探测仪器的校准制造技术

本发明专利技术公开了一种用于校正探测仪器的方法，该探测仪器包含基座元件（３）和具有图像传感器（１０）的照相机，照相机可绕相对于基座元件固定的垂直轴（２）旋转并可绕倾斜轴（４）旋转，倾斜轴随所述照相机绕所述垂直轴的转动而绕所述垂直轴旋转。其中，利用与校准点（Ｐ）以及与在不同面上被捕获的所述校准点在所述图像传感器上的图像（Ｐ１）相关的数据，每一所述校准点的所述数据包含距离数据；每一校准点的每一图像的数据包含图像位置数据和方位数据。另外，基于对每一校准点的距离数据、校准点的每一图像的图像位置数据和方位数据，对探测仪器进行校准，并在同时考虑照相机的至少一个光学特性、垂直轴和倾斜轴的至少一个的相对方位、照相机相对于基座元件及垂直轴和倾斜轴三者其一的方位。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包含有照相机的探测仪器的校准方法、实施该方法的装置以及通过运用该方法进行校准的探测仪器。
技术介绍
探测通常包括对点——例如地形中的反射物(三面反射物)或目标——的角度和位置的确定，这些角度和位置可通过诸如经纬仪或准距仪的探测仪器进行测量。空间位置可用适当的坐标系中的坐标进行定义。例如，点的位置可用其笛卡尔坐标来确定，其中，笛卡尔坐标是相对于具有相互垂直的三个轴的笛卡尔坐标系定义的。但对于位置测量，球坐标更为适用。如图1所示，一个点的位置可以由其距正交坐标系原点的距离d、该坐标系水平轴的其中一条与连接坐标系原点及该点在水平面上投影的直线之间的角度α、与该水平面垂直的坐标系轴与连接该坐标系原点及该点的直线之间的垂直角θ，来在球坐标中定义。如现有技术所公知，笛卡尔坐标可转换为球坐标，反之亦然。探测仪器——例如经纬仪、准距仪，也被称作视距仪或全站仪——中采用了球坐标。如图1中示意性示出的那样，公知的经纬仪或准距仪包含望远镜1和倾斜轴4，望远镜1可绕垂直轴2旋转，垂直轴2固定在经纬仪或准距仪的基座元件3上，倾斜轴4随望远镜1绕垂直轴2的转动而被旋转。绕垂直轴2转动的角度和绕倾斜轴倾斜的角度可从相应的水平盘5和竖盘6读出。在理想的经纬仪或准距仪中，倾斜轴4垂直于垂直轴2，且两轴相交于一点。另外，望远镜1的视准线7，亦称视准轴或视轴，垂直于倾斜轴4并穿过倾斜轴4与垂直轴2的交点。为了测量点的位置，理想地对经纬仪或准距仪进行定向，使得垂直轴2绝对竖直，即使其指向重力的方向。于是，通过垂直于垂直轴2的平面、垂直轴2、作为倾斜轴4和垂直轴2的交点的原点来定义球坐标系。通过水平盘5可确定坐标系的一个轴，其相对于基座元件3固定。为了测量上述角度α和θ，通过绕垂直轴2旋转望远镜1以及绕倾斜轴4倾斜望远镜1，使望远镜1的视轴7指向待测点。这样，角度α可从水平盘读出，角度θ可从竖盘6读出。获知了该点距该仪器的距离，可容易地得出笛卡尔坐标。然而，上述理想经纬仪或准距仪的条件实际上不能满足。更确切地说，测量的准确度可能因不同类型的误差而降低。第一误差涉及垂直轴2的方向。垂直轴2应该与地面绝对垂直，也就是说，其应该指向重力的方向，但实际上可能并非如此。这一误差并不是由于仪器本身所造成，因此只能通过对探测仪器适当地进行定向来避免。可能存在第二误差，即视准线误差或视准误差(collimation error)，其为视轴7和倾斜轴4之间的角度γ与直角的偏差(见图2A)。第三误差为所谓倾斜轴误差(见图2B)，其为倾斜轴和垂直轴之间的夹角与直角的偏差。最后，可能存在所谓高度指标误差(height-index error)z0，其为视轴和垂直轴之间的真实角度与从竖盘上读出的相应角度的偏差(见图2C)。最后的三种误差由于探测仪器的公差所造成。为了能够提供正确的测量，需要对探测仪器进行校准，即需要建立起水平盘和竖盘上读出的角度与对相应的真实角度之间的关系。所谓电视经纬仪(video-theodolites)或电视准距仪(video-tacheometers)与传统经纬仪或准距仪的不同之处在于其包含一照相机，该照相机能够例如替代整个望远镜或只是望远镜的目镜部分。如图3中示意性示出的那样，照相机8包含光学系统9和图像传感器10。光学系统9在图像传感器10上形成一个场景中的一个点的图像。因此，使待测量的点在图像传感器10的特定位置上成像。为了从点的图像在图像传感器上的位置来确定从探测仪器到该点的方向，该方向由实际的垂直和水平角度确定，需要知道图像传感器上的位置与相应的空间方向之间的关系。理想照相机的光轴应当垂直于图像传感器的平面，且光学系统应当没有像差(aberration)或失真(distortion)。此外，光轴应当平行于照相机的参照轴。然而，实际的照相机并不具备这些理想特性。因此，校准——或者说空间方向与这些方向在图像传感器上所对应的图像位置之间的映射关系——是必需的。