CN105526906B - 大角度动态高精度激光测角方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大角度动态高精度激光测角方法，包括激光扫描图像数据获取、图像预处理、光心提取、定标校正、图像数据分析结果输出等五个部分。通过图像处理提取靶墙上光点的运动轨迹获取转动机构的转角信息。本发明具有非接触式测量、结构简单、测量精度高，大角度范围动态测量等优点。通过测试验证，利用本发明测试精度可以达到2″，提高了动态测角范围，提高了测角精度。
Description
技术领域
本发明涉及计量科学领域，更具体地说，涉及一种大角度动态高精度测角方法，提供了一种非接触、大角度范围动态测量转角机构位置角度的方法，可广泛地应用于航天、航空、航海、光学等领域。
背景技术
随着航天遥感对地观测技术的不断发展，要求遥感卫星图像定位精度越来越高，对有效载荷扫描镜光轴指向的精度要求也随之越来越高。有效载荷扫描镜光轴指向在电机的驱动下在约15°角度范围内来回摆动，扫描镜的转角的测量精度直接关系到卫星成像质量。因此，扫描镜转动角度的动态检测成为亟待解决和研究的重要课题，也是遥感卫星发展的关键性技术之一。
目前，主要的动态测角装置包括：激光干涉仪、PSD、激光自准直仪、激光陀螺、光电码盘等，然而对于前述的角度测量需求，以上角度敏感器均难以很好地满足要求。
激光干涉仪、PSD、激光自准直仪可以实现非接触式测量，但测角范围较小，一般测角范围不超过±0.5°，不能满足扫描镜大角度动态测量的需求。
激光陀螺测角范围可以达到360°且精度较高，但只能实现接触式测量，需要将陀螺安装在辐射计扫描镜上，这将会改变产品的结构和质量特性，对于星上产品而言无法接受。
光电码盘能够实现大角度高精度的动态角度测量，然而光电码盘必须与被测对象同轴安装。由于扫描镜法线和转轴不能保证完全垂直安装，直接在扫描镜转轴上安装光电码盘仅能反映转轴运动的角度变化，而不是扫描镜光轴的指向变化，由扫描机构自身测出的角度与真实的光轴指向角必然存在偏差。
发明内容
本发明为了探究一种非接触、大角度动态范围、高精度测量转角的方法，在不改变原有机械结构的基础上，通过转动机构扫描镜反射光点的动态变化，提取光心，校正后获取高精度的转角信息。
根据本发明提供的一种大角度动态高精度激光测角方法，包括如下步骤：
步骤1，激光扫描图像获取
将激光器固定在扫描镜后光路上，由激光器发出的光束通过扫描镜反射后照射在基准靶墙屏幕上形成光点，随着扫描镜的运动光点同步移动，并由相机对基准靶墙屏幕上的光点运动轨迹进行成像，得到光点图像；
步骤2，图像预处理
对光点图像进行预处理，得到光点与背景的分离图像；
步骤3，光点的质心定位
对光点质心进行定位；
步骤4，激光跟踪仪的定标校正
建立基准靶墙屏幕与光点图像上各光点质心间的映射关系，拟合函数关系式，得到基准靶墙屏幕上的实际光点坐标与光点图像上提取出的光点质心坐标之间的函数关系；用该函数关系对光点图像进行校正，得到校正后的实际光点坐标数据组。
步骤5，图像数据分析
将光点质心位置信息转化为角度信息，输出测量结果。
优选地，按照如下公式设定图像成像参数：
式中：Wr为基准靶墙屏幕横向尺寸；
Wn为相机成像阵面横向尺寸；
S2为相机与基准靶墙屏幕距离；
f为相机镜头焦距。
优选地，在光点成像区域内利用插补来增加有效像素个数而改善光点质心定位精度。
优选地，在光点成像区域内，对于插入在像素点(i,j)、(i+1,j)、(i,j+1)、(i+1,j+1)内的像素点(u,v)的插值：
f(u,j)＝f(i,j)+α[f(i+1,j)-f(i,j)] (2)
f(u,j)表示像素点(u,j)的灰度；f(i,j)表示像素点(i,j)的灰度；f(i+1,j)表示像素点(i+1,j)的灰度；
f(u,j+1)＝f(i,j+1)+α[f(i+1,j+1)-f(i,j+1)] (3)
f(u,j+1)表示像素点(u,j+1)的灰度；f(i,j+1)表示像素点(i,j+1)的灰度；f(i+1,j+1)表示像素点(i+1,j+1)的灰度；
f(u,v)＝f(i,j)(1-α)(1-β)+f(i+1,j)α(1-β)+f(i,j+1)(1-α)β+f(i+1,j+1)αβ (4)
