CN108507542A - 一种超高速运动目标姿态测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种超高速运动目标姿态测量系统及方法，属于超高速目标成像及姿态解算技术领域。本发明公开的一种超高速运动目标姿态测量系统包括菲涅尔折反式匀光照明一级子系统、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统、高速数据处理一级子系统、同步控制器、网靶触发器、电源、反射屏及超高速运动目标；菲涅尔折反式匀光照明一级子系统用于对超高速运动目标探测视场内的均匀光照明；系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统用于对超高速运动目标的高清晰成像。本发明还公开基于所述的一种超高速运动目标姿态测量系统实现的一种超高速运动目标姿态测量方法。本发明能够实现对超高速运动目标姿态的高精度测量。

Description

一种超高速运动目标姿态测量系统及方法
技术领域
本发明属于超高速目标成像及姿态解算技术领域，特别涉及一种超高速运动目标姿态测量系统及方法。
背景技术
超高速运动目标姿态测量技术是传统成像跟踪技术与现代激光照射技术相结合的产物，是一种用于从低速到高速再到超高速运动目标的姿态测量系统技术。现代武器装备发展迅速，不断向超高速、远距离、高精度打击方向发展，如超高速动能弹动能大、运行速度快，速度可达几马赫甚至十几马赫，成像困难；弹丸出膛后弹托分离姿态及稳定性会严重影响武器系统的打击精度，降低武器系统的综合性能，因此，在线测量超高速动能弹弹托分离姿态为超高速动能弹轨迹预测、弹丸形状设计、弹丸发射技术等提供参考，对提高武器系统综合性能至关重要。
运动目标姿态测量的传统方式主要是利用目标自身携带的传感器监测目标瞬时运行状态，进而解算目标运动姿态，如清华大学的CN200410004660.3号专利“一种载体姿态测量方法及其系统”提出一种载体姿态测量方法和系统，该系统利用三轴加速度传感器、三轴磁强计和三轴速率陀螺分别测量重力加速度、地磁感应强度和载体运动角速度在载体坐标系三轴上的分量，但该系统工作时必须在运动载体上布置多传感器，属于主动式测量，不满足自身不能携带测量装置的超高速飞行目标姿态测量需求。基于此原理的还有中国工程物理研究院总体工程研究所的CN201520355621.1号专利“Stewart平台姿态测量装置”，以及中煤科工集团西安研究院有限公司和北京航空航天大学的CN201310562331.X号专利“井下钻机姿态测量仪及其测量方法”，它们均采用多传感器主动式测量的方式测量载体或目标姿态，必须在运动载体上挂载多传感器。因此，提出采用正交式成像技术，从不同方向测量超高速运动目标姿态，为解析超高速运动目标飞行轨迹提供支持；采用菲涅尔折反式激光匀光照明技术，提高高速摄像仪视场内均匀光照度，保证高速摄像仪曝光质量良好；采用系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像技术，克服超高速运动目标前后晃动造成的图像模糊现象，提高高速摄像仪的成像清晰度，为高精度超高速运动目标姿态测量提供支持。
发明内容
本发明公开的一种超高速运动目标姿态测量系统及方法，要解决的技术问题是在目标超高速运动的条件下，实现对超高速运动目标姿态的高精度测量。
所述的超高速运动指目标运行速度为5马赫至10马赫。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种超高速运动目标姿态测量系统，包括菲涅尔折反式匀光照明一级子系统、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统、高速数据处理一级子系统、同步控制器、网靶触发器、电源、反射屏及超高速运动目标。所述的菲涅尔折反式匀光照明一级子系统用于对超高速运动目标探测视场内的均匀光照明。所述的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统用于对超高速运动目标的高清晰成像。网靶触发器用于检测超高速运行目标，产生起始触发信号。同步控制器用于接收网靶触发器提供的触发信号，产生脉冲信号，分别提供给菲涅尔折反式匀光照明一级子系统、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统以及高速数据处理一级子系统，触发菲涅尔折反式匀光照明一级子系统、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统、高速数据处理一级子系统工作。反射屏用于反射菲涅尔折反式匀光照明一级子系统产生的均匀光，增加光照度。电源用于提供能量。
所述的菲涅尔折反式匀光照明一级子系统包括高能激光器、显微透镜装置、小孔光阑、非球面准直镜、折反式菲涅尔透镜装置、非球面准直镜、折射式扩束装置。所述的菲涅尔折反式匀光照明一级子系统采用显微透镜装置实现对高能激光器发射光束的会聚；在激光光线汇聚处设置小孔光阑，滤除外界杂散光及高次谐波，提升高能激光器发射的一次照明光束质量；经非球面准直镜后向折反式菲涅尔透镜装置输入平行光束；折反式菲涅尔透镜装置采用折反式匀光扩束技术，实现对高质量照明光束的均匀扩展；采用非球面准直透镜对折反式菲涅尔透镜的均匀扩展光束予以准直；采用折射式扩束装置扩展非球面准直透镜的出射平行均匀光束，实现对超高速运动目标探测视场内的均匀光照明。
所述的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统包括聚焦透镜、系数优化的三次相位掩膜板、非球面透镜和高速摄像仪。所述的高速数据处理一级子系统包括现场高速FPGA数字图像处理模块、姿态解算模块、人机交互装置和现场通讯总线。所述的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统采用聚焦透镜会聚视场入射平行光束；将会聚光束聚焦至系数优化的三次相位掩膜板上，通过三次相位掩膜板对被拍摄物体进行编码，其中三次相位掩膜板的系数采用遗传算法予以优化，搜索全局最优三次相位掩膜系数，实现系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统的光学传递函数和点扩散函数对离焦像差不敏感；再将三次相位掩膜板出射光束经过非球面透镜聚焦至高速摄像仪，将高速摄像仪得到的离焦模糊中间像进行解码，恢复出清晰图像，实现对超高速运动目标的高清晰成像。
所述的高速数据处理一级子系统用于对超高速运动目标的姿态解算，采用现场通讯总线互联的方式将高速摄像仪采集的超高速运动目标清晰图像送至现场高速FPGA数字图像处理模块，实现对高速运动目标的图像像素提取；将现场高速FPGA数字图像处理模块提取的图像像素送至姿态解算模块，实现对超高速运行目标的姿态解算；同时，人机交互装置用于将解算的目标姿态向用户呈现，还用于实现用户对姿态解算结果、目标图像等信息查看。
