一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量及校准方法技术

本发明专利技术公开了一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量及校准方法。步骤1：器材准备，确定合作目标，采用三个红色LED光点作为合作目标；步骤2：测量仪器安装；步骤3：柱面镜镜头设计，线阵CCD相机镜头采用柱面镜和滤光片组成；步骤4：进行测量，通过快速捕捉过程、粗调计算过程、精调计算过程和校准过程直至获得精调坐标数据。本发明专利技术基于像方远心光路的光学镜头，不仅满足系统大视场、大景深、低畸变的要求，而且采用双面阵CCD辅助三线阵CCD完成测量系统的构建。

【技术实现步骤摘要】
一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量及校准方法
本专利技术涉及数据测量及校准
，尤其涉及一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量及校准方法。
技术介绍
基于电荷耦合器件(Charge-coupledDevice—CCD)相机，依据几何光学测量原理，采用前方交会对接和坐标变换等视觉测量技术，是当今对飞行物体进行姿态测量中较为常见的方法。该项技术使用的测量仪器CCD相机具有结构简单、非接触、精度高、实时性强等优点，相较于面阵CCD，线阵CCD具有更高的分辨率及更高的采样速度，其数据量更小，易于实现实时位姿测量。因而由若干线阵CCD和面阵CCD组构成的测量系统兼备方法便捷、精度高、可移植性强等特点，在大视场、非接触的空间目标体位姿测量和坐标标定领域具有一席之地。然而基于线阵CCD的测量技术大多采用线扫结构，独立用于位姿测量的场合较为少。飞行物体进行姿态测量过程中，对镜头的景深要求有较大的提高。随着线阵和面阵CCD相机的工艺、集成度、材料和控制电路的发展，其分辨率、帧频、饱和度和曝光时间等参数都有大幅度的优化和提升，因此测量系统的指标对光学系统设计、镜片及机械加工、系统装调提出了越来越高的要求。由于线阵CCD只有单方向像素，当应用于空间目标坐标测量时，无法像面阵CCD那样使用普通球面镜组成的通用镜头，而柱面镜具有将点成像化为线成像的特性，可以有效减小球差和色差，特别适合于配合线阵CCD进行飞行物体的空间位置测量。
技术实现思路
线阵CCD单向维度的分辨力高，有利于提高测量精度；面阵CCD具有二维视场，成像快，有利于捕捉动态目标的特性；本专利技术提供一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量及校准方法，基于像方远心光路的光学镜头，不仅满足系统大视场、大景深、低畸变的要求，而且采用双面阵CCD辅助三线阵CCD完成测量系统的构建，根据这一系统设计新测量方法从而实现物体位姿高精度测量与坐标标定。本专利技术通过以下技术方案实现：一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量方法，所述测量方法包括以下步骤：步骤1：器材准备，确定合作目标，采用三个红色LED光点作为合作目标；步骤2：测量仪器安装，两侧线阵CCD1、CCD3相对合作目标水平放置，中间线阵CCD2相对合作目标竖直放置，两面阵CCD1、CCD2与三线阵CCD间隔放置，五台相机同处于一条水平线，并且等距放置；步骤3：柱面镜镜头设计，线阵CCD相机镜头采用7片柱面镜和1片635nm滤光片组成；步骤4：进行测量，通过快速捕捉过程、粗调计算过程、精调计算过程和校准过程直至获得精调坐标数据。进一步的，所述步骤1中的器材包括线阵CCD相机、线阵CCD相机镜头、面阵CCD相机和面阵CCD镜头。进一步的，所述步骤2测量仪器安装为，两侧柱面镜头与线阵CCD1、CCD3垂直，中间柱面镜头与线阵CCD2水平，LED光点经过柱面镜头成像为一直线，所成直线像与线阵CCD垂直相交，光点与像线构成一个平面，像点即为平面与线阵CCD交点，每个光点经过镜头所成像分别与三个线阵CCD垂直相交，得出三个平面方程，三个平面的交点即为发光的LED点，联立三个平面方程可解算出光点的空间位置坐标，从而计算得到线阵CCD解算得到的标志光点空间坐标为r1(xl1,yl1,zl1)、r2(xl2,yl2,zl2)、r3(xl3,yl3,zl3)。进一步的，所述步骤3的柱面镜镜头设计，由于采用三个红色LED光点作为合作目标，因此在线阵CCD相机镜头最后一级柱面镜加装红色滤光片，采用像方远心光路设计，使景深范围内会聚的光斑能量中心位置在垂直于光轴的方向不产生变化，用于消除点光斑物距变化带来的测量误差。进一步的，所述步骤4的快速捕捉过程具体为，两个事先标定好参数的面阵CCD相机开启连续摄像模式，在调整好的增益、饱和度和曝光时间等参数下，在宽视场范围内迅速捕捉三个目标光点。进一步的，所述步骤4的粗调计算过程具体为，根据双目视觉测量原理，获得三个目标光点的大致位置坐标即粗调坐标r1′(xl1,yl1,zl1)、r2′(xl2,yl2,zl2)、r3′(xl3,yl3,zl3)进一步的，所述步骤4的精调计算过程具体为，开启三个线阵CCD，分别在三个线阵CCD上获得线状光斑。进一步的，所述步骤4的校准过程具体包括以下步骤：步骤4.1：选取一个参数，有δx＝∣xli-xmi∣≤ε，δy＝∣yli-ymi∣≤ε，δz＝∣zli-zmi∣≤ε，其中k值的选定取决于相机的分辨率及相机的校准情况，xmi,ymi,zmi为经过坐标机标定后的光点坐标；步骤4.2：光点位置空间距离保持不变，将δx,δy,δz作为参数带入三个联立的平面方程，从而获得由线阵CCD解算得到的标志光点空间坐标为r1(xl1,yl1,zl1)、r2(xl2,yl2,zl2)、r3(xl3,yl3,zl3)，其相互距离分别为l12、l13、l23；步骤4.3：如果步骤4.2中标志光点空间坐标数据与坐标机标定的坐标数据一致，则停止校准，否则重复步骤4.1-4.2，直至获得精调坐标数据。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术的采用7片柱面镜和一片红色滤光片组成像方远心光路，有效消除了像差，并具有较低的畸变，结果表明，镜头畸变优于0.05％，景深可达1.5米，可配合线阵CCD实现高精度测试。2.本专利技术线阵CCD相机镜头的相对孔径D/f＝1/4，因此其入瞳大小D为90.04/4＝22.5mm；镜头中光学材料的中心厚度为4cm，设光学材料的透过率τ＝0.999；透镜数量8片，镀膜后的表面透过率为99.5％；滤光片的透过率为80％，镜头的透过率T为73.5％。3.本专利技术从畸变测试数据知，在1m×1m范围内镜头畸变小于0.1％，整体畸变小于0.3％，即镜头中心视场畸变优于边缘，使用时通过校准可进一步提高测量精度。附图说明图1本专利技术的双面阵CCD辅助三线阵CCD测量系统示意图。图2本专利技术的柱面镜镜头光学系统结构示意图。图3本专利技术的双目视觉原理图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量方法，所述测量方法包括以下步骤：步骤1：器材准备，确定合作目标，采用三个红色LED光点作为合作目标；步骤2：测量仪器安装，两侧线阵CCD1、CCD3水平放置，中间线阵CCD2竖直放置，两面阵CCD1、CCD2与三线阵CCD间隔放置，五台相机同处于一条水平线，并且等距放置；步骤3：柱面镜镜头设计，线阵CCD相机镜头采用7片柱面镜和1片635nm滤光片组成；步骤4：进行测量，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量及校准方法，其特征在于，所述测量及校准方法包括以下步骤：/n步骤1：器材准备，确定合作目标，采用三个红色LED光点作为合作目标；/n步骤2：测量仪器安装，两侧线阵CCD1、CCD3相对合作目标水平放置，中间线阵CCD2相对合作目标竖直放置，两面阵CCD1、CCD2与三线阵CCD间隔放置，五台相机同处于一条水平线，并且等距放置；/n步骤3：柱面镜镜头设计，线阵CCD相机镜头采用柱面镜和滤光片组成；/n步骤4：进行测量及校准，通过快速捕捉过程、粗调计算过程、精调计算过程和校准过程直至获得精调坐标数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量及校准方法，其特征在于，所述测量及校准方法包括以下步骤：
步骤1：器材准备，确定合作目标，采用三个红色LED光点作为合作目标；
步骤2：测量仪器安装，两侧线阵CCD1、CCD3相对合作目标水平放置，中间线阵CCD2相对合作目标竖直放置，两面阵CCD1、CCD2与三线阵CCD间隔放置，五台相机同处于一条水平线，并且等距放置；
步骤3：柱面镜镜头设计，线阵CCD相机镜头采用柱面镜和滤光片组成；
步骤4：进行测量及校准，通过快速捕捉过程、粗调计算过程、精调计算过程和校准过程直至获得精调坐标数据。


