專(zhuān)利名稱：一種基于準(zhǔn)直光路的角秒級(jí)三維變形測(cè)量裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)變形測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于準(zhǔn)直光路的角秒級(jí)三維變形測(cè)量裝置與方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)變形測(cè)量技術(shù)可廣泛用于大型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)變形測(cè)量和高精度姿態(tài)基準(zhǔn)傳遞等方面，具有測(cè)量精度高、直接測(cè)量、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。目前的光學(xué)變形測(cè)量大多采用準(zhǔn)直光路方法實(shí)現(xiàn)。中國(guó)專(zhuān)利CN97251378. 7、美國(guó)專(zhuān)利US7227627、《中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)》雜志2006年第3期中“一種艦船變形測(cè)量方法的研究與應(yīng)用”和《長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)》雜志2006年第 3期中“車(chē)載平臺(tái)變形的激光自準(zhǔn)直測(cè)量方法研究”論文公開(kāi)了一類(lèi)基于自準(zhǔn)直光路、平面反射鏡和面陣CXD (Charge Coupled Device，電荷耦合器件)的二維變形測(cè)量裝置，該裝置如圖I所示，主要由光源I、光闌2、分光鏡3、面陣CCD探測(cè)器4、光學(xué)系統(tǒng)5和平面反射鏡6構(gòu)成。該裝置可以實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)載體之間的相對(duì)變形，為了方便起見(jiàn)將其中一個(gè)載體稱為待測(cè)物，另外一個(gè)載體稱為參考基準(zhǔn)?？蓪⒃摐y(cè)量裝置的平面反射鏡6與待測(cè)物固連，其余部分與參考基準(zhǔn)固連，反之亦然。這種測(cè)量裝置的測(cè)量光學(xué)變形的方法是利用光源I照射光闌2，透過(guò)光闌2的光部分透過(guò)分光鏡3，然后通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)5對(duì)光闌2進(jìn)行成像，所成的光闌像經(jīng)過(guò)平面反射鏡6、分光鏡3和光學(xué)系統(tǒng)5后成像在面陣CXD探測(cè)器4上，根據(jù)面陣CCD探測(cè)器的光闌圖像位置解算變形。該裝置可以測(cè)量與光軸垂直方向的二維變形，不能測(cè)量繞光軸方向的旋轉(zhuǎn)角變形。該裝置的二維變形測(cè)量精度可以達(dá)到角秒量級(jí)。美國(guó)專(zhuān)利US7697127公開(kāi)了一種測(cè)量繞光軸旋轉(zhuǎn)角的裝置，該裝置如圖2所示，主要由光源I、光闌2和面陣探測(cè)器8構(gòu)成。該裝置的光闌2采用周期結(jié)構(gòu)的光闌，由光闌2和面陣探測(cè)器8實(shí)現(xiàn)繞光軸7旋轉(zhuǎn)角測(cè)量，具體測(cè)量方法在光源I照射下光闌2直接投影到面陣探測(cè)器8上，利用圖像處理方法處理面陣探測(cè)器8探測(cè)光闌圖像得到旋轉(zhuǎn)角變化。該裝置可以測(cè)量繞光軸7的旋轉(zhuǎn)角，但不能測(cè)量與光軸垂直方向的角度變化。由于沒(méi)有準(zhǔn)直光路和直接投影的圖像質(zhì)量限制，該裝置的旋轉(zhuǎn)角測(cè)量精度難以達(dá)到角秒量級(jí)。中國(guó)專(zhuān)利CN200410010856. 