在探测仪器具有照相机的情况下，例如在电视经纬仪或电视准距仪中，至少两种校准看起来是必要的，即对于仪器轴的校准以及对于照相机的校准。在Y.D.Huang的“Calibration of the Wild P32 Camera using theCamera-ON-Theodolite method”(Photogrammetric Record，16(91)，1998)一文中，Huang将布置在不同距离的一个或至多两个参照点进行连接到一台仪器，该仪器为由严格意义上的探测仪器与照相机组成的系统。用待校准的照相机在不同的仪器方向上——也就是说，要设置在该仪器上的水平和垂直角度的不同组合——来观测这些参照点。由于Huang使用了经纬仪，所述两点之间的距离或这些点与所述仪器之间的距离必须已知。Huang的方法的另一个缺点是仍未考虑仪器误差，例如垂直轴误差和侧向视准误差(lateral collimation error)。但是，校准误差随这些仪器误差的大小而增大，这降低了仪器的整体准确度。因此，本专利技术的目标之一是为具有照相机的探测仪器——特别是电视经纬仪或电视测距仪——的校准提供一种易于实现且仅需少量关于该探测仪器的信息的方法，以及实现该方法的装置。
技术实现思路
本专利技术的第一实施例提供了一种用于校准探测仪器的方法，该探测仪器包含基座元件和具有图像传感器的照相机，该照相机能绕相对于所述基座元件固定的垂直轴旋转并能绕倾斜轴旋转，该倾斜轴随着照相机绕垂直轴的转动而绕垂直轴被旋转，其中，采用了与校准点、校准点在不同面上被捕获的在图像传感器上的图像相关联的数据，对于每一所述校准点的数据包含距离数据，其表示每一所述校准点与探测仪器之间的距离，对于每一所述校准点的每一图像的数据包含图像位置数据和方位数据，图像位置数据表示每一所述校准点的图像在所述图像传感器上的位置，方位数据表示倾斜轴绕垂直轴转动的水平角度以及照相机绕倾斜轴倾斜的垂直角度，其中，在每一校准点的距离数据、校准点的每一图像的图像位置和方位数据的基础上，对探测仪器进行校准，同时，考虑了照相机的至少一项光学特性，以及垂直轴和倾斜轴的相对方位、照相机相对于基座元件及垂直轴及倾斜轴三者之一的方位中的至少一种方位。此外，本专利技术的第二实施例提供了一种用于校准探测仪器的方法，该探测仪器包含基座元件和具有图像传感器的照相机，该照相机能绕相对于所述基座元件固定的垂直轴旋转并能绕倾斜轴旋转，该倾斜轴随着照相机绕垂直轴的转动而绕垂直轴转动，其中，在图像传感器的不同位置以及从两面生成校准点的图像，且其中，对每一所述校准点确定距离数据并对所述校准点的每一图像确定位置数据和方位数据，所述距离数据表示各个校准点和探测仪器之间的距离，所述位置数据表示校准点的图像在图像传感器上的位置，所述方位数据表示倾斜轴绕垂直轴转动的水平角度以及照相机绕倾斜轴倾斜的垂直角度。在每一校准点的距离数据、校准点的每一图像的位置数据和方位数据的基础上，对探测仪器进行校准，同时，考虑照相机的至少一项光学特性以及垂直轴和倾斜轴的相对方位、照相机相对于基座元件及垂直轴及倾斜轴三者之一的方位中的至少一种方位。根据本专利技术的这些方法适用于任何配备有照相机的探测仪器，尤其是电视经纬仪和电视准本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于校准探测仪器的方法，所述探测仪器包含基座元件和具有图像传感器的照相机，所述照相机可绕相对于所述基座元件固定的垂直轴旋转并可绕倾斜轴旋转，所述倾斜轴随所述照相机绕所述垂直轴的转动而绕所述垂直轴旋转，　　　　其中，采用了与校准点以及与在不同面上被捕获的所述校准点在所述图像传感器上的图像相关联的数据，每一所述校准点的所述数据包含表示每一所述校准点与所述探测仪器之间距离的距离数据；每一所述校准点的每一所述图像的所述数据包含图像位置数据和方位数据，所述图像位置数据表示每一所述校准点的所述图像在所述图像传感器上的位置，所述方位数据表示所述倾斜轴绕所述垂直轴旋转的水平角度以及所述照相机绕所述倾斜轴倾斜的垂直角度，并且　　　　其中，基于每一所述校准点的所述距离数据、所述校准点的每一所述图像的所述图像位置数据和方位数据，对所述探测仪器进行校准，并在同时考虑所述照相机的至少一个光学特性、所述垂直轴和所述倾斜轴的至少一个的相对方位、所述照相机相对于所述基座元件及所述垂直轴及所述倾斜轴三者其一的方位。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M弗格尔，
申请(专利权)人：特里伯耶拿有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]