CN115526937A - 一种大靶面ccd立靶快速标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及靶场测试技术领域，具体涉及一种大靶面CCD立靶快速标定系统。该系统，包括标定组件、双线阵相机、电动升降桅杆和横向固定杆构成的T型支架；所述横向固定杆上等间距均布有多个目标模拟杆，目标模拟杆的端面上粘贴有反射膜片；多个反射膜片位于双线阵相机光轴交汇平面上，所述多个目标模拟杆的下方中间位置设置有距离测量仪；所述双线阵相机设置于同一水平面。本发明的有益效果是：采用多个目标模拟杆可以同时在测量光幕内指示多个空间坐标点，提高空间平面方程对测量幕面的拟合精度，该装置在CCD相机内外参数的标定具有更高精度的优点；同时对幕面所在的位置没有严格的要求，CCD立靶测量幕面的位置更加灵活，使用更加方便，同时提高了对飞行目标着靶参数测量系统的可操作性和适用范围。

Description

一种大靶面CCD立靶快速标定系统

技术领域

本发明涉及靶场测试技术领域，具体涉及一种大靶面CCD立靶快速标定的装置。

背景技术

在武器装备研制和生产过程中，射击参数比如射击密集度、弹丸速度等是我国国防工业中需要测量的基础参数，在舰炮、甚至自行火炮等武器系统的研制、生产和实验过程中都需要测量。通过对飞行目标着靶参数测量的研究，能大大提升武器性能的测试工作，也能很大程度的提高我国现代武器科学的发展，为我国军事力量的发展打下坚实基础。

目前在靶场测试中，典型的虚拟立靶测试技术主要有高速相机双目测试法、多光幕交汇测试法、双线阵相机交汇测试法。线阵相机的成像几何模型其实可以理解成面阵相机的特殊情况，对面阵相机成像几何模型进行研究，引出线阵相机成像几何模型。面阵相机所拍摄的图像中，存在目标的外形三维特征，颜色信息，同样也存在目标特征点的位置信息，而机器视觉测量技术的核心，就是利用相机所采集的目标图像，通过目标图像处理获取目标特征点的二维信息，再利用空间几何等一系列方法，推导出物体的三维信息。通过对线阵相机模型的推导，研究单个线阵相机的标定方法，并对标定过程中线阵相机内外参数表达式进行推导，从而完成标定，得到测量值。

现有技术对飞行目标着靶的标定，通常包括CCD立靶线阵相机，而经过立靶时空间位置不同的、用来验证标定精度的模拟弹丸则需要逐一验证，存在的问题是：因镜头畸变等影响，测量标定误差过大，装置加工、装调和使用均不方便，采用的标定方法效率低、针对的目标单一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种大靶面CCD立靶快速标定系统，解决现有标定技术存在的测量标定误差过大，装置加工、装调和使用均不方便，同时测量方法效率低和测量、目标单一的问题。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是：一种大靶面CCD立靶快速标定系统，包括标定组件和双线阵相机。所述标定组件包括电动升降桅杆和横向固定杆构成的T型支架；所述横向固定杆的水平方向上等间距垂直设置有多个目标模拟杆，目标模拟杆的端面上粘贴有反射膜片，多个反射膜片位于双线阵相机光轴交汇平面上，所述多个目标模拟杆的下方中间位置设置有距离测量仪；所述双线阵相机设置于同一水平面。

进一步的，上述电动升降桅杆设置于可移动基座上。

进一步的，上述可移动基座下部设置有水平调节地脚。

进一步的，上述距离测量仪设置于可移动基座上，朝向探测方向。

进一步的，上述距离测量仪是激光测距仪或拉绳式位移传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的装置中，由于需要应用于双线阵相机交汇结构设计中，因此提供的目标模拟杆不限数量，理论上，目标模拟杆越多，该标定装置的精度越高，多个目标模拟杆可以同时在测量光幕内指示多个空间坐标点，从而提高空间平面方程对测量幕面的拟合精度，从而使得该装置在CCD相机内外参数的标定具有更高精度的优点；同时本发明装置带可移动基座，可以很方便地安装在与幕面相对应的位置，对幕面所在的位置没有严格的要求，使得CCD立靶测量幕面的位置更加灵活，使用更加方便，从而可以对CCD立靶进行快速标定。

2、本发明在大靶面CCD立靶坐标测量幕面上给出尽可能多所需的空间坐标点，并给出指示以供对应计算机使用特定畸变模型后的标定结果，确定其在统一空间基准下的三维坐标，使建立的空间平面数学方程更高精度的代表实际的测量幕面。

通过对模拟飞行目标的着靶参数实验结果分析，说明该装置不仅能满足设计指标的要求，具有精准度高的特点，改正了由于传统标定方法需要人为将幕面上的每一个空间点逐一进行标定，从而导致标定效率低下、目标单一的缺点，进而提高了对飞行目标着靶参数测量系统的可操作性和适用范围。