3、《計(jì)量技術(shù)》雜志2005年第4期中“干涉法在船體角度變形測(cè)量中的應(yīng)用”、《光學(xué)技術(shù)》雜志2005年第5期中“船體三維角度變形的自準(zhǔn)直干涉測(cè)量方法”和《飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)》2009年第3期中“基于莫爾條紋測(cè)量法設(shè)計(jì)的船體變形測(cè)量系統(tǒng)”論文公開(kāi)了一類(lèi)干涉類(lèi)型的三維變形測(cè)量裝置，該裝置組成與圖I所示裝置類(lèi)似，如圖3所不，由第一光源I、光闌2、第一分光棱鏡3、第二分光棱鏡12、第三分光棱鏡7、光學(xué)系統(tǒng)5、反射鏡6、第一面陣(XD探測(cè)器41、第二光源9、自準(zhǔn)直光柵10、貓準(zhǔn)光柵11和第二面陣CCD探測(cè)器42構(gòu)成。該裝置的測(cè)量方法是利用第一光源I、光闌2、第一分光棱鏡3、第二分光棱鏡12、第三分光棱鏡7、光學(xué)系統(tǒng)5、反射鏡6、第一面陣(XD探測(cè)器41構(gòu)成一套自準(zhǔn)直光路，采用與圖I類(lèi)似的方法測(cè)量與光軸垂直方向的二維變形角；利用第二光源9、自準(zhǔn)直光柵10、第二分光棱鏡12、第三分光棱鏡7、光學(xué)系統(tǒng)5、反射鏡6、貓準(zhǔn)光柵11和第二面陣CCD探測(cè)器42構(gòu)成一套光柵干涉光路，采用莫爾條紋方法測(cè)量繞光軸方向的旋轉(zhuǎn)角變形。該方法測(cè)量的與光軸垂直方向的二維變形(方位和俯仰方向變形)精度較高，能達(dá)到角秒量級(jí)；繞光軸方向的變形(橫滾方向變形)測(cè)量精度相對(duì)較低，難以達(dá)到角秒量級(jí)。該裝置采用部件較多且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，具有制作難度大、穩(wěn)定性相對(duì)較低和成本高等特點(diǎn)?！豆鈱W(xué)精密工程》雜志2008年第11期中“船體變形測(cè)量的新技術(shù)”和《長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)》雜志2006年第3期中“基于測(cè)量船角變形光電測(cè)量系統(tǒng)的研究”論文介紹了一種采用大鋼管的三維變形測(cè)量裝置，該裝置的主要結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由第一發(fā)射光管13、第二發(fā)射光管14、第一接收光管19、第二接收光管18、大鋼管16、鋼管安裝座24、第一測(cè)扭光管20、第一反射鏡15、第二測(cè)扭光管21和第二反射鏡17構(gòu)成，用于測(cè)量待測(cè)物22與參考基準(zhǔn)23之間的三維變形。其中，第一發(fā)射光管13、第二發(fā)射光管14、第一測(cè)扭光管20、第二測(cè)扭光管21和第二反射鏡17都與待測(cè)物22固連；第一接收光管19、第二接收光管18、第二測(cè)扭光管21都與參考基準(zhǔn)23固連；第一反射鏡15與大鋼管16的一端固連，第二反射鏡17與大鋼管16的另一端固連；大鋼管16采用特殊材料設(shè)計(jì)加工，具有溫度穩(wěn)定性好和 橫滾方向變形小等特點(diǎn)；大鋼管16由鋼管安裝座24安裝，鋼管安裝座24能夠支撐大鋼管16并且不會(huì)使大鋼管16在橫滾方向產(chǎn)生變形。在第一接收光管19、第二接收光管18、第一測(cè)扭光管20和第二測(cè)扭光管21內(nèi)部都分別安裝了線陣CCD探測(cè)器。該裝置通過(guò)第一發(fā)射光管13和第一接收光管19構(gòu)成一套自準(zhǔn)直光路，測(cè)量待測(cè)物22與參考基準(zhǔn)之間的俯仰方向變形；通過(guò)第二發(fā)射光管14和第二接收光管18構(gòu)成一套自準(zhǔn)直光路，測(cè)量待測(cè)物22與參考基準(zhǔn)之間的方位方向變形；通過(guò)第一測(cè)扭光管20和第一反射鏡15測(cè)量待測(cè)物22與大鋼管16 —端之間在橫滾方向的變形，通過(guò)第二測(cè)扭光管21和第二反射鏡17測(cè)量參考基準(zhǔn)23與大鋼管16另一端在橫滾方向的變形，由此計(jì)算待測(cè)物22與參考基準(zhǔn)23在橫滾方向的變形。