CN114235149B - 一种基于ccd反射成像法的激光测量***及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于CCD反射成像法的激光参数测量***技术领域，尤其涉及一种基于CCD反射成像法的激光测量***及其方法。所述***包括图像采集单元、信标单元、漫反射屏和数据处理单元；所述图像采集单元通过支架与所述漫反射屏连接；所述信标单元固定在所述漫反射屏上；所述数据处理单元与所述图像采集单元连接，用于对图像进行畸变校正处理。通过本发明只需进行一次标定工作，有效的解决了传统的基于CCD反射成像法测试***中每次都需重新标定的过程。
Description
技术领域
本发明涉及CCD反射成像法的激光参数测量***技术领域，尤其涉及一种基于CCD反射成像法的激光测量***及其方法。
背景技术
激光强度时空分布的精确测量是计算激光参数的基础。通过激光强度的时空分布可以获取光斑的质心抖动、光斑总能量、光斑尺寸大小、光斑的环围功率以及光斑质心位置坐标等参数。现有的方法主要有：烧蚀法、感光法、扫描法、阵列探测法、CCD成像法以及其他一些方法。
其中，CCD成像法是一种利用CCD相机对入射激光束信息进行采集的方法，在获取光斑的图像信息后利用一些数据处理方法便可以精确的得到激光束的强度时空分布，相比于阵列探测法来说具有较高的测量分辨力。随着相机制造工艺的不断提高，测量光斑图像的分辨率也不断得到提升以及CCD相机的动态范围指标越来越好，CCD成像法在激光参数测量领域应用的越来越普遍，发挥着巨大作用。根据实际应用情况来划分CCD成像法主要分为CCD直接成像法和CCD间接成像法，分别如图1和2所示。CCD直接成像法在CCD相机与激光器光路中间放置衰减片2，然后将CCD相机采集到的图像传输至数据处理终端，通过数据处理终端对图像进行分析处理得出激光束的强度时空分布。而CCD间接成像法激光器发出的激光光束通过漫反射屏反射后被CCD相机接收，然后CCD相机将采集的图像传输至数据处理终端，通过数据处理终端对图像进行分析处理得出激光束的强度时空分布，因此CCD间接成像法又称CCD反射成像法。在进行远场测量时CCD直接成像法并不适用，因此在一些要求高精度又需要远场测量时，CCD反射成像法是首选。但是CCD漫反射成像法在实际使用的过程中每次都要根据CCD相机的位置对漫反射屏的位置进行校正，操作非常费时费力，若操作不当还会对实验结果产生较大的误差。
发明内容
针对背景技术中的不足，一种基于CCD反射成像法的激光测量***，所述***包括图像采集单元、信标单元、漫反射屏和数据处理单元；
所述图像采集单元通过支架与所述漫反射屏连接；
所述信标单元固定在所述漫反射屏上；
所述数据处理单元与所述图像采集单元连接，用于对图像进行畸变校正处理。
进一步的，所述畸变校正包括几何畸变校正和能量畸变校正。
进一步的，所述信标单元包括4个信标光源，4个信标光源分别固定在所述漫反射屏的4个边角，构成一个正四边形。
进一步的，所述图像采集单元为CCD相机，并在所述CCD相机的镜头前安装有长波通滤光片。
本发明还公开了一种基于CCD反射成像法的激光测量方法，所述激光测量方法包括以下步骤：
步骤S1：使用漫反射屏将激光反射至图像采集单元；
步骤S2：通过反射到所述图像采集单元的的激光图像获取激光强度时空分布；
步骤S3：根据激光强度时空分布计算激光的参数。
进一步的，步骤S1之后还包括以下步骤：
对反射至图像采集单元的图像进行畸变校正，其中畸变校正包括几何校正和能量校正。
进一步的，几何校正的具体步骤如下：
步骤S11A：在所述漫反射屏上设置图像特征点，并根据图像特征点位置建立坐标系；
步骤S12A：根据图像特征点前后位置坐标变化的映射关系建立畸变校正模型；