菲涅尔折反式匀光照明一级子系统中所述的折反式菲涅尔透镜装置包括菲涅尔透镜和柱体反射镜。为克服菲涅尔透镜不同曲面、不同曲率难以加工的问题，将菲涅尔透镜加工为平面折射面形式；柱体反射镜采用圆柱面反射、上下平底面透射的形式，柱体反射镜的上下底面直径和菲涅尔透镜的中心透射圆直径相等，可以通过调节柱体反射镜的上下底面直径和菲涅尔透镜的中心透射圆直径扩大出射光视场，将柱体反射镜放置在与光轴平行的菲涅尔透镜焦点位置处，扩大菲涅尔透镜离焦聚光光束视场的同时匀化光束；入射光束经菲涅尔透镜后由于平面折射的缘故会聚焦在离焦位置处，菲涅尔透镜中心处光线会穿过菲涅尔中心透光面，经放置在焦点位置处的柱体反射镜后形成大视场均匀光，实现对光束的匀化处理与视场扩展。
系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统中所述的系数优化的三次相位掩膜板，采用遗传算法搜索全局范围的最优三次相位掩膜板系数，得到最佳的三次相位掩膜板形状参数，制造加工出符合系统要求的三次相位掩膜板，使得系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统的光学传递函数和点扩散函数对系统离焦像差不敏感，增加超高速运动目标成像景深，提高超高速运动目标的成像清晰度。
所述的系数优化的三次相位掩膜板优选如下方法搜索全局范围的最优三次相位掩膜板系数，具体实现步骤如下：
相位模板为三次相位掩膜板，三次相位掩膜板形式为：
z(x,y)＝α(x3+y3) (1)
式中：α为相位掩膜板的可调参数，x,y分别为二维空间域坐标。
利用模糊函数解析推导离焦不变性，模糊函数AF是将频率与时间相结合的信号自相关函数，加载了三次相位掩膜板的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统对应的未带有离焦像差的相干传递函数为：
即为相位模板产生的相位因子，其中，exp为指数表达，j为复数形式，θ为含有相位掩膜板可调参数α的函数；模糊函数AF关于P(u)的定义为：
其中，*代表函数的复数共轭，j为复数形式，y为规范化空间坐标，u为规范化空间频率，P(v)为A(y)的Fourier变换。
相位模板产生的相位因子中的函数θ(x)表达式为：
θ(x)＝αxγ,γ≠{0,1}且α≠0 (4)
其中，α为掩膜板的可调参数，γ为函数θ(x)的指数可调阈值。将θ(x)表达式代入公式、得:
对于上式积分式，只有其稳相点周围临近区域对积分结果有显著作用。稳相点就是相位不随x的变化而变化的点，稳相点x满足：
将表达式代入上式，求导得到：
通过计算得到模糊函数的表达式为：
其中略去了常数相位因子。
得到立方相位模板：
其中，α为相位模板的可调参数，通过调节α的数值满足大景深高质量成像需求。
其中，三次相位掩膜板的系数α采用遗传算法予以优化，搜索全局最优三次相位掩膜系数，实现系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统的光学传递函数和点扩散函数对离焦像差不敏感，得到相位板参数最优值。用遗传算法优化相位模板参数时选择基于Fisher信息理论的评价函数来计算遗传算法优化相位模板可调参数α时的适应度值，评价函数表示为：
式中(u,v)为频谱上点的坐标；M为调制函数在相应频率上的数值；μ为惩罚因子，为相位掩膜板可调参数估计值，z为离焦距离。
评价函数看作由Fisher信息加上以调制函数作为罚函数项构成，计算得到使式的评价函数值最小的值，即是系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统在图像恢复和景深延拓两者之间找到的最优值。遗传算法优化α过程中，设置系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统中的可调参数α的范围，以评价函数为个体优化适应度值，设置最小误差值或最大优化次数，通过个体间不断选择、交叉、变异，优化新个体，最终得到系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统可调范围内的最优可调参数α。
菲涅尔折反式匀光照明一级子系统和系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统分为两组，两组菲涅尔折反式匀光照明一级子系统和系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统正交布设，进而减小超高速目标姿态数据解算量、实现姿态实时测量。
基于所述的一种超高速运动目标姿态测量系统实现的一种超高速运动目标姿态测量方法，包括如下步骤：
步骤一、通过菲涅尔折反式匀光照明一级子系统匀光照射视场内超高速运动目标。
采用高能量激光器发射脉冲激光，经菲涅尔折反式匀光照明一级子系统整形、扩束后，实现对超高速运动目标的均匀光照射，提高高速摄像仪的曝光量。超高速运动目标成像时所需摄像仪曝光时间短，瞬时光照强度不够、光照不均匀时，会造成曝光量不足、图像模糊的现象，采用高能量激光器作为光照源，经菲涅尔折反式匀光照明一级子系统产生视场扩大的均匀光束，实现对目标的均匀光照射。
步骤1.1：在同步控制器控制下高能量激光器发射脉冲激光。
超高速运动目标运动速度快、动能大，运行过程中也有可能伴随高温、强光或浓烟，需要采用高精度目标触发和系统同步控制方式为目标清晰成像提供支撑。采用网靶触发器作为目标位置触发传感器，为菲涅尔折反式匀光照明一级子系统、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统、高速数据处理一级子系统提供起始触发信号，当目标通过网靶触发器时，网靶触发器产生起始触发信号，并将该起始触发信号发送至同步控制器，同步控制器接收到网靶触发器发送的起始触发信号后产生同步脉冲信号，控制高能激光器发射脉冲照射激光，同时控制高速摄像仪对视场内目标进行高速图像采集，控制高速数据处理一级子系统解算目标姿态变化。
步骤1.2：通过菲涅尔折反式匀光照明一级子系统对照射激光进行匀化、扩束，实现对目标大视场、均匀光照射。
菲涅尔折反式匀光照明一级子系统用于对超高速运动目标探测视场内的均匀光照明，分别正交式安置在超高速运动目标水平方向和垂直方向，菲涅尔折反式匀光照明一级子系统首先采用显微透镜装置，对高能激光器发射光束进行会聚；在激光光线汇聚处设置小孔光阑，滤除外界杂散光及高次谐波，实现对一次照明光束质量的提升；然后将质量提升的激光经非球面准直镜后向折反式菲涅尔透镜装置输入平行光束；平行光束经所提出的折反式菲涅尔透镜装置，实现对高质量照明光束的均匀扩展；将均匀扩展的照明激光光束经过非球面准直透镜予以准直；最后采用折射式扩束装置扩展非球面准直透镜的出射平行均匀光束，实现对超高速运动目标探测视场内的大视场、均匀光照射。
