CN109724540B - 二维mems扫描反射镜转角标定系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维MEMS扫描反射镜转角标定系统及标定方法，其中，标定系统包括：光学平台；高精度激光准直组件产生可见光高准直度的激光光束入射到待标定反射镜上；待标定反射镜将激光光束反射至激光光斑探测组件；激光光斑探测组件接收反射的激光光束并形成激光光斑，并将激光光斑成像至转角标定组件；转角标定组件与待标定反射镜连接，转角标定组件采集在不同驱动电压下的激光光斑的质心位置，并将质心位置和激光光斑探测组件中的水平、竖直位移平台的绝对位置转换成二维角度信息拟合得到转角标定系数。本发明可完成大转角范围高精度转角标定工作，标定数据应用于火星车自主着陆点选择系统，可快速准确完成着陆点的选择。

Description

二维MEMS扫描反射镜转角标定系统及标定方法

技术领域

本发明涉及光学标定技术领域，尤其涉及一种二维MEMS扫描反射镜转角标定系统及标定方法。

背景技术

我国火星车的自主着陆点选择系统即采用二维MEMS扫描反射镜，配合准直激光器以及接收光学系统完成着陆点的选择，但装调完成的二维MEMS扫描反射镜需要完成高精度的转角标定工作，现有的二维MEMS扫描反射镜的标定工作需要完成高精度的转角标定方法，其测角范围仅有几十秒到几分，无法满足二维MEMS扫描反射镜±15°的测角范围要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种二维MEMS扫描反射镜转角标定系统及标定方法，以解决现有技术中转角标定工作测角范围仅有几十秒到几分，无法满足二维MEMS扫描反射镜±15°的测角范围要求的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种二维MEMS扫描反射镜转角标定系统，其包括：

光学平台，其用于提供基准平面；

高精度激光准直组件，其用于产生可见光高准直度的激光光束，并将激光光束入射到待标定二维MEMS扫描反射镜上；

待标定二维MEMS扫描反射镜，其用于将激光光束反射至激光光斑探测组件；

激光光斑探测组件，其用于接收待标定二维MEMS扫描反射镜反射的激光光束并形成激光光斑，并将激光光斑成像至转角标定组件；

转角标定组件，其与待标定二维MEMS扫描反射镜连接，转角标定组件用于改变待标定二维MEMS扫描反射镜在两维扫描方向上的驱动电压，并采集在不同驱动电压下的激光光斑的质心位置，并将质心位置和激光光斑探测组件中的水平位移平台的第一绝对位置、竖直位移平台的第二绝对位置并转换成二维角度信息，并根据不同的驱动电压和二维角度信息拟合得到转角标定系数。

作为本发明的进一步改进，激光光斑的质心位置根据公式(1)计算得到：

其中i，j为所计算像元的序列号，A_i,j为第(i,j)号像元对应的信号输出，X_i,j为第(i,j)号像元的横坐标值，Y_i,j为第(i,j)号像元的纵坐标值，m和n为激光光斑图像的行数和列数。

作为本发明的进一步改进，激光光斑探测组件还包括大面阵探测相机、相机安装支架和网格靶板，相机安装支架设置于竖直位移平台上，竖直位移平台通过一L型转接件与水平位移平台连接，且转角标定组件分别与水平位移平台、竖直位移平台电性连接，网格靶板设置于大面阵探测相机的拍摄路径上，且网格靶板用于接收反射的激光光束，并形成激光光斑。

作为本发明的进一步改进，转角标定组件包括处理器、控制器和驱动机构，控制器分别与处理器、驱动机构电性连接；控制器用于获取处理器的驱动指令，并根据驱动指令通过驱动机构驱动水平位移平台位移第一预设距离和竖直位移平台位移第二预设距离；处理器用于设定大面阵探测相机的参数，控制大面阵探测相机成像，获取成像的图像并计算质心位置，获取第一预设距离和第二预设距离并转换成二维角度信息，并根据驱动电压和二维角度信息拟合得到转角标定系数。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种二维MEMS扫描反射镜转角标定方法，其包括如下步骤：

水平调平光学平台；

水平调平高精度激光准直组件；

装调待标定二维MEMS扫描反射镜至零位；

高精度激光准直组件产生可见光高准直度的激光光束，并将激光光束入射到待标定二维MEMS扫描反射镜上；

激光光斑探测组件接收待标定二维MEMS扫描反射镜反射的激光光束，并将反射的激光光束成像至转角标定组件的网格靶板上，形成激光光斑；

转角标定组件改变待标定二维MEMS扫描反射镜的两维扫描方向上的驱动电压，记录不同驱动电压下的激光光斑的质心位置和水平位移平台的第一绝对位置和竖直位移平台的第二绝对位置，并将第一绝对位置、第二绝对位置和质心位置转换成二维角度信息，并根据不同的驱动电压和二维角度信息拟合得到转角标定系数。

