CN103674058B - 一种摆镜角跟踪精度室内检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种摆镜角跟踪精度室内检测方法，包括以下步骤：1）将多个平行光管放置在摆镜跟踪范围内，指向摆镜中心，分别设为目标1、目标2…目标n；设摆镜中心为O；目标和O点的连线与运动曲线的交点用A、B、C、D等表示；摆镜转动起始点指向目标运动曲线上的端点A点，O点与运动曲线的距离为θ_OT＝L，L为O点到运动曲线所在平面的垂直距离；2）利用全站仪标定θ_AT、θ_BT、θ_CT等夹角，标校完后将全站仪换为摆镜跟踪系统；θ_AT、θ_BT、θ_CT为A点、目标1、目标2分别与OT的夹角。本发明一种摆镜角跟踪精度室内检测方法，用静态模拟目标实现跟踪系统对高速运动目标角跟踪精度的检测。

Description

一种摆镜角跟踪精度室内检测方法

技术领域

本发明涉及一种角跟踪精度检测技术，尤其涉及摆镜跟踪系统跟踪高速运动目标时的角跟踪精度室内检测方法。

背景技术

高速摆镜目标跟踪系统是一种利用反射镜摆动将运动目标反射进高速相机实现目标记录的系统。由于摆镜具有很高的角速度和角加速度，所以系统可实现对高速目标的跟踪和姿态记录。高速运动目标的角跟踪精度是系统的重要参数指标。

要实现对摆镜跟踪系统的角跟踪精度测量就需要模拟高速运动目标，这在实验室内很难实现。目前主要是通过动态像质测试系统对目标进行模拟，参见图1，通过控制模拟目标旋转，仿真运动目标，并记录被测系统脱靶量输出值?x?，i=1,2…n（选取系统稳定后有效脱靶量输出），结合公式(1)和公式(2)计算得到角跟踪精度。但是由于动态像质测试系统角速度限制，不具备高速目标模拟能力，无法满足高速目标角跟踪精度的检测。

$A_i=\arctan (\mathrm{\Δ}{x}_i\·\frac{d}{f})---\left(1\right)$

其中A_i为角跟踪误差，f为相机焦距，d为相机像元尺寸。

ε=max_1≤i≤n|A_i| (2)

其中ε为角跟踪精度。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种摆镜角跟踪精度室内检测方法，用静态模拟目标实现跟踪系统对高速运动目标角跟踪精度的检测。

本发明的技术解决方案是：一种摆镜角跟踪精度室内检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）将多个平行光管放置在摆镜跟踪范围内，指向摆镜中心，分别设为目标1、目标2…目标n；设摆镜中心为O；目标和O点的连线与运动曲线的交点用A、B、C、D等表示；摆镜转动起始点指向目标运动曲线上的端点A点，O点与运动曲线的距离为s_OT=L，L为O点到运动曲线所在平面的垂直距离；

2）利用全站仪标定θ_AT、θ_BT、θ_CT等夹角，标校完后将全站仪换为摆镜跟踪系统；θ_AT、θ_BT、θ_CT为A点、目标1、目标2分别与OT的夹角；

3）计算A点和目标1、A点和目标2之间的间距s_AB、s_AC；

s_AB=L·(tanθ_AT-tanθ_BT) (3)

4）调整高速相机的积分时间、电子快门等参数以及平行光管亮度；已知目标理论运动曲线为x=F(t)+x₀，x₀为A点坐标；高速相机以周期为T的外同步脉冲触发记录图像，由数字电路提供一个上升沿与外同步脉冲对齐的数字信号触发相机开始记录图像和摆镜转动，则相机记录图像的点在目标运动曲线上的位置为：

x_k=F[(k-1)T]+x₀ (4)

其中k=1、2…n，k为相机从A点开始记录的图像帧数。

上述步骤4）之后还包括步骤5）下载高速相机存储的图像，找到目标i所处全部帧的图像，得到目标i脱靶量Δx_i；计算出各点的角跟踪误差，取绝对值最大的跟踪角误差即为角跟踪精度。

