CN103727962B - 大视场红外光电经纬仪精度标定方法 - Google Patents

Abstract

大视场红外光电经纬仪精度标定方法，涉及光电测控领域，解决现有由于加工与装调过程中引入的误差，并且该误差与光学设计值不完全一致，从而导致大视场红外光电经纬仪光电测量精度低的问题，本发明包括标定检测架、模型数据的采集、建立标定模型和精度检测，获得测角的均方根值，发明将多元回归分析方法用于脱靶量的修正，从而将观测值与回归值之间的残差平方和最小，提高回归精度。将大视场进行分区处理，对每个分区进行多元回归分析计算，有利于提高计算精度，从而间接提高测角精度。

Description

大视场红外光电经纬仪精度标定方法

技术领域

本发明涉及光电测控领域，具体涉及一种大视场红外光电经纬仪精度标定方法，在光电经纬仪精度检测中，可用于提高大视场红外光电经纬仪的测角精度。在外场测试试验中，可用于提高目标的外弹道轨迹坐标。

背景技术

在导弹、航天器发射试验过程中，火箭的飞行弹道和卫星轨道等反映试验情况的数据，大多数是由无线电和光学外测设备通过测量获得的，这些外测设备的测量精度，标志着我国导弹、卫星等航天器试验的测控水平。由于测量数据及精度分析对导弹、卫星等航天器的研制、定型和改进密切相关，因此国内各相关单位对外测设备的精度鉴定工作都十分重视。而光电经纬仪是靶场光电测量的主要设备，光电测量设备主要通过角度测量、交会处理完成被测目标空间定位的，进一步计算目标的外弹道参数数据。测角误差的大小直接影响定位精度，因此对测角误差的来源、影响和检测方法的研究是光电经纬仪的重要研究内容之一。波长为3μm～5μm的中波红外相机是目前最常用的红外相机，通过目标与背景之间的热辐射差别来识别目标。相对于雷达等探测设备来说，具备隐蔽，抗干扰、高精度等优点。目前红外已经成为各国大力发展的研究内容。红外相机由于其作用距离明显超过可见光相机，目前已经逐渐成为光电经纬仪的主要探测器。由于红外成像机制原因，主要通过热原理成像，在用于测量任务时，会影响其测量精度。

对于大视场红外光电经纬仪的精度检测研究在国内还未见报道。主要原因是光学误差对大视场红外光电经纬仪的测角精度影响较大，而且红外相机用于位置测量的内容也不多。因此，红外光电经纬仪的精度检测一直是光电测控领域的难点。

发明内容

本发明为了解决目前由于加工与装调过程中引入的误差，并且该误差与光学设计值不完全一致，从而导致大视场红外光电经纬仪光电测量精度低的问题，提供一种大视场红外光电经纬仪精度标定方法。

大视场红外光电经纬仪精度标定方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、标定检测架；采用高精度莱卡经纬仪，测量三个平行光管的角度值，所述平行光管的角度值为标定三个平行光管的正倒镜数据，并取获得的三个正倒镜数据的平均值作为真值；

步骤二、模型数据的采集；调整红外光电经纬仪，使红外光电经纬仪的中心位于三个平行光管的正交中心，所述红外光电经纬仪在全视场内对目标进行数据采集，并将获得的每帧图像对应的脱靶量数据作为建立模型的数据；

步骤三、建立标定模型；采用步骤一获得的真值及步骤二获得的每帧图像的脱靶量数据按区域进行线性拟合，分别计算每个区域的脱靶量数据的多元线性回归线系数；

步骤四、精度检测；采用红外经纬仪对全视场多个点进行静态测量；获得每帧图像对应的脱靶量信息，将每帧图像对应的脱靶量信息使用该区域的多元回归模型修正后，获得修正的脱靶量数据，然后将修正后的脱靶量数据进行解算，获得测角的均方根值，实现光电经纬仪精度的标定。

