点阵中各点坐标计算方位变形和俯仰变形，根据点阵中各点坐标计算横滚变形。
2.根据权利要求1所述的用于角秒级三维变形的光学准直测量方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体流程为: (3.1)创建点目标辨识窗口:辨识窗口大小为aXa，其中a>d，d为光斑直径，a、d单位为像素； (3.2)点目标区域辨识:将面阵探测器的像元行序号记为m，1 ≤ m ≤ mmax，mmax为图像的像素总行数，从下向上依次由小到大编号；将像元列序号记为n，1 ≤ η ≤ nmax，nmax为图像的像素总列数，从左向右依次由小到大编号；运用创建的辨识窗口对图像进行逐行扫描，辨识并提取出全部N2个点所在区域； (3.3)点目标质心提取:当目标辨识窗口辨识到点目标后，采用灰度质心法计算目标辨识窗口内点目标质心坐标；记目标辨识窗口第一行第一个点在图像中的坐标为(ar，ac)，该窗口内像元(m, η)的灰度为I (m, n), m、η的取值范围分别为≤m≤ar+a-l,ac ≤ m ≤ ae+a-l,则该区域质心坐标(x, y)为:



3.根据权利要求2所述的用于角秒级三维变形的光学准直测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中根据点阵中各点坐标计算方位变形和俯仰变形的具体流程为:将辨识出的N2个点中心坐标记为(Xij，Yij), 1≤i≤N且N,其中i是该点在点阵中的行序号，j是该点在点阵中的列序号；方位方向变形Ψ、俯仰方向变形Θ可以由下式计算得到，式中μ χ、μ Y是面阵探测器水平、垂直方向的像元间距，f是接收光学系统的焦距:
4.根据权利要求2所述的用于角秒级三维变形的光学准直测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中根据点阵中各点坐标计算横滚变形的具体流程为: (4.2.1)设每个区域包含点的数量为bXb个，则该区域的灰度质心坐标(Ui，Vi)(i=l，2，…，9)可以按下式计算得到:
5.根据权利要求1所述的用于角秒级三维变形的光学准直测量方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体流程为: (2.1)创建灰度图像:若面阵探测器是彩色探测器，则将彩色图像转换成灰度图像；若面阵探测器是灰度探测器，则直接进入步骤(2.2)； (2.2)图像畸变校正； (2.3)滤除背景噪声:对校正后的点阵图样的所有像素根据亮度进行排序，根据图样中点的数量N2选取L个最亮像素，根据选择的最亮像素计算平均亮度，将该平均亮度作为点阵图样的最大亮度Imax ;根据最大亮度1--和面阵探测器噪声大小设置亮度阈值ITH，亮度阈值Ith大于面阵探测器的噪声，且小于最大亮度Imax的20% ;根据Ith滤除背景噪声，将小于Ith的所有像素的亮度置零。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的用于角秒级三维变形的光学准直测量方法，其特征在于，所述点目标的边缘分布为服从阶跃分布，或者为服从二维高斯分布。
7.根据权利要求1~5中任意一项所述的用于角秒级三维变形的光学准直测量方法，其特征在于，所述点目标的组合为放射型、网格型、沙漏型或点阵型。
【文档编号】G01B11/16GK103913126SQ201410158401
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】王省书, 高旸, 秦石乔, 胡春生, 黄宗升, 战德军, 吴伟, 郑佳兴 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学