上述步骤5）的具体步骤是：

5.1）下载高速相机记录的图像并判读，得出目标1出现在图像的第j帧，并且实测脱靶量为Δx₁；可得目标1的坐标为：

x_B=F[(j-1)T]+x₀ (5)

则A与B的间距为：

x_B-x_A=F[(j-1)T] (6)

5.2）由公式(3)和(7)可得目标1的位置偏差为：

Δx=F[(j-1)T]-L·(tanθ_AT-tanθ_BT) (7)

则目标1处的脱靶角为：

A_理论1=θ_BT-arctan{tanθ_AT-F[(j-1)T]/L} (8)

5.3）计算实测的脱靶角为：

角跟踪误差为： $A_1=\arctan (\mathrm{\Δ}{x}_1\·\frac{d}{f})+\arctan \{\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AT}}-F[(j-1)]T/L\}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BT}}---\left(10\right)$

5.4）目标i的角跟踪误差为：

$A_i=\arctan (\mathrm{\Δ}{x}_i\·\frac{d}{f})+\arctan \{\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AT}}-F[(m-1)T]/L\}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{iT}}---\left(11\right)$

ε=max_1≤i≤n|A_i| (12)

其中m为目标i出现的帧数，θ_iT为目标i与OT的夹角，f为相机焦距，d为相机像元尺寸，ε为角跟踪精度。

本发明的优点是：

1）本发明用于高速摆镜目标跟踪系统的目标角跟踪精度检测，使用静态模拟目标可实现对高速动态目标跟踪角速度的测量，可在室内进行。

2）由于跟踪系统的布站距离不同，所观测的目标特性也不同。本发明采用了平行光管产生的点光源模拟目标，可满足不同布站距离要求。

3）本发明能够精确测量跟踪系统的角跟踪精度。本发明采用一个数字电路为高速相机和待测系统提供精确的触发信号和同步脉冲，从而能够方便精确地计算得到角跟踪精度。

附图说明

图1是本发明现有技术动态像质测试系统示意图；

图2是本发明的角跟踪精度测量原理图；

具体实施方式

参见图1，本发明所需的检测工具包括：平行光管、全站仪和数字电路。数字电路为高速相机和待测系统提供精确的触发信号和同步脉冲，触发信号主要触发摆镜转动和高速相机开始记录图像，同步脉冲用来提供高速相机记录图像的频率，触发信号和同步脉冲的上升沿对齐以保证摆镜开始转动和相机开始记录在同一时刻，从而不引入额外的角误差；

本发明利用平行光管产生的点光源模拟目标，将多个平行光管放置在摆镜跟踪范围内的目标运动曲线上，设摆镜中心为O，其转动起始点指向目标运动曲线上的A点，O点与运动曲线的距离为s_OT=L，L通过仿真曲线和跟踪系统参数确定。θ_AT、θ_BT、θ_CT为A点、目标1、目标2分别与OT的夹角。s_AB、s_AC为分别为两者的间距。则：

s_AB=L·(tanθ_AT-tanθ_BT) (3)

已知目标理论运动曲线为x=F(t)+x₀，x₀为A点坐标。高速相机以周期为T的外同步脉冲触发记录图像，由数字电路提供一个上升沿与外同步脉冲对齐的数字信号触发相机开始记录图像和摆镜转动，则相机记录图像的点在目标运动曲线上的位置为

x_k=F[(k-1)T]+x₀ (4)

其中k=1、2…n，k为相机从A点开始记录的图像帧数。

下载高速相机记录的图像并判读，得出目标1出现在图像的第j帧，并且实测脱靶量为Δx₁。则由公式(5)可得目标1的坐标为：

x_B=F[(j-1)T]+x₀ (5)

则A与B的间距为：

x_B-x_A=F[(j-1)T] (6)