該裝置能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量待測(cè)物22與參考基準(zhǔn)23之間的三維變形，方位、俯仰和橫滾方向變形的測(cè)量精度都可以達(dá)到角秒量級(jí)，但該裝置具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、加工難度大和占用空間大等不足。如何既能實(shí)時(shí)測(cè)量待測(cè)物和參考基準(zhǔn)之間的三維變形(方位、俯仰和橫滾方向變形)，又具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小、體積小和成本低等特點(diǎn)，是本領(lǐng)域技術(shù)人員極為關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種基于準(zhǔn)直光路的角秒級(jí)三維變形測(cè)量裝置與方法，可以同時(shí)測(cè)量三個(gè)方向(方位、俯仰和橫滾方向)變形，并且具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小和成本低等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明三維變形測(cè)量裝置由發(fā)射模塊、接收模塊和處理模塊三大部分構(gòu)成。發(fā)射模塊與參考基準(zhǔn)固連，接收模塊與待測(cè)物固連。發(fā)射模塊與接收模塊之間能夠通視，發(fā)射模塊發(fā)射的光束直接進(jìn)入接收模塊。該裝置能實(shí)時(shí)測(cè)量待測(cè)物與參考基準(zhǔn)的三維變形。發(fā)射模塊由光源、光闌和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。采用光學(xué)領(lǐng)域常用的光學(xué)固定座和調(diào)整架將光源、光闌和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)固定在參考基準(zhǔn)上。光闌位于光源和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)之間，且位于發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，光源和光闌的中心都在發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的光軸上，由此構(gòu)成發(fā)射準(zhǔn)直光路。光源照射光闌，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)將透過(guò)光闌的光束準(zhǔn)直發(fā)射到接收模塊中。光源可以是半導(dǎo)體激光器或LED或燈泡等。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)可以采用雙膠合透鏡或雙分離透鏡或多片透鏡組等類(lèi)型光學(xué)系統(tǒng)。光闌是在玻璃等透明材料上利用光刻等工藝加工而成的，加工后的光闌2有些部分透光，有些部分不透光。光闌2的透光部分采用LJL。為大于I的常數(shù))條直線結(jié)構(gòu)，各直線呈放射狀分布，直線結(jié)構(gòu)為透光部分，其余部分不透光。兩直線結(jié)構(gòu)光闌(如圖6(a)所示)的透光部分由兩條直線構(gòu)成，兩直線可互相垂直或不垂直。每條直線由兩個(gè)線段構(gòu)成，其中線段Lla、Llb構(gòu)成直線LI，線段L2a、L2b構(gòu)成直線L2。采用多直線結(jié)構(gòu)光闌可以提高變形測(cè)量精度，三條直線結(jié)構(gòu)光闌如6(b)所示，四條直線結(jié)構(gòu)光闌如6(c)所示，四條以上的直線結(jié)構(gòu)光闌依次類(lèi)推，直線越多，測(cè)量精度越高，但橫滾方向的形變測(cè)量范圍會(huì)減小。接收模塊由接收光學(xué)系統(tǒng)和面陣探測(cè)器構(gòu)成。采用光學(xué)領(lǐng)域常用的光學(xué)固定座和調(diào)整架將接收光學(xué)系統(tǒng)和面陣探測(cè)器固定在待測(cè)物上。面陣探測(cè)器位于接收光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，且其中心位于接收光學(xué)系統(tǒng)的光軸上，由此構(gòu)成接收準(zhǔn)直光路。