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用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法，其步驟為：（1）構(gòu)建測(cè)量裝置，包括發(fā)射模塊和接收模塊；采用點(diǎn)目標(biāo)的組合作為投影光闌上的圖樣；（2）預(yù)處理，對(duì)面陣探測(cè)器得到的圖像進(jìn)行預(yù)處理；（3）提取點(diǎn)陣質(zhì)心序列；創(chuàng)建點(diǎn)目標(biāo)辨識(shí)窗口，利用目標(biāo)辨識(shí)窗口對(duì)圖像進(jìn)行逐行掃描，辨識(shí)并提取出全部點(diǎn)所在區(qū)域；當(dāng)目標(biāo)辨識(shí)窗口辨識(shí)到點(diǎn)目標(biāo)后，對(duì)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行質(zhì)心提?。唬?）計(jì)算三維變形角，根據(jù)點(diǎn)陣中各點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方位變形和俯仰變形，根據(jù)點(diǎn)陣中各點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算橫滾變形。本發(fā)明具有原理簡(jiǎn)單、適用范圍廣、精度高、能夠提高溫度穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到光學(xué)變形測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種用于角秒級(jí)大型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)三維變形的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維變形光學(xué)測(cè)量方法廣泛應(yīng)用于大型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高精度變形測(cè)量和姿態(tài)傳遞對(duì)準(zhǔn)等方面，具有精度高、成本低、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。目前，現(xiàn)有的光學(xué)變形測(cè)量方法多采用準(zhǔn)直光路方法實(shí)現(xiàn)。
[0003]有從業(yè)者提出了一種基于準(zhǔn)直光路的角秒級(jí)三維變形測(cè)量裝置與方法，其測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該測(cè)量裝置由發(fā)射模塊33、接收模塊34和處理模塊35三部分構(gòu)成，能實(shí)時(shí)測(cè)量待測(cè)物22與參考基準(zhǔn)23的三維變形。發(fā)射模塊33由光源1、光闌2和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)31構(gòu)成，發(fā)射模塊33的各部件采用光學(xué)固定座和調(diào)節(jié)架固定在參考基準(zhǔn)23上。光闌2位于光源I和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)31之間，且位于發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)31的焦平面上,光源I和光闌2的中心都在發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)31的光軸上，由此構(gòu)成發(fā)射準(zhǔn)直光路。光源I照射光闌2,發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)31將透過光闌2的光束準(zhǔn)直發(fā)射到接收模塊34中。接收模塊34主要由接收光學(xué)系統(tǒng)32和面陣探測(cè)器8構(gòu)成，接收模塊34的各部件采用光學(xué)固定座和調(diào)節(jié)架固定在待測(cè)物22上。面陣探測(cè)器8位于接收光學(xué)系統(tǒng)4的焦平面上，而且其中心位于接收光學(xué)系統(tǒng)32光軸上，由此構(gòu)成接收準(zhǔn)直光路。發(fā)射模塊33發(fā)射的準(zhǔn)直光束經(jīng)過接收光學(xué)系統(tǒng)32會(huì)聚后成像在面陣探測(cè)器8上，面陣探測(cè)器8探測(cè)的是光闌2的光闌圖像。處理模塊35采用工控機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或筆記本電腦等設(shè)備，在處理模塊35中包含變形解算軟件。處理模塊35通過千兆以太網(wǎng)、高速USB或1394等接口與接收模塊34中的面陣探測(cè)器8連接，實(shí)時(shí)采集面陣探測(cè)器8探測(cè)的光闌圖像，變形解算軟件計(jì)算三維變形。該裝置能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量待測(cè)物22與參考基準(zhǔn)23之間的三維變形，方位、俯仰和橫滾方向變形的測(cè)量精度都可以達(dá)到角秒量級(jí)，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、加工難度小和占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]然而，上述測(cè)量方法在測(cè)量中也存在一定的局限。其局限表現(xiàn)在該裝置需要在恒溫環(huán)境或溫度變化較小的環(huán)境中才能實(shí)現(xiàn)角秒級(jí)測(cè)量。當(dāng)測(cè)量環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量結(jié)果漂移幅度為十幾到幾十角秒，嚴(yán)重影響到了測(cè)量結(jié)果的可靠性。