大角度動態(tài)高精度激光測角方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及計量科學(xué)領(lǐng)域，更具體地說，設(shè)及一種大角度動態(tài)高精度測角方法，提 供了一種非接觸、大角度范圍動態(tài)測量轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)位置角度的方法，可廣泛地應(yīng)用于航天、航 空、航海、光學(xué)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天遙感對地觀測技術(shù)的不斷發(fā)展，要求遙感衛(wèi)星圖像定位精度越來越高， 對有效載荷掃描鏡光軸指向的精度要求也隨之越來越高。有效載荷掃描鏡光軸指向在電機(jī) 的驅(qū)動下在約15°角度范圍內(nèi)來回擺動，掃描鏡的轉(zhuǎn)角的測量精度直接關(guān)系到衛(wèi)星成像質(zhì) 量。因此，掃描鏡轉(zhuǎn)動角度的動態(tài)檢測成為亟待解決和研究的重要課題，也是遙感衛(wèi)星發(fā)展 的關(guān)鍵性技術(shù)之一。
[0003] 目前，主要的動態(tài)測角裝置包括:激光干設(shè)儀、PSD、激光自準(zhǔn)直儀、激光巧螺、光電 碼盤等，然而對于前述的角度測量需求，W上角度敏感器均難W很好地滿足要求。
[0004] 激光干設(shè)儀、PSD、激光自準(zhǔn)直儀可W實現(xiàn)非接觸式測量，但測角范圍較小，一般測 角范圍不超過±0.5°，不能滿足掃描鏡大角度動態(tài)測量的需求。
[000引激光巧螺測角范圍可W達(dá)到360°且精度較高，但只能實現(xiàn)接觸式測量，需要將巧 螺安裝在福射計掃描鏡上，運(yùn)將會改變產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量特性，對于星上產(chǎn)品而言無法接 雙。
[0006] 光電碼盤能夠?qū)崿F(xiàn)大角度高精度的動態(tài)角度測量，然而光電碼盤必須與被測對象 同軸安裝。由于掃描鏡法線和轉(zhuǎn)軸不能保證完全垂直安裝，直接在掃描鏡轉(zhuǎn)軸上安裝光電 碼盤僅能反映轉(zhuǎn)軸運(yùn)動的角度變化，而不是掃描鏡光軸的指向變化，由掃描機(jī)構(gòu)自身測出 的角度與真實的光軸指向角必然存在偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明為了探究一種非接觸、大角度動態(tài)范圍、高精度測量轉(zhuǎn)角的方法，在不改變 原有機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)掃描鏡反射光點(diǎn)的動態(tài)變化，提取光屯、，校正后獲取 高精度的轉(zhuǎn)角信息。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種大角度動態(tài)高精度激光測角方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1，激光掃描圖像獲取
[0010] 將激光器固定在掃描鏡后光路上，由激光器發(fā)出的光束通過掃描鏡反射后照射在 基準(zhǔn)祀墻屏幕上形成光點(diǎn)，隨著掃描鏡的運(yùn)動光點(diǎn)同步移動，并由相機(jī)對基準(zhǔn)祀墻屏幕上 的光點(diǎn)運(yùn)動軌跡進(jìn)行成像，得到光點(diǎn)圖像；
[0011] 步驟2,圖像預(yù)處理
[0012] 對光點(diǎn)圖像進(jìn)行預(yù)處理，得到光點(diǎn)與背景的分離圖像；
[0013] 步驟3,光點(diǎn)的質(zhì)屯、定位
[0014] 對光點(diǎn)質(zhì)屯、進(jìn)行定位；
[0015] 步驟4，激光跟蹤儀的定標(biāo)校正
[0016] 建立基準(zhǔn)祀墻屏幕與光點(diǎn)圖像上各光點(diǎn)質(zhì)屯、間的映射關(guān)系，擬合函數(shù)關(guān)系式，得 到基準(zhǔn)祀墻屏幕上的實際光點(diǎn)坐標(biāo)與光點(diǎn)圖像上提取出的光點(diǎn)質(zhì)屯、坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系； 用該函數(shù)關(guān)系對光點(diǎn)圖像進(jìn)行校正，得到校正后的實際光點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)組。
