CN110715795A - 一种光电跟踪系统中快速反射镜的标定和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电跟踪系统中快速反射镜的标定和测量方法。针对当前由快速反射镜传感器非均匀性引起的标定和测量精度不高、求解不便的问题，将快速反射镜的标定和测量用一系列基函数的加权和来建模，并通过对权值的求解和复用来实现高精度标定和测量。其有益效果在于：可以克服快反镜传感器由安装和自身特性引起的非均匀性问题，精度更高，通用性更强；并且对传感器个数要求不高，也不存在系数耦合问题，易于求解；同时标定过程简单，便于应用。

Description

一种光电跟踪系统中快速反射镜的标定和测量方法

技术领域

本发明属于光电跟踪测量领域，具体涉及一种光电跟踪系统中快速反射镜的标定和测量方法。

背景技术

在光电跟踪系统中，快速反射镜(简称“快反镜”)是最关键的器件之一。它可以通过快速的光束偏转来实现对目标的精确跟踪。在控制快反镜进行目标跟踪时，需要根据快反镜的位置传感器来对目标的脱靶量进行测量，或者根据脱靶量来估计快反镜的传感器值，如图1所示。

由于快反镜的安装位置和工艺等原因，快反镜传感器与脱靶量之间一般存在缩放、旋转等数学关系，所以往往采用对缩放系数和旋转角度预先标定的方式来实现快速反射镜的标定和测量。目前，典型的快反镜传感器是用4个电涡流传感器，均匀地安装在快反镜背面，如图1所示。假设4个传感器的读数分别为d₁,d₂,d₃,d₄，则目前常用的测量公式为：

ΔX＝k_x(cosθ·Δx+sinθ·Δy)

ΔY＝k_y(-sinθ·Δx+cosθ·Δy)

式中，ΔX和ΔY表示图像横、纵方向的脱靶量，Δx和Δy表示快反镜横、纵方向的变化量，k_x和k_y表示快反镜横、纵方向的缩放系数，θ表示快反镜横、纵方向与图像横、纵方向之间的旋转角度，其中，

Δx＝d₁+d₂-d₃-d₄

Δy＝d₁-d₂+d₃-d₄

因此，在预先标定时只需标定θ、k_x和k_y三个变量即可。该公式由于其简便性得到了广泛的应用。但是，该公式是以4个传感器的安装非常均匀、其缩放系数是一致的为前提。虽然在迭代闭环控制应用中没有任何问题，但是在用快反镜实时精确测量脱靶量时却存在精度不足的问题。事实上，传感器的安装总是存在误差，而且各个传感器自身的特性也是存在差异的，因此4个传感器的缩放系数总是不同的。如果将每个传感器都在公式中添加一个系数，就会使得求解变得困难。而且多个系数之间会存在耦合，导致许多冗余计算。因此，亟待一种更加精确、通用和方便的快反镜标定和测量方法，来克服以上问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：本发明针对当前由快反镜传感器非均匀性引起的标定和测量精度不高、求解不便的问题，提供一种基于基函数加权模型的快反镜标定和测量方法，来实现更加精确、通用和方便的标定和测量。

本发明的技术方案为：一种光电跟踪系统中快速反射镜的标定和测量方法，将快速反射镜的标定和测量用一系列基函数的加权和来建模，并通过对权值的求解和复用来实现高精度标定和测量，具体实现步骤为：

步骤(1)根据快反镜在光电跟踪系统中的安装位置，建立快反镜传感器与脱靶量之间映射关系的基函数集；

步骤(2)将系统对准靶点，快反镜置于零点，再控制快反镜使靶点偏移到某一位置，记录下此时的脱靶量、方位角、俯仰角和各个快反镜传感器的值，并重复记录多个位置；

步骤(3)如果基函数与方位角或俯仰角有关，则更换其它靶点，重复步骤(2)；

步骤(4)用以上记录的数据求解各个基函数的权值，完成快反镜的标定；

步骤(5)在用快反镜进行测量时，用方位角、俯仰角和各个快反镜传感器的值，按照标定的权值计算基函数的加权和，即可估计出脱靶量。

更进一步的，所述基函数集的典型表达式如下：

1)如果快反镜旋转角度与方位角和俯仰角都有关，则基函数集为：

式中，Φ表示基函数集，d_i(i＝1,…,n)表示各个快反镜传感器的读数，n表示快反镜传感器个数，A表示方位角，E表示俯仰角。

2)如果快反镜旋转角度只与方位角或俯仰角其中之一有关，则基函数集为：

或

3)如果快反镜旋转角度与方位角和俯仰角都无关，则基函数集为：

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

本发明方法可以克服快反镜传感器由于安装和自身特性带来的非均匀性问题，精度更高，通用性更强；并且对传感器个数要求不高(≥2即可)，也不存在系数耦合问题，易于求解；同时标定过程简单，便于应用。

