CN110782500B - 一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备 - Google Patents

Abstract

一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备涉及光学精密测试仪器技术领域，解决了无法满足生产现场条件下摄像机内方位元素高精度标定的问题，该装置包括设备基座、垂直转台、水平转台、光学准直系统和五维微动调整台，垂直转台设置在设备基座上、具有单自由度且为方位自由度；水平转台设置在设备基座上、具有单自由度且为俯仰自由度，水平转台的回转轴与垂直转台的回转轴垂直且共面；五维微动调整台设置在垂直转台上，用于放置待测摄像机和调整放置在其上的待测摄像机的位姿光学准直系统连接水平转台，光学准直系统的光轴、水平转台的回转轴和垂直转台的回转轴相交。本发明体积小、使用操作简便、标定效率高、标定精度高、可靠性高和可维护性高。

Description

一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备

技术领域

本发明涉及光学精密测试仪器技术领域，具体涉及一种大视场红外摄像机的内方位元素标定设备。

背景技术

直升机在舰船上降落过程受船体摇晃等因素影响，难度较大、危险系数较高，目前多依靠飞行员目视判断飞机与船体之间的相对位置和姿态，难以满足高海况条件下的着舰需求。可利用光学摄像机对直升机的降落过程进行实时成像和测量，准确、定量、高效计算船体与直升机之间的实时相对位置与姿态，满足较高海况条件下计算机引导着舰。此外，为满足海上光学环境的特殊需求，用于成像引导的摄像机一般采用近红外工作谱段，满足海洋盐雾等低可视度条件下的成像需求。上述过程的实现有赖于摄像机内方位元素的标定精度。摄像机的畸变、主点位置等直接影响直升机与船体相对位置和角度的解算精度，若出现较大的内方位元素误差甚至导致飞机位姿坐标计算偏差使得飞机着舰过程出现险情。

为提高摄像机的测量效率，减少摄像机的布置数量，此类近红外摄像机一般采用短焦距、大视场设计。从而使摄像机的理论畸变远大于常规光学摄像机。受光学加工、装配、探测器像元误差等因素影响，摄像机的内方位元素会与设计值或分析的公差存在一定偏差。因此，对于大批量生产的近红外摄像机的内方位元素在出厂前进行高精度标定，并基于标定数据拟合出补偿模型并将其注入和固化在摄像机的数据解算程序中。摄像机工作过程中可直接修正畸变等内方位元素误差，确保目标坐标的测量精度。

目前，在室内对数字相机内方位元素进行静态标定的基本原理是是使相机对不同方位经过精确测量的标定靶标进行成像，再通过求解非线性方程组，得到相机的内方位元素标定参数。实验室内常用的内方位元素标定方法包括精密测角法、三维空间试验场标定法、基于径向约束的两步标定法、同一标定物多角度成像法、基于光学衍射元件的标定方法及自标定方法等。

其中精密测角算法直观简洁，易于实现且精度较高，是实验室内标定数字相机内方位元素广泛采用的一种经典方法，其实质就是根据像点坐标数据和对应不同视场入射光线的角度数据，在假设相机光学畸变分布符合一定约束的条件下，采用数学算法拟合相机实际主点、主距以及畸变系数的标定方法。

但目前基于精密测角法的实验室内方位元素标定装置方案难以适用于生产线上在线测量需求，主要原因包括如下三方面原因。

(1)目前基于精密测角法的内方位元素标定装置构型大多采用一维转台，配合大口径平行光管的布局形式。通过转台回转提供输入视场角，利用光管提供远场目标。这一构型的弊端在于转台和光管的相对位置和姿态不固定。在单次标定前需要首先校正转台转轴和光管光轴之间的相对角度，难以兼顾大批量产品对内方位元素标定效率和精度的综合需求。

(2)目前内方位元素标定设备大多针对科学研究等领域搭建，设备的尺寸、体积等难以满足生产现场条件下的综合使用要求。上述两项主要弊端成为制约高精度标校用近红外摄像机产能和产品质量的主要因素，亟待从标定设备的设计角度加以解决。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备，包括设备基座、垂直转台、水平转台、光学准直系统和五维微动调整台；

所述垂直转台设置在设备基座上，垂直转台包括垂直转台台面、垂直转台止推轴系、垂直转台径向轴系、垂直转台超高分辨率驱动单元、垂直转台联轴节和垂直转台测角单元，垂直转台测角单元连接垂直转台台面，垂直转台止推轴系连接垂直转台台面和设备基座，垂直转台径向轴系连接垂直转台台面和设备基座，垂直转台联轴节一端无间隙连接垂直转台径向轴系另一端无间隙连接垂直转台超高分辨率驱动单元；所述垂直转台具有单自由度且为方位自由度；

