CN109712201B - 一种广域相机的定位能力标定装置及标定方法 - Google Patents

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本发明公开一种广域相机的定位能力标定装置及标定方法，属于光电仪器性能检测领域。针对采用经纬仪建站测量视场范围小、测量周期长的缺点，本发明利用二维高精度转台，代替经纬仪建站实现广域测角，建立一套由二维高精度转台和目标模拟器组成广域相机定位能力标定装置，将待测相机放置在二维高精度转台上对目标模拟器成像，通过转动二维高精度转台令相机以不同的视场角对目标模拟器成像，进而反演相机与目标模拟器相对位置变化与图像中对应的像点位置之间的关系，解算相机的定位能力。该方法原理简单，操作容易，标定效率高。

Description

一种广域相机的定位能力标定装置及标定方法
技术领域
本发明属于光电仪器性能标定与测试领域，具体涉及到光电仪器定位能力的标定设备及标定方法。
背景技术
目前空间光电仪器大视场高分辨方向方案，为了满足定量化的应用需求，特别是对测绘或者目标跟踪定位光电仪器，需要较高的定位能力。关于光电仪器的定位能力的检测与标定，现有技术主要停留在对相机光学系统内方位元素的标定，或者对相机视轴的标定，尚未涉及相机全工作视场的高精度标定，如借鉴现有广泛应用经纬仪建站对相机视轴标定方法，难以实现对具有超大视场相机的定位能力的标定与测量，主要原因是经纬仪自身工作视场小，为了视场大视场测量需要多次建站测量，每次建站都会引入建站误差，且测量周期长，难以控制精度。如借鉴现有靶标图案测量相机畸变的方法，又遇到大视场低畸变靶标图案难以获取的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，公开一种广域相机的定位能力标定装置及标定方法。广域相机定位能力标定装置由二维高精度转台和目标模拟器组成，具有如下特点：
1)二维高精度转台负载、转角范围、两轴测角正交度及测角精度分别满足待测相机的质量、视场角范围、定位精度的检测要求；
2)目标模拟器包括光束准直系统、面源靶标和目标光源，其中光束准直系统光学口径覆盖经二维高精度转台转动后待测相机的全视场，面源靶标尺寸大小对应的目标模拟器的视场角约为10倍相机空间分辨率，目标光源光谱范围覆盖待测相机的工作光谱；
3)二维高精度转台与目标模拟器相对放置，可以保证放置在二维高精度转台的待测相机可以对目标模拟器靶标成像，且目标模拟器的目标中心视场光束方向、二维高精度转台的俯仰轴，以及二维高精度转台载物安装面均为大地水平。
使用该标定装置的具体标定步骤如下：
1)将相机固定于二维高精度转台载物安装面上，确认相机所有工作视场位置，均可以通过调整转台被目标模拟器出射光束覆盖，并建立相机坐标系(X，Y，Z)，其中安装面相机坐标系的YZ面，Z轴指向目标模拟器，X轴平行于二维高精度转台载物安装面竖直向上；
2)相机开机，标定设备开机，精确调整维高精度转台位置，令相机中心视场方向与目标模拟器出射光束对准，记录此时二维高精度转台的方位和俯仰角位置(θ0，φ0)；
3)预先按照广域相机的全视场范围进行采样点策划，比如对于矩形视场采取等间距二维采样，测试中，按照预先设置的采样点，调整转台位置，并令相机以预定的采样点视场方向对目标模拟器进行成像，采用重心算法计算像点在图像坐标系中的坐标位置(xi，yi)，同时记录二维高精度转台的方位和俯仰角位置(θi，φi)；
4)基于相机与二维高精度转台之间安装的特点，依据二维高精度转台转轴相对运动关系，获得转台坐标系与相机坐标系间的旋转矩阵Cube，从而利用二维高精度转台的方位和俯仰角位置(θi，φi)和相机中心视场点光束对应的转台位置(θ0，φ0)，经过旋转矩阵Cube坐标系转换，计算得到相机坐标系下，各采样点处入射光束相对相机坐标轴——X轴和Y轴的旋转角(Txi，Tyi)；
