一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定系统和方法，其中系统组成包括双光楔扫描器、成像探测器、靶标以及参考光屏；实现方法包括组建标定系统、成像视轴俯仰调整、成像视轴方位调整和双光楔转角误差标定。与现有技术相比，本发明专利技术通过成像探测器和靶标的组合来检测双光楔光学指向误差，同时利用双光楔光学扫描特性建立俯仰向和方位向解耦的调整策略，将双光楔标定问题转化为成像视轴指向调整问题，可以利用简单紧凑的系统组成和灵活高效的实施方式实现大范高精度的双光楔主截面位置标定，为双光楔扫描器的应用提供技术支撑。撑。撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定系统和方法


[0001]本专利技术涉及光电测试领域，尤其是涉及一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定系统及方法。

技术介绍

[0002]双光楔扫描器具有结构紧凑、转动惯量低、指向精度高、环境适应性强、性价比高等优势，在光电侦察、红外对抗、激光通信、目标跟踪、三维成像等领域均有广泛的应用。但是，双光楔扫描器的光束指向瞄准性能很大程度上依赖于每片棱镜的主截面位置是否准确标定，因为主截面位置的标定误差会给双光楔扫描器的指向精度带来不可忽视的系统误差。现有的双光楔扫描器标定技术通过机械刻线方法保证棱镜主截面位置安装到位，或通过数值优化方法获取棱镜主截面位置误差的最小二乘估计，难以充分保证双光楔主截面标定的准确性和可靠性。
[0003]以下在先技术给出几种典型的双光楔扫描器标定方案：
[0004]如申请号为CN202210097369.3的中国申请专利公开了一种基于Levenberg
‑
Marquardt算法的旋转双光楔指向偏差修正方法，采用非近轴光线追迹方法建立双光楔光束指向模型，通过全视场范围内多个位置的理论光束指向和实际光束指向来构建误差评价函数，最终利用数值优化方法获取双光楔零位标定误差、楔角误差、折射率误差等参数的最优解。此类方法需要控制双光楔转到数十乃至数百组不同转角，以便测量每组转角下光束的实际指向，实施过程较为复杂；而且该方法受到几类误差相互耦合的影响，只能提供多类误差参数的最优估计值，难以准确辨识双光楔主截面位置误差的实际值。
[0005]在先技术(邱赛等，旋转双光楔指向系统转角补偿偏差修正方法，光通信技术,2021,45(2):41
‑
45)针对光束指向误差与双光楔转角误差之间的关系建立全微分方程组，通过解算全微分方程组得到转角误差补偿方程，再结合实际测量的指向误差得到补偿方程的拟合系数，以此代入光束指向模型实现误差修正。此类方法同样需要在多组双光楔转角下测量实际光束指向误差，才能得到比较合理的拟合系数；而且只引入双光楔转角误差参数无法完全补偿多类误差源的耦合作用，意味着修正后的光束指向模型仍不可避免地存在系统误差的影响。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定系统及方法。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定系统，包括双光楔扫描器、靶标、成像探测器和参考光屏；
[0009]所述的双光楔扫描器包括主截面位置未知的两片楔形棱镜，双光楔扫描器为待标定的对象；
[0010]所述的靶标用于指示光轴方向，为双光楔扫描器标定过程提供基准；
[0011]所述的成像探测器用于透过楔形棱镜捕获靶标位置，以靶标的成像位置反映当前的楔形棱镜主截面位置；
[0012]所述的参考光屏用于提供双光楔扫描器标定过程的参考刻度，同时消除杂乱背景的影响。
[0013]进一步地，所述的双光楔扫描器连接有驱动装置和编码器，驱动装置用于驱动两片楔形棱镜共轴独立旋转，编码器安装在每片楔形棱镜的镜筒外侧，用于测量并反馈棱镜的实际转动角度。具体的，可采用电机直驱、齿轮传动、同步带传动、蜗轮蜗杆传动等方式，驱动两片楔形棱镜实现共轴独立旋转运动；
[0014]进一步地，所述双光楔扫描器中两片棱镜的布置形式采取平楔
‑
楔平、楔平
‑
楔平、平楔
‑
平楔或楔平
‑
平楔四种形式的任意一种。所述的两片楔形棱镜的楔角和折射率根据具体应用场景决定，可由玻璃、熔石英、单晶硅等材料制成。
[0015]进一步地，所述的靶标可采用圆形、环形、方形、星形等易于辨别的几何目标，以便被成像探测器观察和捕获，也可采用LED点阵构建更加独特的主动式靶标，提升成像探测器对靶标识别定位的准确性和鲁棒性。
[0016]进一步地，所述的成像探测器根据靶标选择类型，一般可采用CMOS或CCD等图像探测器，针对主动式靶标也可采用四象限探测器、红外探测器等。
[0017]进一步地，所述的成像探测器视轴方向与所述的双光楔扫描器光轴方向对准，且所述的靶标中心落在标定系统的轴线上。
[0018]进一步地，所述的参考光屏与成像探测器的传感面平行，且参考光屏的中心与成像探测器的视轴及双光楔扫描器的光轴对准。
[0019]一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定方法，包括以下步骤：
[0020]S1、系统构建：根据双光楔扫描器、成像探测器、靶标以及参考光屏之间的相对位置关系，建立双光楔扫描器的标定系统及其参考系；
