CN109269775B - 基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学和自动校正领域，具体涉及基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法及系统，借助三光感应成像靶标，根据激光束中心光斑在靶标的位置，结合可见光视场实时成像的图片，计算激光光轴与白光轴两个光轴间的偏差角度，依同理计算激光光轴和红外光轴的角度偏差，以激光光轴为基准，通过被校光电设备的自动控制协议，发送补偿误差值，进行第一次校正，并计算出第一次校正的联合方差，重复循环，直至方差无限趋近于0或最大允许设定的误差，或达到设定的自动校正次数。相较传统的检测校正手段，本申请依托图像处理和自动控制技术，通过循环迭代逼近，大大减少人为操作、节省时间、提高校正精度，有很大的实用价值。

Description

基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法及系统

技术领域

本发明属于光学和自动校正领域，具体涉及基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法及系统。

背景技术

随着光电侦察技术的不断发展，集成多光谱侦察手段的光电侦察系统在武器系统中的应用也越来越广泛。而光轴一致性作为衡量其性能的重要技术指标，是光电侦察系统侦察精度的保障，会直接影响到系统对目标的捕获、瞄准和打击。然而在实际使用中，光电侦察系统受到冲击、震动或器件老化以及固定件的热胀冷缩等，都会导致光轴间产生偏差，而这种细微的偏差只有返厂或在大型标准计量中心才能检测到，缺乏通用的、高精度自动校正方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法，其用于光电设备多光轴一致性校正，人为操作少，校正精度高。

为实现上述技术目的，本申请采取的技术方案为，基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法，包括如下步骤：将靶标归零至靶标平面的中心，同时保证靶标平面与待校正的光电设备平面平行；开启光电设备的激光，控制靶标移动，直至激光束中心与靶标中心重合；

步骤A、

开启靶标白光光源，调节光电设备白光摄像头使靶标充满白光视场，并且图像清晰，获取此时光电设备的焦距值；

在此时的白光视场下成像，并进行图像处理，得到激光光轴与白光轴之间夹角，测量n次，求得夹角均值为α＝1/n∑αi，α为激光光轴与白光轴之间夹角的均值，αi为第i次测量时激光光轴与白光轴之间夹角；i取值为1至n间得到任意正整数，n为不小于3的整数；

步骤B、

开启靶标红外光源，光电设备红外摄像头使靶标充满红外视场，并且图像清晰，获取此时光电设备的焦距值；

激光光轴与白光轴在此时的红外视场下截图，进行图像处理，得到激光光轴与红外光轴之间夹角，测量n次，求得均值为β＝1/n∑βi，β为激光光轴与红外光轴之间夹角均值，βi为第i次测量时激光光轴与红外光轴之间夹角；

步骤C、

以激光光轴为基准，根据测量出的白光轴与激光光轴的夹角α、红外光轴与激光光轴夹角β，通过被校光电设备的自动控制协议，向被校正光电设备发送补偿误差值，进行被校正光电设备的第一次校正，并计算出第一次校正的联合方差：σ²＝1/n∑((αi－α)²+(βi－β)²)；

步骤D、

重复循环上述步骤A、步骤B与步骤C，直至σ²无限趋近于0或最大允许设定的误差，或达到设定的自动校正次数。

作为本发明改进的技术方案，通过在靶标侧面贴上荧光条，调整靶标的俯仰与方位，靶标四周荧光条超过光电设备视场范围时，即认为靶标平面与待校正的光电设备平面平行。

作为本发明改进的技术方案，靶标采用三脚架固定，并且三脚架与光电设备的间距为50±5m。

本发明的另一目的是提供基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正系统，包括靶标、三脚架以及上位机；

三脚架包括支架，以及设于支架上的电源管理模块、方位运动机构、俯仰运动机构、运动控制模块以及主控模块；

电源管理模块用于为校正系统供电；

主控模块与上位机通信连接，并统筹控制其他各个模块的运行；

方位运动机构用以调整靶标方位，俯仰运动机构用于进行俯仰运动，运动控制模块受主控模块的统筹控制方位运动机构与俯仰运动机构的运动，以实现靶标位置归零、运动平滑化以及靶标扫描；