由公式(3)和(7)可得目标1的位置偏差为：

Δx=F[(j-1)T]-L·(tanθ_AT-tanθ_BT) (7)

则目标1处的脱靶角为：

A_理论1=θ_BT-arctan{tanθ_AT-F[(j-1)T]/L} (8)

而实测的脱靶角为：

则角跟踪误差为：

$A_1=\arctan (\mathrm{\Δ}{x}_1\·\frac{d}{f})+\arctan \{\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AT}}-F[(j-1)]T/L\}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BT}}---\left(10\right)$

同理可得目标i的角跟踪误差为：

$A_i=\arctan (\mathrm{\Δ}{x}_i\·\frac{d}{f})+\arctan \{\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AT}}-F[(m-1)T]/L\}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{iT}}---\left(11\right)$

ε=max_1≤i≤n|A_i| (12)

其中m为目标i出现的帧数，θ_iT为目标i与OT的夹角，f为相机焦距，d为相机像元尺寸，ε为角跟踪精度。

Claims (1)

1.一种摆镜角跟踪精度室内检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)将多个平行光管放置在摆镜跟踪范围内，指向摆镜中心，分别设为目标1、目标2…目标n；设摆镜中心为O；目标和O点的连线与运动曲线的交点用A、B、C、D表示；摆镜转动起始点指向目标运动曲线上的端点A点，O点与运动曲线的距离为s_OT＝L，L为O点到运动曲线所在平面的垂直距离；

2)利用全站仪标定θ_AT、θ_BT、θ_CT夹角，标校完后将全站仪换为摆镜跟踪系统；θ_AT、θ_BT、θ_CT为A点、目标1、目标2分别与OT的夹角；

3)计算A点和目标1、A点和目标2之间的间距s_AB、s_AC；

S_AB＝L·(tanθ_AT-tanθ_BT) (3)

4)调整高速相机的积分时间、电子快门参数以及平行光管亮度；已知目标理论运动曲线为x＝F(t)＋x₀，x₀为A点坐标；高速相机以周期为T的外同步脉冲触发记录图像，由数字电路提供一个上升沿与外同步脉冲对齐的数字信号触发相机开始记录图像和摆镜转动，则相机记录图像的点在目标运动曲线上的位置为：

x_k＝F[(k-1)T]＋x₀ (4)

其中k＝1、2…n，k为相机从A点开始记录的图像帧数；

5)下载高速相机存储的图像，找到目标i所处全部帧的图像，得到目标i脱靶量Δx_i；计算出各点的角跟踪误差，取绝对值最大的跟踪角误差即为角跟踪精度；

步骤5)的具体步骤是：

5.1)下载高速相机记录的图像并判读，得出目标1出现在图像的第j帧，并且实测脱靶量为Δx₁；可得目标1的坐标为：

x_B＝F[(j-1)T]＋x₀ (5)

则A与B的间距为：

x_B-x_A＝F[(j-1)T] (6)

5.2)由公式(3)和(6)可得目标1的位置偏差为：

Δx＝F[(j-1)T]-L·(tanθ_AT-tanθ_BT) (7)

则目标1处的脱靶角为：

A_理论1＝θ_BT-arctan{tanθ_AT-F[(j-1)T]/L} (8)

5.3)计算实测的脱靶角为：

角跟踪误差为：

5.4)目标i的角跟踪误差为：

$A_i=\arctan ({\mathrm{\Δx}}_i.\frac{d}{f})+\arctan \{{\mathrm{tan\θ}}_{AT}-F\[(m-1)T\]/L\}-{\mathrm{\θ}}_{iT}---\left(11\right)$

ε＝max_1≤i≤n|A_i| (12)

其中m为目标i出现的帧数，θ_iT为目标i与OT的夹角，f为相机焦距，d为相机像元尺寸，ε为角跟踪精度；j是高速相机记录的图像帧数1到n中的某一帧。