入射光束经菲涅尔透镜后由于平面折射面的缘故会折射出平行光束，并且聚焦在离焦前后位置处，菲涅尔透镜的折射光线经放置在焦点位置处的柱体反射镜曲面反射，菲涅尔透镜的中间透射光线经柱体反射镜的上下底面水平出射，柱体反射镜的上下底面直径和菲涅尔透镜的中心透射圆直径相等，通过调节柱体反射镜的上下底面直径和菲涅尔透镜的中心透射圆直径扩大出射光视场，形成大视场均匀光，实现对光束的匀化处理与视场扩展。
步骤二、利用步骤一中的大视场均匀光照射，采用系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统，实现超高速晃动目标的大景深清晰成像。
高速摄像仪在对高速运行目标成像时，曝光时间短，所需的光通量大，在保证步骤一对超高速运行目标大视场、匀光照射的前提下，仍然会因被拍摄超高速目标运行过程时的晃动，造成离焦成像模糊的问题，因此采用系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统来扩大景深，实现晃动目标的大景深清晰成像。
步骤2.1：采用系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统编码被摄物体，得到各离焦位置的模糊中间像。
系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统用于扩大晃动目标的成像景深，分别正交式安置在超高速运动目标水平方向和垂直方向，系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统采用聚焦透镜会聚视场入射平行光束；将会聚光束聚焦至系数优化的三次相位掩膜板上，通过相位掩膜板对被拍摄物体进行编码，得到离焦位置处的模糊中间像。
步骤2.2：对离焦位置的模糊中间像解码，恢复出超高速运动目标的清晰图像。
将三次相位掩膜板出射光束经过非球面透镜聚焦至高速摄像仪，将高速摄像仪得到的离焦模糊中间像进行解码，恢复出清晰图像，实现对超高速运行目标的高清晰成像。
加入了系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统对离焦像差不敏感，使得系统成像不聚焦于任何像平面上，探测器接收到模糊中间像，需对中间像进行滤波建立清晰目标像。采用最小二乘滤波器实现对波前编码系统中间模糊像的复原，最小二乘滤波器滤波后数据与目标数据的最小二乘误差函数e表示为：
式中，A为数据向量的卷积矩阵，为目标数据向量，为采用的滤波器向量，使误差最小的滤波器应该满足：
其中，A*为A的伴随矩阵。
为了得到一维频域滤波器，找到每一个一维点扩散函数的一维傅里叶变换，即光学传递函数，对每一个光学传递函数的特定频率采样组成卷积矩阵A，b为理想衍射受限系统1-D光学传递函数在特定频率的采样向量，此时即为在指定频率的频域滤波器。
步骤三、利用步骤二的高清晰成像提取目标变化像素，反解超高速运动目标变化姿态。
对目标姿态的测量，传统测量方式多采用在载体或目标上挂接多传感器，通过传感器在线测量与通讯的方式获取目标姿态变化。现采用被动式图像采集和像素提取，得到目标姿态变化所引起的像素变化，再通过像素变化反解出超高速运动目标的姿态变化。
采用被动式测量获取运动目标两帧图像间的像素个数变化值为M，超高速运动目标的长为L，超高速摄像仪的分辨率为N1×N2，视场大小为S1×S2,像元尺寸为K，则高速摄像仪1个像素所对应的目标视场尺寸T为：
在超高速目标成像过程中应尽量选择分辨率较高的超高速摄像仪，如若要满足目标最小姿态变化量为β时，则在选择超高速摄像仪时需要满足：
在上述条件下，若超高速运行目标姿态变化量为α，则所占像素数P为：
此时，通过提取超高速目标运行的像素变化个数M，就能够反解出超高速运行目标的姿态变化量α：
有益效果：
(1)本发明专利公开的一种超高速运动目标姿态测量系统及方法，采用提出的折反式匀光扩束装置形成菲涅尔折反式匀光照明一级子系统，实现对超高速运动目标探测视场内的均匀光照明。其中，折反式菲涅尔透镜装置包括平面折射面形式的菲涅尔透镜和柱体反射镜，将柱体反射镜放置在与光轴平行的焦点位置处，实现折反式匀光扩束装置对光束的匀化处理与视场扩展，进而适用于实现对超高速运动目标姿态的高精度测量。
(2)本发明专利公开的一种超高速运动目标姿态测量系统及方法，采用提出的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统，实现对超高速运动目标的高清晰成像。其中，系数优化的三次相位掩膜板，采用遗传算法搜索全局范围的最优三次相位掩膜板系数，得到最佳的三次相位掩膜板形状参数，增加超高速运动目标成像景深，提高超高速运行目标的成像清晰度。
(3)本发明专利公开的一种超高速运动目标姿态测量系统及方法，采用被动式测量技术提取运动目标的像素变化个数，通过像素变化量反解超高速运动目标姿态角，能够克服主动式姿态测量需要携带多传感器的不足，实现对超高速运动目标自身零干扰的外部被动式姿态测量。
(4)本发明专利公开的一种超高速运动目标姿态测量系统及方法，菲涅尔折反式匀光照明一级子系统和系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统分为两组，两组菲涅尔折反式匀光照明一级子系统和系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统正交布设，进而减小超高速目标姿态数据解算量、实现对超高速运动目标的多截面、全方位姿态变化实时测量。替换上面
附图说明
图1超高速弹托分离姿态测量系统原理图；
图2超高速运动目标姿态测量方法流程图
图3菲涅尔折反式匀光照明一级子系统原理图；
图4折反式菲涅尔透镜装置原理图；
图5系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统原理图；
图6遗传算法优化三次相位掩膜板的系数流程图；
图7超高速动能弹弹托分离姿态解算原理图。
其中：1-反射屏、2-超高速运动目标、3-菲涅尔折反式匀光照明一级子系统、 4-系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统、5-同步控制器、6-网靶触发器、7-电源、8-高速数据处理一级子系统、9-高能量激光器、10-显微透镜装置、11-小孔光阑、12-非球面准直镜、13-折反式菲涅尔透镜装置、14-非球面准直镜、15-折射式扩束装置、16-超高速动能弹、17-菲涅尔透镜、18-菲涅尔透镜截面示意图、19-菲涅尔透镜平面折射面、20-菲涅尔透镜曲面折射面、21-入射光束、22-菲涅尔透镜中心透光面、23-菲涅尔透镜焦点、24-柱体反射镜截面示意图、25-柱体反射镜、26-聚焦透镜、27-系数优化的三次相位掩膜板、28-非球面透镜、29-高速摄像仪、30-超高速运动弹托、31-超高速运动弹体、32-弹体保护壳。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