步骤S13A：根据畸变校正模型重新对图像进行赋值。
进一步的，能量校正的具体步骤如下：
步骤S11B：获取激光图像上每个像素点的灰度值；
步骤S12B：求取所有像素点的灰度值均值；
步骤S13B：根据灰度值均值和每个像素点的灰度值求取每个像素点的校正系数；
步骤S14B：根据校正系数和每个点的灰度值求取图像上各个像素点的能量分布。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，介质上存有计算机程序，计算机程序运行后执行上述中任一项所述的基于CCD反射成像法的激光测量方法。
本发明还公开了一种计算机设备，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行上述中任一项所述的基于CCD反射成像法的激光测量方法。
有益效果：
(1)***只需进行一次标定工作，有效的解决了传统的基于CCD反射成像法测试***中每次都需重新标定的过程。
(2)充分利用***中原有的信标光源，仅仅是增加了数量，能够有效为图像校正提供准确的参考信息
(3)本***受空间物理限制较少，性能稳定，而且分辨率较高。可以适用于不同的搭载平台，例如无人机、运动模拟台等载靶平台。
附图说明
图1为现有技术中CCD直接成像法的***结构示意图；
图2为现有技术中CCD间接成像法的***结构示意图；
图3为本发明一实施例中图像采集单元的采样帧频与采集图像分辨率的关系以及图像采集单元在保证视场为260mm*260mm的情况下图像分辨率和相机与靶面间距离的关系；
图4为本发明一实施例中长波通滤光片的透过率曲线；
图5为本发明一实施例中基于CCD反射成像法的激光测量方法流程图；
图6为本发明另一实施例中基于CCD反射成像法的激光测量方法流程图；
图7为本发明另一实施例中基于CCD反射成像法的激光测量方法流程图。
图中：1、激光发射***；2、衰减片；3、图像采集单元；4、数据处理单元；5、漫反射屏。
具体实施方式
为了解决上述技术问题，本发明的一实施例中公开了一种基于CCD反射成像法的激光测量***。
示例性的，所述***包括图像采集单元3、信标单元、漫反射屏5和数据处理单元4。所述图像采集单元3通过支架与所述漫反射屏5连接；所述信标单元固定在所述漫反射屏5上；所述数据处理单元4与所述图像采集单元3连接，用于对图像进行畸变校正处理。进一步的，所述畸变校正处理包括几何畸变校正和能量畸变校正。
具体的，所述支架由三根圆管通过多个固定件呈三角形排列，示例性的，所述圆管与固定件之间采用压接的方式进行连接。所述图像采集单元3位于所述支架的一端，所述漫反射屏5固定在所述支架的另一端。保证所述图像采集单元3与所述漫反射屏5之间在保持固定角度的情况下不会产生相对运动。
优选的，为了在降低***重量的同时保持各单元间的刚性连接，所述支架采用碳纤维材料制成。
优选的，为了保证所述漫反射屏5的反射均匀性和抗强光能量，所述漫反射屏5采用喷砂镀金的铝板制作而成。所述漫反射屏5一般采用正四边形结构，但在本实施例中对漫反射屏5的几何结构不做限制。
具体的，所述信标单元为信标灯，为了保证在不同环境下让激光发射***都能够捕捉到所述漫反射屏5，所述信标灯的亮度可以随环境亮度调整自身的亮度。进一步的，为了方便数据处理单元4对采集图像进行校正。在本实施例中所述信标光源为4个，分别安装在所述漫反射屏5的四个边角位置，构成一个正四边形。优选的，所述信标灯的波长为650纳米、单灯功率大于1.5瓦、发散角大于30度。具体如何根据四个信标灯对图像进行校正在本发明的其他实施例中详细解释。
在本发明的另一实施例中，所述图像采集单元3为CCD相机，为了滤除杂散光，在所述CCD相机的镜头前安装有长波通滤光片。