所述水平转台设置在设备基座上，水平转台包括水平转台测角单元、水平转台止推轴系、水平转台径向轴系、水平转台联轴节和水平转台超高分辨率驱动单元，水平转台止推轴系连接光学准直系统的支臂和设备基座，水平转台测角单元连接水平转台止推轴系，水平转台径向轴系连接光学准直系统的支臂和设备基座，水平转台联轴节一端无间隙连接水平转台径向轴系另一端无间隙连接水平转台超高分辨率驱动单元；所述水平转台具有单自由度且为俯仰自由度，水平转台的回转轴与垂直转台的回转轴垂直且共面；

所述五维微动调整台设置在垂直转台上，五维微动调整台用于放置待测摄像机和用于调整放置在其上的待测摄像机的位姿；

所述光学准直系统连接水平转台，光学准直系统的光轴、水平转台的回转轴和垂直转台的回转轴相交。

本发明的有益效果是：

1、本发明的垂直转台止推轴系和垂直转台径向轴系、水平转台止推轴系和水平转台径向轴系分别构成一体化密珠轴系，一体化密珠轴系代替常规滚动轴承，在简化回转轴系结构的同时提高轴系精度，并且通过精简轴系机构提高设备的可靠性。同时实现待测摄像机与标定设备的集成化布置，有助于提高设备的长期稳定性。

2、本发明简化回转轴系结构，并具体对高精度垂直转台和水平转台的结构形式进行了精简，缩短的精度传递链路，使得标定设备的尺寸、体积满足生产现场条件下的综合使用要求，可以进一步提高标定设备的精度提高设备的可靠性和可维护性，提高标定设备的环境适应性和可靠性，并在保证标定精度的同时降低研发成本。

3、本发明的标定设备通过垂直转台、水平转台、光学准直系统使用操作简便，标定效率高。

4、本发明的标定设备适用于高测量精度红外摄像机大批量产品对内方位元素标定效率和精度的综合需求。

附图说明

图1为本发明的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备的组成结构示意图。

图2为本发明的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备的的组成剖视图。

图3为本发明的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备的超高分辨率驱动单元的剖面。

图4为本发明的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备的沿图3中A-A的剖视图。

图中：1、垂直转台，2、设备基座，3、光学准直系统，4、水平转台，5、五维微动调整台，6、垂直转台台面，7、垂直转台止推轴系，8、垂直转台径向轴系，9、垂直转台超高分辨率驱动单元，10、垂直转台联轴节，11、垂直转台测角单元，12、水平转台测角单元，13、水平转台止推轴系，14、水平转台径向轴系，15、水平转台联轴节，16、水平转台超高分辨率驱动单元，17、步进电机，18、电机输出轴预紧环，19、内摩擦环，20、谐波动齿轮座，21、谐波动齿轮，22、谐波固定法兰，23、谐波输出轴，24、外摩擦环止推轴系，25、外摩擦环径向轴系，26、摩擦轮止推轴系，27、谐波揉轮，28、键，29、谐波定齿轮，30、摩擦轮主轴，31、摩擦轮环，32、外摩擦环，33、摩擦细分输出轴，34、综合控制系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备包括标定设备主体。标定设备主体包括设备基座2、垂直转台1、水平转台4、光学准直系统3和五维微动调整台5。可参见图1和图2。垂直转台1固连于设备基座2上，五维微动调整台5固连于垂直转台1上，水平转台4固连于设备基座2上，光学准直系统3固连在水平转台4上，

垂直转台1和水平转台4固连于设备基座2上，通过设备基座2材料选型及特殊的装配工艺可使垂直转台1的回转轴线与水平转台4的回转轴线交于一点、相互垂直。设备基座2是标定设备技术状态长期稳定的重要保证，需在生产车间环境下保证上述轴线正交关系的长期稳定。

垂直转台1和水平转台4均具有单自由度。垂直转台1具有方位自由度，即仅具有绕垂直方向旋转的自由度，通过垂直转台1能改变其上五维微动调整台5和待测摄像机的方位角，水平转台4仅具有俯仰自由度，通过水平转台4能改变其上光学准直系统3的俯仰角。水平转台4的回转轴与垂直转台1的回转轴垂直，水平转台4的回转轴与垂直转台1的回转共面。

五维微动调整台5用于放置待测摄像机和用于调整放置在待测摄像机的位置和姿态。五维微动调整台5固定连接于垂直转台1之上，包括两维调整方向正交的平移调整台和三点式并联升降、两维转角微调机构。上述五维微动调整台5一端通过法兰与垂直转台1固连，另一端与待测摄相机的支撑架固定连接。垂直转台1在综合控制系统34控制下带动该五维微动调整台5及其上固定的待测摄相机实现绕垂直转台1步进回转运动。

