CN103949775A - 立体空间激光光路快速准直方法 - Google Patents

Abstract

一种立体空间激光光路快速准直方法，包括如下步骤：①在立体空间激光光路的近场和远场位置处分别放置近场CCD和远场CCD；②在立体空间激光光路中任意选取第一反射镜和第二反射镜，在两个反射镜上均安装有水平马达和俯仰马达来分别控制反射镜方位和俯仰的调整；③一台含有图像采集处理软件和马达控制软件的计算机；④求四个马达转动量和近远场激光光斑中心变化量之间的4*4维线性矩阵；⑤求逆矩阵；⑥由计算机计算各个马达需要转动的步数和方向；⑦计算机驱动马达转动；实现立体空间激光光路的快速准直。本发明具有易调整、速度快、精度高的特点。

Description

立体空间激光光路快速准直方法

技术领域

本发明与立体空间激光光路有关，是一种立体空间激光光路快速准直方法。

背景技术

立体空间激光光路的示意图如图1所示，如果第一反射镜4和第二反射镜5位于上层平台，而近场CCD1和远场CCD2在下层平台采集近远场激光光斑图像，造成反射镜马达和近远场图像之间出现坐标系扭曲的问题。

传统的自动准直技术，无法解决坐标系扭曲的问题。在没有坐标系扭曲的情况下，NFX马达的转动只会引起近场光斑在X方向上移动。相应的，NFY马达的转动只会引起近场光斑在Y方向上移动，FFX马达的转动只会引起远场光斑在X方向上移动，FFY马达的转动只会引起远场光斑在Y方向上移动。因此，在传统的自动准直中，利用简单的多次迭代逼近算法，分别驱动水平马达和俯仰马达，使近远场激光光斑中心逐渐逼近基准位置。

在坐标系扭曲的情况下，NFX、NFY、FFX和FFY其中任意一个马达的转动都会引起近场和远场光斑同时在X、Y方向上移动。光斑的移动方向与X轴有一个夹角θ（θ不等于0°或者90°），在这种情况下，传统的迭代逼近算法就无法判断要选择水平马达和俯仰马达中的哪一个。多次迭代逼近算法无法解决坐标系扭曲的问题。

发明内容

本发明解决为反射镜马达和近远场图像之间的坐标系扭曲问题，提供一种立体空间激光光路快速准直方法。该发明具有易调整、速度快、精度高的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种立体空间激光光路快速准直方法,其特征在于包括如下步骤：

①在立体空间激光光路的近场和远场位置处分别放置近场CCD和远场CCD来采集近远场的激光光斑图像，其中近场取在光路中某一特定的位置处，远场取在光束的焦点处；

②在立体空间激光光路中任意选取第一反射镜和第二反射镜，在两个反射镜上均安装有水平马达和俯仰马达来分别控制反射镜方位和俯仰的调整，第一反射镜上装有水平马达，以下简称为NFX马达和俯仰马达，以下简称为NFY马达，第二反射镜上装有水平马达，以下简称为FFX马达和俯仰马达，以下简称为FFY马达；

③一台含有图像采集处理软件和马达控制软件的计算机，计算机通过近场CCD和远场CCD采集近远场的激光光斑图像并计算得到近远场激光光斑中心与基准的偏差量；

④求四个马达转动量和近远场激光光斑中心变化量之间的4*4维线性矩阵B：

$B=\left[\begin{array}{c}k11,k12,k13,k14\\ k21,k22,k23,k24\\ k31,k32,k33,k34\\ k41,k42,k43,k44\end{array}\right],$ 满足关系式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δxf}\\ \mathrm{\Δyf}\\ \mathrm{\Δxn}\\ \mathrm{\Δyn}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}k11,k12,k13,k14\\ k21,k22,k23,k24\\ k31,k32,k33,k34\\ k41,k42,k43,k44\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔFFX}\\ \mathrm{\ΔFFY}\\ \mathrm{\ΔNFX}\\ \mathrm{\ΔNFY}\end{array}\right]$

