CN101886951A - 高重频激光瞄准可移动目标性能的分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高重频激光瞄准可移动目标性能的分析系统及方法，它用于测试高重频激光对移动目标的瞄准性能，能够实时计算激光光斑中心与目标中心间的距离差。本发明的激光瞄准可移动目标性能分析系统包括：PIN管探测器、CMOS或者CCD相机、定标灯组、目标光源、拍摄控制分析系统。本发明的特征在于使用单个照相机拍摄位置已知的定标灯，通过五幅定标图像与定标灯的真实位置坐标可以得出坐标转换关系矩阵。定标灯与拍摄系统可以固定在任意平面上，模拟运动目标。频率固定的激光脉冲触发相机，软件拍摄一幅激光光斑图像，并实时的计算、显示、保存激光光斑能量中心的靶面坐标与中心目标光源的距离差。

Description

高重频激光瞄准可移动目标性能的分析系统及方法

技术领域

本发明涉及光电仪器技术，具体是指一种高重频激光瞄准可移动目标性能分析系统及方法，可用于模拟移动靶标，拍摄、分析、计算探测到的激光光斑的位置、能量和形貌等。

背景技术

高重频脉冲激光器目前被广泛应用于激光测距、光学加工、目标跟瞄等领域，在这些领域中通常需要对激光光斑的能量分布特征、激光光斑在目标物体上的位置和形貌特征等信息进行探测和分析，这就需要对连续发射的激光脉冲光斑进行实时拍摄，并对激光光斑与目标间的距离做统计分析。

发明内容

本发明的目的是要建立一种高重频激光瞄准可移动目标性能的分析方法，本系统能够很好的解决激光对移动目标的瞄准性能评估问题，并能够调整激光光斑位置测量的分辨率。

如图1所示，其特征在于：中心目标光源和定标灯安装在靶面上；高速PIN管探测器及其包含的光学镜头必须对所要拍摄的激光波长敏感；CMOS或CCD相机具有外触发功能；中心目标光源和4个二极管定标灯可通过程序分别控制开关；CMOS或CCD相机和PIN管探测器与靶面固定在一起，系统定标调整时，通过调整相机位置以及镜头焦距控制相机视场覆盖整个靶面或靶面中心的部分面积，通过覆盖面积的不同可以调整分析系统的分辨率；CMOS或者CCD相机与靶面的相对位置在之后的测量过程中不再发生改变，从而靶面可以随意移动，成为可移动靶标。

本发明的高重频激光瞄准可移动目标性能分析方法，其工作方法包括如下步骤：

A.将中心目标光源与定标灯安装于靶面或任意平面上。

B.打开中心目标光源，CMOS或者CCD相机拍摄靶面背景图像，并依次分别打开四个定标灯，各拍摄一幅靶面图像作为定标图像，然后将定标灯全部关闭，仅保留靶面中心目标光源。从这五幅定标图像解算出靶面坐标与像平面坐标的关系。

四个定标灯就可以列出八个共线方程：

$x_i=f\frac{a_1({X_i}^{\′}-X_s)+b_1({Y_i}^{\′}-Y_s)+c_1({Z_i}^{\′}-Z_s)}{a_3({X_i}^{\′}-X_s)+b_3({Y_i}^{\′}-Y_s)+c_3({Z_i}^{\′}-Z_s)}....\left(1\right)$

$y_i=f\frac{a_2({X_i}^{\′}-X_s)+b_2({Y_i}^{\′}-Y_s)+c_2({Z_i}^{\′}-Z_s)}{a_3({X_i}^{\′}-X_s)+b_3({Y_i}^{\′}-Y_s)+c_3({Z_i}^{\′}-Z_s)}....\left(2\right)$

其中a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、a₃是坐标转换矩阵中的元素。

定标灯P点在靶面坐标系中的坐标为(X’，Y’，Z’)，该点在摄影测量坐标系(即图像坐标系)中的坐标为(X，Y，Z)，则有：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}-X_s\\ Y^{\′}-Y_s\\ Z^{\′}-Z_s\end{array}\right]....\left(3\right)$

