利用高速相机自准直仪进行角振动测量的系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种利用高速相机自准直仪进行角振动测量的系统及方法。其克服了现有测量方法中由于传感器自重导致的测量误差较大的问题。系统包括直角反射棱镜、第一高速相机、第二高速相机、第一自准直仪、第二自准直仪以及计算机；直角反射棱镜安装在被测试件上，沿着直角反射棱镜的一个直角反射面法线方向依次设置第一自准直仪和第一高速相机；沿着直角反射棱镜的另一个直角反射面法线方向依次设置第二自准直仪和第二高速相机；第一高速相机和第二高速相机均与计算机连接。该方法主要步骤是：【1】系统安装、【2】同步和自准、【3】同步采集图像；【4】图像处理以及获取角振动特性。

【技术实现步骤摘要】
利用高速相机自准直仪进行角振动测量的系统及方法
本专利技术属于航天应用精密测量
，具体涉及一种利用高速相机自准直仪进行角振动测量的系统及方法。
技术介绍
航天器角振动测量与抑制是实现空间精密运动机构高精度稳定指向及光学遥感载荷高分辨清晰成像的前提，航天器角振动幅值和频率特性与空间精密运动指向机构及光学遥感载荷成像参数耦合时，将可能影响精密机构的指向精度、跟踪稳定度和光学遥感载荷的成像质量。当前直接测量角振动的方法主要基于陀螺等角速度或角位移传感器，在对高分辨光学相机等精密载荷微小角振动测量时，传感器引入的附加质量对测试结果影响严重，且此类传感器零漂对外界环境敏感，测角时还需对离散角速度数据进行一次数据积分，引入的测量误差难以剥离。目前国内在轨应用的角振动测量主要基于线加速度传感器间接测量实现，通过在同一平面安装的两对线加速度传感器数据采集线加速度和安装位置的精确测量，间接计算角加速度振动，再通过两次积分获得角位移振动数据。该方法对加速度传感器的安装平面精度要求高，且同样存在传感器自身零漂对外界环境敏感的特型和对时域采集的离散数据进行两次数据积分，会引入更大的测量误差。
技术实现思路
为了克服
技术介绍
中指出的现有测量方法中由于传感器自重导致的测量误差较大的问题，本专利技术提供了一种利用高速相机自准直仪进行角振动测量的系统及方法。本专利技术的技术解决方案是：本专利技术提供了一种利用高速相机自准直仪进行角振动测量的系统，包括直角反射棱镜、第一高速相机、第二高速相机、第一自准直仪、第二自准直仪以及计算机；直角反射棱镜安装在被测试件上，沿着直角反射棱镜的一个直角反射面法线方向依次设置第一自准直仪和第一高速相机；沿着直角反射棱镜的另一个直角反射面法线方向依次设置第二自准直仪和第二高速相机；第一高速相机和第二高速相机均与计算机连接。进一步地，上述直角反射棱镜附加质量小，安装平面要求低，被测试件上安装直角反射棱镜的平面面积为4mm2，平面度为0.1″。通过上述对系统的描述，现对采用该系统进行角振动测量的方法进行描述，该方法包括以下步骤：【1】系统的安装【1.1】在被测试件上选择安装平面，定义坐标系；在被测试件上选择一个安装平面，确定坐标系XYZ，其中，X轴和Y轴均位于所述平面内，Z轴垂直于安装平面；且X轴与被测试件的滚动轴方向平行，Y轴与被测试件的俯仰轴方向平行；【1.2】将直角反射棱镜设置在安装平面上，且确保直角反射棱镜的两个直角反射面的法线方向分别与X轴，Y轴平行，定义两个直角反射面的法线分别为X向法线和Y向法线；【1.3】将第一自准直仪、第一高速相机依次放置在X向法线方向上，将第二自准直仪、第二高速相机依次放置在Y向法线方向上；【2】第一高速相机及第二高速相机之间通过计算机触发信号实现时间同步，第一自准直仪和第二自准直仪分别进行自准；【3】图像采集；第一高速相机及第二高速相机开始进行拍照，并将拍摄的序列图像传输至计算机；【4】图像处理，获得角振动特性；计算机对拍摄的序列图像进行处理，由公式分别计算得到第一高速相机及第二高速相机拍摄的序列图像分别对应的时域角位移振动数据θx(ti)，θy(ti)，θz(ti)；其中，(xti,yti)为反射光点第ti时刻时高速相机拍摄像面上的像素位置，f'为自准直仪光学系统焦距；通过时域角位移振动数据计算时域位移振动数据的标准差或者频域中任意频率点的功率谱密度，从而完成角振动特性的测量。进一步地，所述时域位移振动数据的标准差的具体计算公式是：其中分别表示θx(ti)，θy(ti)，θz(ti)的统计均值，其中N为序列图像的个数,i表示第i幅图像。进一步地，所述频域中任意频率点的功率谱密度的计算过程是：首先，将时域角位移振动数据θx(t)，θy(t)，θz(t)通过快速傅里叶变换转换为频域数据(ΘX(Δfr)，ΘY(Δfr)，ΘZ(Δfr))；具体计算公式为：再计算绕X、Y、Z三个轴的角位移振动功率谱密度：其中j为任意频率点序号，Δfr为频率间隔，为时间间隔，F为第一高速相机及第二高速相机帧频；N为序列图像的个数，px(jΔfr)、py(jΔfr)、pz(jΔfr)分别为绕X、Y、Z三个轴的角位移振动功率谱密度；ΘX(jΔfr)、ΘY(jΔfr)、ΘZ(jΔfr)分别为绕X、Y、Z三个轴向振动角位移θx(t)，θy(t)，θz(t)的FFT函数；分别为ΘX(jΔfr)、ΘY(jΔfr)、ΘZ(jΔfr)的共轭复数。