其中，ΔFFX、ΔFFY、ΔNFX、ΔNFY分别为FFX马达、FFY马达、NFX马达、NFY马达的转动变化量，马达分正转和反转，正转时马达转动变化量为正，负转时马达转动变化量为负；Δxn和Δyn为近场激光光斑中心xn,yn的变化量，Δxf和Δyf为远场激光光斑中心xf,yf的变化量，光斑中心变化量等于当前光斑中心值减去基准值；

根据矩阵关系，FFX马达正转n步，其他三个马达不转动，那么系数k11=Δxf/n，k21=Δyf/n，k31=Δxn/n，k41=Δyn/n；相应的只转动FFY马达求得系数k12、k22、k32、k42，只转动NFX马达求得系数k13、k23、k33、k43，只转动NFY马达求得系数k14、k24、k34、k44；

⑤求出矩阵B的逆矩阵 $B^{-1}=\left[\begin{array}{c}l11,l12,l13,l14\\ l21,l22,l23,l24\\ l31,l32,l33,l34\\ l41,l42,l43,l44\end{array}\right],$ 满足 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔFFX}\\ \mathrm{\ΔFFY}\\ \mathrm{\ΔNFX}\\ \mathrm{\ΔNFY}\end{array}\right]=B^{-1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δxf}\\ \mathrm{\Δyf}\\ \mathrm{\Δxn}\\ \mathrm{\Δyn}\end{array}\right];$

⑥近场CCD和远场CCD实时采集近远场的激光光斑图像，并将图像传给计算机，计算机计算出近远场激光光斑中心与基准的偏差量Δxf、Δyf、Δxn、Δyn，并利用下列方程式求得各个马达需要转动的步数和方向：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔFFX}=l11*\mathrm{\Δxf}+l12*\mathrm{\Δyf}+l13*\mathrm{\Δxn}+l14*\mathrm{\Δyn}\\ \mathrm{\ΔFFY}=l21*\mathrm{\Δxf}+l22*\mathrm{\Δyf}+l23*\mathrm{\Δxn}+l24*\mathrm{\Δyn}\\ \mathrm{\ΔNFX}=l31*\mathrm{\Δxf}+l32*\mathrm{\Δyf}+l33*\mathrm{\Δxn}+l34*\mathrm{\Δyn}\\ \mathrm{\ΔNFY}=l41*\mathrm{\Δxf}+l42*\mathrm{\Δyf}+l43*\mathrm{\Δxn}+l44*\mathrm{\Δyn}\end{array}\right.;$

⑦根据步骤⑥求得的各个马达需要转动的步数和方向，计算机通过马达控制器去控制各个马达转动；

⑧如果此时光路的近场和远场不满足准直精度的要求，再次执行步骤⑥、⑦，至到满足要求为止，实现立体空间激光光路的快速准直。

本发明的技术效果如下：

本发明可以解决反射镜马达和近远场图像坐标系之间的坐标系扭曲问题，实现立体空间激光光路的快速准直，并满足准直精度要求。

附图说明

图1是本发明立体空间激光光路的示意图

图中：1—近场CCD 2—远场CCD 3—马达控制器 4—第一反射镜

5—第二反射镜 6—NFX马达 7—NFY马达 8—FFX马达

9—FFY马达 10—计算机

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明立体空间激光光路的示意图，本发明立体空间激光光路快速准直的方法，包括如下步骤：

①在立体空间激光光路的近场和远场位置处分别放置近场CCD1和远场CCD2来采集近远场的激光光斑图像，其中近场取在光路中某一特定的位置处，远场取在光束的焦点处；

②在立体空间激光光路中任意选取第一反射镜4和第二反射镜5，在两个反射镜上均安装有水平马达和俯仰马达来分别控制反射镜方位和俯仰的调整，第一反射镜4上装有水平马达，以下简称为NFX马达6和俯仰马达，以下简称为NFY马达7，第二反射镜5上装有水平马达，以下简称为FFX马达8和俯仰马达，以下简称为FFY马达9；

③一台含有图像采集处理软件和马达控制软件的计算机10，计算机10通过近场CCD1和远场CCD2采集近远场的激光光斑图像并计算得到近远场激光光斑中心与基准的偏差量；