本发明的有益效果：本方法采用数学的多元回归分析方法，对测量数据建立标定模型，在精度检测过程中，使用该标定模型修正脱靶量，将修正后的脱靶量用于精度测量。该方法有效地提高了大视场红外光电经纬仪的测量精度。本发明将多元回归分析方法用于脱靶量的修正，从而将观测值与回归值之间的残差平方和最小，提高回归精度。将大视场进行分区处理，对每个分区进行多元回归分析计算，有利于提高计算精度，从而间接提高测角精度。

附图说明

图1为本发明所述的大视场红外光电经纬仪精度标定方法中检测架相对位置示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，大视场红外光电经纬仪精度标定方法，该方法由以下步骤实现：

一、标定检测架；检测架标定在室内的装校标校车间完成的，需要将经纬仪放置于检测平台后工作，标定系统包括稳定平台、红外光电经纬仪、大口径平行光管、检测架、0.5＂莱卡经纬仪等系统。将检测平台调整稳定后，使用0.5＂莱卡经纬仪对方位角0°、俯仰角0°的1#光管，方位角90°、俯仰角0°的5#光管以及方位角90°、俯仰角65°的6#光管进行标定；所述标定值作为计算真值。标定数据包括三次正倒镜数据，然后以三次数据的平均值作为真值。同时，使用0.5＂莱卡经纬仪的标定三个光管的正倒镜数据，用于计算系统误差，即零位差、照准差、横轴差。系统误差用于真值修正。

二、测量数据采集；调整光电经纬仪，将其放置在三个平行光管的中心位置，使红外光电经纬仪的中心为三个平行光管的正交中心，然后使用0.2″电子水平仪将光电经纬仪调平。测量经纬仪的记录对三个平行光管的正倒镜数据，并将标定结果计算系统误差。在全视场内，以0.12°为步长，进行数据采集。记录时间信息、图像信息、角度信息（包括方位角与俯仰角）、同时记录每帧图像对应的脱靶量信息。该测量数据用于建立标定模型。直接使用采集数据得到的脱靶量数据计算静态测角精度均方根值如下；δ_ΔA＝21.44″δ_ΔE＝26.81″

从计算结果上可以看出，测角精度的均方根值均大于20″，超出10″的技术指标。

三、计算多元回归分析系数；红外相机图像的分辨率为320×256，焦距为220mm与60mm两档，当焦距为220mm时，视场角为1.24°×0.99°，每个像元对应的的角度为14.1″；当焦距为60mm时，视场角为4.57°×3.66°，每个像元对应的角度为51.52″；由于长焦、短焦计算方式一致，以长焦为例进行计算。

由于图像分辨率为320×256，在多元回归分析过程中，将整幅图像按4×3分析进行分区域处理，表1（区域1的测量数据）是采集到的原始数据中的区域1，下面以区域1为例计算多元回归分析过程。表1中的数据分别为像面坐标x、像面坐标y、方位角A与俯仰角E，其中像面坐标真值x与像面坐标真值y。

表1

当使用主点对目标点进行角度测量时，其脱靶量误差为0，当使用任意点的脱靶量测量Δx、Δy时，由于存在脱靶量误差Δx′、Δy′，导致了测角误差，脱靶量的误差包括上节所述的焦距误差、光学畸变引起的像高误差等方面。通过测量点的编码器角度值，及目标点的真值，我们可以得到目标点的理论脱靶量Δx^T、Δy^T，通过建立理论脱靶量，与实际脱靶量Δx、Δy之间的曲面拟合函数，可以从标定角度解决光学设计及加工装调带来的测角误差。

在凝视状态下，对全视场内均匀分布的目标点进行图像采集，获得目标点对应的编码器角度值方位角A_i、俯仰角E_i，及对应的脱靶量Δx_i、Δy_i。对两个脱靶量分别建立多元回归分析曲面拟合函数。

Δx^T＝a₀Δx²+a₁Δy²+a₂ΔxΔy+a₃Δx+a₄Δy+a₆（1）

Δy^T＝a₀Δx²+a₁Δy²+a₂ΔxΔy+a₃Δx+a₄Δy+a₆（2）

下面需要分别计算(1)、(2)的多元回归函数，以公式(1)为例，介绍其计算过程，由于多元回归时，考虑到算法的计算复杂度与拟合效果，这里采用二次形式，将公式(1)表示为多元线性回归的数学模型式