3、两线阵相机的光轴相交于空间中的某一点，其视场可形成一个垂直的光电探测区域，该探测区域即为实际需要标定的幕面。通过双线阵相机捕获飞行目标垂直飞跃待测幕面时的图像，利用高速采集卡采集到飞行目标图像的像素中心点，推算出其世界坐标，也就是着靶坐标，这样就不存在装置加工和装调复杂的问题。

4、多个目标模拟杆在横向固定杆上以固定间距固定，当电动升降桅杆带动横向固定杆在高度方向上移动时，可模拟不同位置的弹丸在幕面的空间坐标点。

3、并为长距离、气象条件可控的室内靶道的空间基准提供一种快速、高精度的标定过程和思路。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的侧视图结构示意图；

图3是本基于发明中双线阵相机交汇测量示意图；

图4是基于本发明对应的标定原理图；

图中，1-目标模拟杆，2-激光测距仪，3-电动升降桅杆，4-横向固定杆，5-反射膜片，6-可移动基座，7-水平调节地脚，8-线阵相机。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件所替代。

如图1和2所示，本发明提供的一种大靶面CCD立靶快速标定系统，其包括目标模拟杆1、双线阵相机8、距离测量仪2、电动升降桅杆3和横向固定杆4。结合激光指示，建立测量幕面空间点指示系统。

实施例：一种大靶面CCD立靶快速标定系统，包括标定组件和双线阵相机。所述标定组件包括电动升降桅杆3和横向固定杆4构成的T型支架，所述电动升降桅杆3设置于可移动基座6上，可移动基座可使所有的目标模拟杆1快速进入CCD立靶或所需探测的靶面的探测视场内。所述可移动基座6通过下部设置的水平调节地脚7进行调平，使横向固定杆4处于水平状态。所述横向固定杆4的水平方向上等间距垂直设置有多个目标模拟杆1，目标模拟杆1的端面上粘贴有反射膜5，多个反射膜5位于双线阵相机光轴交汇平面上。所述多个目标模拟杆1的下方中间位置设置有距离测量仪，所述距离测量仪是激光测距仪2；所述双线阵相机由两个线阵相机8构成，两个线阵相机8设置于同一水平面。所述距离测量仪设置于可移动基座6上，朝向探测方向。

目标模拟杆1用于模拟穿过测量光幕的弹丸目标，将其固定在电动升降桅杆3的顶端，并在其一端的端面粘贴反射膜片5，并使反射膜端面5与激光指示光学平面尽可能的相切和重合，以方便激光测距仪2进行更准确测距。

电动升降桅杆3主要用来带动目标模拟杆1在测量幕面的高度方向上移动，使其在不同的测量幕面内定位空间点。激光测距仪2可准确测量处每次目标模拟杆1的高度移动距离。

采用激光投线仪生成可见激光指示平面，使CCD立靶的待标定幕面可见，以便于使用目标模拟杆在幕面范围内进行指示。

使用该装置的目标模拟杆，多次同时在可见激光指示平面上内指示出多个空间坐标点，从而计算组成待标定幕面的双线阵相机的具体摆放位置和角度。

使用本系统建立有效畸变模型，这样就可以使用该装置的目标模拟杆在待标定幕面各空间点上进行模拟定位验证。

如图3所示，利用本发明装置进行测量的方法是：

步骤一：搭建待标定幕面的快速标定装置系统

通过对CCD立靶线阵相机8交汇测量原理确定得到的两线阵相机具体摆放位姿，使其光轴相交于空间中的某一点，其视场可形成一个垂直的光电探测区域，需要进行标定的幕面在该区域内。使用激光投线仪生成可见激光指示平面，与双线阵相机光心处在同一平面内，使得CCD立靶的待标定幕面可见，以便于使用目标模拟杆1在幕面范围内进行指示。使用激光测距仪2将本系统放置在待标定幕面的对应位置，通过水平调节地脚7调整标定装置至水平放置。

步骤二：通过快速标定装置，辅助确定组成待测光幕的双线阵相机光心与主光轴位置。

设置本发明的装置的多个反射膜片5的平面与激光光学指示平面相切重合，当电动升降桅杆3带动横向固定杆在高度方向上移动时，多个模拟目标杆1便可以同时在测量光幕内指示出多个空间坐标点。

通过该快速标定系统中的多个模拟目标杆1同时在测量光幕内指示出多个空间坐标点，使其多个模拟目标点在单侧线阵相机中采集到的像素值为同一数值，即采集到的图像像素中心点像素坐标。使不同模拟目标点组成的直线通过了光心，记录坐标；调整目标模拟杆的不同角度与高度重复该过程两次或多次，找到多条过光心的直线，从而找到单侧相机的光心位置；再次调整目标模拟杆的不同角度与高度，使其多个模拟目标点组成的直线在线阵相机的像素值为0，记录坐标，则该直线为单侧线阵相机的主光轴。同理可得另一侧相机的光心和主光轴。