光学准直系统3由光学系统、焦面靶板组件、焦面调整组件、照明系统、照明系统调焦组件等构成。光学系统整体集成后利用一高稳定支撑臂与水平转台4固连，并且保证光学准直系统3光轴指向由水平转台4旋转轴与垂直转台1旋转轴确定的平面，并使光学准直系统3的光轴、水平转台4的回转轴和垂直转台1的回转轴三轴相交，相交点称为三轴交汇中心。光学准直系统3在水平转台4带动下绕设备的三轴交汇中心旋转，光轴始终指向三轴交汇中心。在测试准备阶段，使光学准直系统3光轴能垂直于水平转台4回转轴线，通过调整五维微动调整台5，使待测摄像机的入瞳中心与上述三轴交汇中心重合，且待测摄像机探测器行像元方向平行于水平转台4回转轴线，待测摄像机探测器列像元方向平行于垂直转台1回转轴线，可消除光路对准误差，实现内方位元素高精度标定。

垂直转台1承载五维微动调整台5及待测摄像机实现绕垂直转台1的步进回转运动。待测摄像机置于五维微动调整台5上，五维微动调整台5用于待测红外摄像机光学系统与标定设备坐标系的微调和对准、用于待测摄像机光学系统与光路的微调和对准。水平转台4用于带动其上的光学准直系统3实现光学准直系统3光轴绕垂直转台1回转轴的向心回转运动。光学准直系统3用于为待测摄像机提供具有给定几何特征、稳定性满足标定精度需求远场光学目标。为确保标定设备的稳定性，以及垂直转台1回转轴与水平转台4回转轴之间的角秒量级垂直精度，设备基座2采用花岗岩材料精密研磨和修调后制成。

一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备还包括综合控制系统34。综合控制系统34控制标定设备主体的标定工作。综合控制系统34作为电控与数据采集处理系统。综合控制系统34用于控制待测摄像机的标定。综合控制系统34连接垂直转台1，控制垂直转台1的转动、取得垂直转台1转动的方位角；连接水平转台4，控制水平转台4的转动、取得水平转台4转动的俯仰角；连接光学准直系统3，控制光学准直系统3的照明系统；连接待测摄相机并采集待测摄相机的图像；也可连接五维微动调整台5，根据采集待测摄相机的图像计算并给出五维微动调整台5的调节量(即计算得出五维微动调整台5应如何调节的调节数据)。

垂直转台1包括垂直转台台面6、垂直转台止推轴系7、垂直转台径向轴系8、垂直转台超高分辨率驱动单元9、垂直转台联轴节10和垂直转台测角单元11。如图2，垂直转台台面6连接垂直转台止推轴系7和垂直转台径向轴系8，垂直转台止推轴系7和垂直转台径向轴系8均连接设备基座2。垂直转台止推轴系7的轴线垂直于水平面(地面)，垂直转台径向轴系8的轴线垂直于水平面。垂直转台止推轴系7的轴线和垂直转台径向轴系8的轴线平行且共线，即构成了垂直转台1的回转轴系，本文也称旋转轴系；垂直转台止推轴系7围绕垂直转台径向轴系8布置。垂直转台台面6直接作为垂直转台止推轴系7和垂直转台径向轴系8的定位基准，不通过其它过渡结构与上述两套轴系固连。垂直转台止推轴系7实现垂直转台1轴向定位，垂直转台径向轴系8实现垂直转台1径向定位、导向和回转驱动力传递。垂直转台止推轴系7和垂直转台径向轴系8限制的自由度相互垂直。垂直转台测角单元11直接固连在垂直转台台面6底部，进一步缩短标定设备的精度传递链路，提高设备可靠性。垂直转台联轴节10一端连接垂直转台径向轴系8另一端连接垂直转台超高分辨率驱动单元9。垂直转台超高分辨率驱动单元9位于设备基座2内。为了消除传动空回与间隙，垂直转台联轴节10采用无间隙十字结构，无间隙连接垂直转台径向轴系8和垂直转台超高分辨率驱动单元9，保证机械细分后的驱动力无间隙输入至垂直转台径向轴系8。垂直转台1采用串联式、一体化结构的垂直转台超高分辨率驱动单元9作为动力执行单元，可以实现垂直转台1的超高转角分辨率。为了实现内方位元素的高精度标定，垂直转台1的分辨率需要优于0.1角秒，垂直转台联轴节10和垂直转台超高分辨率驱动单元9作为传动系统，传动系统的重复定位精度、分辨率是实现上述指标的关键。