Y＝Xβ+ε（3）

其中

$X=\left[\begin{array}{cccccc}{x}_1^2& y_1^2& x_1{y}_1& x_1& y_1& 1\\ x_1^2& y_2^2& x_2{y}_2& x_2& y_2& 1\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ x_1^2& y_n^2& x_n{y}_n& x_n& y_n& 1\end{array}\right]$

β＝[a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅]^T

ε＝[ε₀,ε₁,ε₂,ε₃,ε₄,ε₅]^T

构造公式(1)的多元线性回归方程

$y_t=\mathrm{\μ}+{\mathrm{\β}}_1({\mathrm{\Δx}}_{t1}^2-{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{x}}_t^2)+{\mathrm{\β}}_2({\mathrm{\Δy}}_{t1}^2-{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{y}}_t^2)+\·\·\·+{\mathrm{\β}}_M({\mathrm{\Δy}}_{\mathrm{tM}}^2-{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{y}}_t^2)+{\mathrm{\ϵ}}_t---\left(4\right)$

应该使全部观测值yt与回归值的参差平方和最小，即公式(5)的值最小，

$Q=\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(y_t-{\hat{y}}_t)---\left(5\right)$

求解公式(5)，首先需要构造方程组的正规方程组A，

A＝X^TX(6)

$A=\left[\begin{array}{ccccc}N& 0& 0& 0& 0\\ 0& l_{11}& l_{12}& \·\·\·& l_{1M}\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ 0& l_{M1}& l_{M2}& \·\·\·& l_{\mathrm{MM}}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}N& 0\\ 0& L\end{array}\right)---\left(7\right)$

其中，

$\begin{array}{c}{1}_{\mathrm{ij}}=\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(x_{\mathrm{ti}}-{\stackrel{\‾}{x}}_i)(x_{\mathrm{tj}}-{\stackrel{\‾}{x}}_j)\\ =\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ti}}{x}_{\mathrm{tj}}-\frac{1}{N}\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ti}}\right)\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{tj}}\right)\\ 1_{\mathrm{jy}}=\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(x_{\mathrm{ti}}-{\stackrel{\‾}{x}}_i)y_t\\ =\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ti}}{y}_t-\frac{1}{N}\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ti}}\right)\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_t\right)\\ B={\left[\begin{array}{cccc}\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_t& l_{1y}& \·\·\·& l_{\mathrm{My}}\end{array}\right]}^T\end{array}---\left(8\right)$

这样一来正规方程组（6），可以表示成公式（9）

（X^TX）b＝X^TY(9)

矩阵A的逆矩阵C具有如下形式，

$C=\left[\begin{array}{cc}1/N& 0\\ 0& L^{-1}\end{array}\right]---\left(10\right)$

这样即可求得回归系数b，

b＝CB(11)

$b=\left[\begin{array}{cc}1/N& 0\\ 0& L^{-1}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cccc}\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_t& l_{1y}& \·\·\·& l_{\mathrm{My}}\end{array}\right]}^T---\left(12\right)$

以上步骤求出了公式(1)的多元回归分析模型，使用同样的步骤求出公式(2)的多元回归分析模型。在进行角度测量过程中，对该区域内的目标点使用多元回归分析模型计算修正后的脱靶量。表2为区域1内脱靶量修正后的数据；

表2

四、验证数据；由于图像分辨率为320×256，在多元回归分析过程中，将整幅图像按4×3分析进行分区域处理，表1是采集到的原始数据中的区域1，下面以区域1为例计算多元回归分析过程。表1中的数据分别为像面坐标x、像面坐标y、方位角A与俯仰角E，其中像面坐标真值x与像面坐标真值y公式(1)、(2)计算结果。

Δx^T＝-0.00627Δx²-0.00006Δy²+0.00022ΔxΔy+1.40771Δx-0.02133Δy+318.806(13)