接收光學(xué)系統(tǒng)可采 用雙膠合透鏡或雙分離透鏡或多片透鏡組等類(lèi)型光學(xué)系統(tǒng)，面陣探測(cè)器可采用灰度或彩色的面陣CCD或CMOS等類(lèi)型探測(cè)器。發(fā)射模塊發(fā)射的準(zhǔn)直光束經(jīng)過(guò)接收光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚后成像在面陣探測(cè)器上，面陣探測(cè)器探測(cè)的是光闌的直線結(jié)構(gòu)光闌圖像。處理模塊可采用工控機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或筆記本電腦等設(shè)備，在處理模塊中安裝了變形解算軟件。處理模塊通過(guò)千兆以太網(wǎng)、高速USB或1394等接口與面陣探測(cè)器連接，實(shí)時(shí)采集面陣探測(cè)器探測(cè)的光闌圖像，變形解算軟件計(jì)算三維變形。按圖5所不方式定義坐標(biāo)系，即發(fā)射模塊光軸方向?yàn)閅軸，與Y軸垂直且朝上的方向?yàn)閆軸，X軸與Y軸、Z軸垂直。當(dāng)參考基準(zhǔn)和待測(cè)物之間發(fā)生變形時(shí)，發(fā)射模塊與接收模塊之間會(huì)發(fā)生整體變形。相對(duì)于發(fā)射模塊，接收模塊整體繞Z軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生方位角變形，繞Y軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生橫滾角變形，繞X軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生俯仰角變形。當(dāng)發(fā)射模塊的光軸與接收模塊的光軸平行且發(fā)射模塊中光闌的水平直線與接收模塊的面陣探測(cè)器的水平中心線平行時(shí)，發(fā)射模塊與接收模塊之間的方位、俯仰和橫滾方向變形都為零。此時(shí)，面陣探測(cè)器探測(cè)的光闌圖像中心與面陣探測(cè)器中心重合，光闌圖像中直線結(jié)構(gòu)的某一直線(稱為水平直線)與面陣探測(cè)器的水平中心線平行，如圖7所示(圖中以兩直線結(jié)構(gòu)光闌為例，與面陣探測(cè)器的水平中心線平行的直線為水平直線)。當(dāng)發(fā)射模塊與接收模塊之間存在方位和俯仰方向變形時(shí)，面陣探測(cè)器探測(cè)的光闌圖像發(fā)生平移，光闌圖像中心偏離面陣探測(cè)器中心，如圖8所示(圖中以兩直線結(jié)構(gòu)光闌為例)。將光闌圖像中心與面陣探測(cè)器中心在X軸方向的偏移量記為ΛΧ，Z軸方向的偏移量記為Λ Z ;將接收模塊光學(xué)系統(tǒng)的焦距記為f。根據(jù)ΛΧ、ΛΖ和f可以計(jì)算方位方向變形V、俯仰方向變形Θ。當(dāng)發(fā)射模塊與接收模塊之間存在橫滾方向變形時(shí)，面陣探測(cè)器的光闌圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn)，如圖9所示(圖中兩直線結(jié)構(gòu)光闌為例)。光闌圖像中直線方向與面陣探測(cè)器中心線存在夾角P，該角度為橫滾方向變形。采用本發(fā)明所述裝置進(jìn)行變形測(cè)量的具體方法如下第一步，發(fā)射模塊的光源照射光闌，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)將透過(guò)光闌的光束準(zhǔn)直發(fā)射到接收模塊。第二步，接收模塊的接收光學(xué)系統(tǒng)接收發(fā)射模塊發(fā)射的光束，并將其會(huì)聚到面陣探測(cè)器上。