f(u,v)表示像素点(u,v)的灰度；
定义[u]、[v]为分别小于u、v的最大整数值，则在公式(4)中的i、j、α、β表示为：i＝[u],j＝[v],α＝u-[u]，β＝v-[v]，则经过插值之后的光点质心由公式(5)和(6)来确定
式中：m为插值的个数，n为光点像素点的个数，和为光点质心的直角坐标系坐标；xi表示第i个像素点横坐标，pi表示第i个像素点灰度值，ui表示第i个插值像素点横坐标，f(ui,vi)表示第i个插值像素点灰度值，yi表示第i个像素点纵坐标，vi表示第i个插值像素点纵坐标。
优选地，所述步骤4包括：
建立基准靶墙屏幕上若干基准点的二维平面坐标，由相机获取所有基准点的二维像面坐标，建立起二维像面坐标与基准靶墙屏幕上基准点坐标的一一对应关系，利用插值算法，计算基准靶墙屏幕上任一点的坐标位置。
优选地，所述步骤4包括：
步骤4.1：激光跟踪仪根据自身位置建立空间坐标系，空间坐标系原点为激光跟踪仪的控制自身激光出射方向的两个反光镜光轴交点位置；在测量过程中，激光跟踪仪的光轴跟随靶球移动，并根据对靶球的测量结果，实时给出靶球球心的空间坐标；
步骤4.2：移去靶球，激光跟踪仪光束直接打到基准靶墙屏幕上，由相机获得基准靶墙屏幕上激光跟踪仪光束形成的光点，提取出光点质心坐标；
步骤4.3：将提取的光点质心坐标与激光跟踪仪给出的空间坐标一一对应，建立校正后的实际光点坐标数据组。
优选地，所述步骤5包括：
设光点在基准靶墙屏幕上的线位移为D，扫描镜光轴的转角为θ，投影基准靶墙屏幕到扫描镜转轴的垂直距离为S，则：
得到测角误差△θ关系式：
式中：△S为扫描镜旋转轴线到投影基准靶墙屏幕的垂直距离误差，是系统结构参数误差；△D为投影基准靶墙屏幕上的线位移误差，是图像定位误差。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明方法将激光器固定在扫描镜后光路上，由激光器发出的光束通过扫描镜反射后照射在靶墙上，随着扫描镜的运动光点同步移动，并由相机对靶墙上的光点运动轨迹进行成像，最后通过图像处理解获得扫面镜光轴的实时转角。该方法用间接的手段直接测量扫描镜光轴指向，可以获得真实的指向精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为大角度动态高精度激光测角方法原理示意图；
图2大角度动态高精度激光测角方法搭建示意图(俯视图)；
图3像素间插补增加有效像素数。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明方法设计思想是以空间距离换取系统对于转动角度测量精度和测量分辨率的提高。本发明提供的方法包括如下步骤：
步骤1，激光扫描图像获取
将激光器固定在扫描镜后光路上，由激光器发出的光束通过扫描镜反射后照射在基准靶墙屏幕上形成光点，随着扫描镜的运动光点同步移动，并由相机对基准靶墙屏幕上的光点运动轨迹进行成像。
转动机构驱动扫描镜的运动引起光点在基准靶墙屏幕上的移动，相机记录光点的运动轨迹，完成运动轨迹的记录与处理。如图1中①所示。
转角测量一方面要求具有一定的测量范围，又要求达到一定的测量精度，因此需要设定合适的图像成像参数。基准靶墙屏幕二维尺寸、镜头焦距、成像阵面关系由公式(1)给出，可确定出相机与基准靶墙屏幕距离。
具体地，按照如下公式设定图像成像参数：
式中：Wr为基准靶墙屏幕横向尺寸；
Wn为相机成像阵面横向尺寸；
S2为相机与基准靶墙屏幕距离；
f为相机镜头焦距；
步骤2，图像预处理
通过相机得到光点在基准靶墙屏幕上形成的光点图像，对光点图像进行预处理，再通过阈值截断处理得到光点与背景的分离的增强图像。如图1中②所示。其中，所述预处理，包括：消除高斯噪声，采用卷积滤波对图像进行平滑。
步骤3，光点的质心定位
光点与背景的分离后，优选地采用亚像素细分技术得到光点质心的定位。例如采用带阈值的质心法或加权阈值质心定位算法，完成基于亚像素细分的光点质心提取与运动趋势判断，最终实现光点质心的精确定位。如图1中③所示。