水平转台4结构布局精简的技术路线与上述垂直转台1类似，水平转台4包括水平转台测角单元12、水平转台止推轴系13、水平转台径向轴系14、水平转台联轴节15和水平转台超高分辨率驱动单元16。如图2，水平转台止推轴系13一端连接光学准直系统3的支臂，另一端连接设备基座2。水平转台测角单元12固连在水平转台止推轴系13上。水平转台径向轴系14一端连接光学准直系统3的支臂，另一端连接设备基座2。水平转台径向轴系14连接水平转台联轴节15的一端，水平转台联轴节15的另一端连接水平转台超高分辨率驱动单元16。水平转台超高分辨率驱动单元16通过水平转台联轴节15与水平转台径向轴系14连接，水平转台联轴节15采用无间隙十字结构，无间隙连接水平转台径向轴系14和水平转台超高分辨率驱动单元16，保证机械细分后的驱动力无间隙输入至水平转台径向轴系14。水平转台止推轴系13的轴线平行于水平面，水平转台径向轴系14的轴线平行于水平面。水平转台止推轴系13的轴线和水平转台径向轴系14的轴线平行且共线，即构成了水平转台4的回转轴系，本文也称旋转轴系。水平转台径向轴系14和水平转台止推轴系13构成封闭结构，分别实现水平转台4的轴向定位与径向定位，实现水平转台4的五维自由度限定。为了实现内方位元素的高精度标定，水平转台4的分辨率需要优于0.1角秒，水平转台联轴节15和水平转台超高分辨率驱动单元16作为传动系统，传动系统的重复定位精度、分辨率是实现上述指标的关键28。

垂直转台超高分辨率驱动单元9和水平转台超高分辨率驱动单元16结构相同。下面将垂直转台超高分辨率驱动单元9和水平转台超高分辨率驱动单元16均称为超高分辨率驱动单元进行详述。如图3和图4，每个超高分辨率驱动单元包括电机、电机输出轴预紧环18、内摩擦环19、谐波动齿轮座20、谐波动齿轮21、谐波固定法兰22、谐波输出轴23、外摩擦环止推轴系24、外摩擦环径向轴系25、摩擦轮止推轴系26、谐波揉轮27、谐波定齿轮29、摩擦轮主轴30、摩擦轮环31、外摩擦环32和摩擦细分输出轴33。

电机采用步进电机17，步进电机17作为动力单元，实现电磁能向回转驱动力的转换。步进电机17输出轴与内摩擦环19通过过盈配合连接实现轴向定位。电机输出轴预紧环18套在步进电机17输出轴上，电机输出轴预紧环18位于内摩擦环19两端。内摩擦环19接触连接摩擦轮环31，摩擦轮环31套在摩擦轮主轴30上，摩擦轮环31接触连接外摩擦环32，内摩擦环19、摩擦轮环31和外摩擦环32通过接触使得存在摩擦力实现摩擦细分。摩擦轮主轴30和摩擦轮环31为三组，内摩擦环19接触连接三组摩擦轮环31。电机输出轴预紧环18用于调控内摩擦环19与三组摩擦轮环31之间的摩擦力，实现无间隙动力细分输出力的均化，并消除输出力矩波动。摩擦轮止推轴系26也为三组，摩擦轮止推轴系26连接摩擦轮主轴30和摩擦轮环31，摩擦轮止推轴系26用于摩擦轮主轴30和摩擦轮环31的轴向定位，由超精密钢球和平面保持架构成，摩擦轮止推轴系26通过超精密钢球和平面保持架起到释放摩擦轮主轴30绕自身轴线回转方向的自由度的作用、起到限定摩擦轮主轴30和摩擦轮环31沿自身轴线方向的自由度的作用。外摩擦环32连接外摩擦环止推轴系24和外摩擦环径向轴系25，外摩擦环32采用两体结构，包括环体和衬套，环体内侧设有衬套，衬套连接摩擦轮环31，衬套与摩擦轮环31之间通过摩擦力实现无间隙、无空回传动，环体连接外摩擦环止推轴系24和外摩擦环径向轴系25，外摩擦环32一方面用于定位三组摩擦轮环31及其对应的回转轴系，另一方面用于为外摩擦环止推轴系24和外摩擦环径向轴系25提供外定位环面，实现回转轴系结构的自由度封闭，即五维自由度的限定。外摩擦环止推轴系24与外摩擦环径向轴系25均连接摩擦细分输出轴33，外摩擦环止推轴系24与外摩擦环径向轴系25用于释放摩擦细分输出轴33绕轴方向的自由度，并同时定位其它五维自由度，形成精密回转轴系。外摩擦环止推轴系24与外摩擦环径向轴系25均由超精密钢球和保持架构成。摩擦细分输出轴33通过三组键28与谐波定齿轮29内环固连，消除摩擦细分传动机构和谐波传动机构中的径向间隙。谐波定齿轮29通过齿轮间的啮合连接谐波揉轮27，谐波揉轮27通过齿轮间的啮合连接谐波动齿轮21，谐波揉轮27位于谐波定齿轮29和谐波动齿轮21之间，通过椭圆度产生谐波，实现摩擦细分输出轴33输入驱动力的第二级细分。谐波动齿轮21连接谐波输出轴23，谐波输出轴23连接垂直转台联轴节10或水平转台联轴节15，谐波输出轴23与垂直转台联轴节10的连接为无径向间隙连接，谐波输出轴23与水平转台联轴节15的连接为无径向间隙连接。谐波动齿轮21安装在谐波动齿轮座20上，谐波动齿轮座20固定连接外摩擦环32，具体连接外摩擦环32。外摩擦环32连接谐波固定法兰22，谐波固定法兰22连接谐波动齿轮座20，谐波固定法兰22还连接设备基座2，谐波固定法兰22用于实现谐波传动机构的整体支撑和定位，以及用于与摩擦细分传动机构的固连定位，也就是说超高分辨率驱动单元通过谐波固定法兰22与设备基座2的连接实现支撑。内摩擦环19、外摩擦环止推轴系24、外摩擦环径向轴系25、摩擦轮止推轴系26、摩擦轮主轴30、摩擦轮环31、外摩擦环32和摩擦细分输出轴33构成摩擦细分传动机构。谐波动齿轮座20、谐波动齿轮21、谐波固定法兰22、谐波输出轴23、谐波揉轮27和谐波定齿轮29构成谐波传动机构。步进电机17输出轴的转动带动摩擦细分传动机构，并通过摩擦细分输出轴33输出驱动力至谐波传动机构，谐波传动机构进行第二级细分后通过谐波输出轴23输出至垂直转台联轴节10或水平转台联轴节15。

