CN114111570A - 一种二维自准直仪及基于其的图像定位计算方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维自准直仪及基于其的图像定位计算方法和装置，属于精密仪器制造与光学精密测量领域，方法为：根据正交狭缝组，在初始图像中截取与目标图像对应像素点的数据；在像素点的数据上扣除暗电流与背景光信号，通过图像灰度重心法，得到目标图像中心的初步位置；根据目标图像中心的初步位置，生成余弦型参考函数；将该参考函数与目标图像数据作互相关分析，互相关函数的最大值所对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心的实际位置；利用目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差，计算待测目标的待测角度。本发明提供的目标图像特征可减小自准直仪随机误差，并实现二维角度测量。

Description

一种二维自准直仪及基于其的图像定位计算方法和装置

技术领域

本发明属于精密仪器制造与光学精密测量技术领域，更具体地，涉及一种二维自准直仪及基于其的图像定位计算方法。

背景技术

随着技术的发展，精密测量与精密加工对小角度的精确测量提出了越来越高的要求。光电自准直仪具有精度高、操作简单、非接触测量和测量距离灵活等优点，广泛应用于科学研究、精密机械制造、长度计量等领域的小角度精密测量、瞄准与定位等场合。然而，在很多科学实验与高端装备制造中，当前的商用自准直仪的测量分辨率与噪声水平已经不能满足高精度的测角需求。

为此，国际上众多研究小组对提高自准直的灵敏度进行深入研究，如Cowsik等利用一组阵列式狭缝代替传统自准直仪的单狭缝分划板，通过求加权平均的方式对整个多缝结构质心进行定位，实现了高灵敏度的一维自准直仪；朱凡等通过光路放大单元与共光路设计，分别用PSD与QPD探测目标角度与参考光束并做差，实现了高分辨率与高稳定性的自准直仪。

目前高精度自准直仪的发展仍存在多种问题，比如有的只实现了一维高分辨率测量，有的难以兼顾分辨率与量程，有的无法在全量程内保证高精度，或者合作目标反射镜不通用，以及有些分划板容易出现死区，不利于二维角度的测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种二维自准直仪及基于其的图像定位计算方法和装置，旨在解决现有的自准直仪由于无法兼顾分辨率与量程或分划板容易出现死区，或合作目标反射镜不通用，因此对目标角度难以维持高分辨率测量的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种二维自准直仪，包括：光源、分划板、第一分光镜、准直物镜、第二分光镜、第一图像传感器和第二图像传感器；

第一分光镜和第二分光镜平行放置；第一图像传感器位于第二分光镜的透射方向；第二图像传感器位于第二分光镜的反射方向；光源位于第一分光镜的入射方向，且分划板位于光源与第一分光镜之间；在第一分光镜的反射方向放置有准直物镜；在准直物镜的透射方向放置目标反射镜；

分划板、第一图像传感器和第二图像传感器均位于光路模块等效的准直物镜的焦平面上；

分划板包括相互垂直的竖排狭缝和横排狭缝，位于光源照射的一个平面上；竖排狭缝的像与靶面水平的第一图像传感器相交；横排狭缝的像与靶面竖直的第二图像传感器相交；

分划板用于接收光源提供的光束，将光束分解为两组正交的多路子光路；

第一分光镜用于将多路子光路反射，透过准直物镜至目标反射镜；

目标反射镜用于将多路子光路反射至准直物镜后，透过第一分光镜；

第二分光镜用于将透过第一分光镜的准直光束分解为正交的两组反射光束；

第一图像传感器和第二图像传感器用于采集正交的两组反射光束形成的目标图像。

优选地，第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一线阵CCD探测器和第二线阵CCD探测器；或第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一CMOS传感器和第二CMOS传感器。

第二方面，本发明提供了二维自准直仪的图像定位计算装置，包括：二维自准直仪和信号处理系统；二维自准直仪的输出端与信号处理系统的输入端连接；

自准直仪用于提供两组正交反射光束形成的初始图像，并用于提供相互垂直的竖排狭缝和横排狭缝；其中，两组正交反射光束为经目标反射镜反射后形成的正交反射光束；

信号处理系统用于根据正交狭缝组的排列及宽度，在初始图像中截取与目标图像对应像素点的数据；在像素点的数据上扣除暗电流与背景光信号，通过图像灰度重心法，得到目标图像中心的初步位置；根据目标图像中心的初步位置，生成余弦型参考函数；将该参考函数与目标图像数据作互相关分析，互相关函数的最大值所对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心的实际位置；利用目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差，计算待测目标的待测角度。

