CN103090883A - 一种光电跟踪系统动态跟踪精度校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电跟踪系统动态跟踪精度校准装置及方法，包括用于产生信标光的信标光分系统、高速图像采集系统和处理分系统，所述的信标光分系统包括高精度激光目标模拟器、激光目标控制器、第一计算机和靶板，所述的图像采集系统包括高速相机，所述的处理分系统包括第二计算机。本发明通过由固体激光器、扩束器、快速倾斜镜和反射镜组成的信标光分系统产生信光标到靶板，而且信标光分系统可以通过光斑模拟多种运动方式和运动速度的目标，这样对设备的精度测试更有说服力。通过高速采集系统对光斑进行采集，采用高速数字图像处理技术得到较高的测量精度，从而根据对跟踪精度的测量对光电跟踪系统进行快速、准确的校正。

Description

一种光电跟踪系统动态跟踪精度校准装置及方法

技术领域

本发明涉及光学计量领域，尤其涉及图像处理中的一种光电跟踪系统动态跟踪精度校准装置及方法。

背景技术

对于光电跟踪系统的动态跟踪精度指标，国内外都进行了大量研究，国内与国外差距比较大，由于涉及军事敏感技术，详细的公开报道不多。

从现有公开资料看，美国在白沙靶场布置了上百台光学、光电测量设备，其数据处理能力强、测量网络先进，足可用来检测任何一台光电跟踪测量设备，但具体技术指标极少透露。我国对光电跟踪系统的校准研究也进行了大量工作，国内研究单位多采用机械旋转靶标检测光电跟踪系统，通过靶标实时输出目标的角度真值与被测设备探测的目标方位、俯仰角度进行比对，得出检测结果。如我们国家在20世纪80年代研制成功的检测光电经纬仪动态性能的旋转靶标，解决了光电经纬仪动态捕获、跟踪性能及测量精度的室内检测问题，此检测装置已在一些民用和军用部门得到推广和应用。在此基础上，本世纪初又发展研制了可编程动态靶标，其利用线阵CCD和视频判读法对旋转靶标进行动态标定。但是上述传统的光电跟踪系统动态特性测试方法由于存在测量结果主观性强、模拟目标运动速度慢、精度低、运动状态可控性差以及不确定度来源较多，系统调试难度高等缺点，已明显不能满足军工科研、军工维修、军工安装和部队的需求。

发明内容

 本发明的目的是为检测被测光电跟踪系统的跟踪性能提供一种精度高、适应性好、高效的光电跟踪系统动态跟踪精度校准装置及方法。

 本发明采用下述技术方案：

一种光电跟踪系统动态跟踪精度校准装置，包括用于产生信标光的信标光分系统、高速图像采集系统和处理分系统，所述的信标光分系统包括用于模拟可见光目标的高精度激光目标模拟器、用于对激光光束进行变换和运动控制的激光目标控制器、用于对高精度激光目标模拟器、激光目标控制器进行控制的第一计算机和用于形成测试所需光斑图像的靶板，所述的图像采集系统包括用于采集靶板上光斑的高速相机，所述的处理分系统包括对采集到的图像数据进行处理的第二计算机，所述的高速相机连接第二计算机。

所述的高精度激光目标模拟器包括固体激光器、扩束器、快速倾斜镜、反射镜和电源。

所述的激光目标控制器包括对快速倾斜镜进行控制的快速倾斜镜控制器和对固体激光器进行控制的激光器控制器，所述的快速倾斜镜控制器和激光器控制器分别与第一计算机连接。

一种光电跟踪系统动态跟踪精度校准方法，包括以下步骤：     

A：开启信标光分系统、高速图像采集系统和处理分系统，所述以上系统初始化设置后进入系统自检；如果自检通过,进入步骤B；如果自检不通过，进行硬件的更换或者软件的调试，直到检测通过；

B:对信标光分系统和高速图像采集系统分别进行参数设置；

C：通过第一计算机启动并控制信标光分系统进行工作，使信标光分系统在靶板上形成所需要的目标光斑；同时启动被测光电跟踪系统对目标光斑进行跟踪，且把跟踪的信息以光斑的形式投射在靶板上，显示为跟踪光斑；