以超高速动能弹为例，如图1所示，本实施例公开的一种超高速运动目标姿态测量系统，即正交式成像系统包括菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4、高速数据处理一级子系统8、同步控制器5、网靶触发器6、电源7、反射屏1、超高速运动目2。所述的菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3用于对超高速运动目标探测视场内的均匀光照明，系统原理图如图3所示。所述的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4用于对超高速运动目标的高清晰成像，系统原理图如图5 所示。网靶触发器6用于检测超高速运行目标，产生系统运行起始触发信号。同步控制器5用于接收网靶触发器提供的触发信号，产生脉冲信号，分别提供给水平和垂直方向的菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4以及高速数据处理一级子系统5，触发菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4、高速数据处理一级子系统8工作。反射屏1用于反射菲涅尔折反式匀光照明一级子系统产生的均匀光，增加光照度。电源7用于提供能量。
所述的菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3包括高能激光器9、显微透镜装置10、小孔光阑11、非球面准直镜12、折反式菲涅尔透镜装置13、非球面准直镜14、折射式扩束装置15。所述的菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3采用显微透镜装置10实现对高能激光器9发射光束的会聚；在激光光线汇聚处设置小孔光阑11，滤除外界杂散光及高次谐波，提升高能激光器9发射的一次照明光束质量；经非球面准直镜12后向折反式菲涅尔透镜装置13输入平行光束；折反式菲涅尔透镜装置13采用折反式匀光扩束技术，实现对高质量照明光束的均匀扩展；采用非球面准直透镜12对折反式菲涅尔透镜的均匀扩展光束予以准直；采用折射式扩束装置15扩展非球面准直透镜的出射平行均匀光束，实现对超高速运动目标16探测视场内的均匀光照明。
所述的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4包括聚焦透镜26、系数优化的三次相位掩膜板27、非球面透镜28和高速数字摄像仪29。所述的高速数据处理一级子系统8包括现场高速FPGA数字图像处理模块、姿态解算模块、人机交互装置和现场通讯总线。所述的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4采用聚焦透镜26会聚视场入射平行光束；将会聚光束聚焦至系数优化的三次相位掩膜板27上，通过三次相位掩膜板27对被拍摄物体进行编码，其中三次相位掩膜板27的系数采用遗传算法予以优化，搜索全局最优三次相位掩膜系数，实现系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4的光学传递函数和点扩散函数对离焦像差不敏感；再将三次相位掩膜板27出射光束经过非球面透镜28聚焦至高速摄像仪29，将高速摄像仪得到的离焦模糊中间像进行解码，恢复出清晰图像，实现对超高速运动目标的高清晰成像。
所述的高速数据处理一级子系统8用于对超高速运动目标的姿态解算，采用现场通讯总线互联的方式将高速摄像仪采集的超高速运动目标清晰图像送至现场高速FPGA数字图像处理模块，实现对高速运动目标的图像像素提取；将现场高速FPGA数字图像处理模块提取的图像像素送至姿态解算模块，实现对超高速运行目标的姿态解算；同时，人机交互装置用于将解算的目标姿态向用户呈现，还用于实现用户对姿态解算结果、目标图像等信息查看。
菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3中所述的折反式菲涅尔透镜装置13包括菲涅尔透镜17和柱体反射镜25，如图4所示。为克服菲涅尔透镜不同曲面 20、不同曲率难以加工的问题，将菲涅尔透镜加工为平面折射面19形式；柱体反射镜25采用圆柱面反射、上下平底面透射的形式，柱体反射镜25的上下底面直径和菲涅尔透镜17的中心透射圆直径相等，可以通过调节柱体反射镜25 的上下底面直径和菲涅尔透镜17的中心透射圆直径扩大出射光视场，将柱体反射镜放置在与光轴平行的菲涅尔透镜焦点23位置处，扩大菲涅尔透镜17离焦聚光光束视场的同时匀化光束；入射光束21经菲涅尔透镜后菲涅尔透镜17离轴处光线由于平面折射的缘故会聚焦在离焦位置处，菲涅尔透镜17中心处光线会穿过菲涅尔中心透光面22，经放置在焦点位置处的柱体反射镜反射后，形成大视场均匀光，实现对光束的匀化处理与视场扩展。
系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4中所述的系数优化的三次相位掩膜板27，采用遗传算法搜索全局范围的最优三次相位掩膜板系数，遗传算法优化三次相位掩膜板的系数流程图如图6所示，得到最佳的三次相位掩膜板27形状参数，制造加工出符合系统要求的三次相位掩膜板27，使得系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4的光学传递函数和点扩散函数对系统离焦像差不敏感，增加超高速运动目标成像景深，提高超高速运动目标的成像清晰度。
所述的系数优化的三次相位掩膜板优27选如下方法搜索全局范围的最优三次相位掩膜板系数，具体实现步骤如下：
相位模板为三次相位掩膜板27，三次相位掩膜板27形式为：
z(x,y)＝α(x3+y3) (18)
式中：α为相位掩膜板的可调参数，x,y分别为二维空间域坐标。
利用模糊函数解析推导离焦不变性，模糊函数AF是将频率与时间相结合的信号自相关函数，加载了三粗相位掩膜板27的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统对应的未带有离焦像差的相干传递函数为：
即为相位模板产生的相位因子，其中，exp为指数表达，j为复数形式，θ为含有相位掩膜板可调参数α的函数；模糊函数AF关于P(u)的定义为：
其中，*代表函数的复数共轭，j为复数形式，y为规范化空间坐标，u为规范化空间频率，P(v)为A(y)的Fourier变换。