优选地，信号处理系统包括：光信号数据获取模块、光信号数据处理模块、目标图像中心的初步获取模块、余弦型参考函数的生成模块、目标图像中心的最终获取模块和待测目标的实际角度计算模块；

光信号数据获取模块，用于根据正交狭缝组的排列及宽度，在初始图像中从前到后或从后到前截取与目标图像对应像素点的数据，得到目标图像所在区域的像素点索引及其对应的光强信号数据；

光信号数据处理模块，用于选取目标狭缝的图像区域之外的像素点数据作为本底，在目标图像所在区域对应的光强信号数据上扣除暗电流与背景光信号；

目标图像中心的初步获取模块，用于基于扣除本底后的光强信号数据，通过图像灰度重心法，得到目标图像中心的初步位置；

余弦型参考函数的生成模块，用于根据目标图像中心的初步位置，生成余弦型参考函数；参考函数的横坐标与目标图像所在区域的像素点索引对应，其形状与目标图像形状一致，包含的周期数等于狭缝数量，其初相位与目标图像初步位置关联；

目标图像中心的最终获取模块，用于将参考函数与目标图像数据作互相关分析，求出互相关函数的最大值；最大值对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心的实际位置；

待测目标的实际角度计算模块，用于根据目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差，计算待测目标的待测角度。

优选地，待测目标的待测角度为：

θ＝arctan(Δd/f)×1/2

其中，θ为待测目标的待测角度；Δd为目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差；f为自准直仪的准直物镜焦距。

优选地，位置零点的获取方法为：

利用高精度的角锥棱镜作为检验目标，使准直光束与多路子光路在准直物镜与第一分光镜间的传播重合，返回至第一图像传感器和第二图像传感器获取的图像位置为位置零点。

优选地，二维自准直仪中的第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一线阵CCD探测器和第二线阵CCD探测器；或第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一CMOS传感器和第二CMOS传感器。

第三方面，本发明提供了一种基于二维自准直仪的图像定位计算方法，包括以下步骤：

利用横排狭缝和竖排狭缝将光源提供的光束分解为两组正交的多路子光路；

将多路子光路经第一分光镜反射后准直至目标反射镜；

利用第二分光镜将准直光束分解为正交的两组反射光束；

正交的两组反射光束分别传输至第一图像传感器和第二图像传感器形成初始图像；

根据正交狭缝组的排列及宽度，从前到后或从后到前截取与目标图像对应像素点的数据，得到目标图像所在区域的像素点索引及其对应的光强信号数据；

光信号数据处理模块，用于选取目标狭缝的图像区域之外的像素点数据作为本底，在目标图像所在区域对应的光强信号数据上扣除暗电流与背景光信号；

基于扣除本底后的光强信号数据，通过图像灰度重心法，得到目标图像中心的初步位置；

根据目标图像中心的初步位置，生成余弦型参考函数；参考函数的横坐标与目标图像所在区域的像素点索引对应，其形状与目标图像形状一致，包含的周期数等于狭缝数量，其初相位与目标图像初步位置关联；

将参考函数与目标图像数据作互相关分析，求出互相关函数的最大值；最大值对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心的实际位置；

根据目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差，计算待测目标的待测角度。

优选地，待测目标的待测角度为：

θ＝arctan(Δd/f)×1/2

其中，θ为待测目标的待测角度；Δd为目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差；f为自准直仪的准直物镜焦距。

优选地，位置零点的获取方法为：

利用高精度的角锥棱镜作为检验目标，使准直光束与多路子光路在准直物镜与第一分光镜间的传播重合，返回至第一图像传感器和第二图像传感器获取的图像位置为位置零点。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的分划板分为相互垂直的竖排狭缝和横排狭缝，不管是竖排狭缝还是横排狭缝当数量较多时，第一图像传感器和第二图像传感器每进行一次实验，可以等效为获取多个结果，将多个结果进行取平均处理或者其他操作，更多的目标图像特征可以减小自准直仪随机误差；并且将横排狭缝和竖排狭缝做在同一个分划板上，能够从一维自准直仪转换为二维自准直仪，实现高分辨率的二维角度测量。