溫漂問題一直是困擾光學(xué)三維變形測(cè)量的難題之一，傳統(tǒng)的解決方法是通過維持測(cè)量環(huán)境的溫度不變來排除溫度影響。然而，這種解決方式無疑限制了該方法的應(yīng)用范圍。造成溫漂問題的本質(zhì)原因主要有兩個(gè)，其一是光學(xué)系統(tǒng)的熱脹冷縮導(dǎo)致各元器件的位姿變化，其二是透鏡像差的變化導(dǎo)致成像質(zhì)量的下降。為了解決第一個(gè)問題，另有從業(yè)者提出了用于角秒級(jí)三維光學(xué)變形測(cè)量裝置的安裝裝置與方法，對(duì)三維光學(xué)變形測(cè)量裝置的發(fā)射模塊和接收模塊的各部分進(jìn)行可靠安裝，同時(shí)具有精密可調(diào)、調(diào)節(jié)方便和調(diào)節(jié)后穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，而且在環(huán)境溫度變化和受力狀態(tài)變化等實(shí)際條件下具有很好的穩(wěn)定性。然而，僅依靠裝置合理安裝并不能完全解決溫漂問題，像差變化導(dǎo)致成像質(zhì)量下降依然能夠很大程度影響測(cè)量結(jié)果。
[0005]如何在實(shí)現(xiàn)角秒級(jí)光學(xué)三維變形測(cè)量的同時(shí)克服環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量方法的溫度穩(wěn)定性，是本領(lǐng)域技術(shù)人員極為關(guān)注的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種原理簡(jiǎn)單、適用范圍廣、精度高、能夠提高溫度穩(wěn)定性的用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法，其步驟為:
[0009](1)構(gòu)建測(cè)量裝置，包括發(fā)射模塊和接收模塊，發(fā)射模塊中光源和光闌的中心設(shè)置在發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的光軸上，構(gòu)成發(fā)射準(zhǔn)直光路，發(fā)射模塊固定在參考基準(zhǔn)上；接收模塊包括接收光學(xué)系統(tǒng)和面陣探測(cè)器，接收模塊固定在待測(cè)物上；采用點(diǎn)目標(biāo)的組合作為投影光闌上的圖樣；
[0010](2)預(yù)處理，對(duì)面陣探測(cè)器得到的圖像進(jìn)行預(yù)處理；
[0011](3)提取點(diǎn)陣質(zhì)心序列；創(chuàng)建點(diǎn)目標(biāo)辨識(shí)窗口，利用目標(biāo)辨識(shí)窗口對(duì)圖像進(jìn)行逐行掃描，辨識(shí)并提取出全部點(diǎn)所在區(qū)域；當(dāng)目標(biāo)辨識(shí)窗口辨識(shí)到點(diǎn)目標(biāo)后，對(duì)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行質(zhì)心提??；
[0012](4)計(jì)算三維變形角，根據(jù)點(diǎn)陣中各點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方位變形和俯仰變形，根據(jù)點(diǎn)陣中各點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算橫滾變形。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(3)的具體流程為:
[0014](3.1)創(chuàng)建點(diǎn)目標(biāo)辨識(shí)窗口:辨識(shí)窗口大小為aXa，其中a>d, d為光斑直徑，a、d單位為像素；
[0015](3.2)點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域辨識(shí):將面陣探測(cè)器的像元行序號(hào)記為m，1≤m≤mmax，mmax為圖像的像素總行數(shù)，從下向上依次由小到大編號(hào)；將像元列序號(hào)記為n，1 ≤ η ≤ nmax，nmax為圖像的像素總列數(shù)，從左向右依次由小到大編號(hào)；運(yùn)用創(chuàng)建的辨識(shí)窗口對(duì)圖像進(jìn)行逐行掃描，辨識(shí)并提取出全部N2個(gè)點(diǎn)所在區(qū)域；
[0016](3.3)點(diǎn)目標(biāo)質(zhì)心提取:當(dāng)目標(biāo)辨識(shí)窗口辨識(shí)到點(diǎn)目標(biāo)后，采用灰度質(zhì)心法計(jì)算目標(biāo)辨識(shí)窗口內(nèi)點(diǎn)目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)；記目標(biāo)辨識(shí)窗口第一行第一個(gè)點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)為(ar, a。),該窗口內(nèi)像元(m, η)的灰度為I (m, n), m、η的取值范圍分別為≤m≤ar+a-l,ac < m < ae+a-l,則該區(qū)域質(zhì)心坐標(biāo)(x, y)為:
【權(quán)利要求】