作为本发明的进一步改进，水平调平光学平台的步骤之前，还包括：

建立基准平面；

调整网格靶板的水平方向与水平位移平台平行；

调整网格靶板的竖直方向与竖直位移平台平行。

作为本发明的进一步改进，装调待标定二维MEMS扫描反射镜至零位的步骤，具体包括：

竖直调整待标定二维MEMS扫描反射镜，以致待标定二维MEMS扫描反射镜在竖直方向扫描过程中获得的激光光斑的第一质心高度与不经过待标定二维MEMS扫描反射镜的激光光斑的第二质心高度一致，即完成待标定二维MEMS扫描反射镜的竖直扫描零位装调；

微调待标定二维MEMS扫描反射镜，以致待标定二维MEMS扫描反射镜在水平方向扫描过程中获得激光光斑的第三质心高度保持在同一水平高度移动时，即完成待标定二维MEMS扫描反射镜的水平扫描零位装调。

作为本发明的进一步改进，质心位置通过公式(1)计算得到：

其中i，j为所计算像元的序列号，A_i,j为第(i,j)号像元对应的信号输出，X_i,j为第(i,j)号像元的横坐标值，Y_i,j为第(i,j)号像元的纵坐标值，m和n为激光光斑图像的行数和列数。

本发明通过改变待标定二维MEMS扫描反射镜在两维扫描方向上的驱动电压，并采集在不同驱动电压下的激光光斑的质心位置，并将质心位置和激光光斑探测组件中的水平位移平台的第一绝对位置、竖直位移平台的第二绝对位置并转换成二维角度信息，并根据不同的驱动电压和二维角度信息拟合得到转角标定系数，即可完成大转角范围高精度转角标定工作，标定数据应用于火星车自主着陆点选择系统，可快速准确完成着陆点的选择。且该系统具有广泛适应性，可应用于其他大转角范围、高精度转角分辨率要求的转角标定领域。

附图说明

图1为本发明二维MEMS扫描反射镜转角标定系统第一个实施例的结构示意图；

图2为本发明二维MEMS扫描反射镜转角标定系统第二个实施例的结构示意图；

图3为本发明二维MEMS扫描反射镜转角标定系统一个实施例的模块示意图；

图4为本发明二维MEMS扫描反射镜转角标定方法第一个实施例的流程示意图；

图5为本发明二维MEMS扫描反射镜转角标定方法第二个实施例的流程示意图；

图6为本发明二维MEMS扫描反射镜转角标定方法第三个实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。

图1展示了本发明一种二维MEMS扫描反射镜转角标定系统，其包括光学平台1、高精度激光准直组件2、待标定二维MEMS扫描反射镜3、激光光斑探测组件4和转角标定组件5。其中，光学平台1用于提供基准平面；高精度激光准直组件2用于产生可见光高准直度的激光光束，并将激光光束入射到待标定二维MEMS扫描反射镜3上；待标定二维MEMS扫描反射镜3用于将激光光束反射至激光光斑探测组件4；激光光斑探测组件4用于接收待标定二维MEMS扫描反射镜3反射的激光光束并形成激光光斑，并将激光光斑成像至转角标定组件5；转角标定组件5与待标定二维MEMS扫描反射镜3连接，转角标定组件5用于改变待标定二维MEMS扫描反射镜3在两维扫描方向上的驱动电压，并采集在不同驱动电压下的激光光斑的质心位置，并将质心位置和激光光斑探测组件4中的水平位移平台41的第一绝对位置、竖直位移平台42的第二绝对位置并转换成二维角度信息，并根据不同的驱动电压和二维角度信息拟合得到转角标定系数。

具体地，激光光斑探测组件4中的大面阵探测相机43的像元尺寸保证了二维MEMS扫描反射镜在转角标定时的角度分辨率，且水平位移平台41和竖直位移平台42保证了待标定二维MEMS扫描反射镜3转角标定的角度范围。

进一步地，高精度激光准直组件2包括532nm光纤激光器和532nm匹配的光纤准直器，其可产生532nm高准直度激光光束。

进一步地，激光光斑的质心位置根据公式(1)计算得到：

其中i，j为所计算像元的序列号，A_i,j为第(i,j)号像元对应的信号输出，X_i,j为第(i,j)号像元的横坐标值，Y_i,j为第(i,j)号像元的纵坐标值，m和n为激光光斑图像的行数和列数。