本发明得到目标图像中心的初步位置后，针对多狭缝分划板，将图像传感器获取的初始图像与余弦型参考函数作互相关分析的图像定位计算，迭代计算出互相关函数最大时初始图像和余弦型参考函数的相位差，再将目标图像的位置转换到初始图像的实际位置，该方法可以有效地提高目标图像位置的提取精度，使自准直仪实现更高分辨率的角度测量。

本发明利用高精度大范围的高速线阵CCD或CMOS图像传感器监测狭缝组的目标图像，根据量程与采样率的设计需求优化图像传感器的选型，能够实现兼顾高精度、大量程与高采样率的角度测量。

本发明利用正交多狭缝组分划板和高精度的狭缝组目标图像定位计算方法，本发明能够在结构简单的装置上实现高精度的二维角度测量，并且测量精度与量程可以通过调整狭缝数量、宽度和长度以进行优化设计，以选择更高的测量精度或者更大的测量范围。并且该自准直仪只需要使用普通反射镜作为待测目标反射镜，在保证测量精度的同时，通用性强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于正交多狭缝与线阵CCD的二维自准直仪的结构示意图；

标记说明：

1：光源；2：分划板；3：第一分光镜；4：准直物镜；5：目标反射镜；6：第二分光镜；7：第一线阵CCD探测器；8：第二线阵CCD探测器；9：狭缝。

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，并不用于限定本发明。

第一方面，本发明提供了一种二维自准直仪，包括：光源、分划板、第一分光镜、准直物镜、第二分光镜、第一图像传感器和第二图像传感器；

第一分光镜和第二分光镜平行放置；第一图像传感器位于第二分光镜的透射方向；第二图像传感器位于第二分光镜的反射方向；光源位于第一分光镜的入射方向，且分划板位于光源与第一分光镜之间；在第一分光镜的反射方向放置有准直物镜；在准直物镜的透射方向放置目标反射镜；

分划板、第一图像传感器和第二图像传感器均位于光路模块等效的准直物镜的焦平面上；

分划板包括相互垂直的竖排狭缝和横排狭缝，位于光源照射的一个平面上；竖排狭缝的像与靶面水平的第一图像传感器相交；横排狭缝的像与靶面竖直的第二图像传感器相交；

分划板用于接收光源提供的光束，将光束分解为两组正交的多路子光路；

第一分光镜用于将多路子光路反射，透过准直物镜至目标反射镜；

目标反射镜用于将多路子光路反射至准直物镜后，透过第一分光镜；

第二分光镜用于将透过第一分光镜的准直光束分解为正交的两组反射光束；

第一图像传感器和第二图像传感器用于采集正交的两组反射光束形成的目标图像。

优选地，第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一线阵CCD探测器和第二线阵CCD探测器；或第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一CMOS传感器和第二CMOS传感器。

第二方面，本发明提供了一种二维自准直仪的图像定位计算装置，包括：二维自准直仪和信号处理系统；二维自准直仪的输出端与信号处理系统的输入端连接；

自准直仪用于提供两组正交反射光束形成的初始图像，并用于提供相互垂直的竖排狭缝和横排狭缝；其中，两组正交反射光束为经目标反射镜反射后形成的正交反射光束；

信号处理系统用于根据正交狭缝组的排列及宽度，在初始图像中截取与目标图像对应像素点的数据；在像素点的数据上扣除暗电流与背景光信号，通过图像灰度重心法，得到目标图像中心的初步位置；根据目标图像中心的初步位置，生成余弦型参考函数；将该参考函数与目标图像数据作互相关分析，互相关函数的最大值所对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心的实际位置；利用目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差，计算待测目标的待测角度。

优选地，信号处理系统包括：光信号数据获取模块、光信号数据处理模块、目标图像中心的初步获取模块、余弦型参考函数的生成模块、目标图像中心的最终获取模块和待测目标的实际角度计算模块；

光信号数据获取模块，用于根据正交狭缝组的排列及宽度，在初始图像中从前到后或从后到前截取与目标图像对应像素点的数据，得到目标图像所在区域的像素点索引及其对应的光强信号数据；