设相位模板产生的相位因子中的函数θ(x)表达式为：
θ(x)＝αxγ,γ≠{0,1}且α≠0 (21)
其中，α为掩膜板的可调参数，γ为函数θ(x)的指数可调阈值。将θ(x)表达式代入公式、得:
对于上式积分式，只有其稳相点周围临近区域对积分结果有显著作用。稳相点就是相位不随x的变化而变化的点，稳相点x满足：
将表达式代入上式，求导得到：
通过计算得到模糊函数的表达式为：
其中略去了常数相位因子。
得到立方相位模板：
其中，α为相位模板的可调参数，通过调节α的数值可以满足大景深高质量成像需求。
其中，三次相位掩膜板的系数α采用遗传算法予以优化，搜索全局最优三次相位掩膜系数，流程图如图6所示，实现系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统的光学传递函数和点扩散函数对离焦像差不敏感，得到相位板参数最优值。用遗传算法优化相位模板参数时选择基于Fisher信息理论的评价函数来计算遗传算法优化相位模板可调参数α时的适应度值，评价函数可以表示为：
式中(u,v)为频谱上点的坐标；M为调制函数在相应频率上的数值；μ为惩罚因子，为相位掩膜板可调参数估计值，z为离焦距离。。
评价函数可看作由Fisher信息加上以调制函数作为罚函数项构成，计算得到使式的评价函数值最小的值，即是系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4在图像恢复和景深延拓两者之间找到的最优值。遗传算法优化α过程中，设置系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4 中的可调参数α的范围，以评价函数为个体优化适应度值，设置最小误差值或最大优化次数，通过个体间不断选择、交叉、变异，优化新个体，最终得到系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4可调范围内的最优可调参数α。
菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3和系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4分为两组，两组菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3和系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4正交布设，进而减小超高速目标姿态数据解算量、实现姿态实时测量。
基于所述的一种超高速运动目标姿态测量系统实现的一种超高速运动目标姿态测量方法，包括如下步骤：
步骤一、通过菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3匀光照射视场内超高速运动目标。
如图2所示，超高速运动目标姿态测量系统第一阶段为匀光照射视场内超高速运动目标。采用高能量激光器9发射脉冲激光，经菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3整形、扩束后，实现对超高速运动目标的均匀光照射，提高高速摄像仪29的曝光量。超高速运动目标成像时所需摄像仪曝光时间短，瞬时光照强度不够、光照不均匀时，会造成曝光量不足，图像模糊的现象，采用高能量激光9作为光照源，经菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3产生视场扩大的均匀光束，实现对目标的均匀光照射。
步骤1.1：在系统同步控制器控制下产生照射激光。
超高速运动目标2运动速度快、动能大，以超高速动能弹16为例，弹丸出膛过程中可能伴随高温、强光或浓烟，需要采用高精度目标触发和系统同步控制方式为目标捕捉成像提供支撑。采用网靶触发器6作为目标位置触发传感器，为菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4、高速数据处理一级子系统5提供起始触发信号，当目标通过网靶触发器时，网靶触发器6产生起始触发信号，并将该起始触发信号发送至同步控制器5，同步控制器5接收到网靶触发器6发送的起始触发信号后产生同步脉冲信号，控制高能激光器9发射脉冲照射激光，同时控制高速摄像仪29对视场内超高速动能弹进行高速图像采集，控制高速数据处理一级子系统5解算目标姿态变化。
步骤1.2：通过菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3对照射激光进行匀化、扩束，实现对目标大视场、均匀光照射。
菲涅尔折反式匀光照明一级子系统3用于对超高速动能弹16探测视场内的均匀光照明，分别正交式安置在超高速运动目标水平方向和垂直方向，菲涅尔折反式匀光照明一级子系统首先采用显微透镜装置10，对高能激光器9发射光束进行会聚；在激光光线汇聚处设置小孔光阑11，滤除外界杂散光及高次谐波，实现对一次照明光束质量的提升；然后将质量提升的激光经非球面准直镜12后向折反式菲涅尔透镜装置13输入平行光束；平行光束经所提出的折反式菲涅尔透镜装置，实现对高质量照明光束的均匀扩展；将均匀扩展的照明激光光束经过非球面准直透镜14予以准直；最后采用折射式扩束装置15扩展非球面准直透镜的出射平行均匀光束，实现对超高速动能弹探测视场内的大视场、均匀光照射。
入射光束21经菲涅尔透镜17后由于平面折射面19的缘故会折射出平行光束，并且聚焦在离焦前后位置处，菲涅尔透镜17的折射光线经放置在焦点位置处的柱体反射镜25曲面反射，菲涅尔透镜17的中间透射光线经柱体反射镜25 的上下底面水平出射，柱体反射镜25的上下底面直径和菲涅尔透镜17的中心透射圆直径相等，可以通过调节柱体反射镜25的上下底面直径和菲涅尔透镜17 的中心透射圆直径扩大出射光视场，形成大视场均匀光，实现对光束的匀化处理与视场扩展。
步骤二、利用步骤一中的大视场均匀光照射，采用系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4，实现晃动目标的大景深清晰成像。
如图2所示，超高速运动目标姿态测量系统第二阶段为超高速晃动目标的大景深清晰成像。高速摄像仪29在对高速运行弹丸16成像时，曝光时间短，所需的光通量大，在保证步骤一对超高速运行弹丸16大视场、匀光照射的前提下，仍然会因被拍摄超高速弹丸运行过程时的晃动，造成离焦成像模糊的问题，因此采用系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4来扩大景深，实现晃动弹丸的大景深清晰成像。
步骤2.1：采用系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4编码被摄物体，得到各离焦位置的模糊中间像。
