CN110319852A - 基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，包括如下步骤：步骤1，获取转台回转中心点O；步骤2，获取地面基准区顶点；步骤3，获取屏幕投影区顶点；步骤4，空间位置校正；步骤5，对图像数据源初值进行补偿。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：利用五线激光水平仪、三脚架、水平仪、铅垂线、直尺等常见仪器和简单工具，通过激光水平仪提供的四条正交垂直基准、一条水平基准和铅垂线基准，即可完成屏幕投影式光学目标模拟系统校准。

Description

基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法

技术领域

本发明涉及半实物仿真领域，具体地，涉及屏幕投影式光学目标模拟系统的校准方法，特别是应用于航天、航空等领域的光学探测跟踪系统的性能测试和半实物仿真。

背景技术

半实物仿真是近年来航天、航空等领域光学探测跟踪系统设计研制中重点关注的问题之一。目标模拟系统是光学探测跟踪半实物仿真系统的关键组成，屏幕投影式目标模拟系统的校准直接关系到目标模拟系统的精度，并最终影响整个半实物仿真的置信度，是构建光学目标模拟系统必须解决的重要问题。

对于用于光学探测跟踪系统性能测试和半实物仿真的目标模拟系统而言，因为需要模拟目标与被测光学探测跟踪系统之间的相对视线角运动，所以屏幕投影式光学目标模拟系统校准时一般要以三轴飞行转台回转中心O(即俯仰轴、方位轴、滚动轴的三轴交点)为定位基准，要求投影画面位于与转台回转中心O为距离L，且垂直于转台滚动轴的法平面内。

目前，国内外屏幕投影式光学目标模拟系统的校准多基于实体基准进行。而三轴飞行转台的内框因为需要留出安装转台负载设备的空间，均为中空结构。因此转台回转中心O是不位于实体结构上的空间点，无法作为实体点直接标记。

现有技术，中国发明专利《射频/光学共口径复合目标模拟系统校准方法及系统》(申请号：201810917691.X)公开了一种射频/光学共口径复合目标模拟系统电轴/光轴校准系统，包括主控计算机、三轴转台、射频/光学校准装置、射频目标模拟器、光学目标模拟器和射频/光学波束复合装置；主控计算机与三轴转台、射频目标模拟器、光学目标模拟器、射频/光学复合校准装置之间分别通过信号电缆或光纤连接，用于控制三轴转台、射频目标模拟器、光学目标模拟器，以及接收射频/光学复合校准装置的输出；射频目标模拟器用于根据主控计算机的指令发射射频波束模拟目标的射频特征信息。本发明能够实现射频/光学共口径复合目标模拟系统电轴/光轴的一致性校准，保证射频/ 光学共口径复合目标模拟系统的模拟精度。

利用常用仪器完成基于转台回转中心的屏幕投影式目标模拟系统校准，难度较大，一般需要通过激光跟踪仪等昂贵仪器或者与专门研制与转台配套的专用标校设备才能实现，校准成本高且周期长。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明的目的是提供一种解决上述技术问题的基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法。

为解决上述技术问题，本发明基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，包括如下步骤：

步骤1，获取转台回转中心点O；

步骤2，获取地面基准区顶点；

步骤3，获取屏幕投影区顶点；

步骤4，空间位置校正；

步骤5，对图像数据源初值进行补偿。

优选地，步骤1包括：

步骤1.1，获取安装基准面中心点A；

步骤1.2，将基准面调水平；

步骤1.3，获取转台回转中心点O；其中

转台回转中心点O为过点A的铅垂线且与点A距离为设定距离a的点。

优选地，步骤2包括：

步骤2.1，获取转台回转中心点O在转台底座上的投影点T；

步骤2.2，获取转台俯仰轴与俯仰框的交点U1和U2；

步骤2.3，获取地面基准区两侧边线中点GM1和GM2；

步骤2.4，获取四个地面基准区顶点G1、G2、G3和G4。

优选地，步骤2.1包括：

步骤2.1.1，用5线激光水平仪在转台旁发射过A点的激光垂直面，标记该激光垂直面与转台两侧墙面的2条交线和与转台底座平面的1条交线，分别标记为lw1、lw2 和lt1；