光信号数据处理模块，用于选取目标狭缝的图像区域之外的像素点数据作为本底，在目标图像所在区域对应的光强信号数据上扣除暗电流与背景光信号；

目标图像中心的初步获取模块，用于基于扣除本底后的光强信号数据，通过图像灰度重心法，得到目标图像中心的初步位置；

余弦型参考函数的生成模块，用于根据目标图像中心的初步位置，生成余弦型参考函数；参考函数的横坐标与目标图像所在区域的像素点索引对应，其形状与目标图像形状一致，包含的周期数等于狭缝数量，其初相位与目标图像初步位置关联；

目标图像中心的最终获取模块，用于将参考函数与目标图像数据作互相关分析，求出互相关函数的最大值；最大值对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心的实际位置；

待测目标的实际角度计算模块，用于根据目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差，计算待测目标的待测角度。

优选地，待测目标的待测角度为：

θ＝arctan(Δd/f)×1/2

其中，θ为待测目标的待测角度；Δd为目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差；f为自准直仪的准直物镜焦距。

优选地，位置零点的获取方法为：

利用高精度的角锥棱镜作为检验目标，使准直光束与多路子光路在准直物镜与第一分光镜间的传播重合，返回至第一图像传感器和第二图像传感器获取的图像位置为位置零点。

优选地，二维自准直仪中的第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一线阵CCD探测器和第二线阵CCD探测器；或第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一CMOS传感器和第二CMOS传感器。

第三方面，本发明提供了一种基于二维自准直仪的图像定位计算方法，包括以下步骤：

利用横排狭缝和竖排狭缝将光源提供的光束分解为两组正交的多路子光路；

将多路子光路经第一分光镜反射后准直至目标反射镜；

利用第二分光镜将准直光束分解为正交的两组反射光束；

正交的两组反射光束分别传输至第一图像传感器和第二图像传感器形成初始图像；

根据正交狭缝组的排列及宽度，从前到后或从后到前截取与目标图像对应像素点的数据，得到目标图像所在区域的像素点索引及其对应的光强信号数据；

光信号数据处理模块，用于选取目标狭缝的图像区域之外的像素点数据作为本底，在目标图像所在区域对应的光强信号数据上扣除暗电流与背景光信号；

基于扣除本底后的光强信号数据，通过图像灰度重心法，得到目标图像中心的初步位置；

根据目标图像中心的初步位置，生成余弦型参考函数；参考函数的横坐标与目标图像所在区域的像素点索引对应，其形状与目标图像形状一致，包含的周期数等于狭缝数量，其初相位与目标图像初步位置关联；

将参考函数与目标图像数据作互相关分析，求出互相关函数的最大值；最大值对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心的实际位置；

根据目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差，计算待测目标的待测角度。

优选地，待测目标的待测角度为：

θ＝arctan(Δd/f)×1/2

其中，θ为待测目标的待测角度；Δd为目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差；f为自准直仪的准直物镜焦距。

优选地，位置零点的获取方法为：

利用高精度的角锥棱镜作为检验目标，使准直光束与多路子光路在准直物镜与第一分光镜间的传播重合，返回至第一图像传感器和第二图像传感器获取的图像位置为位置零点。

实施例

第一方面，图1为本发明实施例提供的基于正交多狭缝与线阵CCD的二维自准直仪的结构示意图，包括：

亮度均匀的光源1，如面光源或经扩束准直后的LED光源；

分划板2，光源1均匀照亮两组正交排列的狭缝；每组狭缝均包括多条透光的细缝；

第一分光镜3，透过分划板狭缝的光线经分50/50的第一分光镜3反射，透过准直物镜4，入射到待测目标反射镜5上；

目标反射镜5，透过准直物镜4入射到目标反射镜5反射后，重新入射至准直物镜4，并透过第一分光镜3；

第二分光镜6，将透过第一分光镜3的光束分为两束，分别入射到高灵敏度低暗电流的第一线阵CCD探测器7和第二线阵CCD探测器8上；

第一线阵CCD探测器7和第二线阵CCD探测器8用于独立探测x和y两个正交方向的目标图像；

其中，分划板2、第一线阵CCD探测器7和第二线阵CCD探测器8均位于光路模块等效的准直物镜4的焦平面上；

其中，分划板2中竖排狭缝的像与靶面水平的第一线阵CCD探测器7相交；横排狭缝的像与靶面竖直的第二线阵CCD探测器8相交，分别探测两个方向的角度；通过合理排布两组狭缝的长度与CCD的安装位置，以及对CCD数据进行划分筛选处理，使两个方向的光信号不相互干涉；