[0017] 步驟5,圖像數(shù)據(jù)分析
[0018] 將光點(diǎn)質(zhì)屯、位置信息轉(zhuǎn)化為角度信息，輸出測量結(jié)果。
[0019] 優(yōu)選地，按照如下公式設(shè)定圖像成像參數(shù)：
(1)
[0021 ]式中:Wr為基準(zhǔn)祀墻屏幕橫向尺寸；
[0022] Wn為相機(jī)成像陣面橫向尺寸；
[0023] S2為相機(jī)與基準(zhǔn)祀墻屏幕距離；
[0024] f為相機(jī)鏡頭焦距。
[0025] 優(yōu)選地，在光點(diǎn)成像區(qū)域內(nèi)利用插補(bǔ)來增加有效像素個數(shù)而改善光點(diǎn)質(zhì)屯、定位精 度。
[0026] 優(yōu)選地，在光點(diǎn)成像區(qū)域內(nèi)，對于插入在像素點(diǎn)（i，j)、（i + l，j)、（i，j+l)、（i + l，j+ 1)內(nèi)的像素點(diǎn)(U，V)的插值：
[0027] f(u,j)=f(i,j)+a[f(i+l,j)-f(i,j)] (2)
[0028] f(u，j)表示像素點(diǎn)(u，j)的灰度;f(i，j)表示像素點(diǎn)（i，j)的灰度;f(i+l，j)表示 像素點(diǎn)（i+lj)的灰度；
[0029] f(u,j+l)=f(i,j+l)+a[f(i+l,j+l)-f(i,j+l)] (3)
[0030] f(u，j+l)表示像素點(diǎn)(u，j+l)的灰度;f(i，j+l)表示像素點(diǎn)（i，j+l)的灰度;f(i+ 1，j+1)表示像素點(diǎn)（i+1 J+1)的灰度；
[0031 ] f(u,v)=f(i,j)(l-a)(l-0)+f(i+1,j)a(l-0)+f(i,j+l)(l-a)0+f(i+1,j+1)地（4)
[0032] ^11，乂)表示像素點(diǎn)(11，乂)的灰度；
[0033] 定義[u]、[v]為分別小于u、v的最大整數(shù)值，則在公式(4)中的i、j、a、e表示為：i = [u]，j = [v]，a = u-[u]，e = v-[v]，則經(jīng)過插值之后的光點(diǎn)質(zhì)屯、由公式(5)和(6)來確定
(5) 12 式中：m為插值的個數(shù)，n為光點(diǎn)像素點(diǎn)的個數(shù)，J和；為光點(diǎn)質(zhì)屯、的直角坐標(biāo)系坐 標(biāo);Xi表示第i個像素點(diǎn)橫坐標(biāo)，Pi表示第i個像素點(diǎn)灰度值，Ui表示第i個插值像素點(diǎn)橫坐 標(biāo)，f(Ui，Vi)表示第i個插值像素點(diǎn)灰度值，yi表示第i個像素點(diǎn)縱坐標(biāo)，Vi表示第i個插值像 素點(diǎn)縱坐標(biāo)。 2 優(yōu)選地，所述步驟4包括：
[0038] 建立基準(zhǔn)祀墻屏幕上若干基準(zhǔn)點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)，由相機(jī)獲取所有基準(zhǔn)點(diǎn)的二維 像面坐標(biāo)，建立起二維像面坐標(biāo)與基準(zhǔn)祀墻屏幕上基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)的一一對應(yīng)關(guān)系，利用插值 算法，計算基準(zhǔn)祀墻屏幕上任一點(diǎn)的坐標(biāo)位置。
[0039] 優(yōu)選地，所述步驟4包括：
[0040] 步驟4.1:激光跟蹤儀根據(jù)自身位置建立空間坐標(biāo)系，空間坐標(biāo)系原點(diǎn)為激光跟蹤 儀的控制自身激光出射方向的兩個反光鏡光軸交點(diǎn)位置;在測量過程中，激光跟蹤儀的光 軸跟隨祀球移動，并根據(jù)對祀球的測量結(jié)果，實時給出祀球球屯、的空間坐標(biāo)；
[0041] 步驟4.2:移去祀球，激光跟蹤儀光束直接打到基準(zhǔn)祀墻屏幕上，由相機(jī)獲得基準(zhǔn) 祀墻屏幕上激光跟蹤儀光束形成的光點(diǎn)，提取出光點(diǎn)質(zhì)屯、坐標(biāo)；
[0042] 步驟4.3:將提取的光點(diǎn)質(zhì)屯、坐標(biāo)與激光跟蹤儀給出的空間坐標(biāo)一一對應(yīng)，建立校 正后的實際光點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)組。
[0043] 優(yōu)選地，所述步驟5包括：
[0044] 設(shè)光點(diǎn)在基準(zhǔn)祀墻屏幕上的線位移為D，掃描鏡光軸的轉(zhuǎn)角為0，投影基準(zhǔn)祀墻屏 幕到掃描鏡轉(zhuǎn)軸的垂直距離為S，則：
