CN103884491A - 一种扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法与装置，可用于对扫描相机摆镜参数进行实时测量与校准。该方法与装置利用无限远目标发生系统生成无限远目标经过扫描相机摆镜为被测扫描相机提供目标源进行探测，利用二维动态角测量系统对扫描相机摆镜的摆角进行二维实时测量，同步采集系统对被测扫描相机和二维动态角测量系统的数据实时同步采集，并利用二维动态角测量系统的数据对扫描相机摆镜进行校准。本发明具有高速度、大范围和非接触等优点，将为扫描相机摆镜参数测量和校准提供一种有效的解决途径。

Description

一种扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法与装置，可用于对扫描相机摆镜参数进行实时测量与校准。 

技术背景

扫描相机是卫星和预警机等高空侦查设备中相机的关键部件，其性能直接影响卫星对地观测分辨能力和视场大小等，其在发射之前必须对相机扫描镜系统的扫描角分辨力、扫描角速度、扫描均匀性（线性度）、扫描角度重复性、扫描线性段时间、有效扫描视场、扫描频率等进行高精度校准，以利相机图像的拼接、解算与融合等。卫星扫描相机设计中，摆镜的摆角扫描性能是其必须保证的核心性能指标。 

目前角度高精度测量方法主要有：圆光栅测角法、激光干涉测角法、内反射高精度差动小摆角测角法和自准直测角法等。圆光栅测角法利用摩尔条纹测量样片转过的角度，测量精度、速度快内且抗环境干扰能力强，但是必须在被测样品上安装圆光栅结构，无法应用到非合作目标上；激光干涉测角法利用被测样品转角造成测量光束和参考光路的光程差来测量样品的转角，测量精度较高，但是同样需要在样品上安装辅助装置，鱼眼镜或角锥棱镜，对于高速运动的目标，安装的辅助装置会影响被测样品的动态性能；反射高精度差动小摆角测角技术测量原理是利用两个高精度的反射镜摆放在分光镜的透射和反射方向的对称位置，利用两个反射镜的反射率随入射角度的变化而变化来测量入射角度的大小，构成的典型的内反射测角系统，通过测量两个反射镜的透射光强来得到入射角的值，该方法可实现非接触测量和高速测量，但是其测量二维角度时光路结构复杂、信息耦合，难以在工程中推广应用。自准直测角法利用光束经过透镜会聚到焦面的位置只与光束入射角成线性关系的特性测量入射光的角度，可以测量二维角度且不需要在样品上安装辅助装置，简单实用容易实现工程化，但 是传统的子准直光路的观察和测量光路不分，无法实现自动化测量和校准，也无法单独构对被测样品进行校准。 

在扫描相机通常为封闭结构，不允许将摆镜拆解安装光栅，而且扫描摆镜工作时需要进行动态的二维扫描运动，其摆镜驱动设备的动态性能与摆镜反射镜的质量有关，安装辅助装置会影响摆镜的动态性能，此外，在测量前必须对摆镜的位置进行零位校准，需要测量光路具有瞄准对零功能，因此上述圆光栅法、干涉法、内反射法和传统的自准直法均无法直接应用到扫描相机摆镜参数的测量与校准中。 

基于上述情况，本发明提出扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法与装置，为扫描相机摆镜性能的高精度非接触测量提供一条可靠途径。 

本发明专利的具体思路是：利用光束经过透镜会聚到焦面的位置只与光束入射角成线性关系的特性构建瞄测功能分离的二维动态角测量系统，并利用无限远目标发生系统与扫描相机探测器单独构成测量系统，对两路测量系统的数据进行独立测试，实现对被测扫描相机摆镜参数的测量校准。 

发明内容

本发明的目的是为了解决现有扫描相机摆镜摆角的二维动态测量校准难题，提出一种扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法和装置。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

本发明提供了一种扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法，是利用无限远目标发生系统生成无限远目标经过被测扫描相机的扫描相机摆镜反射扫描成像在其扫描相机探测器上，利用二维动态角测量系统对扫描相机摆镜的摆角进行二维实时测量，同步采集系统对扫描相机摆镜、扫描相机探测器和二维动态角测量系统的驱动和测量数据实时同步采集，并利用二维动态角测量系统的数据对扫描相机摆镜和扫描相机探测器进行校准。该方法的具体实现步骤如下： 

