CN100334463C - 激光测距系统光学校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种激光测距系统光学校准装置，包括接收光学系统和激光器，其特征是该接收光学系统之前设接收视场模拟激光器，在接收光学系统和激光器之后是平行光管，该平行光管之后垂直于其主轴设一像屏、该像屏后是面阵CCD，该面阵CCD与计算机相连，该计算机输出端RS322串口与激光器和接收视场模拟激光器的外触发源相接。本发明装置具有光学校准精度高和自动化的特点。

Description

激光测距系统光学校准装置及方法

技术领域：

本发明涉及激光测距，特别是一种激光测距系统光学校准装置及方法。

背景技术：

对地观测激光测距系统是由机载激光测高技术发展而来，早期实现机下点测高，精度较差。由于GPS技术的普及，测量精度迅速提高。

激光测距系统的基本工作原理是：通过测量发射激光和接收激光回波的时间差得到期间光走过的距离，进而得到距离值。

激光测高仪/测距仪的性能在很大程度上是指其测距能力，即最大测程。对于远距离的激光测高仪/测距仪(20km以上)来说，最大测程指标尤为重要，直接决定了这类系统的使用高度/距离和测量效率。

系统必须按照最大测程来设计制造。根据最大测程公式

$Z_{\max }=\sqrt{\frac{P_T{S}_r{T}_T{T}_{R}A\left(z\right)\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θF}}{\mathrm{\π}{P}_{r\min }}}---\left(1\right)$

Z_max：最大测程，P_T：发射功率，S_r：接收面积，T_T：发射系统光学透过率，T_R：接收系统光学透过率，A(z)：双程大气传输透过率，σ：地面目标反射率，F为滤光片的中央透过率，P_rmin最小可测输入功率，θ是发射的激光束相对目标物表面的入射角。

由该公式得到的是在发射视场中心和接收视场中心完全重合的理想状态下测距系统的最大测程。在其它条件不变的情况下，可以通过提高激光的发射功率以提高系统的最大测程。但在实际情况下，系统的最大测程还取决于激光发射和激光回波接收的共轴精度。两者之间的偏差会使测距系统的最大测程小于上述理论值，且当偏差角过大时，系统甚至无法测距。提高发射视场中心和接收视场中心的重合度，成为提高系统能力的重要因素。在实践运用中，接收视场中心和发射视场中心的校准往往是影响最大测程最重要的因素。结构与光学设计主要保证视场的初步重合，视场重合度的精密调整主要由光学装校来保证。

在传统的方法中，一般采用平行光管进行光学装校。基本方法是：用一台激光器取代测距系统中的回波探测器，其发射出的光束模拟接收视场。利用平行光管将不同方向的平行光束聚焦在焦平面上的不同位置的性质，将测距系统的出射光束和模拟的接收视场光束聚焦，通过观察两个像的中心是否重合，来判断接收视场与发射视场的中心轴是否平行。传统方法中的最大问题在于光学校准工作完全靠工作人员用肉眼观察光学成像效果来判断发射视场和接收视场的重合程度，受主观因素影响较大，不能定量地给出发射和接收视场的重合程度，使光学装校的精度受限。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种激光测距系统光学校准装置及方法，它能定量地给出发射视场中心和接收视场中心的重合度，以实现对激光测距系统高精度的光学校准，最大限度地提高激光测距系统的最大测程。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光测距系统光学校准装置，包括接收光学系统和激光器，其特征是该接收光学系统之前设接收视场模拟激光器，在接收光学系统和激光器之后是平行光管，该平行光管之后垂直于其主轴设一像屏，该像屏后是面阵CCD，该面阵CCD与计算机相连，该计算机输出端RS322串口接激光器和接收视场模拟激光器的外触发源接口。

在该接收视场模拟激光器的出射端装有第一吸收式滤光片，所述激光器的输出端有第二吸收式滤光片。

用上述的光学校准装置对激光测距系统进行光学校准的方法，其特征在于包括下列步骤：

①.计算机分别向激光器、接收视场模拟激光器和面阵CCD发出信号，以实现同步工作；

②.面阵CCD从像屏采集发射视场和接收视场光斑图像，送入计算机进行数据处理，并在计算机的显示屏上显示；

③.对像屏上的光斑图像进行监视和分析，同时对激光测距系统进行调整，实施粗校准；

④.当发射视场中心和接收视场中心的偏心率小于1/10时，计算机按质心统计法进行数据处理，对激光测距系统进行精校准，直到发射视场中心与接收视场中心达到设计要求或完全重合。