靶标包括多普光源产生模块与激光束中心定位模块；多普光源产生模块用于发射白光光源或红外光源；激光束中心定位模块用于采集激光信号，并反馈于主控模块，主控模块接收激光信号后控制运动控制模块移动靶标，直至靶标中心与激光束中心重合。

作为本发明改进的技术方案，还包括无线通信模块，主控模块与上位机通过无线通信模块连接。

作为本发明改进的技术方案，多普光源产生模块包括四倍数个白光光源与四倍数个的红外光源；白光光源与红外光源一一对应，布设于靶面四边线的中点处。

作为本发明改进的技术方案，多普光源产生模块包括驱动电路、LED以及电阻；主控电路控制驱动电路；驱动电路分别独立控制LED与电阻；其中，LED提供白光光源；电阻提供红外光源。

作为本发明改进的技术方案，多普光源产生模块还包括四倍数个感光元件，感光元件均匀布置于过靶标中心的垂直交叉线上；激光束中心定位模块通过收感光元件获取激光信号。

作为本发明改进的技术方案，激光束中心定位模块包括串接的前端调理电路与信号处理电路；前端调理电路包括串接的光电转换电路及信号放大电路；光电转换电路接收感光元件反馈的激光信号；感光元件设于靶面上；信号处理电路包括串接的高精度高速比较器与FPGA，高精度高速比较器用于接收信号放大电路放大的电信号；FPGA处理的电信号发送至主控模块。

作为本发明改进的技术方案，运动控制模块包括运动控制电路与四个维度的驱动模块；每个驱动模块包括电机驱动、编码器以及步进电机；运动控制电路、电机驱动、步进电机以及编码器依次串接形成一个闭合的控制回路。

有益效果

相较传统的检测校正手段，本发明依托图像处理和自动控制技术，通过循环迭代逼近，大大减少人为操作、节省了时间、提高了校正精度，有很大的实用价值。另，本申请的方法不受场地限定，故能用于各种场合下的光电设备的校正。

附图说明

图1本申请点阵式靶标示意图；

图2本申请激光束中心定位模块框图；

图3本申请多光谱光源产生模块框图；

图4本申请主控模块框图；

图5本申请运动控制模块框图；

图6本申请系统框图。

图7本申请图像处理技术的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

实施例1

基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法，包括如下步骤：光电校正操作终端(即上位机)遥控靶标，将靶标归零至靶标平面的中心，同时保证靶标平面与待校正的光电设备平面平行；通过在靶标侧面贴上荧光条，调整靶标的俯仰与方位，靶标四周荧光条超过光电设备视场范围时，即认为靶标平面与待校正的光电设备平面平行。为了方便后期聚焦，靶标采用三脚架固定，并且三脚架与光电设备的间距为50±5m。本实施例中，三脚架与待校正的光电设备的间距为50m。

步骤A、

开启光电设备的激光，靶标上的激光感应阵列将感知激光束是否照射至靶面上，并在操控终端(上位机)上虚拟出激光束显示，使激光可视化，操控终端通过拟合判断激光束与靶标的相对位置，遥控靶标移动，直至激光束中心与靶标中心重合；

主控模块控制开启靶标白光光源，控制光电设备的方位与俯仰使其白光视场瞄准靶标中心，调节光电设备白光摄像头使靶标充满白光视场，并且图像清晰，获取此时光电设备的焦距值；

在此时的白光视场下成像，并进行图像处理，得到激光光轴与白光轴之间夹角，测量n次，求得夹角均值为α＝1/n∑αi，α为激光光轴与白光轴之间夹角的均值，αi为第i次测量时激光光轴与白光轴之间夹角；i取值为1至n间得到任意正整数，n为不小于3的整数；