步骤2.1.2，更换5线激光水平仪的位置，重复步骤2.1.1得到另一组3条交线，分别标记为lw3、lw4和lt2；

步骤2.1.3，获取转台回转中心点O在转台底座上的投影点T；其中

投影点T为lt1和lt2两条直线的交点。

优选地，步骤2.3包括：

步骤2.3.1，将5线激光水平仪放在T点，获取5线激光水平仪发射的同时经过U1 和U2的激光铅垂面

步骤2.3.2，参照投影画面高度H的一半，沿另一个激光铅垂面与地面的两条交线，确定投影画面在地面对应区域边线的中点GM1和GM2。

优选地，步骤2.4包括：

步骤2.4.1，将5线激光水平仪放在中点GM1，打出两个激光垂直面，其中一个过A点和T点，在另一个激光垂直面与地面交线上，参照投影画面宽度W的一半，获取投影画面在地面对应区域边线的端点G1、G2；

步骤2.4.2，将5线激光水平仪放在中点GM2，打出两个激光垂直面，其中一个过A点和T点，在另一个激光垂直面与地面交线上，参照投影画面宽度W的一半，获取投影画面在地面对应区域边线的端点G3、G4；其中

G1、G2、G3、G4即为要求的投影画面区域在地面的投影四边形的4个顶点。

优选地，步骤3包括：

步骤3.1，将5线激光水平仪放在地面点G1，打出两条激光垂直线，使其分别过相邻的两个地面顶点G2、G4，激光水平仪过G1向上打出的铅垂线与屏幕的交点即为屏幕投影区域的一个顶点S1；

步骤3.2，将5线激光水平仪放在地面点G2，打出两条激光垂直线，使其分别过相邻的两个地面顶点G3、G1，激光水平仪过G2向上打出的铅垂线与屏幕的交点即为屏幕投影区域的一个顶点S2；

步骤3.3，将5线激光水平仪放在地面点G3，打出两条激光垂直线，使其分别过相邻的两个地面顶点G4、G2，激光水平仪过G3向上打出的铅垂线与屏幕的交点即为屏幕投影区域的一个顶点S3；

步骤3.4，将5线激光水平仪放在地面点G4，打出两条激光垂直线，使其分别过相邻的两个地面顶点G1、G3，激光水平仪过G4向上打出的铅垂线与屏幕的交点即为屏幕投影区域的一个顶点S4；其中

S1、S2、S3、S4即为要求的投影区域的顶点。

优选地，步骤4包括：

步骤4.1，标记地面等分点；

步骤4.2，水平线几何校正；

步骤4.3，垂直线几何校正。

优选地，步骤4.1包括：获取与三轴转台干涉的地面基准区边线，获取辅助边线与原边线间所需的平移距离d，以靠近辅助边线一侧的地面投影区顶点为原点、相邻两条边线为XY轴方向，确定激光水平仪位置和方向，按激光水平仪-X/-Y方向激光线和平移距离d确定辅助边线一个端点，同法再确定辅助边线另一个端点，按需要等分并标记辅助边线和不干涉的相邻正交边线。

优选地，步骤4.2包括：根据垂直方向等分点和该点所在边线/辅助边线端点位置，确定激光水平仪位置和方向，激光水平仪在屏幕投影区产生对应该等分点的激光基准线，在屏幕上投影测试网格图样，将测试网格图样中对应水平线逐点校正到激光基准线上，更换其他等分点并继续校准，直至完成所有垂直方向等分点校正；

步骤4.3包括：根据水平方向等分点和该点所在边线/辅助边线端点位置，确定激光水平仪位置和方向，激光水平仪在屏幕投影区产生对应该等分点的激光基准线，在屏幕上投影测试网格图样，将测试网格图样中对应垂直线逐点校正到激光基准线上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：利用五线激光水平仪、三脚架、水平仪、铅垂线、直尺等常见仪器和简单工具，通过激光水平仪提供的四条正交垂直基准、一条水平基准和铅垂线基准，即可完成屏幕投影式光学目标模拟系统校准。