图4为长波通滤光片的透过率曲线，从图4中可以看出在入射光束的中心波段为1050nm半带宽为20nm时透过率为85％左右动态误差为1.46％。具有较高的均匀性。
进一步的，由于在漫反射屏5接受较高功率的激光照射时单纯的通过调节镜头的光圈和相机的曝光时间会造成画面的饱和，本实施例中通过在激光照射***和所述漫反射屏5之间加入不同衰减倍率的中性衰减片来改变相机的入射光强。具体的，根据朗伯定律，衰减材料的吸收系数和材料的厚度是决定衰减强度的两个因素，经过衰减***后的光强可由公式(1)表示：
I＝I0log(-αI) (1)
其中，I0为进入衰减材料前的光强，I为衰减材料的厚度，α为衰减材料对该波长激光的吸收系数。由上式可知，可以通过更换不同厚度和材料中心衰减片来实现对入射光强进行衰减。
在本发明的另一实施例中，为了保证所述图像采集单元3获得合适分辨率的图像。对所述图像采集单元3与所述漫反射屏5之间的距离进行了限定。所述图像采集单元3与所述漫反射屏5之间的距离L和采集图像的分辨率M之间的约束关系如下公式(2)：
其中，a表示所述图像采集单元3中像元的尺寸，b为图像采集单元3的焦距。
在本实施例中，所述图像采集单元3采用硅探测器相机，像元尺寸为5.5um，搭配12mm的近红外镜头，因此所述图像采集单元3与所述漫反射屏5之间的距离L和采集图像的分辨率M之间的约束关系为
为了保证整个漫反射屏5在所述图像采集单元3的视场中采集图像的分辨率尽可能的大，但是随着图像分辨率的增加也会造成采样帧频随着图像分辨率的增加而降低。图3给出了给出了所述图像采集单元3的采样帧频与采集图像分辨率的关系以及图像采集单元3在保证视场为
260mm*260mm的情况下图像分辨率和相机与靶面间距离的关系。本实施例中所述图像采集单元3的采样时间为一个湍流冻结时间(一般认为一个湍流冻结时间为10ms-20ms)，所以***中图像采集单元3与所述漫反射屏5之间的距离为880mm，图像分辨率为645pixel，此时***采样帧频大于52Hz。
进一步的，所述***还包括惯性导航单元，所述惯性导航单元用于对所述漫反射屏5的姿态测量。具体的，所述惯性导航单元包括测量模块和姿态解算，所述测量模块集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，所述姿态解算模块使用卡尔曼滤波算法对所述测量模块采集的数据计算测量所述漫反射屏5的姿态。
在本发明一实施例中还公开了一种基于CCD反射成像法的激光测量方法，所述激光测量方法包括以下步骤：
步骤S1：使用漫反射屏将激光反射至图像采集单元；
步骤S2：通过反射到所述图像采集单元的的激光图像获取激光强度时空分布；
步骤S3：根据激光强度时空分布计算激光的参数。
具体的，调整漫反射屏的位置与角度，使得激光照射在所述漫反射屏上，并且通过漫反射屏将激光发射至图像采集单元。激光被图像采集单元采集后，在图像采集单元上产生激光图像。通过对激光图像的数据分析以获取激光强度时空分布，然后根据激光强度时空分布即可计算出激光的各项参数。
进一步的，在多次实验的过程中频繁调整图像采集单元与漫反射屏之间的角度操作十分繁琐，但是如果图像采集单元与漫反射屏的角度不变，导致图像采集单元所采集到的激光图像会出现畸变，从而在获取激光强度时空分布时会出现误差。在本发明的另一实施例中，步骤S1之后还包括以下步骤：
对反射至图像采集单元的图像进行畸变校正，其中畸变校正包括几何校正和能量校正。通过对反射至图像采集单元的图像进行畸变校正，再从校正后的图像中获取激光强度时空分布数据即可得到准确的激光强度时空分布数据。
具体的，为了获得激光的时空分布数据，所述几何校正包括以下步骤：