1）二维动态角测量系统的激光光源系统发出平行激光光源，透过偏振分光系统、四分之一波片后照射到扫描相机摆镜上，被扫描相机 摆镜反射回二维动态角测量系统中再次透过四分之一波片被偏振分光系统反射，透过会聚镜照射至分光棱镜上，分光棱镜将光束分为两束：透射一束经过滤波系统照射到二维光斑位置探测器，二维光斑位置探测器将光斑位置输出传输给同步采集系统从而得到扫描相机摆镜的角度；反射一束经过光强调节系统照射到监测CCD上，监测CCD将反射光斑的位置信息传输给监视器实时显示； 

2）调整二维动态角测量系统与被测扫描相机的位置，使扫描相机摆镜的角度为0时，二维光斑位置探测器光斑位置也为0且监视器光斑在视场中心； 

3）无限远目标发生系统发出平行光束模拟无限远目标，平行光束中部分被扫描相机摆镜反射至扫描相机探测器上，扫描相机探测器将探测到的无限远目标数据传输给同步采集系统从而得到被测扫描相机的探测数据； 

4）调整无限远目标发生系统与被测扫描相机的位置使扫描相机摆镜的角度为0时被测扫描相机的探测数据也为0； 

5）启动扫描相机摆镜进行高速二维扫描，同步采集系统对扫描相机摆镜、扫描相机探测器和二维动态角测量系统的驱动和测量数据实时同步采集，并利用二维动态角测量系统的数据对扫描相机摆镜和扫描相机探测器进行校准； 

本发明的方法中，二维动态角测量系统角度探测利用二维光斑位置探测器探测到的光斑位置与反射进入二维动态角测量系统的光线角度之间的精确线性关系实现对扫描相机摆镜的摆角的非接触二维动态测量。 

本发明的方法中，为保证校准有效性，二维动态角测量系统探测自身的激光光源系统光源，被测扫描相机探测无限远目标发生系统的目标，二者测量结构和过程没有耦合，独立显示扫描相机摆镜的信息，。 

本发明的方法中，同步采集系统对扫描相机摆镜、扫描相机探测器和二维动态角测量系统的驱动和测量数据实时同步采集，对扫描相机摆镜的姿态和扫描相机探测器的数据在工作状态进行实时校准。 

本发明提供一种扫描相机摆镜二维动态角测量校准装置，包括，二维动态角测量系统(1)和无限远目标发生系统(2)，二者与扫描相机摆 镜(8)的纵向回转轴共面且二维动态角测量系统(1)和无限远目标发生系统(2)的光轴交点与扫描相机摆镜(8)的回转轴心重合；二维动态角测量系统(1)包括激光光源系统(5)用于发出平行激光光源，位于光源出射方向的偏振分光系统(6)、四分之一波片(7)，位于偏振分光系统(6)反射方向反方向的会聚镜(10)和分光棱镜(11)上，分光棱镜(11)透射方向的滤波系统(12)和二维光斑位置探测器(13；分光棱镜(11)反射方向的光强调节系统(14)和监测CCD(15)上，与监测CCD(15)连接用于显示光斑位置的监视器(16)；无限远目标发生系统(2)发出平行光束，部分平行光束被扫描相机摆镜(8)反射至扫描相机探测器(9)上；同步采集系统(4)与扫描相机摆镜(8)、扫描相机探测器(9)和二维动态角测量系统(1)相连接，用于对三者的驱动和测量数据实时同步采集。 

所述滤波系统可放置在分光棱镜与二维光斑位置探测器之间，还可以放置在透过会聚镜与分光棱镜之间、四分之一波片与偏振分光系统之间或者四分之一波片与被扫描相机摆镜之间。 

本发明的装置中，分光棱镜的透射与反射光路可更换，即滤波系统和二维光斑位置探测器可放置在分光棱镜的反射路，光强调节系统和监测CCD可放置在分光棱镜的透射路； 

本发明的装置中，二维光斑位置探测器可为高速面阵PSD探测器或者高速CCD探测器，以实现对光斑位置的高速二维探测。 

本发明的装置中，无限远目标发生系统可以为卡塞格林式折叠光路结构，包括目标发生器光源，位于目标发生器光源出射方向的目标发生器靶标和卡塞格林次镜，卡塞格林次镜反射方向的卡塞格林主镜，卡塞格林主镜反射方向的无限远目标光强调节器以及激光指向器。 