本发明的垂直转台止推轴系7和垂直转台径向轴系8、水平转台止推轴系13和水平转台径向轴系14分别构成一体化密珠轴系，一体化密珠轴系代替常规滚动轴承，在简化回转轴系结构的同时提高轴系精度，并且通过精简轴系机构提高设备的可靠性。密珠轴系结构配合摩擦式减速机构(内摩擦环19、摩擦轮环31和外摩擦环32等)与谐波传动机构串联式动力传输单元，实现两维转台高转角分辨率，以及高回转精度。垂直转台1由回转轴系实现高精度回转运动中的轴向与径向精密导向，并通过垂直转台测角单元11反馈角度值。利用步进电机17与摩擦细分传动机构(也可称为摩擦式减速机构)、谐波传动机构(也可称为谐波减速机构)组成传动单元，提供回转运动过程中的高精度动力输入。利用垂直转台测角单元11与串联传动机构实现较高的转角分辨率。水平转台4设计与原理与垂直转台1类似，主要区别在于轴系结构进一步简化，利用轴向、径向一体化止推密珠轴系实现绕水平转台4的高精度回转运动。

本发明一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备的结构布局：

现有技术方案采用分离式的转台和平行光管结构，难以长期保证标定设备的稳定性，长久保持实现标定精度，因此不适合在生产现场对红外相机的内方位元素进行高精度标定。本发明提高标定设备的环境适应性和可靠性，对传统高精度垂直转台1结构和水平转台4结构进行了改进和精简和集成，使得标定设备的尺寸、体积满足生产现场条件下的综合使用要求；提高对测试环境的温度、湿度、照明环境等适应性，不仅能在实验室工况下获得较高的标定精度，也适用于大批量产品对内方位元素标定效率和精度的综合需求。同时本发明的标定设备使用操作简便，标定效率高。

本发明提出设备的一体化构型，简化回转轴系结构，同时实现待测摄像机与标定设备的集成化布置，有助于提高设备的长期稳定性。并具体对高精度垂直转台1和水平转台4的结构形式进行了精简，缩短的精度传递链路可以进一步提高标定设备的精度提高设备的可靠性和可维护性，并在保证标定精度的同时降低研发成本。

本发明一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备具备标定精度高、标定效率高、可靠性高、操作简易、环境适应能力强等显著特点。可适用于高测量精度红外摄像机在生产、装配环节的内方位元素标定。

本发明标定设备的超高分辨率驱动单元：

现有技术内方位元素标定设备为提高角度采样密度，实现较高的内方位元素标定精度，常采用复杂的单级传动机构，以实现较大的减速比，那么一方面降低设备的可靠性和稳定性，另一方面难以保证较大转角范围内的细分精度，仅适合小视场摄像机的标定需求。内方位元素标定精度的前提条件是要求作为标准角度发生工具的转台具备较高的回转分辨率，对于微米量级的主点和主距标定精度要求最小回转角度达到0.1″。现有方案多采用电子学细分或单级大减速比齿轮机构实现。存在的问题在于较高的电子学细分会引起步进电机17扭矩损失，并提高电机控制系统的研发成本。而大减速比齿轮机构一方面存在由尺间隙引起的空回和爬行现象，难以保证实际分辨率；另一方面还会造成设备体积增大，制造成本上升、转动效率下降等的问题。