D: 通过第二计算机控制高速相机采集信标光分系统在靶板上形成的目标光斑和被测光电跟踪系统发出的跟踪光斑图像，并利用数据通道把采集到的图像数据传输到第二计算机；

E:使用第二计算机对图像采集系统进行标定，然后控制高速相机拍摄标定光斑，通过图像处理对标定光斑进行质心定位，计算出质心坐标值；

F:根据由采集到的图片所得到的质心坐标值进行动态位移计算分析，进而得到被测光电跟踪系统的跟踪精度即跟踪误差角；

G:根据得到的跟踪误差角对被测的光电跟踪系统进行纠正。   

所述的A步骤包括以下步骤

1，首先第一计算机向信标光系统发送测试信号，信标光系统收到测试信号后对激光器和快速倾斜镜进行自检，自检通过返回状态信号到第一计算机，工作状态正常则进行下一步，否则会显示出错提示；  

2，通过第二计算机对高速相机、图象采集卡进行写入和读出操作，判断高速相机和图像采集卡的工作状态是否正常，如果正常则自检结束，不正常则同样会有出错提示。

所述的B步骤包括以下步骤 

1，通过第一计算机对固体激光器进行工作参数的设置，使信标光分系统能够在靶板形成需要的目标光斑。

2，通过第二计算机完成对高速相机和图像采集卡的驱动和参数设置，使其可以对目标光斑和跟踪光斑进行高速拍摄，同时对第二计算机内存进行分配和管理。

所述步骤E中光斑质心定位包括以下步骤； 

1，在第二计算机载入采集到的图像，通过透视畸变模型对图像进行透视校正；

2，校正完成后进行图像预处理，压缩低灰度值，扩展高灰度值，增强光斑在图像上的对比度；

3， 应用光斑查找算法，查找每个图像中两个激光光斑所在的粗略位置，进行粗定位，将光斑的位置定位到整像素级别；

4，以粗定位得到的光斑中心像素点为坐标原点，建立两个新的坐标系，以两个坐标系的原点为中心，根据光斑的实际尺寸构造两个窗口；

5，计算每个窗口内的灰度值质心位置的坐标值，并综合粗定位的结果求其平均值从而给出两个光斑最终的定位坐标值；

6，将得到的质心定位的结果保存至第二计算机的硬盘中。

本发明通过由固体激光器、扩束器、快速倾斜镜和反射镜组成的信标光分系统产生信光标到靶板，而且信标光分系统可以通过光斑模拟多种运动方式和运动速度的目标，这样对设备的精度测试更有说服力。通过高速采集系统对光斑进行采集，采用高速数字图像处理技术得到较高的测量精度，从而根据对跟踪精度的测量对光电跟踪系统进行快速、准确的校正。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种光电跟踪系统动态跟踪精度校准装置，包括用于产生信标光的信标光分系统1、高速图像采集系统4和处理分系统，所述的信标光分系统1包括用于模拟可见光目标的高精度激光目标模拟器、用于对激光光束进行变换和运动控制的激光目标控制器、用于对高精度激光目标模拟器、激光目标控制器进行控制的第一计算机3和用于形成测试所需光斑图像的靶板6，所述的高速图像采集系统4包括用于采集靶板6上光斑的高速相机，所述的处理分系统包括对采集到的图像数据进行处理的第二计算机5，所述的高速相机通过图像采集卡连接第二计算机5。

所述的高精度激光目标模拟器包括固体激光器、扩束器、快速倾斜镜、反射镜和电源。固体激光器发射可见光激光束，采用定制的扩束器扩束以及FSM(Fast Steering Mirror)偏转调制后向远场靶板6发射，模拟目标以一定的角速度（≤10o/s并且可调节）在靶板6上运动，从而获得满足测试要求的运动目标光斑。

所述的激光目标控制器包括对快速倾斜镜进行控制的快速倾斜镜控制器和对固体激光器进行控制的激光器控制器，所述的快速倾斜镜控制器和激光器控制器分别连接第一计算机3。第一计算机3与激光器控制器、快速倾斜镜控制器之间分别采用RS485和RS232数据串口进行连接。

本发明通过信标光分系统1在靶板6上生成目标光斑，通过被测光电跟踪系统2对靶板6上的目标光斑进行实时跟踪，同时使被测光电跟踪系统2通过辅助激光器把跟踪到的信息以光斑的形式同时在靶板6上呈现，这样通过高速图像采集系统4进行对靶板6上的两个光斑进行实时采集，然后对采集到的每个图片上的两个光斑进行图像处理，从而计算出跟踪的精度值。