第三步，面陣探測(cè)器將接收的光束轉(zhuǎn)換成光闌圖像，此光闌圖像為數(shù)字化的彩色圖像或灰度圖像。第四步，處理模塊從面陣探測(cè)器接收光闌圖像。第五步，處理模塊中變形解算軟件根據(jù)光闌圖像按以下步驟計(jì)算三維變形5. I若面陣探測(cè)器是彩色類(lèi)型探測(cè)器，則將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像，可參照RafaelC. Gonzalez等編著、阮秋琦等翻譯、電子工業(yè)出版社2005年出版的《數(shù)字圖像處理(MATLAB版)》中151 160頁(yè)介紹的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換；若面陣探測(cè)器是灰度類(lèi)型探測(cè)器，則直接進(jìn)入步驟5. 2。5. 2對(duì)光闌圖像進(jìn)行圖像校正，可采用R. Y. Tsai在1986年IEEE Proceedings ofConference on Computer Vision and Pattern Recognition 發(fā)表的 An Efficient andAccurate Camera Calibration Technique For 3D Machine Vision 論文介紹的傳統(tǒng)標(biāo) 定或張正友在 2000 年第 11 期 IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence發(fā)表的A Flexible New Technique for Camera Calibration論文介紹的自標(biāo)定方法對(duì)光闌圖像進(jìn)行校正。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)畸變、接收光學(xué)系統(tǒng)畸變和面陣探測(cè)器畸變等會(huì)導(dǎo)致光闌圖像產(chǎn)生畸變，對(duì)光闌圖像的畸變進(jìn)行校正可提高變形測(cè)量精度。5. 3對(duì)校正后的光闌圖像進(jìn)行亮度分析，并濾除背景噪聲。對(duì)光闌圖像的所有像素根據(jù)亮度進(jìn)行排序，根據(jù)光闌的直線結(jié)構(gòu)的直線數(shù)量L。選取L3個(gè)(L3通常為L(zhǎng)。的10 100倍)最亮像素，根據(jù)選擇的最亮像素計(jì)算平均亮度，將該平均亮度作為光闌圖像的最大亮度I1AP根據(jù)最大亮度Ism和面陣探測(cè)器噪聲大小設(shè)置亮度閾值ITH，亮度閾值I 大于面陣探測(cè)器噪聲，且小于最大亮度Imax的20%。根據(jù)Ith濾除背景噪聲，將小于Ith的所有像素的亮度置為零。5. 4計(jì)算光闌圖像的各像素行的各直線中心點(diǎn)坐標(biāo)。濾除背景噪聲后，光闌圖像的每條直線在包含該直線的圖像像素行上對(duì)應(yīng)一段非零的亮度數(shù)據(jù)，根據(jù)該亮度數(shù)據(jù)可以計(jì)算該直線在圖像像素行上的中心點(diǎn)坐標(biāo)。將面陣探測(cè)器的光闌圖像行序號(hào)記為m，I 為光闌圖像的像素總行數(shù)，從下向上依次由小到大編號(hào)；將光闌圖像列序號(hào)記為η，1 < η < N，N為光闌圖像的像素總列數(shù)，從左向右依次由小到大編號(hào)。計(jì)算第I至第M行光闌圖像的各直線中心點(diǎn)坐標(biāo)，具體方法為5. 4. I 令 m=l ；5. 4. 2讀取第m行光闌圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)各像素的亮度大小和位置計(jì)算所有非零區(qū)段；根據(jù)各非零區(qū)段長(zhǎng)度判斷區(qū)段的有效性，若非零區(qū)段的像素長(zhǎng)度大于5且小于圖像行總長(zhǎng)的1/4則該非零區(qū)段有效，否則該非零區(qū)段無(wú)效；5. 4. 3計(jì)算第m行光闌圖像的有效非零區(qū)段總數(shù)Km。建立面陣探測(cè)器坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)O為面陣探測(cè)器中心，X軸和Z軸分別沿面陣探測(cè)器的水平中心線和垂直中心線。將第m行、η列圖像像素的灰度記為I (m，η)。計(jì)算第m行光闌圖像的第I至第Km個(gè)有效非零區(qū)段的中心坐標(biāo)，具體方法為5. 4. 3. I 令 km=l ；5. 4. 3. 2采用行亮度重心方法或行曲線擬合方法計(jì)算第Ii111個(gè)有效非零區(qū)段的中心坐標(biāo)；行亮度重心方法為按式(一)和式(二)分別計(jì)算光闌圖像第m行圖像第 <個(gè)有效非零區(qū)段的中心水平坐標(biāo)Xmkm和垂直坐標(biāo)Zmkm，其中nkms為第km個(gè)有效非零區(qū)段的起始圖像列序號(hào)，η-為第 <個(gè)有效非零區(qū)段的結(jié)束圖像列序號(hào)。由于km作為Xm的下標(biāo)后km的下標(biāo)中的“m”特別小，導(dǎo)致顯示不清楚，故在用km作為下標(biāo)時(shí)均寫(xiě)成“km”，如“Xmkm”所示，以下所有以km作為下標(biāo)的標(biāo)識(shí)都采用這種辦法。