1.一種用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法，其特征在于，步驟為: (1)構(gòu)建測(cè)量裝置，包括發(fā)射模塊和接收模塊，發(fā)射模塊中光源和光闌的中心設(shè)置在發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的光軸上，構(gòu)成發(fā)射準(zhǔn)直光路，發(fā)射模塊固定在參考基準(zhǔn)上；接收模塊包括接收光學(xué)系統(tǒng)和面陣探測(cè)器，接收模塊固定在待測(cè)物上；采用點(diǎn)目標(biāo)的組合作為投影光闌上的圖樣； (2)預(yù)處理，對(duì)面陣探測(cè)器得到的圖像進(jìn)行預(yù)處理； (3)提取點(diǎn)陣質(zhì)心序列；創(chuàng)建點(diǎn)目標(biāo)辨識(shí)窗口，利用目標(biāo)辨識(shí)窗口對(duì)圖像進(jìn)行逐行掃描，辨識(shí)并提取出全部點(diǎn)所在區(qū)域；當(dāng)目標(biāo)辨識(shí)窗口辨識(shí)到點(diǎn)目標(biāo)后，對(duì)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行質(zhì)心提??； (4)計(jì)算三維變形角，根據(jù)點(diǎn)陣中各點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方位變形和俯仰變形，根據(jù)點(diǎn)陣中各點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算橫滾變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟(3)的具體流程為: (3.1)創(chuàng)建點(diǎn)目標(biāo)辨識(shí)窗口:辨識(shí)窗口大小為aXa，其中a>d，d為光斑直徑，a、d單位為像素； (3.2)點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域辨識(shí):將面陣探測(cè)器的像元行序號(hào)記為m，1 ≤ m ≤ mmax，mmax為圖像的像素總行數(shù)，從下向上依次由小到大編號(hào)；將像元列序號(hào)記為n，1 ≤ η ≤ nmax，nmax為圖像的像素總列數(shù)，從左向右依次由小到大編號(hào)；運(yùn)用創(chuàng)建的辨識(shí)窗口對(duì)圖像進(jìn)行逐行掃描，辨識(shí)并提取出全部N2個(gè)點(diǎn)所在區(qū)域； (3.3)點(diǎn)目標(biāo)質(zhì)心提取:當(dāng)目標(biāo)辨識(shí)窗口辨識(shí)到點(diǎn)目標(biāo)后，采用灰度質(zhì)心法計(jì)算目標(biāo)辨識(shí)窗口內(nèi)點(diǎn)目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)；記目標(biāo)辨識(shí)窗口第一行第一個(gè)點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)為(ar，ac)，該窗口內(nèi)像元(m, η)的灰度為I (m, n), m、η的取值范圍分別為≤m≤ar+a-l,ac ≤ m ≤ ae+a-l,則該區(qū)域質(zhì)心坐標(biāo)(x, y)為:



3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟(4)中根據(jù)點(diǎn)陣中各點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方位變形和俯仰變形的具體流程為:將辨識(shí)出的N2個(gè)點(diǎn)中心坐標(biāo)記為(Xij，Yij), 1≤i≤N且N,其中i是該點(diǎn)在點(diǎn)陣中的行序號(hào)，j是該點(diǎn)在點(diǎn)陣中的列序號(hào)；方位方向變形Ψ、俯仰方向變形Θ可以由下式計(jì)算得到，式中μ χ、μ Y是面陣探測(cè)器水平、垂直方向的像元間距，f是接收光學(xué)系統(tǒng)的焦距:
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟(4)中根據(jù)點(diǎn)陣中各點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算橫滾變形的具體流程為: (4.2.1)設(shè)每個(gè)區(qū)域包含點(diǎn)的數(shù)量為bXb個(gè)，則該區(qū)域的灰度質(zhì)心坐標(biāo)(Ui，Vi)(i=l，2，…，9)可以按下式計(jì)算得到:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟(2)的具體流程為: (2.1)創(chuàng)建灰度圖像:若面陣探測(cè)器是彩色探測(cè)器，則將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像；若面陣探測(cè)器是灰度探測(cè)器，則直接進(jìn)入步驟(2.2)； (2.2)圖像畸變校正； (2.3)濾除背景噪聲:對(duì)校正后的點(diǎn)陣圖樣的所有像素根據(jù)亮度進(jìn)行排序，根據(jù)圖樣中點(diǎn)的數(shù)量N2選取L個(gè)最亮像素，根據(jù)選擇的最亮像素計(jì)算平均亮度，將該平均亮度作為點(diǎn)陣圖樣的最大亮度Imax ;根據(jù)最大亮度1--和面陣探測(cè)器噪聲大小設(shè)置亮度閾值ITH，亮度閾值Ith大于面陣探測(cè)器的噪聲，且小于最大亮度Imax的20% ;根據(jù)Ith濾除背景噪聲，將小于Ith的所有像素的亮度置零。
6.根據(jù)權(quán)利要求1~5中任意一項(xiàng)所述的用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法，其特征在于，所述點(diǎn)目標(biāo)的邊緣分布為服從階躍分布，或者為服從二維高斯分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~5中任意一項(xiàng)所述的用于角秒級(jí)三維變形的光學(xué)準(zhǔn)直測(cè)量方法，其特征在于，所述點(diǎn)目標(biāo)的組合為放射型、網(wǎng)格型、沙漏型或點(diǎn)陣型。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK103913126SQ201410158401
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】王省書, 高旸, 秦石喬, 胡春生, 黃宗升, 戰(zhàn)德軍, 吳偉, 鄭佳興 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)