Δy^T＝0.00928Δx²-0.00018Δy²-0.00041ΔxΔy-0.68476Δx-0.89402Δy-250.01(14)

在全视场计算过程中，将整幅图像分区后，分别计算各区域内的多元回归系数。然后在计算测角精度时，首先根据脱靶量分析目标点所在区域，然后使用该回归分析系数，修正脱靶量，再使用修正后的脱靶量目标点对应的角度。经过(13)、(14)修正后，静态测角精度均方根值为：

δ_ΔA＝7.62″δ_ΔE＝6.38″

以上测角精度满足为10"的技术指标要求。

五、直接采用光学畸变修正结果；同时给出多元回归分析修正测量数据的计算结果，从而可以体现出多元回归分析修正效果。光学畸变的修正方法，首先通过图像的理伦像高与光学畸变量之间关系，计算出目标点的理论像高d′，然后计算的脱靶量计算目标点与水平方向的角度α，最后，根据理论像高，计算出理论脱靶量Δx′、Δy′。然后将Δx′、Δy′使用计算测量角度，并计算各数据之间的均方差。

Δx′＝d′×sinα　(15)

Δy′＝d′×cosα　(16)

分析经过公式(15)、(16)修正后的脱靶量等数据见表3，表3为经过光学畸变修正后，区域1的测量数据。

表3

最后将合成角度与标定值进行比较，计算静态测角精度均方根值如下。

δ_ΔA＝12.73″δ_ΔE＝14.38″

从计算结果上可以看出，测角精度的均方根值均大于10″，超出10″的技术指标。

从本实施方式所述的实验中可以看出，采用三种方法对测量数据进行处理，第一种是不进行脱靶量修正，测角精度均方根值分别为δ_ΔA＝21.44″δ_ΔE＝26.81″；第二种是使用多元回归分析方法时行脱靶量修正，测角精度均方根值分别为δ_ΔA＝7.62″δ_ΔE＝6.38″；第三种是光学畸变进行脱靶量修正，测角精度均方根值分别为δ_ΔA＝12.73″δ_ΔE＝14.38″。从三种方法的测量结果看，使用多元回归分析方法有效的提高大视场红外光电经纬仪精度。

Claims (2)

1.大视场红外光电经纬仪精度标定方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、标定检测架；采用高精度莱卡经纬仪，测量三个平行光管的角度值，所述平行光管的角度值为标定三个平行光管的正倒镜数据，并取获得的三个正倒镜数据的平均值作为真值；

所述高精度莱卡经纬仪为0.5＂莱卡经纬仪；采用所述0.5＂莱卡经纬仪对方位角0°、俯仰角0°的平行光管，方位角90°、俯仰角0°的平行光管以及方位角90°、俯仰角65°的平行光管进行标定；

步骤二、模型数据的采集；调整红外光电经纬仪，使红外光电经纬仪的中心位于三个平行光管的正交中心，采用0.2″电子水平仪将红外光电经纬仪调平；所述红外光电经纬仪在全视场内对目标进行数据采集，并将获得的每帧图像对应的脱靶量数据作为建立模型的数据；

步骤三、建立标定模型；采用步骤一获得的真值及步骤二获得的每帧图像的脱靶量数据按区域进行线性拟合，分别计算每个区域的脱靶量数据的多元线性回归线系数，得到每个区域的多元回归分析模型；

步骤四、精度检测；采用红外光电经纬仪对全视场多个点进行静态测量；获得每帧图像对应的脱靶量信息，将每帧图像对应的脱靶量信息使用该区域的多元回归分析模型修正后，获得修正的脱靶量数据，然后将修正后的脱靶量数据进行解算，获得测角的均方根值，实现红外光电经纬仪精度的标定。

2.根据权利要求1所述的大视场红外光电经纬仪精度标定方法，其特征在于，步骤二中，红外光电经纬仪在全视场内对目标进行数据采集，采集的信息还包括记录采集的时间信息、图像信息以及方位角与俯仰角的角度信息。