Σ ",(爪，〃)
權(quán)利要求
1.一種基于準(zhǔn)直光路的角秒級(jí)三維變形測(cè)量裝置，其特征在于三維變形測(cè)量裝置由發(fā)射模塊(33)、接收模塊(34)和處理模塊(35)三大部分構(gòu)成，發(fā)射模塊(33)與參考基準(zhǔn)(23)固連，接收模塊(34)與待測(cè)物(22)固連，發(fā)射模塊(33)與接收模塊(34)之間能夠通視，發(fā)射模塊(33)發(fā)射的光束直接進(jìn)入接收模塊(34)； 發(fā)射模塊(33)由光源(I)、光闌⑵和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(31)構(gòu)成,光源(I)、光闌⑵和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(31)固定在參考基準(zhǔn)(23)上；光闌(2)位于光源(I)和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(31)之間，且位于發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(31)的焦平面上,光源(I)和光闌(2)的中心都在發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(31)的光軸上，由此構(gòu)成發(fā)射準(zhǔn)直光路；光源(I)照射光闌(2)，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(31)將透過(guò)光闌(2)的光束準(zhǔn)直發(fā)射到接收模塊(34)中；光源(I)是半導(dǎo)體激光器或LED或燈泡；發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(31)采用雙膠合透鏡或雙分離透鏡或多片透鏡組；光闌(2)是在玻璃等透明材料上利用光刻工藝加工而成的，加工后的光闌(2)有些部分透光，有些部分不透光，光闌(2)的透光部分采用L。條直線結(jié)構(gòu)，各直線呈放射狀分布，直線結(jié)構(gòu)為透光部分，其余部分不透光，Lc為大于I的常數(shù)；每條直線由兩個(gè)線段構(gòu)成，直線越多，測(cè)量精度越高，但橫滾方向的形變測(cè)量范圍會(huì)減??； 接收模塊(34)由接收光學(xué)系統(tǒng)(32)和面陣探測(cè)器(8)構(gòu)成，接收光學(xué)系統(tǒng)(32)和面陣探測(cè)器(8)固定在待測(cè)物(22)上；面陣探測(cè)器(8)位于接收光學(xué)系統(tǒng)(32)的焦平面上，且其中心位于接收光學(xué)系統(tǒng)(32)的光軸上，由此構(gòu)成接收準(zhǔn)直光路；接收光學(xué)系統(tǒng)(32)采用雙膠合透鏡或雙分離透鏡或多片透鏡組，面陣探測(cè)器(8)采用灰度或彩色的面陣CCD或CMOS探測(cè)器；發(fā)射模塊(33)發(fā)射的準(zhǔn)直光束經(jīng)過(guò)接收光學(xué)系統(tǒng)(32)會(huì)聚后成像在面陣探測(cè)器⑶上，面陣探測(cè)器⑶探測(cè)光闌(2)的直線結(jié)構(gòu)光闌圖像； 處理模塊(35)采用工控機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或筆記本電腦，在處理模塊(35)中安裝了變形解算軟件，處理模塊(35)通過(guò)千兆以太網(wǎng)、高速USB或1394接口與面陣探測(cè)器(8)連接，實(shí)時(shí)采集面陣探測(cè)器(8)探測(cè)的光闌圖像，變形解算軟件計(jì)算參考基準(zhǔn)(23)與待測(cè)物(22)之間的三維變形，包括方位角、俯仰角和橫滾角變形。