其中(X_s，Y_s，Z_s)为中心目标光源在靶面坐标系的坐标。

四个定标灯的三维坐标可以解出坐标转换矩阵

则对靶面坐标系上任意一点(X’，Y’，Z’)都可根据相片坐标系中对应的点(X，Y，Z)由以下换算得到：

$\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_s\\ Y_s\\ Z_s\end{array}\right]....\left(4\right)$

C.进入测量状态，待测激光器以一定重复频率发射激光脉冲，激光脉冲照射到墙面或者靶面上形成激光光斑，激光光斑位于PIN管探测器和CMOS或者CCD相机的探测视场中。

D.PIN管探测器响应激光脉冲的光信号并触发CMOS或者CCD相机拍摄一幅激光脉冲光斑图像。

E.拍摄测量分析系统将拍摄到的激光光斑图像通过图像算法减去之前拍摄的背景图像，从而减掉中心目标光源，使图像中仅保留光斑亮点，通过迭代算法算出光斑亮点的选取阈值，根据阈值选出光斑区域。将区域内的光斑图像运用加权平均的算法求出光斑的能量中心。

F.拍摄测量分析系统定标时计算出的靶面坐标与像坐标关系，换算出激光光斑能量中心在靶面上的真实坐标，计算并记录激光光斑能量中心位置与靶面真实中心位置的距离差d，距离差d的计算公式为：

$\mathrm{\Δd}=\sqrt{{(X^{\′}-X_s)}^2+{(Y^{\′}-Y_s)}^2+{(Z^{\′}-Z_s)}^2}....\left(5\right)$

本发明的优点是：

(1)CMOS或CCD相机和PIN管探测器与靶面通过拍摄系统固定架固定在一起，系统定标调整时，通过调整相机位置选择目标瞄准的区域，相机与靶面的相对位置在之后的测量过程中不再发生改变，从而靶面可以随意移动，成为可移动靶标。

(2)本激光瞄准可移动目标性能分析方法可以使用单个相机获得靶面上任意点的真实两维坐标。激光光斑中心的提取算法能够最大限度的模拟激光光斑的能量分布，因此提取的是激光能量分布的中心，能够最大程度上的反应激光瞄准性能的可靠性。

(3)调整相机位置以及镜头焦距控制相机视场覆盖整个靶面或靶面中心的部分面积，通过覆盖面积的不同可以调整分析系统的分辨率。

附图说明

图1为本发明的高重频激光瞄准可移动目标性能分析系统结构示意图；其中：

1——中心目标光源；

2——定标灯组；

3——PIN管探测器(包括光学镜头)；

4——CMOS或者CCD相机(包括光学镜头)；

5——拍摄控制分析系统；

6——激光器；

7——激光光斑；

8——靶面。

具体实施方式

下面根据图1给出本发明一个较好实施例。

1、中心目标光源1

中心目标光源使用卤钨灯，安置于靶盘中心，是激光瞄准的目标。

2、定标灯组2

定标灯组2用于对目标平面和相机的像平面之间的关系的标定。选用普通LED二极管。波长范围在可见光波段。

3、PIN管探测器3

PIN管探测器3用于实时响应每一个激光脉冲并产生电信号触发延迟电路系统开启延时计时。选用硅材料PIN管探测器，响应波长200-1100nm，光学镜头选用普通照相机镜头。

4、CMOS或者CCD相机4

CMOS或者CCD相机4用于拍摄激光光斑，像素分辨率1024x1024，帧速率不小于10Hz，光学镜头选用普通相机镜头。

5、拍摄控制分析系统5

激光瞄准性能分析软件5根据激光脉冲的重复发射频率对信号延迟电路的延时参数进行设置，对靶面与相机之间的坐标转换关系进行定标，并且负责对CMOS或者CCD相机2拍摄的激光光斑数据进行采集、处理、计算和保存。系统选用普通计算机。

6、靶面8

靶面8是一块圆形的金属铝盘；盘面直径600mm，厚度5-10mm；中心安装目标光源，四周安装四个定标灯。靶面的主要功能是使得入射激光在靶面前表面形成激光光斑；靶面中央的光源作为模拟目标，当该靶面刚好充满相机视场时，分辨率可达0.6毫米。

Claims (2)