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术的系统与采用陀螺等角速度传感器的质量、体积较大相比，该系统对被测试件引入的附加质量小，反射直角棱镜仅十几克，对测量精度影响较小，提高了测量精度。2、本专利技术采用的第一自准直仪和第二自准直仪可动态进行角位移测试，且该系统可根据测量频率需求灵活选用不同帧频的高速相机，适用范围广。3、本专利技术的方法直接测试获得位移振动数据的方法，与采用陀螺等测速传感器进行一次数值积分、采用线加速度传感器需要两次数值积分获得角位移的方法相比，没有引入数值积分的误差，且不涉及传感器自身随温度等环境变化的零漂特性，数据准确可靠。4、本专利技术对测试要求的安装平面面积小，直角反射棱镜安装平面不超过4mm2,只需加工保证该4mm2的平面平行度优于0.1″，对被测产品要求低。5、本专利技术的测量系统组成简单，地面测试场景搭建容易，适应性及可行性强。附图说明图1为本专利技术系统的结构示意图。图2为本专利技术的方法流程框图。附图标记如下：1-直角反射棱镜、2-第一高速相机、3-第二高速相机、4-第一自准直仪、5-第二自准直仪、6-计算机、7-被测试件。具体实施方式下面结合附图对本专利技术提供的系统和进行更加详尽的介绍。测量系统如图1所述，本专利技术的测量系统，包括直角反射棱镜1(由于反射镜能将入射的偏转角度放大一倍，因此本专利技术采用了直角反射棱镜)、第一高速相机2、第二高速相机3、第一自准直仪4、第二自准直仪5以及计算机6；直角反射棱镜1安装在被测试件7(被测试件指空间精密运动机构或光学相机等有效载荷)上，沿着直角反射棱镜1的一个直角反射面法线方向依次设置第一自准直仪4和第一高速相机2；沿着直角反射棱镜1的另一个直角反射面法线方向依次设置第二自准直仪5和第二高速相机3；第一高速相机2和第二高速相机3均与计算机6连接。测量方法通过上述对系统架构的介绍，现对采用该系统进行角振动测量的方法进行描述，需要说明的是：本方法采用时域位移振动数据的标准差或者频域中任意频率点的功率谱密度来对角振动特性进行表征：如图2所示，具体实现步骤如下：【1】系统的安装【1.1】在被测试件上选择安装平面，定义坐标系；在被测试件上选择一个安装平面，确定坐标系XYZ，其中，X轴和Y轴均位于所述平面内，Z轴垂直于安装平面；且X轴与被测试件的滚动轴方向平行，Y轴与被测试件的俯仰轴方向平行；【1.2】将直角反射棱镜设置在安装平面上，且确保直角反射棱镜的两个直角反射面的法线方向分别与X轴，Y轴平行，定义两个直角反射面的法线分别为X向法线和Y向法线；【1.3】将第一自准直仪、第一高速相机依次放置在X向法线方向上，将第二自准直仪、第二高速相机依次放置在Y向法线方向上；【2】第一高速相机及第二高速相机之间通过计算机触发信号实现时间同步，第一自准直仪和第二自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用高速相机自准直仪进行角振动测量的系统，其特征在于：包括直角反射棱镜、第一高速相机、第二高速相机、第一自准直仪、第二自准直仪以及计算机；直角反射棱镜安装在被测试件上，沿着直角反射棱镜的一个直角反射面法线方向依次设置第一自准直仪和第一高速相机；沿着直角反射棱镜的另一个直角反射面法线方向依次设置第二自准直仪和第二高速相机；第一高速相机和第二高速相机均与计算机连接。

【技术特征摘要】
1.一种利用高速相机自准直仪进行角振动测量的系统，其特征在于：包括直角反射棱镜、第一高速相机、第二高速相机、第一自准直仪、第二自准直仪以及计算机；直角反射棱镜安装在被测试件上，沿着直角反射棱镜的一个直角反射面法线方向依次设置第一自准直仪和第一高速相机；沿着直角反射棱镜的另一个直角反射面法线方向依次设置第二自准直仪和第二高速相机；第一高速相机和第二高速相机均与计算机连接。2.根据权利要求1所述的利用高速相机自准直仪进行角振动测量的系统，其特征在于：被测试件上安装直角反射棱镜的平面面积为4mm2，平面度为0.1″。3.一种利用高速相机自准直仪进行角振动测量的方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的系统，通过以下步骤执行：【1】系统安装【2】第一高速相机及第二高速相机之间通过计算机触发信号实现时间同步，第一自准直仪和第二自准直仪分别进行自准；【3】图像采集；第一高速相机及第二高速相机开始进行拍照，并将拍摄的序列图像传输至计算机；【4】图像处理，获得角振动特性；计算机对拍摄的序列图像进行处理，由公式分别计算得到第一高速相机及第二高速相机拍摄的序列图像分别对应的时域角位移振动数据θx(ti)，θy(ti)，θz(ti)；其中，(xti,yti)为反射光点第ti时刻时高速相机拍摄像面上的像素位置，f'为自准直仪光学系统焦距；通过时域角位移振动数据计算时域位移振动数据的标准差或者频域中任意频率点的功率谱密度，从而完成角振动特性的测量。4.根据权利要求3所述的利用高速相机自准直仪进行角振动测量的方法，其特征在于：所述步骤【1】系统安装的具体步骤是：【1.1】在被测试件上选择安装平面，定义坐标系；在被测试件...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔凯，折文集，杨永清，谢友金，郑志奇，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61