所述的精校准的过程如下：

a.利用查表的方法对图像进行暗电流校正和辐射校正；

b.使用质心统计法计算出发射视场光斑和接收视场光斑的中心位置，取得发射视场光斑和接受视场光斑各自中心位置的亮度值；并将亮度值的l/e²设为精算质心时使用的阈值；

c.忽略亮度值小于阈值的象素点，对图像中亮度值大于阈值的象素点再次使用质心统计法计算出光斑的质心，并同时计算出光斑的直径；

d.计算偏心率，以偏心率定量地表示发射视场和接收视场的重合度。

本发明的技术效果：

1.利用本发明装置对激光测距系统进行光学校准，直观，工作效率高；

2.本发明装置经CCD图像采集和计算机数据处理，可以定量地随时获得激光测距系统的发射视场中心与接收视场中心的偏差，可实时地指导光学校准，并使之达到设计标准，甚至完全重合，校准精度高。

3.在本发明装置中设有吸收式滤光片，可保护CCD探测器的安全，以免过饱和影响成像质量，调节该滤光片的吸收可以获得高质量的光斑图像。

附图说明：

图1是本发明激光测距系统光学校准装置的结构示意图。

图2是本发明装置进行光学校准的流程图。

具体实施方式：

先请参阅图1，图1是本发明激光测距系统光学校准装置的结构示意图，由此可见，本发明的激光测距系统光学校准装置

一种激光测距系统光学校准装置，包括接收光学系统3和激光器4，其特征是该接收光学系统3之前设接收视场模拟激光器1，在接收光学系统3和激光器4之后是平行光管6，该平行光管6之后垂直于其主轴设像屏7，该一像屏7后是面阵CCD8，该面阵CCD8与计算机9相连，该计算机9输出端RS322串口与激光器4和接收视场模拟激光器1的外触发源相接。本发明装置的工作过程如下：

A、接收视场模拟激光器1发出的激光光束经过吸收式滤光片2后通过接收光学系统3，进入平行光管5，最后汇聚在像屏7上模拟接收视场52；测距激光器4发出的激光光束通过吸收式滤光片5，进入平行光管6后汇聚在像屏7形成发射视场51。

B、面阵CCD8对像屏7上的激光光斑探测并成像。为防止出射激光能量过大，导致成像CCD8像元过饱而引起成像畸变，应酌情调节第一吸收式衰减片2和第二吸收式衰减片5的衰减系数。获取图像时应注意CCD8的光敏面与发射视场的中心轴和接收视场的中心轴垂直，否则将得到变形的图像，影响数据分析。CCD8获取的图像数据输入到计算机9中。

C、利用本发明光学校准装置对激光测距系统进行光学校准的方法，包括下列步骤：

计算机9分别向激光器4、接收视场模拟激光器1和面阵CCD8发出信号，以实现同步工作；

面阵CCD从像屏7采集发射视场51和接收视场52的光斑图像，送入计算机9进行数据处理，并在计算机9的显示屏上显示；

对光斑图像进行监视和分析，同时对激光测距系统进行校准；

当发射视场中心和接收视场中心的偏心率小于1/10时，计算机9按质心统计法进行数据处理，并对激光测距系统进行精校准，直到发射视场中心与接收视场中心达到设计要求或完全重合。

本发明装置对激光测距系统进行光学校准的流程如2所示。计算机9开始工作后，初始化并启动图像采集设备，在偏心率显示大于1/10时，采用粗校准模式，偏心率小于1/10后进入精校准模式。

在粗校准模式下，计算机9实时地采集CCD8的成像，并以一定频率对一帧图像数据使用质心统计算法计算出发射和接收视场光斑的中心位置(x_c、y_c)以及偏心率。质心统计算法的公式为：

$x_c=\frac{\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{xg}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}g(x,y)}$ $y_c=\frac{\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{yg}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}g(x,y)}$

其中x，y分别为象素点的横、纵坐标；g(x，y)为坐标值为(x，y)的象素点的亮度值。

采用质心统计算法可以降低激光光源本身光强起伏的影响，增加计算结果的稳定性，并且在CCD8光敏面不严格垂直于光束方向时，计算结果比简单的求光斑的几何中心更接近于视场中心轴的投影点。