2.一種采用如權(quán)利要求I所述基于準(zhǔn)直光路的角秒級(jí)三維變形測(cè)量裝置進(jìn)行三維變形測(cè)量的方法，其特征在于包括以下步驟 第一步，發(fā)射模塊(33)的光源(I)照射光闌(2),發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(31)將透過(guò)光闌(2)的光束準(zhǔn)直發(fā)射到接收模塊(34)； 第二步，接收模塊(34)的接收光學(xué)系統(tǒng)(32)接收發(fā)射模塊發(fā)射的光束，并將其會(huì)聚到面陣探測(cè)器(8)上； 第三步，面陣探測(cè)器(8)將接收的光束轉(zhuǎn)換成光闌圖像，此光闌圖像為數(shù)字化的彩色圖像或灰度圖像； 第四步，處理模塊(35)從面陣探測(cè)器(8)接收光闌圖像； 第五步，處理模塊(35)中變形解算軟件根據(jù)光闌圖像按以下步驟計(jì)算三維變形 .5. I若面陣探測(cè)器(8)是彩色類(lèi)型探測(cè)器，則將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像；若面陣探測(cè)器(8)是灰度類(lèi)型探測(cè)器，則直接進(jìn)入步驟5. 2 ； . 5. 2采用傳統(tǒng)標(biāo)定或自標(biāo)定方法對(duì)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)畸變、接收光學(xué)系統(tǒng)畸變和面陣探測(cè)器畸變引起的光闌圖像畸變進(jìn)行校正； . 5. 3對(duì)校正后的光闌圖像進(jìn)行亮度分析，并濾除背景噪聲；` 5. 4將面陣探測(cè)器(8)的光闌圖像行序號(hào)記為m，I < m < M，M為光闌圖像的像素總行數(shù)，從下向上依次由小到大編號(hào)；將光闌圖像列序號(hào)記為n，I < η < Ν，Ν為光闌圖像的像素總列數(shù)，從左向右依次由小到大編號(hào)，計(jì)算第I至第M行光闌圖像的各直線中心點(diǎn)坐標(biāo)，具體方法為` 5. 4. I 令 m=l ； ` 5. 4. 2讀取第m行光闌圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)各像素的亮度大小和位置計(jì)算所有非零區(qū)段；根據(jù)各非零區(qū)段長(zhǎng)度判斷區(qū)段的有效性，若非零區(qū)段的像素長(zhǎng)度大于5且小于圖像行總長(zhǎng)的1/4則該非零區(qū)段有效，否則該非零區(qū)段無(wú)效； ` 5. 4. 3統(tǒng)計(jì)第m行光闌圖像的有效非零區(qū)段總數(shù)Km ;建立面陣探測(cè)器坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)O為面陣探測(cè)器(8)中心，X軸和Z軸分別沿面陣探測(cè)器的水平中心線和垂直中心線，將第m行、η列圖像像素的灰度記為I (m，η)，計(jì)算第m行光闌圖像的第I至第Km個(gè)有效非零區(qū)段的中心坐標(biāo)，具體方法為 ` 5. 4. 3. I 令 Iini= I ； `5. 4. 3. 2采用行亮度重心方法計(jì)算第Iini個(gè)有效非零區(qū)段的中心坐標(biāo)，行亮度重心方法為按式(一)和式(二)分別計(jì)算光闌圖像第m行圖像第km個(gè)有效非零區(qū)段的中心水平坐標(biāo)Xmkm和垂直坐標(biāo)Znikni,其中ntas為第km個(gè)有效非零區(qū)段的起始圖像列序號(hào)，nkme為第Ii111個(gè)有效非零區(qū)段的結(jié)束圖像列序號(hào)
3.如權(quán)利要求2所述的采用如權(quán)利要求I所述基于準(zhǔn)直光路的角秒級(jí)三維變形測(cè)量裝置進(jìn)行三維變形測(cè)量的方法，其特征在于5. 3步對(duì)校正后的光闌圖像進(jìn)行亮度分析，并濾除背景噪聲的方法是對(duì)光闌圖像的所有像素根據(jù)亮度進(jìn)行排序，根據(jù)光闌(2)的直線結(jié)構(gòu)的直線數(shù)量L。選取L3個(gè)最亮像素，根據(jù)選擇的最亮像素計(jì)算平均亮度，將該平均亮度作為光闌圖像的最大亮度Imax ;根據(jù)Imax和面陣探測(cè)器噪聲大小設(shè)置亮度閾值Ith，根據(jù)Ith濾除背景噪聲，將小于Ith的所有像素的亮度置為零，Ith大于面陣探測(cè)器噪聲且小于Imax的20%, L3 為 Lc 的 10 100 倍。