步骤S11A：在所述漫反射屏上设置图像特征点，并根据图像特征点位置建立坐标系；
步骤S12A：根据图像特征点前后位置坐标变化的映射关系建立畸变校正模型；
步骤S13A：根据畸变校正模型重新对图像进行赋值。
示例性的，在所述漫反射屏上设置四个图像特征点，四个图像特征点呈正四边形分布，建立一个平面坐标系，并且记录在该平面坐标系内各图像特征点的坐标。根据图像特征点前后位置坐标变化的映射关系建立畸变校正模型，然后根据畸变校正模型重新对图像进行赋值。
示例性的，设畸变图像为f(x,y)，畸变校正处理后的图像为F(X,Y)，那么畸变前后图像坐标点(x，y)和(X,Y)的关系可由公式3表示。
上式中j(x,y)和i(x,y)分别表示图像上x方向坐标和y方向坐标产生几何畸变时的畸变函数。这种畸变可分为线性畸变和非线性畸变，两种情况下像素点的变换可由下式给出：
其中，公式4给出线性畸变校正计算过程，公式5中给出了非线性畸变校正计算过程
在本实施例中，选用一个四边形的顶点作为约束对应点，在这种情况下畸变模型可以用一对双线性等式来表示，其表达式如下所示：
在本实施例中，采用安装在所述漫反射屏上的4个信标灯作为图像特征点，4个信标灯设置于漫反射屏的四个角。点亮信标灯后采集靶面图像并对其进行二值化处理利用opencv中的霍夫变换检测圆形并获取其圆心位置坐标。由于信标灯的位置在靶面上构成标准的正四方形，所以选取四点中的任意一点为起始点，任意相邻两点间的距离为边长做正四边形即可得到图像上特征点的理想位置坐标将四个点的位置坐标代入公式6中即可求取畸变校正函数，最后根据映射关系对其重新赋值即可完成图像的几何校正。
进一步的，所述能量校正的具体步骤如下：
步骤S11B：获取激光图像上每个像素点的灰度值；
步骤S12B：求取所有像素点的灰度值均值；
步骤S13B：根据灰度值均值和每个像素点的灰度值求取每个像素点的校正系数；
步骤S14B：根据校正系数和每个点的灰度值求取图像上各个像素点的能量分布。具体的，如果需要对所述激光图像进行分析以获得激光强度分布，需要对所述激光图像进行能量分析，而能量分析可以表示为亮度分析。示例性的，对激光图像进行灰度处理，在灰度处理后，不同亮度的像素会呈现出不同的灰度值。将激光图像以预定边长划分为若干个相同的正方形，获取每个正方形的灰度值。其中，正方形边长的长度不做限定，边长越短，图像能量校正越准确。为了获取较为准确的能量校正效果，在本实施例中采用以每个像素点为一个正方形。获取所有像素点的灰度值后，求取所有像素点的灰度值均值。
根据灰度值均值和每个像素点的灰度值求取每个像素点的校正系数。示例性的，激光图像上每个像素点的灰度值记为Im，整个图像上各像素点的灰度值的均值记为则图像上每个点的校正系数/>将所述激光图像上每点的灰度值与校正系数相乘，即可实现激光图像能量分布的校正。
在获取激光强度强度时空分布后即可计算激光到漫反射屏功率、激光到漫反射屏的光斑质心位置、质心位置抖动、光斑环围直径、激光衍射极限倍数等参数。不同的参数表征不同的物理意义。例如，激光到漫反射屏的功率表示的是激光大气传输透过率特性；光斑的质心位置和质心抖动则表示的激光发射***的跟瞄性能；光斑环围直径、衍射极限倍数等参数则是综合的效应，受激光大气传输效应和激光发射***性能的影响。
为测试激光***的动态跟瞄性能，本实施例中以光斑位置计算来举例说明通过激光强度时空分布来获取激光相关参数的方法。
通常情况下计算光斑的质心位置坐标选用的都是重心法来计算，将光斑的中心等效为光斑的质心。单帧光斑的质心位置坐标和积分光斑的质心位置坐标可由公式7和公式8求得。
激光发射***的跟踪精度定义为激光远场光斑瞬时质心位置围绕其平均质心位置变化的均方根值，即激光到目标上实际的跟踪误差，可用公式9表示。
