CN111595302A - 一种双面阵ccd辅助三线阵ccd位姿光学测量及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双面阵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。本发明基于像方远心光路的光学镜头，不仅满足***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***的构建。

Description

一种双面阵CCD辅助三线阵CCD位姿光学测量及校准方法

技术领域

本发明涉及数据测量及校准技术领域，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。

背景技术

基于电荷耦合器件(Charge-coupled Device—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***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***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***的指标对光学***设计、镜片及机械加工、***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。

发明内容

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；本发明提供一种双面阵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***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***的构建，根据这一***设计新测量方法从而实现物***姿高精度测量与坐标标定。

本发明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(x_l1,y_l1,z_l1)、r2(x_l2,y_l2,z_l2)、r3(x_l3,y_l3,z_l3)。

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′(x_l1,y_l1,z_l1)、r2′(x_l2,y_l2,z_l2)、r3′(x_l3,y_l3,z_l3)

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＝∣x_li-x_mi∣≤ε，δy＝∣y_li-y_mi∣≤ε，δz＝∣z_li-z_mi∣≤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，x_mi,y_mi,z_mi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(x_l1,y_l1,z_l1)、r2(x_l2,y_l2,z_l2)、r3(x_l3,y_l3,z_l3)，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。

本发明的有益效果是：

1.本发明的采用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.本发明线阵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.本发明从畸变测试数据知，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本发明的双面阵CCD辅助三线阵CCD测量***示意图。

图2本发明的柱面镜镜头光学***结构示意图。

图3本发明的双目视觉原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

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：天津奥特梅尔公司S1-07K60M-CL线阵CCD，相机像素值为7450，像素大小为4.7μm×4.7μm，最高帧频7.8KHz；

线阵CCD相机镜头：635±15nm的红光为工作标段，全视场角为19°，焦距90.04mm；

面阵CCD相机：北京大恒光电：DH-HV1302UM，分辨率：1280×1024，光学尺寸：1/1.8inch，像素尺寸:5.2μm×5.2μm，模数转换精度:10位，像素深度:8位，帧率，SXGA(1280×1024):15帧/秒VGA:25帧/秒CIF:40帧/秒；

面阵CCD镜头：型号：TV LENS，焦距：f＝50mm，最大光圈值：1.4。

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(x_l1,y_l1,z_l1)、r2(x_l2,y_l2,z_l2)、r3(x_l3,y_l3,z_l3)。

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，降低杂散光干扰，最大限度的减少了色差，为了保证全部视场内，线阵CCD接收到的光斑都尽量小，需要对整个视场范围内的会聚光斑大小进行统一考虑，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。光路图如图2所示。

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′(x_l1,y_l1,z_l1)、r2′(x_l2,y_l2,z_l2)、r3′(x_l3,y_l3,z_l3)

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：选取一个微小参数，

有δx＝∣x_li-x_mi∣≤ε，δy＝∣y_li-y_mi∣≤ε，δz＝∣z_li-z_mi∣≤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，x_mi,y_mi,z_mi为经过坐标机标定后的光点坐标；

k的值根据来源于两个方面：首先是最终位姿测量的精度要求。一般的位姿测量精度是以位置重复精度和位置定位精度来定义的，单位是几何量的量纲，可以先选取一个比较大的k作为初值(一般可以设10倍精度指标)，根据发明的步骤开始进行测量和校准，一旦实测位置位置误差ε小于k，则开始二次迭代，直至满足***要求的精度；第二个方面是视觉测量***的限制，根据相机内外参数标定的结果，会获得真实的相机像素对应实际位姿变化的比例参数，这个应该是精度的极限值，因此k的选取不可能小于这个数值。综上所述，从最大k到最小的k，都有了约束，在操作上有了可实现性；

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(x_l1,y_l1,z_l1)、r2(x_l2,y_l2,z_l2)、r3(x_l3,y_l3,z_l3)，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(位置坐标差的数量级小于精度指标要求)，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。

实施例2

所述测量装置的安装要求：

三台线阵CCD相机与两台面阵CCD相机间隔摆放，摆放示意图如图1所示，五台相机等间隔，光轴的连线与大地水平；

最左端和最右端的线阵CCD相机柱面镜头垂直放置，中间线阵CCD相机的柱面镜头水平放置，如图1所示；

线阵CCD相机与柱面镜头的间距满足柱面镜焦距要求；

被测三角形靶标光点与测量装置间距为1-4m，水平高度差满足面阵CCD相机捕捉光点的视场范围，即满足f/v＝D/V,f/h＝D/H；(f—镜头焦距，v,h—CCD罢免垂直和水平尺寸，D—镜头到目标距离，V,H—最大视场垂直和水平距离)；

被测靶标要求为一个长度为20cm，有一个角度为30°的直角三角形的三个顶点，要求三个靶标在一个平面内，具体可以根据视场公式推算出其他尺寸的靶标。

所述步骤1中合作目标三光点位置的解算算法：

世界坐标系中一点A(X,Y,Z)在左右摄像机的成像面C_l和C_r上的像点分别为a_l(u_l，v_l)和a_r(u_r，v_r)。这两个像点是世界空间中同一个对象点A的像，称为“共轭点”。知道了这两个共轭像点，分别作它们与各自相机的光心O_l和O_r的连线，即投影线a_lO_l和a_rO_r，它们的交点即为世界空间中的对象点A(X,Y,Z)。将标定好参数的面阵CCD捕获的光斑图像坐标带入算法公式，即可获得粗瞄方式下的世界坐标系靶标光点坐标，如图3所示。

所述步骤1中合作目标光点位置校准方法：

设定微小参数ε，满足粗调光点坐标与坐标机标定的坐标做差。

将坐标差作为参数带入线阵CCD光点坐标计算公式，获得精调坐标初值。

将初值与坐标机标定的坐标作比较，一致则停止校准。否则继续减小ε，直至满足精度要求，从而获得最终的精调坐标值。

标志光点为实际需要测量的物体的位姿标识(理论真值)，目标光点为实际测量到的位姿标识(实测值)，由于实际测量中的误差因素影响，将理论真值定义为标志光点，实测值为目标光点。

Claims (8)

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(x_l1,y_l1,z_l1)、r2(x_l2,y_l2,z_l2)、r3(x_l3,y_l3,z_l3)。

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，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。

5.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、饱和度和曝光时间参数下，在宽视场范围内迅速捕捉三个目标光点。

6.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′(x_l1,y_l1,z_l1)、r2′(x_l2,y_l2,z_l2)、r3′(x_l3,y_l3,z_l3)。

7.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。

8.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＝∣x_li-x_mi∣≤ε，δy＝∣y_li-y_mi∣≤ε，δz＝∣z_li-z_mi∣≤ε，，其中i＝1,2,3...；k值的选定取决于相机的分辨率及相机的校准情况，x_mi,y_mi,z_mi为经过坐标机标定后的三个标志光点坐标；

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(x_l1,y_l1,z_l1)、r2(x_l2,y_l2,z_l2)、r3(x_l3,y_l3,z_l3)，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。

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