(7)
[0046]得到測角誤差A(yù)0關(guān)系式：
(8)
[0048] 式中：AS為掃描鏡旋轉(zhuǎn)軸線到投影基準(zhǔn)祀墻屏幕的垂直距離誤差，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參 數(shù)誤差;AD為投影基準(zhǔn)祀墻屏幕上的線位移誤差，是圖像定位誤差。
[0049] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果：
[0050] 本發(fā)明方法將激光器固定在掃描鏡后光路上，由激光器發(fā)出的光束通過掃描鏡反 射后照射在祀墻上，隨著掃描鏡的運(yùn)動光點(diǎn)同步移動，并由相機(jī)對祀墻上的光點(diǎn)運(yùn)動軌跡 進(jìn)行成像，最后通過圖像處理解獲得掃面鏡光軸的實時轉(zhuǎn)角。該方法用間接的手段直接測 量掃描鏡光軸指向，可W獲得真實的指向精度。
【附圖說明】
[0051] 通過閱讀參照W下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：
[0052] 圖1為大角度動態(tài)高精度激光測角方法原理示意圖；
[0053] 圖2大角度動態(tài)高精度激光測角方法搭建示意圖(俯視圖）；
[0054] 圖3像素間插補(bǔ)增加有效像素數(shù)。
【具體實施方式】
[0055] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。W下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不W任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可W做出若干變化和改進(jìn)。運(yùn)些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0056] 本發(fā)明方法設(shè)計思想是W空間距離換取系統(tǒng)對于轉(zhuǎn)動角度測量精度和測量分辨 率的提高。本發(fā)明提供的方法包括如下步驟：
[0057] 步驟1，激光掃描圖像獲取
[0058] 將激光器固定在掃描鏡后光路上，由激光器發(fā)出的光束通過掃描鏡反射后照射在 基準(zhǔn)祀墻屏幕上形成光點(diǎn)，隨著掃描鏡的運(yùn)動光點(diǎn)同步移動，并由相機(jī)對基準(zhǔn)祀墻屏幕上 的光點(diǎn)運(yùn)動軌跡進(jìn)行成像。
[0059] 轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動掃描鏡的運(yùn)動引起光點(diǎn)在基準(zhǔn)祀墻屏幕上的移動，相機(jī)記錄光點(diǎn)的 運(yùn)動軌跡，完成運(yùn)動軌跡的記錄與處理。如圖1中①所示。
[0060] 轉(zhuǎn)角測量一方面要求具有一定的測量范圍，又要求達(dá)到一定的測量精度，因此需 要設(shè)定合適的圖像成像參數(shù)?；鶞?zhǔn)祀墻屏幕二維尺寸、鏡頭焦距、成像陣面關(guān)系由公式（1) 給出，可確定出相機(jī)與基準(zhǔn)祀墻屏幕距離。
[0061] 具體地，按照如下公式設(shè)定圖像成像參數(shù)：
併
[006引式中:Wr為基準(zhǔn)祀墻屏幕橫向尺寸；
[0064] Wn為相機(jī)成像陣面橫向尺寸；
[0065] S2為相機(jī)與基準(zhǔn)祀墻屏幕距離；
[0066] f為相機(jī)鏡頭焦距；
[0067] 步驟2,圖像預(yù)處理
[0068] 通過相機(jī)得到光點(diǎn)在基準(zhǔn)祀墻屏幕上形成的光點(diǎn)圖像，對光點(diǎn)圖像進(jìn)行預(yù)處理， 再通過闊值截斷處理得到光點(diǎn)與背景的分離的增強(qiáng)圖像。如圖1中②所示。其中，所述預(yù)處 理，包括:消除高斯噪聲，采用卷積濾波對圖像進(jìn)行平滑。
[0069]步驟3,光點(diǎn)的質(zhì)屯、定位
[0070] 光點(diǎn)與背景的分離后，優(yōu)選地采用亞像素細(xì)分技術(shù)得到光點(diǎn)質(zhì)屯、的定位。例如采 用帶闊值的質(zhì)屯、法或加權(quán)闊值質(zhì)屯、定位算法，完成基于亞像素細(xì)分的光點(diǎn)質(zhì)屯、提取與運(yùn)動 趨勢判斷，最終實現(xiàn)光點(diǎn)質(zhì)屯、的精確定位。如圖1中③所示。
[0071] 光點(diǎn)圖像在相機(jī)成像陣面的若干像素上成像，由于光點(diǎn)大小和鏡頭焦距的原因， 成像像素較