步骤三：通过有效标定方法校正畸变

采集双线阵相机捕获飞行目标垂直飞跃靶面时的图像，需要利用采集到飞行目标图像的像素中心点，推算出其世界坐标，也就是着靶坐标。由于镜头畸变的存在，按如下方法建立畸变模型，得到畸变参数。最后，通过该装置采集的空间点即弹丸目标模拟杆的坐标，可以利用标定算法将空间点上的每一个位置所需要的算法模型参数一一标定出来。按照前面所描述的交汇测量模型推导出双线阵相机的联合标定，也就是对该系统的标定。

将单个相机所需要标定的内、外参数一一表示出来，即面阵相机的DLT标定法。

进一步地，从面阵相机推导出架设的双线阵相机视场与标定靶面平行时线阵相机的基本标定原理，表示出来理想情况下需要标定的所有内参数(α,u₀)，外参数(R,T)。

进一步地，考虑标定时镜头径向畸变、离心畸变和薄棱镜畸变对结果的影响，畸变参数分别以k₀,k₁,k₂表示。镜头畸变模型为：

若不考虑三阶径向畸变，则可以简化为：

若不考虑离心畸变和薄棱镜畸变，模型可简化为：

进一步地，引入非线性优化的方法，来重新获得线阵相机的内参数，外参数和镜头畸变参数。非线性优化问题其实相当于是对建立的非线性函数通过一系列计算求出其最值。求最值问题首先需要建立一个目标函数，根据上文叙述的线阵相机8标定过程，这里的目标函数一般采用图像坐标的重投影误差，来构建代价函数，并使该函数多次迭代，直到其值最小，从而也就估计出了所需要的参数值。其对应的计算公式为：

式中

是世界坐标特征点P_w(X_w,Y_w,Z_w)在线阵相机8像面上投影的像素坐标，通过线阵相机几何模型可求出。采用LM优化算法来解决线阵相8机标定参数的最优解。该方法的大致步骤为：

设置初始值x₀，以及初始优化半径μ。

对于第k次迭代，求解：

计算ρ；

若ρ大于3/4，则μ＝2μ；若ρ小于1/4，则μ＝0.5μ；

如果ρ大于设置阈值，认为近似可行。另x_k+1＝x_k+Δx_k。判断算法是否收敛，不收敛返回b那一步，否之结束。该方法的关键在于初始值和迭代次数的选择，其中畸变参数(k₀,k₁,k₂)的初始值可以设为0，通过每一次的迭代，对初始值有一个重新估值。而相机中的内参数(u₀,α,β)、外参数(R,T)的初始值便可以通过公式计算出来，通过每一次迭代，使得目标函数开始收敛，迭代停止。此时，所估计出来的值也是相对较为精确的参数值。利用上文研究到的线阵相机标定方法获取初始值以及结合非线性优化算法，从而能够快速获取更加精确的单个线阵相机的标定结果。

进一步地，按照前面所描述的交汇测量模型推导出双线阵相机的联合标定，也就是对CCD立靶幕面的标定。利用利用左、右相机标定的参数进行联合标定，联合标定其实是为了得到本课题测量系统中两个线阵相机的位置关系，为了获得这一关系可以同时对两个线阵相机进行标定，分别得到两相机相对同一坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，获得这两个矩阵，再根据下面的公式计算，能够得到了两个相机的相对位置关系，也就完成了联合标定。

进一步地，将已知验证模拟弹丸已知参数与畸变参数结合后，重新代入并计算验证弹丸的世界坐标准确度，从而验证最终标定的准确度。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所属原理的前提下，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 (5)

1.一种大靶面CCD立靶快速标定系统，包括标定组件和双线阵相机，其特征在于：所述标定组件包括电动升降桅杆（3）和横向固定杆（4）构成的T型支架；所述横向固定杆（4）的水平方向上等间距垂直设置有多个目标模拟杆（1），目标模拟杆（1）的端面上粘贴有反射膜片（5），多个反射膜片（5）位于双线阵相机光轴交汇平面上，所述多个目标模拟杆（1）的下方中间位置设置有距离测量仪；所述双线阵相机设置于同一水平面。

2.根据权利要求1所述的一种大靶面CCD立靶快速标定系统，其特征在于：所述电动升降桅杆（3）设置于可移动基座（6）上。

3.根据权利要求1或2所述的一种大靶面CCD立靶快速标定系统，其特征在于：所述的可移动基座（6）下部设置有水平调节地脚（7）。

4.根据权利要求3所述的一种大靶面CCD立靶快速标定系统，其特征在于：所述距离测量仪设置于可移动基座（6）上，朝向探测方向。

5.根据权利要求4所述的一种大靶面CCD立靶快速标定系统，其特征在于：所述距离测量仪是激光测距仪（2）或拉绳式位移传感器。

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