本实施例通过改变待标定二维MEMS扫描反射镜3在两维扫描方向上的驱动电压，并采集在不同驱动电压下的激光光斑的质心位置，并将质心位置和激光光斑探测组件4中的水平位移平台41的第一绝对位置、竖直位移平台42的第二绝对位置并转换成二维角度信息，并根据不同的驱动电压和二维角度信息拟合得到转角标定系数，即可完成大转角范围高精度转角标定工作，同时激光光斑探测组件4中的大面阵探测相机43的像元尺寸保证了二维MEMS扫描反射镜在转角标定时的角度分辨率，且水平位移平台41和竖直位移平台42保证了待标定二维MEMS扫描反射镜3转角标定的角度范围；标定的数据应用于火星车自主着陆点选择系统，可快速准确完成着陆点的选择。且该系统具有广泛适应性，可应用于其他大转角范围、高精度转角分辨率要求的转角标定领域。

为了保证二维MEMS扫描反射镜在转角标定时的角度分辨率及转角标定的角度范围，在上述实施例的基础上，参见图2，在本实施例中，激光光斑探测组件4还包括大面阵探测相机43、相机安装支架44和网格靶板45，相机安装支架44设置于竖直位移平台42上，竖直位移平台42通过一L型转接件与水平位移平台41连接，且转角标定组件5分别与水平位移平台41、竖直位移平台42电性连接，网格靶板45设置于大面阵探测相机43的拍摄路径上，且网格靶板45用于接收反射的激光光束，并形成激光光斑。

具体地，大面阵探测相机43包括CMOS成像单元和镜头，且CMOS成像单元具有高像元分辨率(4K*3K)和超小像元尺寸(1.85μm*1.85μm)，可保证转角标定的角度分辨率和转角范围；镜头为双远心结构镜头，镜头的放大倍率为0.125x。

优选地，二维MEMS扫描反射镜的转角范围为±15°，测角分辨率优选3″，且二维MEMS扫描反射镜与网格靶板45的距离为1100mm，大面阵探测相机43的像元尺寸为1.85μm，水平分辨率为4K，垂直分辨率为3K，镜头的放大倍率为0.125x，因此，其在透明网格靶板45上的分辨率为14.8μm，角度分辨率为2.8"，用水平位移平台41和竖直位移平台42配合大面阵探测相机43实现对网格靶板45的分区域成像，从而实现了网格靶板45的全视场监视；若要满足±15°的扫描范围，则至少需要完成10(水平)*13(垂直)次扫描能够覆盖±15°的扫描范围，考虑到相邻区域搭接问题，扫描分区域分为12(水平)*16(垂直)。

本实施例通过将拍摄器件设置为大面阵探测相机43，保证了转角标定的角度分辨率和转角范围，并将大面阵探测相机43设置于水平位移平台41上，且竖直位移平台42通过一L型转接件与水平位移平台41连接，使得大面阵探测相机43能够进行水平和竖直的平滑移动。

为了提升转角标定组件5的运算速度，在上述实施例的基础上，参见图3，在本实施例中，转角标定组件5包括处理器51、控制器52和驱动机构53，控制器52分别与处理器51、驱动机构53电性连接；控制器52用于获取处理器51的驱动指令，并根据驱动指令通过驱动机构53驱动水平位移平台41位移第一预设距离和竖直位移平台42位移第二预设距离；处理器51用于设定大面阵探测相机43的参数，控制大面阵探测相机43成像，获取成像的图像并计算质心位置，获取第一预设距离和第二预设距离并转换成二维角度信息，并根据驱动电压和二维调度信息拟合得到转角标定系数。

具体地，处理器51主要包括高性能计算机和软件，软件的主要功能包括水平位移平台41的控制、竖直位移平台42的控制、大面阵探测相机43的参数设定以及大面阵探测相机43的成像控制、图像质心计算以及角度信息的转换等。

本实施例通过处理器51获取成像的图像并计算质心位置，获取第一预设距离和第二预设距离并转换成二维角度信息，并根据驱动电压和二维调度信息拟合得到转角标定系数，以完成二维MEMS扫描反射镜的转角标定，同时将处理器51设置为高性能计算机，大幅提高了标定速度。