2.根据权利要求1所述一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量及校准方法，其特征在于，所述步骤1中的器材包括线阵CCD相机、线阵CCD相机镜头、面阵CCD相机和面阵CCD镜头。


3.根据权利要求1所述一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量及校准方法，其特征在于，所述步骤2测量仪器安装为，两侧柱面镜头与线阵CCD1、CCD3垂直，中间柱面镜头与线阵CCD2水平，LED光点经过柱面镜头成像为一直线，所成直线像与线阵CCD垂直相交，光点与像线构成一个平面，像点即为平面与线阵CCD交点，每个光点经过镜头所成像分别与三个线阵CCD垂直相交，得出三个标志平面方程，三个平面的交点即为发光的LED点，联立三个平面方程可解算出光点的空间位置坐标，从而计算得到线阵CCD解算得到的三个标志光点空间坐标为r1(xl1,yl1,zl1)、r2(xl2,yl2,zl2)、r3(xl3,yl3,zl3)。


4.根据权利要求1所述一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量及校准方法，其特征在于，所述步骤3的柱面镜镜头设计，线阵CCD相机镜头采用7片柱面镜和1片635nm滤光片组成，由于采用三个红色LED光点作为合作目标，因此在线阵CCD相机镜头最后一级柱面镜加装红色滤光片，采用像方远心光路设计，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凯，胡英辉，杜永斌，姜宗泽，张颖惠，袁峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23