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为基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法流程图；

图2为基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法原理图；

图3为标记地面等分点的示意图；

图4为将网格校正图样校准到激光基准线上的示意图；

图5为确定转台回转中心点的方法示意图；

图6为确定地面基准区顶点的方法示意图；

图7为确定屏幕投影区顶点的方法示意图；

图8为标记地面等分点的方法示意图；

图9为水平线几何校正的方法示意图；

图10为5线激光水平仪原理示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

如图1～图10所示，本发明提供的一种基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，包含以下步骤：

1.确定转台回转中心点

确定转台回转中心点的步骤如下：

a.转动转台滚动轴，此时固联在滚动轴上的基准面将整体绕滚动轴转动，唯一不动的点是滚动轴与基准面的交点，将该点确定为基准面中心点，标记为A；

b.用水平仪调节转台安装基准面水平，并固定不动；

c.将铅垂线悬于安装基准面中间正上方，铅垂自然悬垂于A点上；

d.将5线激光水平仪安装转台旁在三脚架上，打出与铅垂线相交激光水平面，调节三脚架高度，当激光水平面与铅垂线的交点到A点距离为a(a为已知的安装基准面到转台回转中心的距离)时，该交点即为转台回转中心点；将此时激光水平面与墙面的交线，标记为高度基准线Lh0；

2.确定地面基准区顶点

确定地面基准区顶点的步骤如下：

a.用5线激光水平仪在转台旁任意位置打过A点的激光垂直面，标记该激光垂直面与转台两侧墙面的2条交线和与转台底座平面的1条交线，分别标记为lw1、lw2和lt1；

b.将激光水平仪更换一个位置，错开一定角度，重复上一步，得到另一组3条交线，分别标记为lw3、lw4和lt2；

c.lt1和lt2两条直线的交点是转台回转中心在底座上的投影点，将其标记为T；

d.确定转台俯仰轴与外框的两个交点U1、U2，优选地，采用1a.的同样方法，确定两交点U1、U2；

e.将5线激光水平仪放在T点，调节激光水平仪的水平转角，使其打出的一个激光铅垂面同时过点U1、U2；按照要求投影画面高度H的一半，沿另一个激光铅垂面与地面的两条交线，确定投影画面在地面对应区域边线的中点GM1、GM2；

f.将5线激光水平仪放在中点GM1，打出两个激光垂直面，其中一个过A点和T点，在另一个激光垂直面与地面交线上，按照要求的投影画面宽度W的一半，确定投影画面在地面对应区域边线的端点

g.将5线激光水平仪放在另一个中点GM2，用同样的方法确定另一条边线的端点G3、 G4；

h.G1、G2、G3、G4即为要求的投影画面区域在地面的投影四边形的4个顶点；

3.确定屏幕投影区顶点

确定屏幕投影区域四个顶点的步骤如下：

a.将5线激光水平仪放在地面点G1，打出两条激光垂直线，使其分别过相邻的两个地面顶点G2、G4，则此时，激光水平仪过G1向上打出的铅垂线与屏幕的交点即为屏幕投影区域的一个顶点S1；

b.同样方法，分别将5线激光水平仪放在地面点G2、G3、G4，分别确定屏幕投影区域的其他3个顶点S2、S3、S4；

c.S1、S2、S3、S4即为要求的投影区域的4个顶点；

4.标记地面等分点

利用激光水平仪和地面基准区顶点G1、G2、G3、G4，在地面标记点校正所需的水平、垂直方向的等分点序列。如图3所示，在地面基准区G1G2G3G4范围内，转台台体占据了一部分并可能与边线干涉，需要将有干涉边线的等分点序列平行移到台体以外区域，以便放置校准设备。