图4展示了本发明二维MEMS扫描反射镜转角标定方法的一个实施例，参见图4，在本实施例中，该标定方法包括如下步骤：

步骤S1，水平调平光学平台。

步骤S2，水平调平高精度激光准直组件。

步骤S3，装调待标定二维MEMS扫描反射镜至零位。

步骤S4，高精度激光准直组件产生可见光高准直度的激光光束，并将激光光束入射到待标定二维MEMS扫描反射镜上。

步骤S5，激光光斑探测组件接收待标定二维MEMS扫描反射镜反射的激光光束，并将反射的激光光束成像至转角标定组件的网格靶板上，形成激光光斑。

步骤S6，转角标定组件改变待标定二维MEMS扫描反射镜的两维扫描方向上的驱动电压，记录不同驱动电压下的激光光斑的质心位置和水平位移平台的第一绝对位置和竖直位移平台的第二绝对位置，并将第一绝对位置、第二绝对位置和质心位置转换成二维角度信息，并根据不同的驱动电压和二维角度信息拟合得到转角标定系数。

进一步地，质心位置通过公式(1)计算得到：

其中i，j为所计算像元的序列号，A_i,j为第(i,j)号像元对应的信号输出，X_i,j为第(i,j)号像元的横坐标值，Y_i,j为第(i,j)号像元的纵坐标值，m和n为激光光斑图像的行数和列数。

本发明通过改变待标定二维MEMS扫描反射镜在两维扫描方向上的驱动电压，并采集在不同驱动电压下的激光光斑的质心位置，并将质心位置和激光光斑探测组件中的水平位移平台的第一绝对位置、竖直位移平台的第二绝对位置并转换成二维角度信息，并根据不同的驱动电压和二维角度信息拟合得到转角标定系数，即可完成大转角范围高精度转角标定工作，标定数据应用于火星车自主着陆点选择系统，可快速准确完成着陆点的选择。且该系统具有广泛适应性，可应用于其他大转角范围、高精度转角分辨率要求的转角标定领域。

在上述实施例的基础上，参见图5，在本实施例中，步骤S1之前，还包括：

步骤S10，建立基准平面。

优选地，基准平面这设置为一水平面。

步骤S11，调整网格靶板的水平方向与水平位移平台平行。

步骤S12，调整网格靶板的竖直方向与竖直位移平台平行。

本实施例通过分别调整网格靶板的水平方向与水平位移平台平行、网格靶板的竖直方向与竖直位移平台平行，保证了后续标定操作的准确性。

在上述实施例的基础上，参见图6，在本实施例中，步骤S3，具体包括：

步骤S300，竖直调整待标定二维MEMS扫描反射镜，以致待标定二维MEMS扫描反射镜在竖直方向扫描过程中获得的激光光斑的第一质心高度与不经过待标定二维MEMS扫描反射镜的激光光斑的第二质心高度一致，即完成待标定二维MEMS扫描反射镜的竖直扫描零位装调。

步骤S301，微调待标定二维MEMS扫描反射镜，以致待标定二维MEMS扫描反射镜在水平方向扫描过程中获得激光光斑的第三质心高度保持在同一水平高度移动时，即完成待标定二维MEMS扫描反射镜的水平扫描零位装调。

本实施例通过扫描反射镜在竖直方向扫描过程中获得的激光光斑的第一质心高度与不经过待标定二维MEMS扫描反射镜的激光光斑的第二质心高度一致，完成待标定二维MEMS扫描反射镜的竖直扫描零位装调；反射镜在水平方向扫描过程中获得激光光斑的第三质心高度保持在同一水平高度移动时，完成待标定二维MEMS扫描反射镜的水平扫描零位装调，保证了标定结果的准确性。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于本说明书中的方法类实施例的拓展内容而言，由于其与装置实施例的拓展内容相似，所以不再进行赘述，例如各个组件的设置方式和设置参数的相关之处参见装置实施例拓展内容的部分说明即可。

以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的等同修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种二维MEMS扫描反射镜转角标定系统，其特征在于，其包括：

光学平台，其用于提供基准平面；

高精度激光准直组件，其用于产生可见光高准直度的激光光束，并将所述激光光束入射到待标定二维MEMS扫描反射镜上；

所述待标定二维MEMS扫描反射镜，其用于将所述激光光束反射至激光光斑探测组件；

所述激光光斑探测组件，其用于接收所述待标定二维MEMS扫描反射镜反射的激光光束并形成激光光斑，并将所述激光光斑成像至转角标定组件；

所述转角标定组件包括处理器、控制器和驱动机构，所述控制器分别与所述处理器、所述驱动机构电性连接，其与所述待标定二维MEMS扫描反射镜连接，所述转角标定组件用于改变所述待标定二维MEMS扫描反射镜在两维扫描方向上的驱动电压，并采集在不同驱动电压下的所述激光光斑的质心位置，并将所述质心位置和所述激光光斑探测组件中的水平位移平台的第一绝对位置、竖直位移平台的第二绝对位置并转换成二维角度信息，并根据所述不同的驱动电压和所述二维角度信息拟合得到转角标定系数；

