用于角秒級三維變形的光學準直測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于角秒級三維變形的光學準直測量方法，其步驟為：（1）構建測量裝置，包括發射模塊和接收模塊；采用點目標的組合作為投影光闌上的圖樣；（2）預處理，對面陣探測器得到的圖像進行預處理；（3）提取點陣質心序列；創建點目標辨識窗口，利用目標辨識窗口對圖像進行逐行掃描，辨識并提取出全部點所在區域；當目標辨識窗口辨識到點目標后，對點目標進行質心提取；（4）計算三維變形角，根據點陣中各點坐標計算方位變形和俯仰變形，根據點陣中各點坐標計算橫滾變形。本發明具有原理簡單、適用范圍廣、精度高、能夠提高溫度穩定性等優點。
【專利說明】用于角秒級三維變形的光學準直測量方法
【技術領域】
[0001]本發明主要涉及到光學變形測量【技術領域】，特指一種用于角秒級大型運動平臺三維變形的測量方法。
【背景技術】
[0002]三維變形光學測量方法廣泛應用于大型運動平臺的高精度變形測量和姿態傳遞對準等方面，具有精度高、成本低、實時性好等特點。目前，現有的光學變形測量方法多采用準直光路方法實現。
[0003]有從業者提出了一種基于準直光路的角秒級三維變形測量裝置與方法，其測量裝置結構如圖1所示。該測量裝置由發射模塊33、接收模塊34和處理模塊35三部分構成，能實時測量待測物22與參考基準23的三維變形。發射模塊33由光源1、光闌2和發射光學系統31構成，發射模塊33的各部件采用光學固定座和調節架固定在參考基準23上。光闌2位于光源I和發射光學系統31之間，且位于發射光學系統31的焦平面上,光源I和光闌2的中心都在發射光學系統31的光軸上，由此構成發射準直光路。光源I照射光闌2,發射光學系統31將透過光闌2的光束準直發射到接收模塊34中。接收模塊34主要由接收光學系統32和面陣探測器8構成，接收模塊34的各部件采用光學固定座和調節架固定在待測物22上。面陣探測器8位于接收光學系統4的焦平面上，而且其中心位于接收光學系統32光軸上，由此構成接收準直光路。發射模塊33發射的準直光束經過接收光學系統32會聚后成像在面陣探測器8上，面陣探測器8探測的是光闌2的光闌圖像。處理模塊35采用工控機、嵌入式計算機、臺式計算機或筆記本電腦等設備，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、高速USB或1394等接口與接收模塊34中的面陣探測器8連接，實時采集面陣探測器8探測的光闌圖像，變形解算軟件計算三維變形。該裝置能夠實時測量待測物22與參考基準23之間的三維變形，方位、俯仰和橫滾方向變形的測量精度都可以達到角秒量級，而且具有結構簡單、成本低、加工難度小和占用空間小等優點。
[0004]然而，上述測量方法在測量中也存在一定的局限。其局限表現在該裝置需要在恒溫環境或溫度變化較小的環境中才能實現角秒級測量。當測量環境溫度發生變化時，測量結果漂移幅度為十幾到幾十角秒，嚴重影響到了測量結果的可靠性。溫漂問題一直是困擾光學三維變形測量的難題之一，傳統的解決方法是通過維持測量環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用范圍。造成溫漂問題的本質原因主要有兩個，其一是光學系統的熱脹冷縮導致各元器件的位姿變化，其二是透鏡像差的變化導致成像質量的下降。為了解決第一個問題，另有從業者提出了用于角秒級三維光學變形測量裝置的安裝裝置與方法，對三維光學變形測量裝置的發射模塊和接收模塊的各部分進行可靠安裝，同時具有精密可調、調節方便和調節后穩定可靠等特點，而且在環境溫度變化和受力狀態變化等實際條件下具有很好的穩定性。然而，僅依靠裝置合理安裝并不能完全解決溫漂問題，像差變化導致成像質量下降依然能夠很大程度影響測量結果。
[0005]如何在實現角秒級光學三維變形測量的同時克服環境溫度變化對測量結果的影響，提高測量方法的溫度穩定性，是本領域技術人員極為關注的技術問題。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題就在于:針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種原理簡單、適用范圍廣、精度高、能夠提高溫度穩定性的用于角秒級三維變形的光學準直測量方法。
[0007]為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
[0008]一種用于角秒級三維變形的光學準直測量方法，其步驟為:
[0009](1)構建測量裝置，包括發射模塊和接收模塊，發射模塊中光源和光闌的中心設置在發射光學系統的光軸上，構成發射準直光路，發射模塊固定在參考基準上；接收模塊包括接收光學系統和面陣探測器，接收模塊固定在待測物上；采用點目標的組合作為投影光闌上的圖樣；
[0010](2)預處理，對面陣探測器得到的圖像進行預處理；
[0011](3)提取點陣質心序列；創建點目標辨識窗口，利用目標辨識窗口對圖像進行逐行掃描，辨識并提取出全部點所在區域；當目標辨識窗口辨識到點目標后，對點目標進行質心提取；