步骤B、

开启靶标红外光源，光电设备红外摄像头使靶标充满红外视场，并且图像清晰，获取此时光电设备的焦距值；

激光光轴与白光轴在此时的红外视场下截图，进行图像处理，得到激光光轴与红外光轴之间夹角，测量n次，求得均值为β＝1/n∑βi，β为激光光轴与红外光轴之间夹角均值，βi为第i次测量时激光光轴与红外光轴之间夹角；这里的n与步骤A中的n值数值一致；

步骤C、

以激光光轴为基准，根据测量出的白光轴与激光光轴的夹角α、红外光轴与激光光轴夹角β，通过被校光电设备的自动控制协议，发送补偿误差值，进行第一次校正，并计算出第一次校正的联合方差：σ²＝1/n∑((αi－α)²+(βi－β)²)；

步骤D、

重复循环上述步骤A、步骤B与步骤C，直至σ²无限趋近于0或最大允许设定的误差，或达到设定的自动校正次数，即实现激光光轴、红外光轴与白光轴一致，使得激光照射点即是白光视场与红外光视场的中心。

本申请的方案，能在任意场合进行快速校正，保证测量的准确性。

依据激光感光元件组成的阵列标靶，可以准确的定位到激光束的中心。其中，本申请中涉及的图像处理是当移动靶标中心与激光束的中心重合，此时打开白光视场，在白光视场下看到的靶标中心即是激光照射中心，截取图片，通过图像处理的方法计算出靶标中心(即激光束中心)与白光视场中心的在CCD上的成像距离d(该步骤为现有技术得到)，结合当前状态下的白光焦距f(查询或设备自带，也为现有技术得到)，可精准的解算出白光轴与激光光轴两个光轴间的夹角α，α＝f/d。具体如图7。

同理，在红外视场下将靶标中心移至激光束的中心，截取此时图片，通过图像处理的方法计算出激光束中心与红外视场中心的在CCD上的成像距离，结合当前状态下的红外焦距，可精准的解算出红外光轴与激光光轴两个光轴间的夹角。

根据白光光轴与激光光轴之间的夹角、红外光轴与激光光轴之间的夹角以及三光发射端的位置关系可以精确的解算出三光光轴中两两光轴的关系，并将结果用3D重绘，形象真实的输出测量结果。根据测得结果，对光电侦察设备进行光轴修正。

实施例2

基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正系统，如图6所示，包括靶标、三脚架以及上位机；

三脚架包括支架，以及设于支架上的电源管理模块、方位运动机构、俯仰运动机构、运动控制模块以及主控模块。

电源管理模块用于为校正系统供电。

主控模块与上位机通信连接，并统筹控制其他各个模块的运行，具体如统筹控制激光束中心定位模块、运动控制模块、无线通信模块、多光谱光源产生模块和电源管理模块；还包括无线通信模块，主控模块与上位机通过无线通信模块连接。

主控模块的主要功能及实现方法：

a)激光束中心定位：根据靶标上的感光元件被点亮的情况，主控模块控制运动机构移动靶标，直至靶标中心与激光束中心重合。

b)多光谱光源控制：根据视场的不同，产生不同的光谱光源，提高相应视场下的图像分辨率。

c)运动控制：实现靶标位置归零、运动平滑化、靶标扫描。

为实现上述目的，如图4所示，主控模块包括ARM、CAN模块以及串口模块；ARM连接多普光源产生模块、同时通信连接于CAN模块与串口模块；CAN模块连接于运动控制模块，串口模块连接于无线通信模块以及激光中心定位模块，运动控制模块控制连接俯仰运动机构(采用现有技术中任何能实现俯仰运动的机构)与方位运动机构(采用现有技术中任何能实现方位运动的机构)。

方位运动机构受主控模块的统筹控制以调整靶标方位，俯仰运动机构受主控模块的统筹控制实现靶标进行俯仰运动，运动控制模块受主控模块的统筹控制方位运动机构以及俯仰运动机构的运动以实现靶标位置归零、运动平滑化以及靶标扫描；

其中，方位运动机构可采用现有技术中任意能实现方位变化的机构；俯仰运动机构采用现有技术中任意能实现俯仰运动的机构；如图5所示运动控制模块包括运动控制电路与四个维度的驱动模块；每个驱动模块包括电机驱动、编码器以及步进电机；运动控制电路、电机驱动、步进电机以及编码器依次串接形成一个闭合的控制回路。