确定标记地面等分点的步骤如下：

a.确定与台体有干涉的边线；

b.根据场地情况，确定辅助边线与原边线的距离d；

c.将激光水平仪放置在G1点，微调水平仪位置，使底部激光点与G1点重合，转动水平仪，使相邻两侧面垂直激光线分别过相邻两个顶点(G2、G4)，同时上方水平激光线过投影屏幕上S1点，将过G1点反方向的激光线与直线GL的交点标记为V17点；

d.将激光水平仪放置在G4点，同样方法标记出V1点；

e.将激光水平仪放置在VI点，调节激光水平仪位置和方向，使底部激光点与V1点重合、上方水平激光线过投影屏幕上S3、S4点，侧面垂直激光线过V17点，此时在GL 所在铅垂面与G1、G4附近垂直墙面的两条垂直交线上分别标记两点Q1、Q2；

f.优选地，将线段VIV17等分为16份，各等分点依次标记为V2～V16，将VI～V17 点作为投影机几何校正(17×17点校准)垂直方向等分点；

g.优选地，将线段G3G4等分为10份，H1、H11点分别为G4、G3点，H2～H10为等分点，在地面标记HI～H11点，作为投影机几何校正(17×17点校准)水平方向等分点；

5.水平线几何校正

利用激光水平仪和在地面标记的垂直方向等分点VI～V17、垂直墙面两标记点Q1、Q2进行校正。

水平线几何校正的步骤如下：

a.将激光水平仪放置在VI，仔细调节水平仪位置和方向，使底部激光点与VI点重合，相邻两侧面垂直激光线分别过垂直墙面标记点Q1、Q2，此时在上方投影屏幕上的水平激光线即为VI点对应的水平校准基准线；

b.利用目标模拟系统的图像校正软件，在屏幕投影区域内，依次选中测试网格图样中与激光基准线对应的水平线上各点，并将其校正到激光基准线上(图7)。最后再将该水平线投影区域外临近两端的点也进行校准；

c.同样方法，依次将激光水平仪移到其它垂直等分点上，完成相应水平线的校准，以此类推，完成全部17条水平线的校准；

6.垂直线几何校正

垂直线几何校正的步骤如下：

利用激光水平仪和在地面标记的水平等分点HI～H11采用与水平线几何校正的同样方法，完成全部垂直线的校准。

7.图像数据源初值补偿

图像数据源初值补偿的步骤如下：

a.使用目标仿真机生成所需分辨率带有4个顶点标记的测试图样，并投影到屏幕上；

b.根据投影图像与屏幕四角标记的投影区域四个顶点的位置偏差，调整补偿值，直至测试图像四角标记与屏幕上的顶点标记线的位置完全重合。

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。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取转台回转中心点O；

步骤2，获取地面基准区顶点；

步骤3，获取屏幕投影区顶点；

步骤4，空间位置校正；

步骤5，对图像数据源初值进行补偿。

2.根据权利要求1所述的基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，其特征在于，步骤1包括：

步骤1.1，获取安装基准面中心点A；

步骤1.2，将基准面调水平；

步骤1.3，获取转台回转中心点O；其中

转台回转中心点O为过点A的铅垂线且与点A距离为设定距离a的点。

3.根据权利要求2所述的基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤2.1，获取转台回转中心点O在转台底座上的投影点T；

步骤2.2，获取转台俯仰轴与俯仰框的交点U1和U2；

步骤2.3，获取地面基准区两侧边线中点GM1和GM2；

步骤2.4，获取四个地面基准区顶点G1、G2、G3和G4。

4.根据权利要求3所述的基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，其特征在于，步骤2.1包括：

步骤2.1.1，用5线激光水平仪在转台旁发射过A点的激光垂直面，标记该激光垂直面与转台两侧墙面的2条交线和与转台底座平面的1条交线，分别标记为lw1、lw2和lt1；