分划板2的狭缝9宽度与数量可根据自准直仪设计的焦距、量程与分辨率等进行优化，如在分辨率要求高的场合，可选取横、竖的两组狭缝均由100个宽50微米、间隔50微米的平行狭缝构成，在量程要求大的场合可以减少狭缝数量，如每组使用10个狭缝；

第一线阵CCD探测器7和第二线阵CCD探测器8分别探测的是经目标反射镜5反射的划分板2横、竖方向的狭缝9的像，得到一系列随空间呈明暗交替分布的初始图像数据；

第二方面，基于上述提供的二维自准直仪，本实施例提供了图像定位计算装置，包括：

二维自准直仪，具体功能见上述陈述；

光信号数据获取模块，用于根据正交狭缝组的排列及宽度，从前到后或从后到前在初始图像中截取与目标图像对应像素点的数据，得到目标图像所在区域的像素点索引及其对应的光强信号数据；

光信号数据处理模块，用于选取目标狭缝的图像区域之外的CCD测量数据作为本底，对CCD原始测量数据的暗电流与背景光信号进行扣除；

目标图像中心的初步获取模块，用于对扣除本底后的CCD测量数据通过图像灰度重心法，初步得到目标图像中心在CCD上的位置；

余弦型参考函数的生成模块，用于根据初步得到的目标图像中心，生成理想的余弦型参考函数，该参考函数的横坐标与CCD像素点索引对应，形状与CCD探测的目标图像形状一致，包含的周期数等于狭缝数量，初相位与目标图像初步位置关联；

目标图像中心的最终获取模块，用于将该参考函数与CCD的目标图像数据作互相关分析，求出互相关函数的最大值，该最大值所对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心在CCD上的实际位置；

待测目标的实际角度计算模块，用于基于目标图像中心在CCD上的实际位置与位置零点的偏差Δd，根据公式θ＝arctan(Δd/f)×1/2，计算待测目标的待测角度，其中，f为二维自准直仪的物镜焦距。

当目标反射镜发生转动后，CCD探测到的光斑中心位置会发生相应的移动，测量角度的输出值会发生相应的变化。

第三方面，本发明提供了图像定位计算方法，包括以下步骤：

光源均匀照亮两组正交排列的狭缝，透过狭缝的光线经第一分光镜反射后，透过准直物镜4后入射至待测目标反射镜5上；

透过准直物镜4的光经待测目标反射镜5反射后，重新入射至准直物镜，透过第一分光镜3；

将透过第一分光镜3的光束分为两束，分别入射到高灵敏度低暗电流的第一线阵CCD探测器7和第二线阵CCD探测器上；

第一线阵CCD探测器7和第二线阵CCD探测器8独立探测x和y两个正交方向的目标图像；

根据正交狭缝组的排列及宽度，按照一定顺序在x和y两个正交方向的目标图像上截取与目标图像对应像素点的数据，得到目标图像所在区域的像素点索引及其对应的光强信号数据；

选取目标狭缝的图像区域外的CCD测量数据作为本底，将在光强信号数据中扣除暗电流和背景光信号；

对扣除本底的正交CCD测量数据通过图像灰度中心法，初步得出目标图像中心在CCD上的位置；

根据初步得到的目标图像中心，生成余弦型参考函数；其中，该参考函数的横坐标与CCD像素点索引对应，形状与CCD探测的目标图像形状一致，包含的周期数等于狭缝的数量；初相位与目标图像初步位置关联；

将该参考函数与CCD的目标图像数据作互相关分析，求出互相关函数的最大值，该最大值所对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心在CCD上的实际位置；

最终得到目标图像中心在CCD上的实际位置与位置零点的偏差Δd，根据公式θ＝arctan(Δd/f)×1/2，计算待测目标的待测角度，其中，f为二维自准直仪的物镜焦距。

若装置中所使用的准直物镜4焦距为f，待测角度为θ＝arctan(Δd/f)×1/2；由于物镜焦距f难以精确测量，可以利用高精度的标准角度或更高精度的自准直仪以对本发明进行标定，更精确地测量出装置输出结果与实际角度的系数并进行校正，从而充分发挥本发明的高分辨率与高重复性的优势，实现本装置的高精度角度测量。