本发明的无限远目标发生系统为产生不同波段和不同形状的无限远目标，且波长和靶标形状的更换不会影响无限远目标发生系统出射光束的平行性，保证目标为无限远，发生器光源和目标发生器靶标为可更换结构。 

有益效果： 

本发明对比已有技术具有以下创新点： 

1）利用二维动态角测量系统与无限远目标发生系统结合，使被 测扫描相机利用了扫描相机探测器和二维动态角测量系统可分别独立测试摆镜数据； 

2）利用透镜焦面光斑位置与光束入射位置无关只与光束入射角精确线性相关的特性构建了瞄准和测量一体光路； 

3）利用同步采集系统将扫描相机探测器、扫描相机摆镜和二维动态角测量系统数据整合，实时同步校准； 

本发明对比已有技术具有以下显著优点： 

1）扫描相机探测器和二维动态角测量系统可分别单独测试摆镜数据，二者数据独立无干扰，保证校准的有效性； 

2）可实现对反射样品的二维、高精度、的非接触测量； 

3）可在被测扫描相机工作时同步实时测量校准，且测量校准范围大、速度高。 

附图说明

图1为扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法示意图； 

图2为扫描相机摆镜二维动态角测量校准装置示意图； 

图3为卡塞格林式无限远目标发生系统示意图； 

图4为高扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法与装置实施例图； 

其中，1-二维动态角测量系统、2-无限远目标发生系统、3-被测扫描相机、4-同步采集系统、5-激光光源系统、6-偏振分光系统、7-四分之一波片、8-扫描相机摆镜、9-扫描相机探测器、10-会聚镜、11-分光棱镜、12-滤波系统、13-二维光斑位置探测器、14-光强调节系统、15-监测CCD、16-监视器、17-激光器、18-激光会聚镜、19-激光针孔、20-激光准直镜、21-激光光强调节器、22-目标发生器光源、23-目标发生器靶标、24-卡塞格林主镜、25-卡塞格林次镜、26-无限远目标光强调节器、27-激光指向器。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

本发明的基本思想是利用透镜焦面光斑位置与光束入射位置无关只与光束入射角精确线性相关的特性构建了瞄准和测量一体光路实现对摆镜角度的二维非接触测量并与无限远目标发生系统结合，实现对扫描相机摆镜参数的独立的测量和实时同步的校准。 

实施例 

如图4所示，本实施例中同步采集系统4为基于FPGA的高速多路数据采集处理电路，偏振分光系统6为偏振分光平片，滤波系统12为窄带滤光片，二维光斑位置探测器13为高速面阵PSD探测器，目标发生器光源22为宽光谱光源。激光光源系统5包括用于发出平行激光的激光器17，用于会聚激光的激光会聚镜18、用于滤波的激光针孔19和用于对滤波后的激光光源进行准直的激光准直镜20。 

二维动态角测量系统1的激光光源系统5发出平行激光光源，透过偏振分光系统6、四分之一波片7后照射到扫描相机摆镜8上，被扫描相机摆镜8反射回二维动态角测量系统1中再次透过四分之一波片7被偏振分光系统6反射，透过会聚镜10照射至分光棱镜11上，分光棱镜11将光束分为两束：透射一束经过滤波系统12照射到二维光斑位置探测器13，二维光斑位置探测器13；反射一束经过光强调节系统14照射到监测CCD15上，监测CCD15将反射光斑的位置信息传输给监视器16。无限远目标发生系统2发出平行光束，部分平行光束被扫描相机摆镜8反射至扫描相机探测器9上；同步采集系统4对扫描相机摆镜8、扫描相机探测器9和二维动态角测量系统1的驱动和测量数据实时同步采集。 