系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系4统用于扩大晃动目标的成像景深，分别正交式安置在超高速运动目标水平方向和垂直方向，系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4采用聚焦透镜会聚视场入射平行光束；将会聚光束聚焦至系数优化的三次相位掩膜板上，通过相位掩膜板对被拍摄物体进行编码，得到离焦位置处的模糊中间像。
步骤2.2：对离焦位置的模糊中间像解码，恢复出超高速运动目标清晰图像。
将三次相位掩膜板出射光束经过非球面透镜聚焦至高速摄像仪，将高速摄像仪得到的离焦模糊中间像进行解码，恢复出清晰图像，实现对超高速运动目标的高清晰成像。
加入了系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统4对离焦像差不敏感，使得系统成像不聚焦于任何像平面上，探测器接收到模糊中间像，需对中间像进行滤波建立清晰目标像。采用最小二乘滤波器实现对波前编码系统中间模糊像的复原，最小二乘滤波器滤波后数据与目标数据的最小二乘误差函数e可表示为：
式中，A为数据向量的卷积矩阵，为目标数据向量，为采用的滤波器向量，使误差最小的滤波器应该满足：
其中，A*为A的伴随矩阵。
为了得到一维频域滤波器，找到每一个一维点扩散函数的一维傅里叶变换，即光学传递函数，对每一个光学传递函数的特定频率采样组成卷积矩阵A，b为理想衍射受限系统1-D光学传递函数在特定频率的采样向量，此时即为在指定频率的频域滤波器。
步骤三、利用步骤二的高清晰成像提取目标像素，反解超高速目标变化姿态。
如图2所示，超高速运动目标姿态测量系统第三阶段为反解超高速运动目标变化姿态。对目标姿态的测量，传统测量方式多采用在载体或目标上挂接多传感器，通过传感器在线测量与通讯的方式获取目标姿态变化。现采用被动式图像采集和像素提取，得到目标姿态变化所引起的像素变化，再通过像素变化反解出超高速运行目标的姿态变化。
采用像素提取软件和算法获取运动目标两帧图像间的像素个数变化值为M, 假设超高速运行目标的长为L，超高速摄像仪的分辨率为N1×N2，视场大小为 S1×S2,像元尺寸为K，则高速摄像仪1个像素所对应的目标视场尺寸T为：
在超高速目标成像过程中应尽量选择分辨率较高的超高速摄像仪，如若要满足目标最小姿态变化量为β时，则在选择超高速摄像仪时需要满足：
在上述条件下，若超高速运动目标姿态变化量为α，则所占像素数P为：
此时，通过提取超高速目标运动的像素变化个数M，就可以反解出超高速运动目标的姿态变化量α：
超高速动能弹弹托分离姿态解算原理图如图7所示，图7(C、D)分别为超高速运动弹托30、超高速运动弹体31和弹体保护壳32分离后弹体俯仰角、偏航角计算示意图，假设弹托分离后水平方向高速摄像仪拍摄的清晰图像中，弹体在垂直方向的移动距离为L1，在高速摄像仪中由于L1所产生的像素变化个数为M1,则弹托分离后弹体俯仰角α1的变化为：
式中T垂直为高速摄像仪在垂直方向1个像素所对应的目标视场尺寸。
假设弹托分离后垂直方向高速摄像仪拍摄的清晰图像中，弹体在水平方向的移动距离为L2，在高速摄像仪中由于L2所产生的像素变化个数为M2,则弹托分离后弹体偏航角β1的变化为：
式中为高速摄像仪在垂直方向1个像素所对应的目标视场尺寸。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超高速运动目标姿态测量系统，其特征在于：包括菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)、高速数据处理一级子系统(8)、同步控制器(5)、网靶触发器(6)、电源(7)、反射屏(1)及超高速运动目标(2)；所述的菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)用于对超高速运动目标探测视场内的均匀光照明；所述的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)用于对超高速运动目标的高清晰成像；网靶触发器(6)用于检测超高速运行目标，产生起始触发信号；同步控制器(5)用于接收网靶触发器提供的触发信号，产生脉冲信号，分别提供给菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)以及高速数据处理一级子系统(5)，触发菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)、高速数据处理一级子系统(8)工作；反射屏(1)用于反射菲涅尔折反式匀光照明一级子系统产生的均匀光，增加光照度；电源(7)用于提供能量。
2.如权利要求1所述的一种超高速运动目标姿态测量系统，其特征在于：所述的菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)包括高能激光器(9)、显微透镜装置(10)、小孔光阑(11)、非球面准直镜(12)、折反式菲涅尔透镜装置(13)、非球面准直镜(14)、折射式扩束装置(15)；所述的菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)采用显微透镜装置(10)实现对高能激光器(9)发射光束的会聚；在激光光线汇聚处设置小孔光阑(11)，滤除外界杂散光及高次谐波，提升高能激光器(9)发射的一次照明光束质量；经非球面准直镜(12)后向折反式菲涅尔透镜装置(13)输入平行光束；折反式菲涅尔透镜装置(13)采用折反式匀光扩束技术，实现对高质量照明光束的均匀扩展；采用非球面准直透镜(12)对折反式菲涅尔透镜的均匀扩展光束予以准直；采用折射式扩束装置(15)扩展非球面准直透镜的出射平行均匀光束，实现对超高速运动目标(16)探测视场内的均匀光照明；
所述的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)包括聚焦透镜(26)、系数优化的三次相位掩膜板(27)、非球面透镜(28)和高速摄像仪(29)；所述的高速数据处理一级子系统(8)包括现场高速FPGA数字图像处理模块、姿态解算模块、人机交互装置和现场通讯总线；所述的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)采用聚焦透镜(26)会聚视场入射平行光束；将会聚光束聚焦至系数优化的三次相位掩膜板(27)上，通过三次相位掩膜板(27)对被拍摄物体进行编码，其中三次相位掩膜板(27)的系数采用遗传算法予以优化，搜索全局最优三次相位掩膜系数，实现系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)的光学传递函数和点扩散函数对离焦像差不敏感；再将三次相位掩膜板(27)出射光束经过非球面透镜(28)聚焦至高速摄像仪(29)，将高速摄像仪得到的离焦模糊中间像进行解码，恢复出清晰图像，实现对超高速运动目标的高清晰成像；