本发明通过设计的摩擦细分传动机构和谐波传动机构构成两级机械细分单元，利用摩擦力传递过程中的无间隙、无空回特性实现高扭矩、高分辨率动力输入，保证较大转角范围内的细分精度，适合大视场摄像机的标定需求。

本发明中采用三组摩擦轮(摩擦轮主轴30和摩擦轮环31)实现无间隙机械细分，通过调节电机输出轴预紧环18实现超高传动刚度，大幅提高动力输入的效率和步进分辨率。此外，本发明还采用了与摩擦细分传动机构一体化的谐波传动机构，压缩传动单元体积、精简有效部件的同时，可以实现更高的传动效率。谐波传动机构一方面通过多齿捏合消除间隙，另一方面也具备传动刚度大的特点，实现输出的无间隙二级细分。

上述综合控制系统34连接垂直转台1内电机、垂直转台测角单元11、水平转台4内电机、水平转台测角单元12、光学准直系统3中照明系统、待测摄相机、五维微动调整台5。

综合控制系统34主要包括5方面功能，首先实现垂直转台1内电机与垂直转台测角单元11构成闭环运动系统的测控，实现水平转台4内电机与水平转台测角单元12构成闭环运动系统的测控，以及光学准直系统3中照明系统的调控。其次，实现与待测摄相机之间的数据交互与数据采集控制、时间统一控制。第三，用于实现测试过程中角度数据、图像数据的采集和记录。第四，用于对测量数据和图像的后续处理，基于专门算法解算待测摄像机的内方位元素，并提供必要的数据后处理功能。第五，实现设备的初始调整和技术状态自检与诊断，保证测试数据的可靠性以及标定设备的长期稳定性。

综合控制系统34用于控制垂直转台1回位至零位基准、控制水平转台4回位至零位基准、控制水平转台4转动、控制垂直转台1转动。综合控制系统34内载测量软件、计算软件、控制软件。综合控制系统34能依据待测摄像机焦距、光学准直系统3光学参数等计算出五维微动调整台5所需要调整的量，并将其显示在综合控制系统34自身的监视器上。综合控制系统34中设定标定轨迹，设定采样间隔角(对应垂直转台1转动角度、水平转台4转动角度)、视场范围、采样时间等参数。综合控制系统34控制垂直转台1转动，控制垂直转台1转动依据设定的采样间隔带动待测摄像机绕垂直转台1回转轴旋转，转角等于设定的待测摄像机的子午方向采样间隔角。综合控制系统34控制水平转台4转动，控制水平转台4转动依据设定的采样间隔带动待测摄像机绕水平转台4回转轴旋转，可在待测摄相机的一侧视场边缘对应的下一行像元接收到光学靶标像。综合控制系统34能向待测摄像机、垂直转台测角单元11和水平转台测角单元12同步发送触发信号，能同步记录水平转台4和垂直转台1在采样时刻的角度值，并能采集同一时刻由光学准直系统3模拟、待测摄像机采集的远场光学靶标图像信息。综合控制系统34对采集并存储的图像进行处理计算，解算出待测摄像机的主点、主距，并拟合各视场的畸变。综合控制系统34也能显示所有测量数据。

使用本发明的标定设备进行标定工作时，将待测摄像机固连在设备五维微动调整台5的连接台面上，开启综合控制系统34，综合控制系统34控制垂直转台1、水平转台4自动回位至零位基准。在此状态下利用综合控制系统34(其上的监视器)上可以投射出电子十字丝，电子十字丝用于指示零位与待测摄像机CCD探测器坐标系零点之间的相对偏差。操作人员可据此通过综合控制系统34控制水平转台4转动使待测摄像机光轴由一侧视场角回转至另一侧视场角。综合控制系统34内载的测量软件通过计算电子十字丝与两侧视场的像元高度差，即像高差，计算出待测摄像机在标定设备坐标系中的横滚角。综合控制系统34依据待测摄像机焦距、光学准直系统3光学参数等计算出五维微动调整台5所需要调整的量，并将其显示在综合控制系统34的监视器上，供操作人员参考。基于上述流程迭代调整五维微动调整台5，使待测摄像机中其光轴、其探测器像元行列方向确定的三轴分别一一对应的光学准直系统3的光轴平行、水平转台4的回转轴平行、垂直转台1的回转轴平行，则可以进入内方位元素标定环节。