[0012](4)計算三維變形角，根據點陣中各點坐標計算方位變形和俯仰變形，根據點陣中各點坐標計算橫滾變形。
[0013]作為本發明的進一步改進:所述步驟(3)的具體流程為:
[0014](3.1)創建點目標辨識窗口:辨識窗口大小為aXa，其中a>d, d為光斑直徑，a、d單位為像素；
[0015](3.2)點目標區域辨識:將面陣探測器的像元行序號記為m，1≤m≤mmax，mmax為圖像的像素總行數，從下向上依次由小到大編號；將像元列序號記為n，1 ≤ η ≤ nmax，nmax為圖像的像素總列數，從左向右依次由小到大編號；運用創建的辨識窗口對圖像進行逐行掃描，辨識并提取出全部N2個點所在區域；
[0016](3.3)點目標質心提取:當目標辨識窗口辨識到點目標后，采用灰度質心法計算目標辨識窗口內點目標質心坐標；記目標辨識窗口第一行第一個點在圖像中的坐標為(ar, a。),該窗口內像元(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,則該區域質心坐標(x, y)為:
【權利要求】
1.一種用于角秒級三維變形的光學準直測量方法，其特征在于，步驟為: (1)構建測量裝置，包括發射模塊和接收模塊，發射模塊中光源和光闌的中心設置在發射光學系統的光軸上，構成發射準直光路，發射模塊固定在參考基準上；接收模塊包括接收光學系統和面陣探測器，接收模塊固定在待測物上；采用點目標的組合作為投影光闌上的圖樣； (2)預處理，對面陣探測器得到的圖像進行預處理； (3)提取點陣質心序列；創建點目標辨識窗口，利用目標辨識窗口對圖像進行逐行掃描，辨識并提取出全部點所在區域；當目標辨識窗口辨識到點目標后，對點目標進行質心提取； (4)計算三維變形角，根據點陣中各點坐標計算方位變形和俯仰變形，根據點陣中各點坐標計算橫滾變形。
2.根據權利要求1所述的用于角秒級三維變形的光學準直測量方法，其特征在于，所述步驟(3)的具體流程為: (3.1)創建點目標辨識窗口:辨識窗口大小為aXa，其中a>d，d為光斑直徑，a、d單位為像素； (3.2)點目標區域辨識:將面陣探測器的像元行序號記為m，1 ≤ m ≤ mmax，mmax為圖像的像素總行數，從下向上依次由小到大編號；將像元列序號記為n，1 ≤ η ≤ nmax，nmax為圖像的像素總列數，從左向右依次由小到大編號；運用創建的辨識窗口對圖像進行逐行掃描，辨識并提取出全部N2個點所在區域； (3.3)點目標質心提取:當目標辨識窗口辨識到點目標后，采用灰度質心法計算目標辨識窗口內點目標質心坐標；記目標辨識窗口第一行第一個點在圖像中的坐標為(ar，ac)，該窗口內像元(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,則該區域質心坐標(x, y)為:
3.根據權利要求2所述的用于角秒級三維變形的光學準直測量方法，其特征在于，所述步驟(4)中根據點陣中各點坐標計算方位變形和俯仰變形的具體流程為:將辨識出的N2個點中心坐標記為(Xij，Yij), 1≤i≤N且N,其中i是該點在點陣中的行序號，j是該點在點陣中的列序號；方位方向變形Ψ、俯仰方向變形Θ可以由下式計算得到，式中μ χ、μ Y是面陣探測器水平、垂直方向的像元間距，f是接收光學系統的焦距:
4.根據權利要求2所述的用于角秒級三維變形的光學準直測量方法，其特征在于，所述步驟(4)中根據點陣中各點坐標計算橫滾變形的具體流程為: (4.2.1)設每個區域包含點的數量為bXb個，則該區域的灰度質心坐標(Ui，Vi)(i=l，2，…，9)可以按下式計算得到:
5.根據權利要求1所述的用于角秒級三維變形的光學準直測量方法，其特征在于，所述步驟(2)的具體流程為: (2.1)創建灰度圖像:若面陣探測器是彩色探測器，則將彩色圖像轉換成灰度圖像；若面陣探測器是灰度探測器，則直接進入步驟(2.2)； (2.2)圖像畸變校正； (2.3)濾除背景噪聲:對校正后的點陣圖樣的所有像素根據亮度進行排序，根據圖樣中點的數量N2選取L個最亮像素，根據選擇的最亮像素計算平均亮度，將該平均亮度作為點陣圖樣的最大亮度Imax ;根據最大亮度1--和面陣探測器噪聲大小設置亮度閾值ITH，亮度閾值Ith大于面陣探測器的噪聲，且小于最大亮度Imax的20% ;根據Ith濾除背景噪聲，將小于Ith的所有像素的亮度置零。
6.根據權利要求1~5中任意一項所述的用于角秒級三維變形的光學準直測量方法，其特征在于，所述點目標的邊緣分布為服從階躍分布，或者為服從二維高斯分布。
7.根據權利要求1~5中任意一項所述的用于角秒級三維變形的光學準直測量方法，其特征在于，所述點目標的組合為放射型、網格型、沙漏型或點陣型。
【文檔編號】G01B11/16GK103913126SQ201410158401
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】王省書, 高旸, 秦石喬, 胡春生, 黃宗升, 戰德軍, 吳偉, 鄭佳興 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學
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