步骤2.1.2，更换5线激光水平仪的位置，重复步骤2.1.1得到另一组3条交线，分别标记为lw3、lw4和lt2；

步骤2.1.3，获取转台回转中心点O在转台底座上的投影点T；其中

投影点T为lt1和lt2两条直线的交点。

5.根据权利要求4所述的基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，其特征在于，步骤2.3包括：

步骤2.3.1，将5线激光水平仪放在T点，获取5线激光水平仪发射的同时经过U1和U2的激光铅垂面

步骤2.3.2，参照投影画面高度H的一半，沿另一个激光铅垂面与地面的两条交线，确定投影画面在地面对应区域边线的中点GM1和GM2。

6.根据权利要求5所述的基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，其特征在于，步骤2.4包括：

步骤2.4.1，将5线激光水平仪放在中点GM1，打出两个激光垂直面，其中一个过A点和T点，在另一个激光垂直面与地面交线上，参照投影画面宽度W的一半，获取投影画面在地面对应区域边线的端点G1、G2；

步骤2.4.2，将5线激光水平仪放在中点GM2，打出两个激光垂直面，其中一个过A点和T点，在另一个激光垂直面与地面交线上，参照投影画面宽度W的一半，获取投影画面在地面对应区域边线的端点G3、G4；其中

G1、G2、G3、G4即为要求的投影画面区域在地面的投影四边形的4个顶点。

7.根据权利要求6所述的基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，其特征在于，步骤3包括：

步骤3.1，将5线激光水平仪放在地面点G1，打出两条激光垂直线，使其分别过相邻的两个地面顶点G2、G4，激光水平仪过G1向上打出的铅垂线与屏幕的交点即为屏幕投影区域的一个顶点S1；

步骤3.2，将5线激光水平仪放在地面点G2，打出两条激光垂直线，使其分别过相邻的两个地面顶点G3、G1，激光水平仪过G2向上打出的铅垂线与屏幕的交点即为屏幕投影区域的一个顶点S2；

步骤3.3，将5线激光水平仪放在地面点G3，打出两条激光垂直线，使其分别过相邻的两个地面顶点G4、G2，激光水平仪过G3向上打出的铅垂线与屏幕的交点即为屏幕投影区域的一个顶点S3；

步骤3.4，将5线激光水平仪放在地面点G4，打出两条激光垂直线，使其分别过相邻的两个地面顶点G1、G3，激光水平仪过G4向上打出的铅垂线与屏幕的交点即为屏幕投影区域的一个顶点S4；其中

S1、S2、S3、S4即为要求的投影区域的顶点。

8.根据权利要求7所述的基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，其特征在于，步骤4包括：

步骤4.1，标记地面等分点；

步骤4.2，水平线几何校正；

步骤4.3，垂直线几何校正。

9.根据权利要求8所述的基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，其特征在于，步骤4.1包括：获取与三轴转台干涉的地面基准区边线，获取辅助边线与原边线间所需的平移距离d，以靠近辅助边线一侧的地面投影区顶点为原点、相邻两条边线为XY轴方向，确定激光水平仪位置和方向，按激光水平仪-X/-Y方向激光线和平移距离d确定辅助边线一个端点，同法再确定辅助边线另一个端点，按需要等分并标记辅助边线和不干涉的相邻正交边线。

10.根据权利要求8所述的基于三轴转台的屏幕投影式光学目标模拟系统校准方法，其特征在于，

步骤4.2包括：根据垂直方向等分点和该点所在边线/辅助边线端点位置，确定激光水平仪位置和方向，激光水平仪在屏幕投影区产生对应该等分点的激光基准线，在屏幕上投影测试网格图样，将测试网格图样中对应水平线逐点校正到激光基准线上，更换其他等分点并继续校准，直至完成所有垂直方向等分点校正；

步骤4.3包括：根据水平方向等分点和该点所在边线/辅助边线端点位置，确定激光水平仪位置和方向，激光水平仪在屏幕投影区产生对应该等分点的激光基准线，在屏幕上投影测试网格图样，将测试网格图样中对应垂直线逐点校正到激光基准线上。