④求四个马达转动量和近远场激光光斑中心变化量之间的4*4维线性矩阵B：

$B=\left[\begin{array}{c}k11,k12,k13,k14\\ k21,k22,k23,k24\\ k31,k32,k33,k34\\ k41,k42,k43,k44\end{array}\right],$ 满足关系式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δxf}\\ \mathrm{\Δyf}\\ \mathrm{\Δxn}\\ \mathrm{\Δyn}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}k11,k12,k13,k14\\ k21,k22,k23,k24\\ k31,k32,k33,k34\\ k41,k42,k43,k44\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔFFX}\\ \mathrm{\ΔFFY}\\ \mathrm{\ΔNFX}\\ \mathrm{\ΔNFY}\end{array}\right]$

其中，ΔFFX、ΔFFY、ΔNFX、ΔNFY分别为FFX马达、FFY马达、NFX马达、马达NFY的转动变化量，马达分正转和反转，正转时马达转动变化量为正，负转时马达转动变化量为负；Δxn和Δyn为近场激光光斑中心xn,yn的变化量，Δxf和Δyf为远场激光光斑中心xf,yf的变化量，光斑中心变化量等于当前光斑中心值减去基准值；

根据矩阵关系，FFX马达8正转n步，其他三个马达不转动，那么系数k11=Δxf/n，k21=Δyf/n，k31=Δxn/n，k41=Δyn/n；相应的只转动FFY马达9求得系数k12、k22、k32、k42，只转动NFX马达6求得系数k13、k23、k33、k43，只转动NFY马达7求得系数k14、k24、k34、k44；

⑤求出矩阵B的逆矩阵 $B^{-1}=\left[\begin{array}{c}l11,l12,l13,l14\\ l21,l22,l23,l24\\ l31,l32,l33,l34\\ l41,l42,l43,l44\end{array}\right],$ 满足 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔFFX}\\ \mathrm{\ΔFFY}\\ \mathrm{\ΔNFX}\\ \mathrm{\ΔNFY}\end{array}\right]=B^{-1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δxf}\\ \mathrm{\Δyf}\\ \mathrm{\Δxn}\\ \mathrm{\Δyn}\end{array}\right];$

⑥近场CCD1和远场CCD2实时采集近远场的激光光斑图像，并将图像传给计算机10，计算机10计算出近远场激光光斑中心与基准的偏差量Δxf、Δyf、Δxn、Δyn，并利用下列方程式求得各个马达需要转动的步数和方向：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔFFX}=l11*\mathrm{\Δxf}+l12*\mathrm{\Δyf}+l13*\mathrm{\Δxn}+l14*\mathrm{\Δyn}\\ \mathrm{\ΔFFY}=l21*\mathrm{\Δxf}+l22*\mathrm{\Δyf}+l23*\mathrm{\Δxn}+l24*\mathrm{\Δyn}\\ \mathrm{\ΔNFX}=l31*\mathrm{\Δxf}+l32*\mathrm{\Δyf}+l33*\mathrm{\Δxn}+l34*\mathrm{\Δyn}\\ \mathrm{\ΔNFY}=l41*\mathrm{\Δxf}+l42*\mathrm{\Δyf}+l43*\mathrm{\Δxn}+l44*\mathrm{\Δyn}\end{array}\right.;$

⑦根据步骤⑥求得的各个马达需要转动的步数和方向，计算机（10）通过马达控制器（3）去控制各个马达转动；

⑧如果此时光路的近场和远场不满足准直精度的要求，再次执行步骤⑥、⑦，至到满足要求为止，实现立体空间激光光路的快速准直。

实验表明，本发明可以解决反射镜马达和近远场图像坐标系之间的坐标系扭曲问题，实现立体空间激光光路的快速准直，并满足准直精度要求。

Claims (1)

1.一种立体空间激光光路快速准直方法,特征在于包括如下步骤：

①在立体空间激光光路的近场和远场位置处分别放置近场CCD（1）和远场CCD（2）来采集近远场的激光光斑图像，其中近场取在光路中某一特定的位置处，远场取在光束的焦点处；