光点图像在相机成像阵面的若干像素上成像，由于光点大小和镜头焦距的原因，成像像素较少。但是基于激光发射器发出的光斑具有较高的信噪比和更好的成像灰度分布。因此场景中的背景噪声可以被有效地消除。
针对光点的成像特点，根据灰度平方加权质心算法来计算特征的坐标值，在光点成像区域内利用插补来增加有效像素个数而改善光点质心定位精度，如图3所示任取像素点(u,v)的灰度f(u,v)可以通过像素点(i,j)的灰度f(i,j)和像素点(i+1,j)的灰度f(i+1,j)得到，图3中W和H表示任取像素点(u,v)所在的区域，其中：
f(u,j)＝f(i,j)+α[f(i+1,j)-f(i,j)] (2)
f(u,j)表示像素点(u,j)的灰度；
通过像素点(i,j+1)的灰度f(i+1,j)和像素点(i+1,j+1)的灰度f(i+1,j+1)得到f(u,j+1)插值，如公式(3)所示：
f(u,j+1)＝f(i,j+1)+α[f(i+1,j+1)-f(i,j+1)] (3)
f(u,j+1)表示像素点(u,j+1)的灰度；
最后，根据f(u,j)和f(u,j+1)，得到f(u,v)的插值：
f(u,v)＝f(i,j)(1-α)(1-β)+f(i+1,j)α(1-β)+f(i,j+1)(1-α)β+f(i+1,j+1)αβ (4)
定义[u]和[v]为分别小于u和v的最大整数值，则在公式(4)中的i、j、α、β可表示为：
i＝[u],j＝[v],α＝u-[u]，β＝v-[v]，则经过插值之后的光点质心由公式(5)和(6)来确定
式中：m为插值的个数，n为光点像素点的个数，(u,v)为任取某一像素点，和为光点质心的直角坐标系坐标；xi表示第i个像素点横坐标，pi表示表示第i个像素点灰度值，ui表示第i个插值像素点横坐标，f(ui,vi)表示表示第i个插值像素点灰度值，yi表示第i个像素点纵坐标，vi表示第i个插值像素点纵坐标。
通过亚像素细分，提高系统测量精度与重复性，光点质心定位精度可以到0.2像素级别，重复性可以达到0.06像素。
步骤4，激光跟踪仪的定标校正
对用于标定的图像进行处理，建立基准靶墙屏幕与图像上各光点间的映射关系，拟合函数关系式，得到基准靶墙屏幕上的实际光点坐标与为图片上提取出的光点坐标函数关系。用上述函数关系对图像文件进行处理，得到校正后的实际光点坐标数据组。如图1中④所示。
该定标校正方法的核心思想是，建立基准靶墙屏幕上若干基准点的二维平面坐标，同时由CCD相机获取所有基准点的图像像素坐标，建立起二维像面坐标与二维基准靶墙屏幕上基准点坐标的一一对应关系，利用插值算法，计算基准靶墙屏幕其他任一点的坐标位置。该方法可采用激光跟踪仪对整个靶墙屏幕进行逐点测量，测点密度可以根据靶墙屏幕的平面度进行调整。
更为具体地：
1)激光跟踪仪可根据自身位置建立空间坐标系，坐标系原点为激光跟踪仪控制自身激光出射方向的两个反光镜光轴交点位置。在测量过程中，激光跟踪仪的光轴跟随靶球移动，并根据对靶球的测量结果，实时给出靶球球心的空间坐标；
2)移去靶球，激光跟踪仪光束直接打到靶墙屏幕上，由激光图像获取系统得靶墙屏幕上激光跟踪仪光束形成的光点，对图像进行预处理，提取光点中心图像坐标；
3)将提取的光点中心图像坐标与激光跟踪仪给出的空间坐标一一对应，建立校正后的实际光点坐标数据组。
步骤5，图像数据分析
将光点位置信息转化为角度信息，输出测量结果，影响测角精度的误差源为两大部分：一是系统结构参数误差；二是图像定位误差。
将光点位置信息转化为角度信息，设光点质心在靶墙屏幕上的线位移为D，光轴的转角为θ，投影靶墙屏幕到扫描镜转轴的垂直距离为S，则三者满足关系式(7)：
可得测角误△θ差关系式：
式中：△S为扫描镜旋转轴线到投影靶墙屏幕的垂直距离误差，是系统结构参数误差，△D为投影靶墙屏幕上的线位移误差，是图像定位误差。对整个靶墙屏幕标定后，用靶球随机给出若干检测点，对标定后的评估系统做精度分析。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (3)
1.一种大角度动态高精度激光测角方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，激光扫描图像获取