一种光电跟踪系统动态跟踪精度校准方法，包括以下步骤：     

A：开启信标光分系统1、高速图像采集系统4和处理分系统，以上系统分别会进行初始化设置。然后进入系统自检；如果自检通过,进入步骤B；如果自检不通过，进行硬件的更换或者软件的调试，直到检测通过；各个系统能正常工作。首先进行信标光分系统1初始化，即完成激光器、快速倾斜镜基本设置，同时实现激光器和快速倾斜镜的自检。系统初始化且自检通过后，方可实现激光器电源监控和光斑运动控制功能。 通过第二计算机5对高速相机、图象采集卡进行写入和读出操作，判断高速相机和图像采集卡的工作状态是否正常，如果正常则自检结束；如果读写异常，则要求用户检查硬件之间的连接以及硬件是否上电，重新进行系统自检，直到自检通过后再进行下一步的测试工作。   

B:对信标光分系统和图像采集系统进行参数的设置。通过第一计算机3对固体激光器进行工作参数的设置，使其可以生成所要的目标光斑。

通过第二计算机5完成对高速相机和图像采集卡的驱动和参数设置，使其可以对目标光斑和跟踪光斑进行高速拍摄，同时对第二计算机5内存进行分配和管理。

C：通过第一计算机3启动并控制信标光分系统进行工作，使信标光分系统在靶板6上形成静态或者动态的目标光斑，同时启动被测光电跟踪系统2对目标光斑进行跟踪，且把跟踪的信息以光斑的形式投射在靶板6上，显示为跟踪光斑。

D: 通过第二计算机5控制高速相机采集信标光分系统在靶板6上形成的目标光斑和被测光电跟踪系统2在靶板6上同时形成的跟踪光斑图像，并利用数据通道把采集到的图像数据传输到第二计算机5。

E:使用第二计算机5对采集系统进行标定。通过控制高速相机的快门、帧频等参数，拍摄标定光斑，对标定光斑进行质心定位；具体步骤为

1，在第二计算机5载入采集到的图像，通过透视畸变模型对图像进行透视校正。

2，校正完成后进行图像预处理，对低灰度值进行压缩，高灰度值进行扩展，增强激光光斑在图像上的对比度。这样可以突出光斑信息，降低噪声的影响。

3， 应用光斑查找算法，查找每个图像中两个激光光斑所在的粗略位置，并进行粗定位，将光斑的位置定位到整像素级别。

4，以粗定位得到的光斑中心像素点为坐标原点，建立两个新的坐标系。以两个坐标系的原点为中心，根据光斑的实际尺寸构造两个窗口；即以两个坐标系的原点为中心，构造两个（2N+1）×（2N+1）窗口，窗口的大小根据光斑的实际尺寸来选择；所述的N为光标的中心像素值到边缘像素值的像素个数，这样以2N+1进行开窗，则窗口的大小会契合整个光斑。例如光斑的大小为5时，所述的N的值为2。

5，计算每个窗口内的灰度值质心位置的（X，Y）坐标值，并综合粗定位的结果求其平均值给出两个光斑最终的定位坐标值；本发明中所述的光斑质心坐标计算使用下述表达式；

式中I（x,y）为像素坐标（x,y）处的灰度值，所述的（x0,y0）为质心坐标值。也可以用其它计算公式进行计算

6，将得到的质心定位的结果保存至第二计算机5的硬盘中。

F: 光斑质心定位完成后，通过对每个采集到的图片所得到的质心信息进一步处理分析，进而得到被测光电跟踪系统2的跟踪精度。

G:根据得到的跟踪精度值即所述的跟踪误差角对现有的被测光电跟踪系统2进行纠正。  

本发明通过信标光分系统生成多种可控目标光斑供被测光电跟踪系统2进行跟踪，通过靶板6把目标光斑和跟踪光斑实时显示在靶板6上，同时利用高速图像采集系统4对目标光斑和跟踪光斑进行精确定位，最后通过数字处理，计算跟踪精度，使测试的精度大大提高，校准调试难度大大降低。

Claims (7)