5)在相机坐标系下，利用非线性拟合计算方法，建立像点的坐标位置(xi，yi)与(Txi，Tyi)的关系，即获得了相机的定位模型F；
6)在广域相机的全视场范围内抽取测试点，该测试点区别于上述采样点，之后，调整转台位置，并令相机以预定的测试点视场方向对目标模拟器进行成像，采用重心算法计算像点在图像坐标系中的坐标位置(Cxi，Cyi)，同时记录二维高精度转台的方位和俯仰角位置(Cθi，Cφi)；
7)依据上述相机定位模型F，获得测试点坐标位置(Cxi，Cyi)对应的入射光束相对相机坐标轴的旋转角计算值(CjTxi，CjTyi)；
8)二维高精度转台的方位和俯仰角位置(Cθi，Cφi)通过旋转矩阵Cube，得到测试点坐标位置(Cxi，Cyi)对应的入射光束相对相机坐标轴的旋转角测试值(CcTxi，CcTyi)；
9)将旋转角计算值(CjTxi，CjTyi)与旋转角测试值(CcTxi，CcTyi)做差，获得相机标定的定位模型的定位精度。
该方法原理简单，操作容易，标定效率高。
附图说明
图1：广域相机定位模型标定与测试光路布局示意图。
具体实施方式
对某工作视场为20度×20度的广域相机进行定位模型标定。该相机放置在事前建造好的定位能力标定装置上，相机与转台台面固连。建立相机坐标系(O-X，Y，Z)，其中安装面相机坐标系的YOZ面，Z轴指向目标模拟器，X轴平行于二维高精度转台载物安装面竖直向上。相机开机，标定设备开机，精确调整维高精度转台位置。令相机中心视场方向与目标模拟器出射光束对准，记录此时二维高精度转台的方位和俯仰角位置(θ0，φ0)。广域相机的全视场范围进行等间距二维采样，采样点共为10×10。测试中，按照预先设置的采样点，依次调整转台位置，并令相机以预定的采样点视场方向对目标模拟器进行成像，采用重心算法计算像点在图像坐标系中的坐标位置(xi，yi)，同时记录二维高精度转台的方位和俯仰角位置(θi，φi)。利用二维高精度转台方位转轴随俯仰轴运动关系，得到转台坐标系与相机坐标系间的旋转矩阵Cube：
基于此，计算得到相机坐标系下，各采样点处入射光束的矢量AR＝cube*[0,0,1]，进而得到相对相机坐标轴的旋转角(Txi，Tyi)＝(artand(AR(2)/AR(3))，artand(AR(1)/AR(3))。在相机坐标系下，利用拉格朗日插值非线性拟合计算方法，建立像点的坐标位置(xi，yi)与(Txi，Tyi)的关系，即获得了相机的定位模型F：
其中，xk与yk为采样点的实测图像位置坐标；m与n为两个方向上基准点个数，这里取10×10个；Cx，Cy为待测试点的实测图像位置坐标；TXi，TYi为采样点的实测的相对相机坐标轴的旋转角；CjTxi，CjTyi为待测试点的相对相机坐标轴的旋转角的计算值。
在广域相机的全视场范围内抽取测试点，该测试点区别于上述采样点，之后，调整转台位置，并令相机以预定的测试点视场方向对目标模拟器进行成像，采用重心算法计算像点在图像坐标系中的坐标位置(Cxi，Cyi)，同时记录二维高精度转台的方位和俯仰角位置(Cθi，Cφi)。依据上述相机定位模型F，获得测试点坐标位置(Cxi，Cyi)对应的入射光束相对相机坐标轴的旋转角计算值(CjTxi，CjTyi)。二维高精度转台的方位和俯仰角位置(Cθi，Cφi)通过旋转矩阵Cube，计算得到测试点坐标位置(Cxi，Cyi)对应的入射光束相对相机坐标轴的旋转角测试值(CcTxi，CcTyi)。将旋转角计算值(CjTxi，CjTyi)与旋转角测试值(CcTxi，CcTyi)做差，获得相机标定的定位模型的定位精度。