所述的高速数据处理一级子系统(8)用于对超高速运动目标的姿态解算，采用现场通讯总线互联的方式将高速摄像仪采集的超高速运动目标清晰图像送至现场高速FPGA数字图像处理模块，实现对高速运动目标的图像像素提取；将现场高速FPGA数字图像处理模块提取的图像像素送至姿态解算模块，实现对超高速运行目标的姿态解算；同时，人机交互装置用于将解算的目标姿态向用户呈现，还用于实现用户对姿态解算结果、目标图像等信息查看。
3.如权利要求2所述的一种超高速运动目标姿态测量系统，其特征在于：菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)中所述的折反式菲涅尔透镜装置(13)包括菲涅尔透镜(17)和柱体反射镜(25)；由菲涅尔透镜截面示意图(18)可以看出，为克服菲涅尔透镜不同曲面(20)、不同曲率难以加工的问题，将菲涅尔透镜加工为平面折射面(19)形式；柱体反射镜(25)采用圆柱面反射、上下平底面透射的形式，柱体反射镜(25)的上下底面直径和菲涅尔透镜(17)的中心透射圆直径相等，可以通过调节柱体反射镜(25)的上下底面直径和菲涅尔透镜(17)的中心透射圆直径扩大出射光视场，将柱体反射镜放置在与光轴平行的菲涅尔透镜焦点(23)位置处，扩大菲涅尔透镜(17)离焦聚光光束视场的同时匀化光束；入射光束(21)经菲涅尔透镜(17)后由于平面折射的缘故会聚焦在离焦位置处，菲涅尔透镜(17)中心处光线会穿过菲涅尔中心透光面(22)，经放置在焦点位置处的柱体反射镜后形成大视场均匀光，实现对光束的匀化处理与视场扩展。
4.如权利要求2所述的一种超高速运动目标姿态测量系统，其特征在于：系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)中所述的系数优化的三次相位掩膜板(27)，采用遗传算法搜索全局范围的最优三次相位掩膜板系数，得到最佳的三次相位掩膜板(27)形状参数，制造加工出符合系统要求的三次相位掩膜板(27)，使得系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)的光学传递函数和点扩散函数对系统离焦像差不敏感，增加超高速运动目标成像景深，提高超高速运动目标的成像清晰度。
5.如权利要求4所述的一种超高速运动目标姿态测量系统，其特征在于：菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)和系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)分为两组，两组菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)和系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)正交布设，进而减小超高速目标姿态数据解算量、实现姿态实时测量。
6.如权利要求5所述的一种超高速运动目标姿态测量系统，其特征在于：
所述的系数优化的三次相位掩膜板(27)选如下方法搜索全局范围的最优三次相位掩膜板系数，具体实现步骤如下，
相位模板为三次相位掩膜板(27)，三次相位掩膜板(27)形式为：
z(x,y)＝α(x3+y3) (1)
式中：α为相位掩膜板的可调参数，x,y分别为二维空间域坐标；
利用模糊函数解析推导离焦不变性，模糊函数AF是将频率与时间相结合的信号自相关函数，加载了三次相位掩膜板(27)的系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统对应的未带有离焦像差的相干传递函数为：
即为相位模板产生的相位因子，其中，exp为指数表达，j为复数形式，θ为含有相位掩膜板可调参数α的函数；模糊函数AF关于P(u)的定义为：
其中，*代表函数的复数共轭，j为复数形式，y为规范化空间坐标，u为规范化空间频率，P(v)为A(y)的Fourier变换；
相位模板产生的相位因子中的函数θ(x)表达式为：
θ(x)＝αxγ,γ≠{0,1}且α≠0 (4)
其中，α为掩膜板的可调参数，γ为函数θ(x)的指数可调阈值；将θ(x)表达式代入公式(2)、(3)得：
对于上式积分式，只有其稳相点周围临近区域对积分结果有显著作用；稳相点就是相位不随x的变化而变化的点，稳相点x满足：
将表达式代入上式，求导得到：
通过计算得到模糊函数的表达式为：
其中略去了常数相位因子；
得到立方相位模板：
其中，α为相位模板的可调参数，通过调节α的数值满足大景深高质量成像需求；
其中，三次相位掩膜板的系数α采用遗传算法予以优化，搜索全局最优三次相位掩膜系数，实现系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统的光学传递函数和点扩散函数对离焦像差不敏感，得到相位板参数最优值；用遗传算法优化相位模板参数时选择基于Fisher信息理论的评价函数来计算遗传算法优化相位模板可调参数α时的适应度值，评价函数表示为：
式中(u,v)为频谱上点的坐标；M为调制函数在相应频率上的数值；μ为惩罚因子，为相位掩膜板可调参数估计值，z为离焦距离；
评价函数看作由Fisher信息加上以调制函数作为罚函数项构成，计算得到使式(11)的评价函数值最小的值，即是系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)在图像恢复和景深延拓两者之间找到的最优值；遗传算法优化α过程中，设置系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)中的可调参数α的范围，以评价函数为个体优化适应度值，设置最小误差值或最大优化次数，通过个体间不断选择、交叉、变异，优化新个体，最终得到系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)可调范围内的最优可调参数α。
7.基于如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种超高速运动目标姿态测量系统实现的一种超高速运动目标姿态测量方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、通过菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)匀光照射视场内超高速运动目标；