本发明的量程、分辨率与数据采样速率可以在线阵图像传感器选型方面进行优化，需要更高的分辨率时，采用单个像元更小的线阵CCD或CMOS传感器；需要更大的量程时，选择感光面总长更长的器件。在需要高速测量的场合，可以选择传输速率快的线阵CMOS传感器并适当减少像素点；这三方面的指标可以根据设计目标进行综合优化，选择合适的线阵图像传感器的型号。

综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下有益效果：

本发明提供的分划板分为相互垂直的竖排狭缝和横排狭缝，不管是竖排狭缝还是横排狭缝当数量较多时，第一图像传感器和第二图像传感器每进行一次实验，可以等效为获取多个结果，将多个结果进行取平均处理或者其他操作，更多的目标图像特征可以减小自准直仪随机误差的优势；并且将横排狭缝和竖排狭缝做在同一个分划板上，能够从一维自准直仪转换为二维自准直仪，实现二维角度测量，进一步提高自准直仪的测量分辨率。

本发明得到目标图像中心的初步位置后，针对多狭缝分划板，将图像传感器获取的初始图像与余弦型参考函数作互相关分析的图像定位计算，迭代计算出互相关函数最大时初始图像和余弦型参考函数的相位差，再将目标图像的位置转换到初始图像的实际位置，该方法可以有效地提高目标图像位置的提取精度，使自准直仪实现更高分辨率的角度测量。

本发明利用高精度大范围的高速线阵CCD或CMOS图像传感器监测狭缝组的目标图像，根据量程与采样率的设计需求优化图像传感器的选型，能够实现兼顾高精度、大量程与高采样率的角度测量。

本发明利用正交多狭缝组分划板和高精度的狭缝组目标图像定位计算方法，本发明能够在结构简单的装置上实现高精度的二维角度测量，并且测量精度与量程可以通过调整狭缝数量、宽度和长度以进行优化设计，以选择更高的测量精度或者更大的测量范围。并且该自准直仪只需要使用普通反射镜作为待测目标反射镜，在保证测量精度的同时，通用性强。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二维自准直仪，其特征在于，包括：光源、分划板、第一分光镜、准直物镜、第二分光镜、第一图像传感器和第二图像传感器；

所述第一图像传感器和所述第二图像传感器分别位于所述第二分光镜的透射方向和反射方向；所述光源位于第一分光镜的入射方向，且所述分划板位于所述光源与所述第一分光镜之间；所述第二分光镜位于第一分光镜的透射方向；所述准直物镜放置在第一分光镜的反射方向；所述目标反射镜位于所述准直物镜的透射方向；所述分划板、所述第一图像传感器和所述第二图像传感器均位于光路模块等效的准直物镜的焦平面上；

所述分划板包括相互垂直的竖排狭缝和横排狭缝，位于光源照射的一个平面上；竖排狭缝的像与靶面水平的第一图像传感器相交；横排狭缝的像与靶面竖直的第二图像传感器相交；其中，横排狭缝和竖排狭缝均大于等于1；

所述分划板用于接收光源提供的光束，将光束分解为两组正交的多路子光路；所述第一分光镜用于将多路子光路反射，反射后的多路子光路透过准直物镜至目标反射镜；所述目标反射镜用于将多路子光路反射至准直物镜后，透过第一分光镜；所述第二分光镜用于将透过第一分光镜的准直光束分解为正交的两组反射光束；所述第一图像传感器和第二图像传感器用于采集正交的两组反射光束形成的初始图像。

2.根据权利要求1所述的二维自准直仪，其特征在于，所述第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一线阵CCD探测器和第二线阵CCD探测器；或第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一CMOS传感器和第二CMOS传感器。

3.一种基于二维自准直仪的图像定位计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用横排狭缝和竖排狭缝将光源提供的光束分解为两组正交的多路子光路；

将多路子光路经第一分光镜反射后准直至目标反射镜；

利用第二分光镜将准直光束分解为正交的两组反射光束；

正交的两组反射光束分别传输至第一图像传感器和第二图像传感器形成初始图像；

根据横排狭缝和竖排狭缝的排列及宽度，从初始图像中截取与目标图像对应像素点的数据，得到目标图像所在区域的像素点索引及其对应的光强信号数据；

在初始图像中选取除目标狭缝对应区域之外的像素点数据作为本底，在目标图像所在区域对应的光强信号数据上扣除暗电流与背景光信号；

基于扣除本底后的光强信号数据，通过图像灰度重心法，得到目标图像中心的初步位置；

根据目标图像中心的初步位置，生成余弦型参考函数；参考函数的横坐标与目标图像所在区域的像素点索引对应，其形状与目标图像形状一致，包含的周期数等于狭缝数量，其初相位与目标图像初步位置关联；