②在立体空间激光光路中任意选取第一反射镜（4）和第二反射镜（5），在两个反射镜上均安装有水平马达和俯仰马达来分别控制反射镜方位和俯仰的调整，第一反射镜（4）上装有水平马达为NFX马达（6）和俯仰马达简称为NFY马达（7），第二反射镜（5）上装有水平马达简称为FFX马达（8）和俯仰马达简称为FFY马达（9）；

③一台含有图像采集处理软件和马达控制软件的计算机（10），计算机（10）通过近场CCD（1）和远场CCD（2）采集近远场的激光光斑图像并计算得到近远场激光光斑中心与基准的偏差量；

④求四个马达转动量和近远场激光光斑中心变化量之间的4*4维线性矩阵B：

$B=\left[\begin{array}{c}k11,k12,k13,k14\\ k21,k22,k23,k24\\ k31,k32,k33,k34\\ k41,k42,k43,k44\end{array}\right],$ 该线性矩阵B满足关系式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δxf}\\ \mathrm{\Δyf}\\ \mathrm{\Δxn}\\ \mathrm{\Δyn}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}k11,k12,k13,k14\\ k21,k22,k23,k24\\ k31,k32,k33,k34\\ k41,k42,k43,k44\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔFFX}\\ \mathrm{\ΔFFY}\\ \mathrm{\ΔNFX}\\ \mathrm{\ΔNFY}\end{array}\right]$

其中，ΔFFX、ΔFFY、ΔNFX、ΔNFY分别为FFX马达、FFY马达、NFX马达、NFY马达的转动变化量，马达分正转和反转，正转时马达转动变化量为正，负转时马达转动变化量为负；Δxn和Δyn为近场激光光斑中心xn,yn的变化量，Δxf和Δyf为远场激光光斑中心xf,yf的变化量，光斑中心变化量等于当前光斑中心值减去基准值；

根据矩阵关系，FFX马达（8）正转n步，其他三个马达不转动，那么系数k11=Δxf/n，k21=Δyf/n，k31=Δxn/n，k41=Δyn/n；相应的只转动FFY马达（9）求得系数k12、k22、k32、k42，只转动NFX马达（6）求得系数k13、k23、k33、k43，只转动NFY马达（7）求得系数k14、k24、k34、k44；

⑤求出矩阵B的逆矩阵 $B^{-1}=\left[\begin{array}{c}l11,l12,l13,l14\\ l21,l22,l23,l24\\ l31,l32,l33,l34\\ l41,l42,l43,l44\end{array}\right],$ 满足 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔFFX}\\ \mathrm{\ΔFFY}\\ \mathrm{\ΔNFX}\\ \mathrm{\ΔNFY}\end{array}\right]=B^{-1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δxf}\\ \mathrm{\Δyf}\\ \mathrm{\Δxn}\\ \mathrm{\Δyn}\end{array}\right];$

⑥近场CCD（1）和远场CCD（2）实时采集近远场的激光光斑图像，并将图像传给计算机（10），计算机（10）计算出近远场激光光斑中心与基准的偏差量Δxf、Δyf、Δxn、Δyn，并利用下列方程式求得各个马达需要转动的步数和方向：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔFFX}=l11*\mathrm{\Δxf}+l12*\mathrm{\Δyf}+l13*\mathrm{\Δxn}+l14*\mathrm{\Δyn}\\ \mathrm{\ΔFFY}=l21*\mathrm{\Δxf}+l22*\mathrm{\Δyf}+l23*\mathrm{\Δxn}+l24*\mathrm{\Δyn}\\ \mathrm{\ΔNFX}=l31*\mathrm{\Δxf}+l32*\mathrm{\Δyf}+l33*\mathrm{\Δxn}+l34*\mathrm{\Δyn}\\ \mathrm{\ΔNFY}=l41*\mathrm{\Δxf}+l42*\mathrm{\Δyf}+l43*\mathrm{\Δxn}+l44*\mathrm{\Δyn}\end{array}\right.;$

⑦根据步骤⑥求得的各个马达需要转动的步数和方向，计算机（10）通过马达控制器（3）控制各个马达转动；

⑧如果此时光路的近场和远场不满足准直精度的要求，再次执行步骤⑥、⑦，至到满足要求为止，实现立体空间激光光路的快速准直。