所述激光光斑探测组件还包括大面阵探测相机、相机安装支架和网格靶板，所述相机安装支架设置于所述竖直位移平台上，所述竖直位移平台通过一L型转接件与所述水平位移平台连接，且所述转角标定组件分别与所述水平位移平台、所述竖直位移平台电性连接，所述网格靶板设置于所述大面阵探测相机的拍摄路径上，且所述网格靶板用于接收所述反射的激光光束，并形成激光光斑。

2.根据权利要求1所述的二维MEMS扫描反射镜转角标定系统，其特征在于，所述激光光斑的质心位置根据公式(1)计算得到：

其中i，j为所计算像元的序列号，A_i,j为第(i,j)号像元对应的信号输出，X_i,j为第(i,j)号像元的横坐标值，Y_i,j为第(i,j)号像元的纵坐标值，m和n为激光光斑图像的行数和列数。

3.根据权利要求2所述的二维MEMS扫描反射镜转角标定系统，其特征在于，所述控制器用于获取所述处理器的驱动指令，并根据所述驱动指令通过所述驱动机构驱动所述水平位移平台位移第一预设距离和所述竖直位移平台位移第二预设距离；所述处理器用于设定所述大面阵探测相机的参数，控制所述大面阵探测相机成像，获取成像的图像并计算所述质心位置，获取所述第一预设距离和所述第二预设距离并转换成所述二维角度信息，并根据所述驱动电压和所述二维角度信息拟合得到转角标定系数。

4.根据权利要求1所述的一种二维MEMS扫描反射镜转角标定系统的标定方法，其特征在于，其包括如下步骤：

水平调平光学平台；

水平调平高精度激光准直组件；

装调待标定二维MEMS扫描反射镜至零位；

高精度激光准直组件产生可见光高准直度的激光光束，并将所述激光光束入射到所述待标定二维MEMS扫描反射镜上；

激光光斑探测组件接收所述待标定二维MEMS扫描反射镜反射的激光光束，并将所述反射的激光光束成像至转角标定组件的网格靶板上，形成激光光斑；

所述转角标定组件改变所述待标定二维MEMS扫描反射镜的两维扫描方向上的驱动电压，记录不同驱动电压下的激光光斑的质心位置和水平位移平台的第一绝对位置和竖直位移平台的第二绝对位置，并将所述第一绝对位置、所述第二绝对位置和所述质心位置转换成二维角度信息，并根据所述不同的驱动电压和所述二维角度信息拟合得到转角标定系数。

5.根据权利要求4所述的二维MEMS扫描反射镜转角标定系统的标定方法，其特征在于，所述水平调平光学平台的步骤之前，还包括：

建立基准平面；

调整所述网格靶板的水平方向与所述水平位移平台平行；

调整所述网格靶板的竖直方向与所述竖直位移平台平行。

6.根据权利 要求4所述的二维MEMS扫描反射镜转角标定系统的标定方法，其特征在于，所述装调待标定二维MEMS扫描反射镜至零位的步骤，具体包括：

竖直调整所述待标定二维MEMS扫描反射镜，以致所述待标定二维MEMS扫描反射镜在竖直方向扫描过程中获得的激光光斑的第一质心高度与不经过所述待标定二维MEMS扫描反射镜的激光光斑的第二质心高度一致，即完成所述待标定二维MEMS扫描反射镜的竖直扫描零位装调；

微调所述待标定二维MEMS扫描反射镜，以致所述待标定二维MEMS扫描反射镜在水平方向扫描过程中获得激光光斑的第三质心高度保持在同一水平高度移动时，即完成所述待标定二维MEMS扫描反射镜的水平扫描零位装调。

7.根据权利 要求4所述的二维MEMS扫描反射镜转角标定系统的标定方法，其特征在于，所述质心位置通过公式(1)计算得到：

其中i，j为所计算像元的序列号，A_i,j为第(i,j)号像元对应的信号输出，X_i,j为第(i,j)号像元的横坐标值，Y_i,j为第(i,j)号像元的纵坐标值，m和n为激光光斑图像的行数和列数。

Images