4.如權(quán)利要求2所述的采用如權(quán)利要求I所述基于準(zhǔn)直光路的角秒級(jí)三維變形測(cè)量裝置進(jìn)行三維變形測(cè)量的方法，其特征在于5. 4. 3. 2步采用行曲線擬合方法計(jì)算第km個(gè)有效非零區(qū)段的中心坐標(biāo)，行曲線擬合方法為按式(三)對(duì)光闌圖像第m行圖像第< 個(gè)有效非零區(qū)段的亮度進(jìn)行P階多項(xiàng)式擬合，其中Jkmp為P階多項(xiàng)式的第P個(gè)系數(shù)，I < P < P，階數(shù)P滿足使擬合曲線計(jì)算的亮度與第km個(gè)有效非零區(qū)段的亮度的相對(duì)誤差小于5% ；
5.如權(quán)利要求2所述的采用如權(quán)利要求I所述基于準(zhǔn)直光路的角秒級(jí)三維變形測(cè)量裝置進(jìn)行三維變形測(cè)量的方法，其特征在于5. 8. 3. 2步采用列曲線擬合方法計(jì)算第kn個(gè)有效非零區(qū)段的中心坐標(biāo)，列曲線擬合方法為按式(十二)對(duì)光闌圖像第η列圖像第< 個(gè)有效非零區(qū)段的亮度進(jìn)行P階多項(xiàng)式擬合，其中Jknp為P階多項(xiàng)式的第P個(gè)系數(shù)，I階數(shù)P滿足使擬合曲線計(jì)算的亮度與第kn個(gè)有效非零區(qū)段的亮度的相對(duì)誤差小于5% ；
6.如權(quán)利要求4或5所述的采用如權(quán)利要求I所述基于準(zhǔn)直光路的角秒級(jí)三維變形測(cè)量裝置進(jìn)行三維變形測(cè)量的方法，其特征在于若第km次使用行亮度重心方法，則第km+l次也使用行亮度重心方法，若第km次使用行曲線擬合方法，則第km+l次也使用行曲線擬合方法;若第kn次使用列亮度重心方法，則第kn+l次也使用列亮度重心方法，若第kn次使用列曲線擬合方法，則第kn+l次也使用 列曲線擬合方法。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于準(zhǔn)直光路的角秒級(jí)三維變形測(cè)量裝置及方法。裝置由發(fā)射模塊、接收模塊和處理模塊構(gòu)成，發(fā)射模塊由光源、光闌和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，光源和光闌的中心都在發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的光軸上；光闌的透光部分采用直線結(jié)構(gòu)；接收模塊由接收光學(xué)系統(tǒng)和面陣探測(cè)器構(gòu)成，面陣探測(cè)器位于接收光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，其中心位于接收光學(xué)系統(tǒng)的光軸上；處理模塊中安裝了變形解算軟件。測(cè)量方法是發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)將透過(guò)光闌的光束準(zhǔn)直發(fā)射到接收模塊，接收光學(xué)系統(tǒng)將光束會(huì)聚到面陣探測(cè)器上，面陣探測(cè)器將光束轉(zhuǎn)換成光闌圖像，變形解算軟件根據(jù)光闌圖像計(jì)算三維變形。采用本發(fā)明能同時(shí)測(cè)量方位角、俯仰角和橫滾角變形，精度高，能實(shí)現(xiàn)角秒級(jí)三維變形測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/16GK102901459SQ20121037768
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者胡春生, 王省書(shū), 秦石喬, 周金鵬, 高旸 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)