Claims (2)

1.一种广域相机的定位能力标定装置，其特征在于：
所述的广域相机的定位能力标定装置由二维高精度转台和目标模拟器组成；二维高精度转台负载、转角范围、两轴测角正交度及测角精度分别满足待测相机的质量、视场角范围、定位精度的检测要求；目标模拟器包括光束准直系统、面源靶标和目标光源，其中光束准直系统光学口径覆盖经二维高精度转台转动后待测相机的全视场，面源靶标尺寸大小对应的目标模拟器的视场角为10倍相机空间分辨率，目标光源光谱范围覆盖待测相机的工作光谱；二维高精度转台与目标模拟器相对放置，可以保证放置在二维高精度转台的待测相机可以对目标模拟器靶标成像，且目标模拟器的目标中心视场光束方向、二维高精度转台的俯仰轴，以及二维高精度转台载物安装面均为大地水平。
2.一种基于权利要求1所述的广域相机的定位能力标定装置的标定方法，其特征在于包括以下步骤
1)将相机固定于二维高精度转台载物安装面上，确认相机所有工作视场位置，均可以通过调整转台被目标模拟器出射光束覆盖，并建立相机坐标系O-X、Y、Z，其中安装面为相机坐标系的YOZ面，Z轴指向目标模拟器，X轴垂直于二维高精度转台载物安装面竖直向上；
2)相机开机，标定设备开机，精确调整维高精度转台位置，令相机中心视场方向与目标模拟器出射光束对准，记录此时二维高精度转台的方位和俯仰角位置θ0、φ0；
3)预先按照广域相机的全视场范围进行采样点策划，对于矩形视场采取等间距二维采样，测试中，按照预先设置的采样点，调整转台位置，并令相机以预定的采样点视场方向对目标模拟器进行成像，采用重心算法计算像点在图像坐标系中的坐标位置(xi，yi)，同时记录二维高精度转台的方位和俯仰角位置(θi，φi)；
4)基于相机与二维高精度转台之间安装的特点，依据二维高精度转台转轴相对运动关系，获得转台坐标系与相机坐标系间的旋转矩阵Cube，从而利用二维高精度转台的方位和俯仰角位置(θi，φi)和相机中心视场点光束对应的转台位置(θ0，φ0)，经过旋转矩阵Cube坐标系转换，计算得到相机坐标系下，各采样点处入射光束相对相机坐标轴——X轴和Y轴的旋转角(Txi，Tyi)；
5)在相机坐标系下，利用非线性拟合计算方法，建立像点的坐标位置(xi，yi)与(Txi，Tyi)的关系，即获得了相机的定位模型F；
6)在广域相机的全视场范围内抽取测试点，该测试点区别于上述采样点，之后，调整转台位置，并令相机以预定的测试点视场方向对目标模拟器进行成像，采用重心算法计算像点在图像坐标系中的坐标位置(Cxi，Cyi)，同时记录二维高精度转台的方位和俯仰角位置(Cθi，Cφi)；
7)依据步骤5)中获得的相机的定位模型F，获得测试点坐标位置(Cxi，Cyi)对应的入射光束相对相机坐标轴的旋转角计算值(CjTxi，CjTyi)；
8)二维高精度转台的方位和俯仰角位置(Cθi，Cφi)通过旋转矩阵Cube，得到测试点坐标位置(Cxi，Cyi)对应的入射光束相对相机坐标轴的旋转角测试值(CcTxi，CcTyi)；
9)将旋转角计算值(CjTxi，CjTyi)与旋转角测试值(CcTxi，CcTyi)做差，获得相机标定的定位模型的定位精度。
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