采用高能量激光器(9)发射脉冲激光，经菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)整形、扩束后，实现对超高速运动目标的均匀光照射，提高高速摄像仪(29)的曝光量；超高速运动目标成像时所需摄像仪曝光时间短，瞬时光照强度不够、光照不均匀时，会造成曝光量不足、图像模糊的现象，采用高能量激光器(9)作为光照源，经菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)产生视场扩大的均匀光束，实现对目标的均匀光照射；
步骤二、利用步骤一中的大视场均匀光照射，采用系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)，实现超高速晃动目标的大景深清晰成像；
高速摄像仪(29)在对高速运行目标成像时，曝光时间短，所需的光通量大，在保证步骤一对超高速运行目标大视场、匀光照射的前提下，仍然会因被拍摄超高速目标运行过程时的晃动，造成离焦成像模糊的问题，因此采用系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)来扩大景深，实现晃动目标的大景深清晰成像；
步骤三、利用步骤二的高清晰成像提取目标变化像素，反解超高速运动目标变化姿态；
对目标姿态的测量，传统测量方式多采用在载体或目标上挂接多传感器，通过传感器在线测量与通讯的方式获取目标姿态变化；现采用被动式图像采集和像素提取，得到目标姿态变化所引起的像素变化，再通过像素变化反解出超高速运动目标的姿态变化；
采用被动式测量获取运动目标两帧图像间的像素个数变化值为M，超高速运动目标的长为L，超高速摄像仪的分辨率为N1×N2，视场大小为S1×S2,像元尺寸为K，则高速摄像仪1个像素所对应的目标视场尺寸T为：
在超高速目标成像过程中应尽量选择分辨率较高的超高速摄像仪，如若要满足目标最小姿态变化量为β时，则在选择超高速摄像仪时需要满足：
在上述条件下，若超高速运行目标姿态变化量为α，则所占像素数P为：
此时，通过提取超高速目标运行的像素变化个数M，就能够反解出超高速运行目标的姿态变化量α：
8.如权利要求7所述的一种超高速运动目标姿态测量方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，
步骤1.1：在同步控制器控制下高能量激光器发射脉冲激光；
超高速运动目标(2)运动速度快、动能大，运行过程中也有可能伴随高温、强光或浓烟，需要采用高精度目标触发和系统同步控制方式为目标清晰成像提供支撑；采用网靶触发器(6)作为目标位置触发传感器，为菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)、系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)、高速数据处理一级子系统(5)提供起始触发信号，当目标通过网靶触发器时，网靶触发器(6)产生起始触发信号，并将该起始触发信号发送至同步控制器(5)，同步控制器(5)接收到网靶触发器(6)发送的起始触发信号后产生同步脉冲信号，控制高能激光器(9)发射脉冲照射激光，同时控制高速摄像仪(29)对视场内目标进行高速图像采集，控制高速数据处理一级子系统(5)解算目标姿态变化；
步骤1.2：通过菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)对照射激光进行匀化、扩束，实现对目标大视场、均匀光照射；
菲涅尔折反式匀光照明一级子系统(3)用于对超高速运动目标探测视场内的均匀光照明，分别正交式安置在超高速运动目标水平方向和垂直方向，菲涅尔折反式匀光照明一级子系统首先采用显微透镜装置(10)，对高能激光器(9)发射光束进行会聚；在激光光线汇聚处设置小孔光阑(11)，滤除外界杂散光及高次谐波，实现对一次照明光束质量的提升；然后将质量提升的激光经非球面准直镜(12)后向折反式菲涅尔透镜装置(13)输入平行光束；平行光束经所提出的折反式菲涅尔透镜装置，实现对高质量照明光束的均匀扩展；将均匀扩展的照明激光光束经过非球面准直透镜(14)予以准直；最后采用折射式扩束装置(15)扩展非球面准直透镜的出射平行均匀光束，实现对超高速运动目标探测视场内的大视场、均匀光照射；
入射光束(21)经菲涅尔透镜(17)后由于平面折射面(19)的缘故会折射出平行光束，并且聚焦在离焦前后位置处，菲涅尔透镜(17)的折射光线经放置在焦点位置处的柱体反射镜(25)曲面反射，菲涅尔透镜(17)的中间透射光线经柱体反射镜(25)的上下底面水平出射，柱体反射镜(25)的上下底面直径和菲涅尔透镜(17)的中心透射圆直径相等，通过调节柱体反射镜(25)的上下底面直径和菲涅尔透镜(17)的中心透射圆直径扩大出射光视场，形成大视场均匀光，实现对光束的匀化处理与视场扩展。
9.如权利要求7所述的一种超高速运动目标姿态测量方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，
步骤2.1：采用系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)编码被摄物体，得到各离焦位置的模糊中间像；
系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)用于扩大晃动目标的成像景深，分别正交式安置在超高速运动目标水平方向和垂直方向，系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)采用聚焦透镜会聚视场入射平行光束；将会聚光束聚焦至系数优化的三次相位掩膜板上，通过相位掩膜板对被拍摄物体进行编码，得到离焦位置处的模糊中间像；
步骤2.2：对离焦位置的模糊中间像解码，恢复出超高速运动目标的清晰图像；
将三次相位掩膜板出射光束经过非球面透镜聚焦至高速摄像仪，将高速摄像仪得到的离焦模糊中间像进行解码，恢复出清晰图像，实现对超高速运行目标的高清晰成像；
加入了系数优化的三次相位掩膜板大景深光学成像一级子系统(4)对离焦像差不敏感，使得系统成像不聚焦于任何像平面上，探测器接收到模糊中间像，需对中间像进行滤波建立清晰目标像；采用最小二乘滤波器实现对波前编码系统中间模糊像的复原，最小二乘滤波器滤波后数据与目标数据的最小二乘误差函数e表示为：
式中，A为数据向量的卷积矩阵，为目标数据向量，为采用的滤波器向量，使误差最小的滤波器应该满足：
其中，A*为A的伴随矩阵；
为了得到一维频域滤波器，找到每一个一维点扩散函数的一维傅里叶变换，即光学传递函数，对每一个光学传递函数的特定频率采样组成卷积矩阵A，b为理想衍射受限系统1-D光学传递函数在特定频率的采样向量，此时即为在指定频率的频域滤波器。
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