如图4所示，高空间分辨共焦拉曼光谱探测方法，其测试步骤如下： 

二维动态角测量系统1的激光光源系统5中激光器17发出平行激光光源，经过激光会聚镜18会聚通过激光针孔19后被激光准直镜20准直为平行光透过偏振分光平片6、四分之一波片7后照射到扫描相机摆镜8上，被扫描相机摆镜8反射回二维动态角测量系统1中再次透过四分之一波片7被偏振分光平片6反射，透过会聚镜10照射至分光棱镜11上，分光棱镜11将光束分为两束：透射一束经过窄带滤光 片12照射到高速面阵PSD探测器13上，高速面阵PSD探测器13将光斑位置输出传输给基于FPGA的高速多路数据采集处理电路4从而得到扫描相机摆镜8的角度；反射一束经过光强调节系统14照射到监测CCD15上，监测CCD15将反射光斑的位置信息传输给监视器16实时显示； 

2）调整二维动态角测量系统1与被测扫描相机2的位置使扫描相机摆镜8的角度为0时二维光斑位置探测器13光斑位置也为0且监视器16光斑在视场中心； 

3）无限远目标发生系统2中宽光谱光源22发出宽光谱光源照亮目标发生器靶标23后经过卡塞格林结构准直为平行光生成宽光谱无限远目标，平行光束中部分被扫描相机摆镜8反射至扫描相机探测器9上，扫描相机探测器9将探测到的无限远目标数据传输给基于FPGA的高速多路数据采集处理电路4从而得到被测扫描相机3的探测数据； 

4）调整无限远目标发生系统2与被测扫描相机2的位置使扫描相机摆镜8的角度为0时被测扫描相机3的探测数据也为0； 

5）启动扫描相机摆镜8进行高速二维扫描，基于FPGA的高速多路数据采集处理电路4对扫描相机摆镜8、扫描相机探测器9和二维动态角测量系统1的驱动和测量数据实时同步采集，并利用二维动态角测量系统1的数据对扫描相机摆镜8和扫描相机探测器9进行校准。 

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法，其特征在于：利用无限远目标发生系统(2)生成无限远目标经过被测扫描相机(3)的扫描相机摆镜(8)反射扫描成像在其扫描相机探测器(9)上，利用二维动态角测量系统(1)对扫描相机摆镜(8)的摆角进行二维实时测量，同步采集系统(4)对扫描相机摆镜(8)、扫描相机探测器(9)和二维动态角测量系统(1)的驱动和测量数据实时同步采集，并利用二维动态角测量系统(1)的数据对扫描相机摆镜(8)和扫描相机探测器(9)进行校准；该方法的具体实现步骤如下：

1）二维动态角测量系统(1)的激光光源系统(5)发出平行激光光源，透过偏振分光系统(6)、四分之一波片(7)后照射到扫描相机摆镜(8)上，被扫描相机摆镜(8)反射回二维动态角测量系统(1)中再次透过四分之一波片(7)被偏振分光系统(6)反射，透过会聚镜(10)照射至分光棱镜(11)上，分光棱镜(11)将光束分为两束：透射一束经过滤波系统(12)照射到二维光斑位置探测器(13)，二维光斑位置探测器(13)将光斑位置输出传输给同步采集系统(4)从而得到扫描相机摆镜(8)的角度；反射一束经过光强调节系统(14)照射到监测CCD(15)上，监测CCD(15)将反射光斑的位置信息传输给监视器(16)实时显示；

2）调整二维动态角测量系统(1)与被测扫描相机(2)的位置，使扫描相机摆镜(8)的角度为0时，二维光斑位置探测器(13)光斑位置也为0且监视器(16)光斑在视场中心；

3）无限远目标发生系统(2)发出平行光束模拟无限远目标，平行光束中部分被扫描相机摆镜(8)反射至扫描相机探测器(9)上，扫描相机探测器(9)将探测到的无限远目标数据传输给同步采集系统(4)从而得到被测扫描相机(3)的探测数据；