附图说明

图1是快反镜与图像之间的关系示意图；

图2是实施例中记录的快反镜传感器数据曲线图；

图3是实施例中记录的脱靶量数据曲线图；

图4是实施例中快反镜偏转到新位置的3个快反镜传感器数据曲线图；

图5是实施例中脱靶量实际值和测量值之间的对比曲线图；

图6是实施例中脱靶量的测量误差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

如图1所示，本发明一种光电跟踪系统中快速反射镜的标定和测量方法，包括如下步骤：

(1)根据快反镜在光电跟踪系统中的安装位置，建立快反镜传感器与脱靶量之间映射关系的基函数集。

为了说明该发明的通用性，本实施例中仅使用4个快反镜传感器中的1～3个来进行标定和测量(假设第4个传感器不可用)，其读数分别用d₁,d₂,d₃表示，其零点为z₁,z₂,z₃(常量)，则快反镜横纵方向的变化量(Δx,Δy)是3个快反镜传感器读数的线性组合，即，

式中，p_i和q_i(i＝1,2,3)是待定的组合系数。对应到图像上横纵方向的变化量(ΔX,ΔY)是(Δx,Δy)旋转角度θ后再乘以缩放系数k_x,k_y，即，

ΔX＝k_x(cosθ·Δx+sinθ·Δy)

ΔY＝k_y(-sinθ·Δx+cosθ·Δy)

快反镜旋转角度θ需要视快反镜安装位置而定：如果安装在光电跟踪系统平台下方，则旋转角度是一固定值θ₀，即θ＝θ₀；如果安装在方位轴侧面，则旋转角度与方位角A有关，即θ＝A+θ₀；如果安装在视轴基准上，则旋转角度与方位角A和俯仰角E都有关，即θ＝A+E+θ₀。考虑最复杂的情况，将(Δx,Δy)和θ＝A+E+θ₀代入上式后可得：

由于上式中只有d₁,d₂,d₃,cos(A+E)和sin(A+E)是变量，其它都为常量或待定系数，因此上式展开后等价于：

式中，a₁…a₈是待定的权值。同理，ΔY表达式等价于：

式中，b₁…b₈是待定的权值。由此可得，快反镜传感器与脱靶量之间映射关系的基函数集Φ为：

如果θ＝A+θ₀，则只需替换上式中的cos(A+E)和sin(A+E)为cosA和sinA，即，

如果θ＝θ₀，则可直接化简为：

(2)将系统对准靶点，快反镜置于零点，再控制快反镜使靶点偏移到某一位置，记录下此时的脱靶量、方位角、俯仰角和各个快反镜传感器的值，并重复记录多个位置。

本实施例的快反镜安装在平台下方，因此基函数与方位角和俯仰角无关，只需记录3个快反镜传感器数据即可。本实施例一共记录了8个位置，记录的快反镜传感器数据如图2所示，记录的脱靶量数据如图3所示。

(3)如果基函数与方位角或俯仰角有关，则更换其它靶点，重复第(2)步。

本实施例的快反镜安装在平台下方，基函数与方位角和俯仰角无关，因此无需重复记录。

(4)用以上记录的数据求解各个基函数的权值，完成快反镜的标定。

本实施例中由于只有4个基函数，因此只需计算4个权值。根据脱靶量是基函数加权和的映射关系，即：

和

用采集的数据通过最小二乘法即可求得权值[a₁…a₄]和[b₁…b₄]。本实施例的结果为：

[a₁…a₄]＝[-42.1762-0.00601737 0.00280541 0.00882559]

[b₁…b₄]＝[-192.845-0.00871780 0.00936300 0.000364929]

(5)在用快反镜进行测量时，用方位角、俯仰角和各个快反镜传感器的值，按照标定的权值计算基函数的加权和，即可估计出脱靶量。

本实施例将快反镜随意偏转到一个新的位置，3个快反镜传感器数据如图4所示，再用其基函数加权和对脱靶量进行测量估计，脱靶量实际值和测量值之间的对比如图5所示，脱靶量的测量误差曲线如图6所示。可见，在仅用3个快反镜传感器的条件下，快反镜对脱靶量测量误差也只有1～2个像素。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种光电跟踪系统中快速反射镜的标定和测量方法，其特征在于，实现步骤如下：

步骤(1)根据快速反射镜(简称“快反镜”)在光电跟踪系统中的安装位置，建立快反镜传感器与脱靶量之间映射关系的基函数集；

步骤(2)将系统对准靶点，快反镜置于零点，再控制快反镜使靶点偏移到某一位置，记录下此时的脱靶量、方位角、俯仰角和各个快反镜传感器的值，并重复记录多个位置；

步骤(3)如果基函数与方位角或俯仰角有关，则更换其它靶点，重复步骤(2)；

步骤(4)用以上记录的数据求解各个基函数的权值，完成快反镜的标定；

步骤(5)在用快反镜进行测量时，用方位角、俯仰角和各个快反镜传感器的值，按照标定的权值计算基函数的加权和，即可估计出脱靶量。

2.根据权利要求1所述的一种光电跟踪系统中快速反射镜的标定和测量方法，其特征在于：所述基函数集的典型表达式如下：

1)如果快反镜旋转角度与方位角和俯仰角都有关，则基函数集为：

式中，Φ表示基函数集，d_i(i＝1,…,n)表示各个快反镜传感器的读数，n表示快反镜传感器个数，A表示方位角，E表示俯仰角；

2)如果快反镜旋转角度只与方位角或俯仰角其中之一有关，则基函数集为：

或

3)如果快反镜旋转角度与方位角和俯仰角都无关，则基函数集为：

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