激光发射***的瞄准精度可定义为激光远场光斑平均质心位置坐标与预先设定的瞄准点之间的偏差，即目标上的实际光束瞄准偏差，可用公式10表示。式中xc为积分光斑质心位置在靶面上的X坐标，yc为积分光斑质心位置在靶面上的Y坐标；x0为***设定瞄准点在靶面上的X坐标，y0为***设定瞄准点在靶面上的Y坐标。
本发明另一实施例中还公开了一种计算机可读存储介质，介质上存有计算机程序，计算机程序运行后执行上述任一实施例中所述的基于CCD反射成像法的激光测量方法。
本发明的另一实施例中还公开了一种计算机设备，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行上述任一实施例中所述的基于CCD反射成像法的激光测量方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于CCD反射成像法的激光测量***，其特征在于，
所述***包括图像采集单元、信标单元、漫反射屏和数据处理单元；
所述图像采集单元通过支架与所述漫反射屏连接；
所述信标单元固定在所述漫反射屏上；
所述数据处理单元与所述图像采集单元连接，用于对图像进行畸变校正处理；
所述畸变校正包括几何畸变校正和能量畸变校正；
几何校正的具体步骤如下：
步骤S11A：在所述漫反射屏上设置图像特征点，并根据图像特征点位置建立坐标系；
步骤S12A：根据图像特征点前后位置坐标变化的映射关系建立畸变校正模型；
步骤S13A：根据畸变校正模型重新对图像进行赋值；
能量校正的具体步骤如下：
步骤S11B：获取激光图像上每个像素点的灰度值；
步骤S12B：求取所有像素点的灰度值均值；
步骤S13B：根据灰度值均值和每个像素点的灰度值求取每个像素点的校正系数；
步骤S14B：根据校正系数和每个点的灰度值求取图像上各个像素点的能量分布。
2.根据权利要求1所述的激光测量***，其特征在于，
所述信标单元包括4个信标光源，4个信标光源分别固定在所述漫反射屏的4个边角，构成一个正四边形。
3.根据权利要求1所述的激光测量***，其特征在于，
所述图像采集单元为CCD相机，并在所述CCD相机的镜头前安装有长波通滤光片。
4.一种基于CCD反射成像法的激光测量方法，其特征在于，所述激光测量方法包括以下步骤：
步骤S1：使用漫反射屏将激光反射至图像采集单元，对反射至图像采集单元的图像进行畸变校正，其中畸变校正包括几何校正和能量校正；
几何校正的具体步骤如下：
步骤S11A：在所述漫反射屏上设置图像特征点，并根据图像特征点位置建立坐标系；
步骤S12A：根据图像特征点前后位置坐标变化的映射关系建立畸变校正模型；
步骤S13A：根据畸变校正模型重新对图像进行赋值；
能量校正的具体步骤如下：
步骤S11B：获取激光图像上每个像素点的灰度值；
步骤S12B：求取所有像素点的灰度值均值；
步骤S13B：根据灰度值均值和每个像素点的灰度值求取每个像素点的校正系数；
步骤S14B：根据校正系数和每个点的灰度值求取图像上各个像素点的能量分布；
步骤S2：通过反射到所述图像采集单元的的激光图像获取激光强度时空分布；
步骤S3：根据激光强度时空分布计算激光的参数。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，介质上存有计算机程序，计算机程序运行后执行如权利要求4所述的基于CCD反射成像法的激光测量方法。
6.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行如权利要求4所述的基于CCD反射成像法的激光测量方法。
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