4）调整无限远目标发生系统(2)与被测扫描相机(3)的位置使扫描相机摆镜(8)的角度为0时被测扫描相机(3)的探测数据也为0；

5）启动扫描相机摆镜(8)进行高速二维扫描，同步采集系统(4)对扫描相机摆镜(8)、扫描相机探测器(9)和二维动态角测量系统(1)的驱动和测量数据实时同步采集，并利用二维动态角测量系统(1)的数据对扫描相机摆镜(8)和扫描相机探测器(9)进行校准。

2.根据权利1所述的扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法，其特征在于：二维动态角测量系统(1)利用二维光斑位置探测器(13)探测到的光斑位置与反射进入二维动态角测量系统(1)的光线角度之间的精确线性关系实现对扫描相机摆镜(8)的摆角的非接触二维动态测量。

3.根据权利1所述的扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法，其特征在于：为保证校准的有效性，二维动态角测量系统(1)探测自身的激光光源系统(1)光源，被测扫描相机(3)探测无限远目标发生系统(2)的目标，二者测量结构和过程没有耦合，独立显示扫描相机摆镜(8)的信息。

4.根据权利1所述的扫描相机摆镜二维动态角测量校准方法，其特征在于：同步采集系统(4)对扫描相机摆镜(8)、扫描相机探测器(9)和二维动态角测量系统(1)的驱动和测量数据实时同步采集，对扫描相机摆镜(8)的姿态和扫描相机探测器(9)的数据在工作状态进行实时校准。

5.一种扫描相机摆镜二维动态角测量校准装置，其特征在于包括：二维动态角测量系统(1)和无限远目标发生系统(2)，二者与扫描相机摆镜(8)的纵向回转轴共面且二维动态角测量系统(1)和无限远目标发生系统(2)的光轴交点与扫描相机摆镜(8)的回转轴心重合；二维动态角测量系统(1)包括激光光源系统(5)用于发出平行激光光源，位于光源出射方向的偏振分光系统(6)、四分之一波片(7)，位于偏振分光系统(6)反射方向反方向的会聚镜(10)和分光棱镜(11)上，分光棱镜(11)透射方向的滤波系统(12)和二维光斑位置探测器(13；分光棱镜(11)反射方向的光强调节系统(14)和监测CCD(15)上，与监测CCD(15)连接用于显示光斑位置的监视器(16)；无限远目标发生系统(2)发出平行光束，部分平行光束被扫描相机摆镜(8)反射至扫描相机探测器(9)上；同步采集系统(4)与扫描相机摆镜(8)、扫描相机探测器(9)和二维动态角测量系统(1)相连接，用于对三者的驱动和测量数据实时同步采集。

6.根据权利5所述的扫描相机摆镜二维动态角测量校准装置，其特征在于：滤波系统(12)可放置在分光棱镜(11)与二维光斑位置探测器(13)之间，还可以放置在透过会聚镜(10)与分光棱镜(11)之间、四分之一波片(7)与偏振分光系统(6)之间或者四分之一波片(7)与被扫描相机摆镜(8)之间。

7.根据权利5所述的扫描相机摆镜二维动态角测量校准装置，其特征在于：分光棱镜(11)的透射与反射光路可更换，即滤波系统(12)和二维光斑位置探测器(13)可放置在分光棱镜(11)的反射路，光强调节系统(14)和监测CCD(15)可放置在分光棱镜(11)的透射路。

8.根据权利5所述的扫描相机摆镜二维动态角测量校准装置，其特征在于：二维光斑位置探测器(13)可为高速面阵PSD探测器或者高速CCD探测器，以实现对光斑位置的高速二维探测。

9.根据权利5所述的扫描相机摆镜二维动态角测量校准装置，其特征在于：无限远目标发生系统(2)可以为卡塞格林式折叠光路结构，包括目标发生器光源(22)，位于目标发生器光源(22)出射方向的目标发生器靶标(23)和卡塞格林次镜(25)，卡塞格林次镜(25)反射方向的卡塞格林主镜(24)，卡塞格林主镜(24)反射方向的无限远目标光强调节器(26)以及激光指向器(27)。

10.根据权利8所述无限远目标发生系统，其特征在于：为产生不同波段和不同形状的无限远目标，且波长和靶标形状的更换不会影响无限远目标发生系统(2)出射光束的平行性，保证目标为无限远，发生器光源(22)和目标发生器靶标(23)为可更换结构。

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