标定前需要在综合控制系统34中设定标定轨迹，并调整光学准直系统3的照明光源，以满足测试工况的照明环境。在综合控制系统34中设定采样间隔、视场范围、采样时间等参数后，可控制标定设备进入自动标定状态。照明光源采用锥形布置的LED照明光路配合光学准直系统3实现明亮场景下的高对比度照明，以此提高目标点质心提取精度，并适应复杂工况下的设备使用需求。垂直转台1带动待测摄像机在水平面上(绕垂直转台1回转轴)旋转至光学准直系统3光轴对准弧矢面内的一侧视场边缘，垂直转台1带动待测摄像机旋转至光学准直系统3光轴对准弧矢面内的另一侧视场边缘；水平转台4能带动光学准直系统3绕待测摄像机入瞳旋转，使光学准直系统3光轴对准子午面内的一侧视场边缘，水平转台4能带动光学准直系统3绕待测摄像机入瞳旋转，使光学准直系统3光轴对准子午面内的另一侧视场边缘。在此状态下，垂直转台1依据设定的采样间隔带动待测摄像机绕垂直转台1旋转，转角等于设定的子午方向采样间隔角。待测摄像机旋转到位后，综合控制系统34向待测摄像机、即垂直转台测角单元11和水平转台测角单元12同步发送触发信号，同步记录水平转台4和垂直转台1在采样时刻的角度值，并采集同一时刻由光学准直系统3模拟、待测摄像机采集的远场光学靶标图像信息。上述角度值和图像信息均以一定的命名规则存储至综合控制系统34中。此后垂直转台1依据设定的子午方向采样间隔，带动待测摄像机水平回转至下一标定位置，重复上述过程再次记录对应的图像信息和角度信息，直至转动至待测摄相机同一行像元的另一侧视场边缘位置。此时，综合控制系统34控制水平转台4带动光学准直系统3回转弧矢方向设定的步进角度(即采样间隔角)，可在待测摄相机的一侧视场边缘对应的下一行像元接收到光学靶标像。此后由综合控制系统34控制垂直转台1反方向步进采样间隔角并依次重复上述采样测量过程、记录角度和图像数据。根据上述工作原理，可以在设定的测量视场范围内采集与图像对应的俯仰角和方位角度值并记录于综合控制系统34中。

完成初始数据采集后，综合控制系统34对采集并存储的图像进行处理，计算出每幅图像中光学靶标的灰度质心位置，并在初始CCD探测器像元坐标系中记录为质心的x和y向坐标。上述坐标与每一采样时刻记录的水平转台测角单元12和垂直转台测角单元11反馈的角度值一一对应，形成测量数据表单。标定设备依据初始入住的标定参数和上述测量数据处理表单可自动解算出待测摄像机的主点、主距，并拟合各视场的畸变，显示在后处理界面上。测试人员可根据测试需求，显示不同的数据组合，并对上述测试数据进行进一步加工处理、显示、打印、生成报告等操作。

本发明通过使用综合控制系统34，使得本发明的可靠性更高、操作更简易、环境适应能力更强、自动化程度高，适用于高测量精度红外摄像机在生产、装配环节的内方位元素标定。解决了对于标定数据的存储记录以及后续处理大多需要测试人员手工记录和录入、难以满足测试效率需求、并且需要操作人员具备较高的专业知识才可进行操作和标定的问题。利用五维操作台和电子十字丝指示信标，实现待测摄像机与标定设备之间的高精度装调，降低对操作人员的专业技能要求。利用自编的全自动测试流程规划、数据采集、数据处理、测量结果显示和数据后处理程序，实现计算机辅助测量和全自动采集，在确保标定精度的前提下，大幅提高内方位元素标定效率。本发明在高精度光学测量系统的生产、制造等领域具有广泛的应用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备，包括设备基座(2)、垂直转台(1)、水平转台(4)、光学准直系统(3)和五维微动调整台(5)；其特征在于，

所述垂直转台(1)设置在设备基座(2)上，垂直转台(1)包括垂直转台台面(6)、垂直转台止推轴系(7)、垂直转台径向轴系(8)、垂直转台超高分辨率驱动单元(9)、垂直转台联轴节(10)和垂直转台测角单元(11)，垂直转台测角单元(11)连接垂直转台台面(6)，垂直转台止推轴系(7)连接垂直转台台面(6)和设备基座(2)，垂直转台径向轴系(8)连接垂直转台台面(6)和设备基座(2)，垂直转台联轴节(10)一端无间隙连接垂直转台径向轴系(8)另一端无间隙连接垂直转台超高分辨率驱动单元(9)；所述垂直转台(1)具有单自由度且为方位自由度；