靶标包括多普光源产生模块与激光束中心定位模块；本实施例中，靶标采用点阵式靶标，靶标尺寸为200×200cm，在靶面的对角线上布局较密的感光元件，如图1所示，在靶面的边线中点处规则布局4个配了导光柱的LED灯作为白光光源，和4个可控温铜柱作为红外光源。在过靶标中心的垂直交叉线上密布铟镓砷感光元件，形成点阵。根据被点亮的感光元件分布，可以拟合出规则形状的激光光斑在靶标上的位置。当激光束中心与靶标中心重合后，垂直交叉线被靶标中心分割的两两对称线段上被点亮的感官元件也应成对称分布。即如下图1所示，此时对称线上被点亮的铟镓砷感光二极管分别为：左上6个，右下6个，左下4个，右上4个。

多普光源产生模块用于发射白光光源或红外光源；多普光源产生模块包括四倍数个白光光源与四倍数个的红外光源；白光光源与红外光源一一对应，布设于靶面四边线的中点处。多普光源产生模块还包括四倍数个感光元件，感光元件均匀布置于过靶标中心的垂直交叉线上；激光束中心定位模块通过收感光元件获取激光信号。为实现上述方法，如图3所示，多普光源产生模块包括驱动电路、LED以及电阻；主控电路控制驱动电路；驱动电路分别独立控制LED与电阻；其中，LED提供白光光源；电阻提供红外光源。本实施例中，多光谱光源产生模块主要负责产生白光源和红外光源。在靶面上布局规则的大功率LED和大功率电阻，增加视场参考点，以提高白光视场下和红外视场下对靶标定位的精度。

激光束中心定位模块用于采集激光信号，并反馈于主控模块，主控模块接收激光信号后控制方位运动机构、俯仰运动机构以及运动控制模块移动靶标，直至靶标中心与激光束中心重合。

为了更加准确的对窄脉冲激光的响应与响应信号的采集，被测光电设备激光常以脉冲形式发射，为了准确感知激光响应，电路上设计了光电转换、信号放大、高速比较器、FPGA等器件，满足了对高速信号的精准采集。具体结构如图2所示，激光束中心定位模块包括串接的前端调理电路与信号处理电路；前端调理电路包括串接的光电转换电路及信号放大电路；光电转换电路接收感光元件反馈的激光信号；感光元件设于靶面上；信号处理电路包括串接的高精度高速比较器与FPGA，高精度高速比较器用于接收信号放大电路放大的电信号；FPGA处理的电信号发送至主控模块。

为了更加优化本申请的技术方案，(1)靶标位置初始化归零：使用具有记忆能力的编码器，每次设备上电后可以准确获得靶标当前位置，然后控制其移动到规定零位。

(2)为了减少电机启停的损伤，在控制上设计算法。将每一段位移运动分割成3部分，加速、匀速、减速。

(3)靶标扫描状态设计。在激光束中心定位的初始阶段，激光很有可能不在靶标上，也即未能点亮靶标上的感光元件，此时运动控制机构移动靶标在靶标活动范围内进行扫描。

本申请方法的基本原理为：操控终端(上位机)控制光电侦察设备(待校正光电设备)打开激光，通过激光束中心定位模块，使激光束位于靶标中心，然后在可见光视场中截取当前图像，经过图像处理，计算出靶标中心与视场中心在图像上的位移，通过可见光视场此时的焦距值，由光学知识计算得到此时可见光与激光光轴的夹角以及方位信息。激光中心定位后，可切换红外光视场，可计算出红外光光轴与激光光轴的夹角和方位信息，由于激光中心定位后可通过软件程序快速截图。因此，本方法可以不受场地影响。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法，其特征在于，包括如下步骤：将靶标归零至靶标平面的中心，同时保证靶标平面与待校正的光电设备平面平行；开启光电设备的激光，控制靶标移动，直至激光束中心与靶标中心重合；