将激光器固定在扫描镜后光路上，由激光器发出的光束通过扫描镜反射后照射在基准靶墙屏幕上形成光点，随着扫描镜的运动光点同步移动，并由相机对基准靶墙屏幕上的光点运动轨迹进行成像，得到光点图像；
步骤2，图像预处理
对光点图像进行预处理，得到光点与背景的分离图像；
步骤3，光点的质心定位
对光点质心进行定位；
步骤4，激光跟踪仪的定标校正
建立基准靶墙屏幕与光点图像上各光点质心间的映射关系，拟合函数关系式，得到基准靶墙屏幕上的实际光点坐标与光点图像上提取出的光点质心坐标之间的函数关系；用该函数关系对光点图像进行校正，得到校正后的实际光点坐标数据组。
步骤5，图像数据分析
将光点质心位置信息转化为角度信息，输出测量结果；
在光点成像区域内利用插补来增加有效像素个数而改善光点质心定位精度；
在光点成像区域内，对于插入在像素点(i,j)、(i+1,j)、(i,j+1)、(i+1,j+1)内的像素点(u,v)的插值：
f(u,j)＝f(i,j)+α[f(i+1,j)-f(i,j)] (2)
f(u,j)表示像素点(u,j)的灰度；f(i,j)表示像素点(i,j)的灰度；f(i+1,j)表示像素点(i+1,j)的灰度；
f(u,j+1)＝f(i,j+1)+α[f(i+1,j+1)-f(i,j+1)] (3)
f(u,j+1)表示像素点(u,j+1)的灰度；f(i,j+1)表示像素点(i,j+1)的灰度；f(i+1,j+1)表示像素点(i+1,j+1)的灰度；
f(u,v)＝f(i,j)(1-α)(1-β)+f(i+1,j)α(1-β)+f(i,j+1)(1-α)β+f(i+1,j+1)αβ (4)
f(u,v)表示像素点(u,v)的灰度；
定义[u]、[v]为分别小于u、v的最大整数值，则在公式(4)中的i、j、α、β表示为：i＝[u],j＝[v],α＝u-[u]，β＝v-[v]，则经过插值之后的光点质心由公式(5)和(6)来确定
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式中：m为插值的个数，n为光点像素点的个数，和为光点质心的直角坐标系坐标；xi表示第i个像素点横坐标，pi表示第i个像素点灰度值，ui表示第i个插值像素点横坐标，f(ui,vi)表示第i个插值像素点灰度值，yi表示第i个像素点纵坐标，vi表示第i个插值像素点纵坐标；
所述步骤4包括：
建立基准靶墙屏幕上若干基准点的二维平面坐标，由相机获取所有基准点的二维像面坐标，建立起二维像面坐标与基准靶墙屏幕上基准点坐标的一一对应关系，利用插值算法，计算基准靶墙屏幕上任一点的坐标位置；
所述步骤5包括：
设光点在基准靶墙屏幕上的线位移为D，扫描镜光轴的转角为θ，投影基准靶墙屏幕到扫描镜转轴的垂直距离为S，则：
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式中：ΔS为扫描镜旋转轴线到投影基准靶墙屏幕的垂直距离误差，是系统结构参数误差；ΔD为投影基准靶墙屏幕上的线位移误差，是图像定位误差。
2.根据权利要求1所述的大角度动态高精度激光测角方法，其特征在于，按照如下公式设定图像成像参数：
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式中：Wr为基准靶墙屏幕横向尺寸；
Wn为相机成像阵面横向尺寸；
S2为相机与基准靶墙屏幕距离；
f为相机镜头焦距。
3.根据权利要求1所述的大角度动态高精度激光测角方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤4.1：激光跟踪仪根据自身位置建立空间坐标系，空间坐标系原点为激光跟踪仪的控制自身激光出射方向的两个反光镜光轴交点位置；在测量过程中，激光跟踪仪的光轴跟随靶球移动，并根据对靶球的测量结果，实时给出靶球球心的空间坐标；
步骤4.2：移去靶球，激光跟踪仪光束直接打到基准靶墙屏幕上，由相机获得基准靶墙屏幕上激光跟踪仪光束形成的光点，提取出光点质心坐标；
步骤4.3：将提取的光点质心坐标与激光跟踪仪给出的空间坐标一一对应，建立校正后的实际光点坐标数据组。
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