1.一种光电跟踪系统动态跟踪精度校准装置，其特征在于：包括用于产生信标光的信标光分系统、高速图像采集系统和处理分系统，所述的信标光分系统包括用于模拟可见光目标的高精度激光目标模拟器、用于对激光光束进行变换和运动控制的激光目标控制器、用于对高精度激光目标模拟器、激光目标控制器进行控制的第一计算机和用于形成测试所需光斑图像的靶板，所述的图像采集系统包括用于采集靶板上光斑的高速相机，所述的处理分系统包括对采集到的图像数据进行处理的第二计算机，所述的高速相机连接第二计算机。

2.根据权利要求1所述的光电跟踪系统动态跟踪精度校准装置，其特征在于：所述的高精度激光目标模拟器包括固体激光器、扩束器、快速倾斜镜、反射镜和电源。

3.根据权利要求2所述的光电跟踪系统动态跟踪精度校准装置，其特征在于：所述的激光目标控制器包括对快速倾斜镜进行控制的快速倾斜镜控制器和对固体激光器进行控制的激光器控制器，所述的快速倾斜镜控制器和激光器控制器分别与第一计算机连接。

4.一种光电跟踪系统动态跟踪精度校准方法，其特征在于：包括以下步骤：     

A：开启信标光分系统、高速图像采集系统和处理分系统，所述以上系统初始化设置后进入系统自检；如果自检通过,进入步骤B；如果自检不通过，进行硬件的更换或者软件的调试，直到检测通过；

B:对信标光分系统和高速图像采集系统分别进行参数设置；

C：通过第一计算机启动并控制信标光分系统进行工作，使信标光分系统在靶板上形成所需要的目标光斑；同时启动被测光电跟踪系统对目标光斑进行跟踪，且把跟踪的信息以光斑的形式投射在靶板上，显示为跟踪光斑；

D: 通过第二计算机控制高速相机采集信标光分系统在靶板上形成的目标光斑和被测光电跟踪系统发出的跟踪光斑图像，并利用数据通道把采集到的图像数据传输到第二计算机；

E:使用第二计算机对图像采集系统进行标定，然后控制高速相机拍摄标定光斑，通过图像处理对标定光斑进行质心定位，计算出质心坐标值；

F:根据由采集到的图片所得到的质心坐标值进行动态位移计算分析，进而得到被测光电跟踪系统的跟踪精度即跟踪误差角；

G:根据得到的跟踪误差角对被测的光电跟踪系统进行纠正。

5.根据权利要求4所述的光电跟踪系统动态跟踪精度校准方法，其特征在于：所述的A步骤包括以下步骤：

（1），首先第一计算机向信标光系统发送测试信号，信标光系统收到测试信号后对激光器和快速倾斜镜进行自检，自检通过返回状态信号到第一计算机，工作状态正常则进行下一步，否则会显示出错提示；  

（2），通过第二计算机对高速相机、图象采集卡进行写入和读出操作，判断高速相机和图像采集卡的工作状态是否正常，如果正常则自检结束，不正常则同样会有出错提示。

6.根据权利要求4所述的光电跟踪系统动态跟踪精度校准方法，其特征在于：所述的B步骤包括以下步骤 ：

（1），通过第一计算机对固体激光器进行工作参数的设置，使信标光分系统能够在靶板形成需要的目标光斑；

（2），通过第二计算机完成对高速相机和图像采集卡的驱动和参数设置，使其可以对目标光斑和跟踪光斑进行高速拍摄，同时对第二计算机内存进行分配和管理。

7.根据权利要求4所述的光电跟踪系统动态跟踪精度校准方法，其特征在于：所述步骤E中光斑质心定位包括以下步骤； 

（1），在第二计算机载入采集到的图像，通过透视畸变模型对图像进行透视校正；

（2），校正完成后进行图像预处理，压缩低灰度值，扩展高灰度值，增强光斑在图像上的对比度；

（3）， 应用光斑查找算法，查找每个图像中两个激光光斑所在的粗略位置，进行粗定位，将光斑的位置定位到整像素级别；

（4），以粗定位得到的光斑中心像素点为坐标原点，建立两个新的坐标系，以两个坐标系的原点为中心，根据光斑的实际尺寸构造两个窗口；

（5），计算每个窗口内的灰度值质心位置的坐标值，并综合粗定位的结果求其平均值从而给出两个光斑最终的定位坐标值；

（6），将得到的质心定位的结果保存至第二计算机的硬盘中。