所述水平转台(4)设置在设备基座(2)上，水平转台(4)包括水平转台测角单元(12)、水平转台止推轴系(13)、水平转台径向轴系(14)、水平转台联轴节(15)和水平转台超高分辨率驱动单元(16)，水平转台止推轴系(13)连接光学准直系统(3)的支臂和设备基座(2)，水平转台测角单元(12)连接水平转台止推轴系(13)，水平转台径向轴系(14)连接光学准直系统(3)的支臂和设备基座(2)，水平转台联轴节(15)一端无间隙连接水平转台径向轴系(14)另一端无间隙连接水平转台超高分辨率驱动单元(16)；所述水平转台(4)具有单自由度且为俯仰自由度，水平转台(4)的回转轴与垂直转台(1)的回转轴垂直且共面；

所述五维微动调整台(5)设置在垂直转台(1)上，五维微动调整台(5)用于放置待测摄像机和用于调整放置在其上的待测摄像机的位姿；

所述光学准直系统(3)连接水平转台(4)，光学准直系统(3)的光轴、水平转台(4)的回转轴和垂直转台(1)的回转轴相交。

2.如权利要求1所述的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备，其特征在于，通过调整五维微动调整台(5)所述待测摄像机的探测器行列像元方向能够一一对应的平行于水平转台(4)回转轴和垂直转台(1)回转轴；光学准直系统(3)的光轴能平行于待测摄像机的光轴；待测摄像机的入瞳中心能够同时与光学准直系统(3)的光轴、水平转台(4)的回转轴和垂直转台(1)的回转轴相交；垂直转台(1)能带动待测摄像机旋转至光学准直系统(3)的光轴对准弧矢面内的视场边缘，水平转台(4)能带动光学准直系统(3)绕待测摄像机入瞳旋转，使光学准直系统(3)的光轴对准子午面内的视场边缘。

3.如权利要求1所述的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备，其特征在于，所述标定设备还包括综合控制系统(34)，所述综合控制系统(34)控制垂直转台(1)的转动、连接垂直转台测角单元(11)、控制水平转台(4)的转动、连接水平转台测角单元(12)、连接光学准直系统(3)、连接待测摄相机并采集待测摄相机的图像。

4.如权利要求3所述的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备，其特征在于，所述综合控制系统(34)能根据采集的待测摄相机的图像提供五维微动调整台(5)的调整数据。

5.如权利要求1所述的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备，其特征在于，所述垂直转台超高分辨率驱动单元(9)和水平转台超高分辨率驱动单元(16)结构相同。

6.如权利要求5所述的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备，其特征在于，所述垂直转台超高分辨率驱动单元(9)和水平转台超高分辨率驱动单元(16)均包括电机机构、摩擦细分传动机构和谐波传动机构，电机机构、摩擦细分传动机构和谐波传动机构顺次传动连接，谐波传动机构传动连接垂直转台联轴节(10)或水平转台联轴节(15)。

7.如权利要求6所述的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备，其特征在于，所述电机机构包括电机和电机输出轴预紧环(18)；所述摩擦细分传动机构包括；内摩擦环(19)、外摩擦环止推轴系(24)、外摩擦环径向轴系(25)、摩擦轮止推轴系(26)、摩擦轮主轴(30)、摩擦轮环(31)、外摩擦环(32)和摩擦细分输出轴(33)；谐波传动机构包括谐波定齿轮(29)、谐波揉轮(27)、谐波动齿轮(21)、谐波动齿轮座(20)、谐波固定法兰(22)和谐波输出轴(23)；

所述电机输出轴与内摩擦环(19)通过过盈配合连接，电机输出轴预紧环(18)套在步进电机(17)输出轴上且位于内摩擦环(19)两端，内摩擦环(19)、摩擦轮环(31)和外摩擦环(32)顺次接触连接，摩擦轮环(31)套在摩擦轮主轴(30)上，摩擦轮止推轴系(26)连接摩擦轮主轴(30)和摩擦轮环(31)，外摩擦环(32)连接外摩擦环止推轴系(24)和外摩擦环径向轴系(25)，外摩擦环止推轴系(24)与外摩擦环径向轴系(25)均连接摩擦细分输出轴(33)，摩擦细分输出轴(33)与谐波定齿轮(29)内环固连，谐波定齿轮(29)、谐波揉轮(27)和谐波动齿轮(21)顺次啮合连接，谐波动齿轮(21)连接谐波输出轴(23)，谐波动齿轮(21)通过谐波动齿轮座(20)固定连接外摩擦环(32)。

8.如权利要求7所述的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备，其特征在于，所述摩擦细分输出轴(33)通过键(28)与谐波定齿轮(29)内环固连。

9.如权利要求7所述的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备，其特征在于，所述谐波输出轴(23)连接垂直转台联轴节(10)或水平转台联轴节(15)。

10.如权利要求1所述的一种大视场红外摄像机内方位元素标定设备，其特征在于，所述水平转台止推轴系(13)的轴和水平转台径向轴系(14)的轴共线，垂直转台止推轴系(7)的轴和垂直转台径向轴系(8)的轴共线。

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