将参考函数与目标图像数据作互相关分析，求出互相关函数的最大值；最大值对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心的实际位置；

根据目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差，计算待测目标的待测角度；

其中，所述二维自准直仪为权利要求1所述的二维自准直仪。

4.根据权利要求3所述的图像定位计算方法，其特征在于，待测目标的待测角度为：

θ＝arctan(Δd/f)×1/2

其中，θ为待测目标的待测角度；Δd为目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差；f为自准直仪的准直物镜焦距。

5.根据权利要求3或4所述的图像定位计算方法，其特征在于，所述位置零点的获取方法为：

利用角锥棱镜作为检验目标，使准直光束与多路子光路在准直物镜与第一分光镜间的传播重合，返回至第一图像传感器和第二图像传感器获取的图像位置为位置零点。

6.一种基于二维自准直仪的图像定位计算装置，其特征在于，包括：二维自准直仪和信号处理系统；所述二维自准直仪的输出端与信号处理系统的输入端连接；其中，所述二维自准直仪为权利要求1所述的二维自准直仪；

所述自准直仪用于提供两组正交反射光束形成的初始图像，并用于提供相互垂直的竖排狭缝和横排狭缝；其中，两组正交反射光束为经目标反射镜反射后形成的正交反射光束；

所述信号处理系统用于根据正交狭缝组的排列及宽度，在初始图像中截取与目标图像对应像素点的数据；在像素点的数据上扣除暗电流与背景光信号，通过图像灰度重心法，得到目标图像中心的初步位置；根据目标图像中心的初步位置，生成余弦型参考函数；将参考函数与目标图像数据作互相关分析，互相关函数的最大值所对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心的实际位置；利用目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差，计算待测目标的待测角度。

7.根据权利要求6所述的图像定位计算装置，其特征在于，所述信号处理系统包括：光信号数据获取模块、光信号数据处理模块、目标图像中心的初步获取模块、余弦型参考函数的生成模块、目标图像中心的最终获取模块和待测目标的实际角度计算模块；

所述光信号数据获取模块用于根据正交狭缝组的排列及宽度，在初始图像中从前到后或从后到前截取与目标图像对应像素点的数据，得到目标图像所在区域的像素点索引及其对应的光强信号数据；

所述光信号数据处理模块用于选取目标狭缝的图像区域之外的像素点数据作为本底，在目标图像所在区域对应的光强信号数据上扣除暗电流与背景光信号；

所述目标图像中心的初步获取模块用于基于扣除本底后的光强信号数据，通过图像灰度重心法，得到目标图像中心的初步位置；

所述余弦型参考函数的生成模块用于根据目标图像中心的初步位置，生成余弦型参考函数；参考函数的横坐标与目标图像所在区域的像素点索引对应，其形状与目标图像形状一致，包含的周期数等于狭缝数量，其初相位与目标图像初步位置关联；

所述目标图像中心的最终获取模块用于将参考函数与目标图像数据作互相关分析，求出互相关函数的最大值；最大值对应的横坐标位置加上参考函数对应的初始位置，获取目标图像中心的实际位置；

所述待测目标的实际角度计算模块用于根据目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差，计算待测目标的待测角度。

8.根据权利要求6或7所述的图像定位计算装置，其特征在于，所述待测目标的待测角度为：

θ＝arctan(Δd/f)×1/2

其中，θ为待测目标的待测角度；Δd为目标图像中心的实际位置与位置零点的偏差；f为自准直仪的准直物镜焦距。

9.根据权利要求8所述的图像定位计算装置，其特征在于，所述位置零点的获取方法为：

利用角锥棱镜作为检验目标，使准直光束与多路子光路在准直物镜与第一分光镜间的传播重合，返回至第一图像传感器和第二图像传感器获取的图像位置为位置零点。

10.根据权利要求6所述的图像定位计算装置，其特征在于，所述二维自准直仪中的第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一线阵CCD探测器和第二线阵CCD探测器；或第一图像传感器和第二图像传感器分别为第一CMOS传感器和第二CMOS传感器。

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