1.一种高重频激光瞄准可移动目标性能的分析系统及方法，它包括中心目标光源(1)、定标灯组(2)、PIN管探测器(3)、CMOS或者CCD相机(4)、拍摄控制分析系统(5)、激光器(6)、激光光斑(7)，靶面(8)，其特征在于：中心目标光源(1)和定标灯组(2)安装在靶面(8)上；高速PIN管探测器(3)和CMOS或CCD相机(4)及其包含的光学镜头必须对所要拍摄的激光波长敏感；CMOS或CCD相机(4)具有外触发功能；中心目标光源(1)和4个二极管定标灯组(2)可通过程序分别控制开关；CMOS或CCD相机(4)和PIN管探测器(3)与靶面(8)固定在一起，系统定标调整时，通过调整相机位置以及镜头焦距控制相机视场覆盖整个靶面或靶面中心的部分面积，通过覆盖面积的不同可以调整分析系统的分辨率；CMOS或者CCD相机(4)与靶面(8)的相对位置在之后的测量过程中不再发生改变，从而靶面可以随意移动，成为可移动靶标。

2.一种基于权利要求1所述系统的高重频激光瞄准可移动目标性能分析方法，其特征在于包括如下步骤：

A.将中心目标光源(1)与定标灯组(2)安装于靶面(8)或任意平面上；

B.打开中心目标光源(1)，CMOS或者CCD相机(4)拍摄靶面背景图像，并依次分别打开四个定标灯组(2)，各拍摄一幅靶面图像作为定标图像，然后将定标灯组全部关闭，仅保留靶面中心目标光源，从这五幅定标图像解算出靶面坐标与像平面坐标的关系；

四个定标灯组就可以列出八个共线方程：

$x_i=f\frac{a_1({X_i}^{\′}-X_s)+b_1({Y_i}^{\′}-Y_s)+c_1({Z_i}^{\′}-Z_s)}{a_3({X_i}^{\′}-X_s)+b_3({Y_i}^{\′}-Y_s)+c_3({Z_i}^{\′}-Z_s)}$

$y_i=f\frac{a_2({X_i}^{\′}-X_s)+b_2({Y_i}^{\′}-Y_s)+c_2({Z_i}^{\′}-Z_s)}{a_3({X_i}^{\′}-X_s)+b_3({Y_i}^{\′}-Y_s)+c_3({Z_i}^{\′}-Z_s)}$

其中a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃是坐标转换矩阵中的元素；

定标灯点在靶面坐标系中的坐标为(X’，Y’，Z’)，该点在摄影测量坐标系即图像坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，则有：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}-X_s\\ Y^{\′}-Y_s\\ Z^{\′}-Z_s\end{array}\right]$

其中(X_s，Y_s，Z_s)为中心目标光源在靶面坐标系的坐标，可随意定义该点的坐标，为方便起见，大多将其定义为原点坐标(0，0，0)；

四个定标灯的三维坐标可以解出坐标转换矩阵

则对靶面坐标系上任意一点(X’，Y’，Z’)都可根据相片坐标系中对应的点(X，Y，Z)由以下换算得到：

$\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_s\\ Y_s\\ Z_s\end{array}\right];$

C.进入测量状态，待测激光器以一定重复频率发射激光脉冲，激光脉冲照射到墙面或者靶面上形成激光光斑，激光光斑位于PIN管探测器(3)和CMOS或者CCD相机(4)的探测视场中；

D.PIN管探测器响应激光脉冲的光信号并触发CMOS或者CCD相机(4)拍摄一幅激光脉冲光斑图像；

E.拍摄测量分析系统(5)将拍摄到的激光光斑图像通过图像算法减去之前拍摄的背景图像，从而减掉中心目标光源，使图像中仅保留光斑亮点，通过迭代算法算出光斑亮点的选取阈值，根据阈值选出光斑区域，将区域内的光斑图像运用加权平均的算法求出光斑的能量中心；

F.拍摄测量分析系统(4)定标时计算出的靶面坐标与像坐标关系，换算出激光光斑能量中心在靶面上的真实坐标，计算并记录激光光斑能量中心位置与靶面真实中心位置的距离差：

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