在精校准模式下，监测软件停止对CCD8所见的实时成像及数据处理。在对图像进行暗电流校正和辐射校正后选用拍摄质量较好的图像采用多幅积分法去噪声。接收视场的光斑直径计算对偏心率的计算结果有很大影响。这里使用的接收视场模拟激光器发出的光主要为基模，激光光斑基模尺寸定义为：

$\mathrm{\ω}=\mathrm{\ω}{|}_{l=l_0{e}^2}$

即定义亮度为激光光斑中心亮度l/e²的位置为光斑边缘。根据此定义初次使用质心算法预计算出两光斑的中心位置，取得其亮度值，其亮度值的l/e²为精算质心时使用的阈值。忽略亮度值小于阈值的象素点，对图像中亮度值大于阈值的象素点再次使用质心统计算法精算出光斑的质心，并同时计算光斑的直径。以这种带有预分析的质心统计算法可以较为精确的求出光斑的中心位置。同时，通过数据的预分析，可以较为精确的取得接收视场光斑的直径大小。两者均有利于提高偏心率的计算精度，从而实现高精度的光学校准。

粗校准模式下考虑到实时监测的需要，不对数据进行暗电流校正和辐射校正，也不采用带有预分析的质心统计算法，只对数据进行一次性分析得到光斑质心位置。

综上所述，本发明精校准的过程可以归纳如下：

①.利用查表的方法对图像进行暗电流校正和辐射校正；

②.使用质心算法计算出两光斑的中心位置，取得其亮度值；并将其亮度值的l/e2发为精算质心时使用的阈值；

③.忽略亮度值小于阈值的象素点，对图像中亮度值大于阈值的象素点再次使用质心统计算法精算出光斑的质心，并同时计算出光斑的直径；

④.计算偏心率，以偏心率定量的表示发射视场和接收视场的重合度。

与已有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的技术进步。由于采用了软硬件结合的方法，使整个光学校准装置更趋于完整化。通过该装置的使用，光学校准操作人员的工作强度大大降低，同时由于采用偏心率来定量地表示视场重合度，消除了人眼观察带来的主观误差，配合高象素数图像采集设备的使用，极大地提高了光学校准的精度，缩短了光学校准的时间。该装置采用主动的方式获取光斑图像，避免了测距系统发射激光和光学校准装置获取图像时间的非同步性。

Claims (4)

1、一种激光测距系统光学校准装置，包括接收光学系统(3)和激光器(4)，其特征是该接收光学系统(3)之前设接收视场模拟激光器(1)，在接收光学系统(3)和激光器(4)之后是平行光管(6)，该平行光管(6)之后垂直于其主轴设像屏(7)、该一像屏(7)后是面阵CCD(8)，该面阵CCD(8)与计算机(9)相连，该计算机(9)输出端RS322串口与激光器(4)和接收视场模拟激光器(1)的外触发源相接。

2、根据权利要求1所述的光学校准装置，其特征在于：在该接收视场模拟激光器(1)的出射端装有第一吸收式滤光片(2)，所述激光器(4)的输出端有第二吸收式滤光片(5)。

3、根据权利要求1或2所述的光学校准装置对激光测距系统进行光学校准的方法，其特征在于包括下列步骤：

①.计算机(9)分别向激光器(4)、接收视场模拟激光器(1)和面阵CCD(8)发出信号，以实现同步工作；

②.面阵CCD(8)从像屏(7)采集发射视场(51)和接收视场(52)光斑图像，送入计算机(9)进行数据处理，并在计算机(9)的显示屏上显示；

③.对像屏(7)上的光斑图像进行监视和分析，同时对激光测距系统进行调整，实施粗校准；

④.当发射视场中心和接收视场中心的偏心率小于1/10时，计算机(9)按质心统计法进行数据处理，对激光测距系统进行精校准，直到发射视场中心与接收视场中心达到设计要求或完全重合。

4、根据权利要求3所述的光学校准方法，其特征在于所述的精校准的过程如下：

a.利用查表的方法对图像进行暗电流校正和辐射校正；

b.使用质心统计法计算出发射视场光斑和接收视场光斑的中心位置，取得发射视场光斑和接收视场光斑各自中心位置的亮度值；并将亮度值的1/e²设为精算质心时使用的阈值；

c.忽略亮度值小于阈值的象素点，对图像中亮度值大于阈值的象素点再次使用质心统计法计算出光斑的质心，并同时计算出光斑的直径；

d.计算偏心率，以偏心率定量地表示发射视场和接收视场的重合度。

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