步骤A、

开启靶标白光光源，调节光电设备白光摄像头使靶标充满白光视场，并且图像清晰，获取此时光电设备的焦距值；

在此时的白光视场下成像，并进行图像处理，得到激光光轴与白光轴之间夹角，测量n次，求得夹角均值为α＝1/n∑αi，α为激光光轴与白光轴之间夹角的均值，αi为第i次测量时激光光轴与白光轴之间夹角；i取值为1至n间得到任意正整数，n为不小于3的整数；

步骤B、

开启靶标红外光源，光电设备红外摄像头使靶标充满红外视场，并且图像清晰，获取此时光电设备的焦距值；

在此时的红外视场下截图，进行图像处理，得到激光光轴与红外光轴之间夹角，测量n次，求得均值为β＝1/n∑βi，β为激光光轴与红外光轴之间夹角均值，βi为第i次测量时激光光轴与红外光轴之间夹角；

步骤C、

以激光光轴为基准，根据测量出的白光轴与激光光轴的夹角α、红外光轴与激光光轴夹角β，通过被校光电设备的自动控制协议，向被校正光电设备发送补偿误差值，进行被校正光电设备的第一次校正，并计算出第一次校正的联合方差：σ²＝1/n∑((αi－α)²+(βi－β)²)；

步骤D、

重复循环上述步骤A、步骤B与步骤C，直至σ²无限趋近于0或最大允许设定的误差，或达到设定的自动校正次数。

2.根据权利要求1所述的基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法，其特征在于，通过在靶标侧面贴上荧光条，调整靶标的俯仰与方位，靶标四周荧光条超过光电设备视场范围时，即认为靶标平面与待校正的光电设备平面平行。

3.根据权利要求1所述的基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法，其特征在于，靶标采用三脚架固定，并且三脚架与光电设备的间距为50±5m。

4.根据权利要求1-3任意所述基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法的校正系统，其特征在于，包括靶标、三脚架以及上位机；

三脚架包括支架，以及设于支架上的电源管理模块、方位运动机构、俯仰运动机构、运动控制模块以及主控模块；

电源管理模块用于为校正系统供电；

主控模块与上位机通信连接，并统筹控制其他各个模块的运行；

方位运动机构用以调整靶标方位，俯仰运动机构用于实现靶标进行俯仰运动，运动控制模块受主控模块的统筹控制方位运动机构与俯仰运动机构的运动，以实现靶标位置归零、运动平滑化以及靶标扫描；

靶标包括多普光源产生模块与激光束中心定位模块；多普光源产生模块用于发射白光光源或红外光源；激光束中心定位模块用于采集激光信号，并反馈于主控模块，主控模块接收激光信号后控制运动控制模块移动靶标，直至靶标中心与激光束中心重合。

5.根据权利要求4所述的基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法的校正系统，其特征在于，还包括无线通信模块，主控模块与上位机通过无线通信模块连接。

6.根据权利要求4所述的基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法的校正系统，其特征在于，多普光源产生模块包括四倍数个白光光源与四倍数个的红外光源；白光光源与红外光源一一对应，布设于靶面四边线的中点处。

7.根据权利要求4所述的基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法的校正系统，其特征在于，多普光源产生模块包括驱动电路、LED以及电阻；主控电路控制驱动电路；驱动电路分别独立控制LED与电阻；其中，LED提供白光光源；电阻提供红外光源。

8.根据权利要求4所述的基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法的校正系统，其特征在于，多普光源产生模块还包括四倍数个感光元件，感光元件均匀布置于过靶标中心的垂直交叉线上；激光束中心定位模块通过感光元件获取激光信号。

9.根据权利要求4所述的基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法的校正系统，其特征在于，激光束中心定位模块包括串接的前端调理电路与信号处理电路；前端调理电路包括串接的光电转换电路及信号放大电路；光电转换电路接收感光元件反馈的激光信号；感光元件设于靶面上；信号处理电路包括串接的高精度高速比较器与FPGA，高精度高速比较器用于接收信号放大电路放大的电信号；FPGA处理的电信号发送至主控模块。

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