[0021]S2、俯仰调整：控制两片楔形棱镜进行反向等速旋转运动，在两片楔形棱镜的俯仰方向上逐步调整成像探测器的视轴指向，同时检测靶标在探测器上成像位置的变化趋势，直至靶标成像位置相对视场中心的偏离量最小；
[0022]S3、方位调整：控制两片楔形棱镜进行同向等速旋转运动，在两片楔形棱镜的方位方向上逐步扫描成像探测器的视轴指向，同时检测靶标在探测器上成像位置的扫描轨迹，直至靶标成像位置到达其圆形扫描轨迹的最下方；
[0023]S4、转角标定：按照步骤S2和S3，以更小的旋转步长迭代调整成像探测器成像视轴指向的俯仰角和方位角，直至前后两次迭代的视轴指向角度变化低于给定阈值，即确定当前两片楔形棱镜的主截面位置分别为0
°
和180
°
。
[0024]进一步地，步骤S1中，双光楔扫描器、成像探测器、靶标及参考光屏在轴向上满足对准关系，根据右手定则建立双光楔扫描器标定系统的工作坐标系O
‑
XYZ，原点O固定于相机的光心位置，Z轴与相机的光轴方向重合，X轴和Y轴均与Z轴正交；双光楔扫描器的零位设定为其主截面薄端朝上时所在位置。
[0025]进一步地，步骤S2包括以下子步骤：
[0026]S21、在双光楔扫描器初始状态下，从成像探测器上提取靶标的成像位置，计算其
相对于视场中心的初始偏离量δ0；
[0027]S22、控制两片棱镜按照给定步长反向旋转一定角度，改变成像探测器的视轴指向，并计算当前靶标成像位置相对于视场中心的偏离量δ1，此时两片楔形棱镜的转角变化规律表示为：
[0028][0029]其中θ1和θ2分别表示两片楔形棱镜的转角位置，λ为给定的旋转步长，上标0表示楔形棱镜的初始状态，上标1表示楔形棱镜的当前状态；
[0030]S23、若当前靶标成像位置相对于视场中心的偏离量δ1小于初始偏离量δ0，则控制两片楔形棱镜按照各自方向旋转一定角度，否则控制两片棱镜按照各自方向的相反方向旋转一定角度，并计算靶标成像位置相对于视场中心的偏离量，此时两片楔形棱镜的转角变化规律表示为：
[0031]Ifδ
k
＜δ
k
‑1,else
[0032]其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定系统，其特征在于，包括双光楔扫描器、靶标、成像探测器和参考光屏；所述的双光楔扫描器包括主截面位置未知的两片楔形棱镜，双光楔扫描器为待标定的对象；所述的靶标用于指示光轴方向，为双光楔扫描器标定过程提供基准；所述的成像探测器用于透过楔形棱镜捕获靶标位置，以靶标的成像位置反映当前的楔形棱镜主截面位置；所述的参考光屏用于提供双光楔扫描器标定过程的参考刻度，同时消除杂乱背景的影响。2.根据权利要求1所述的一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定系统，其特征在于，所述的双光楔扫描器连接有驱动装置和编码器，驱动装置用于驱动两片楔形棱镜共轴独立旋转，编码器安装在每片楔形棱镜的镜筒外侧，用于测量并反馈棱镜的实际转动角度。3.根据权利要求1所述的一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定系统，其特征在于，所述双光楔扫描器中两片棱镜的布置形式采取平楔
‑
楔平、楔平
‑
楔平、平楔
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平楔或楔平
‑
平楔四种形式的任意一种。4.根据权利要求1所述的一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定系统，其特征在于，所述的成像探测器视轴方向与所述的双光楔扫描器光轴方向对准，且所述的靶标中心落在标定系统的轴线上。5.根据权利要求1所述的一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定系统，其特征在于，所述的参考光屏与成像探测器的传感面平行，且参考光屏的中心与成像探测器的视轴及双光楔扫描器的光轴对准。6.一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、系统构建：根据双光楔扫描器、成像探测器、靶标以及参考光屏之间的相对位置关系，建立双光楔扫描器的标定系统及其参考系；S2、俯仰调整：控制两片楔形棱镜进行反向等速旋转运动，在两片楔形棱镜的俯仰方向上逐步调整成像探测器的视轴指向，同时检测靶标在探测器上成像位置的变化趋势，直至靶标成像位置相对视场中心的偏离量最小；S3、方位调整：控制两片楔形棱镜进行同向等速旋转运动，在两片楔形棱镜的方位方向上逐步扫描成像探测器的视轴指向，同时检测靶标在探测器上成像位置的扫描轨迹，直至靶标成像位置到达其圆形扫描轨迹的最下方；S4、转角标定：按照步骤S2和S3，以更小的旋转步长迭代调整成像探测器成像视轴指向的俯仰角和方位角，直至前后两次迭代的视轴指向角度变化低于给定阈值，即确定当前两片楔形棱镜的主截面位置分别为0
°
和180
°
。7.根据权利要求6所述的一种基于方向解耦原理的双光楔扫描器标定方法，其特征在于，步骤S1中，双光楔扫描器、成像探测器、靶标及参考光屏在轴向上满足对准关系，根据右手定则建立双光楔扫描器标定系统的工作坐标系O
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XYZ，原点O固定于相机的光心位置，Z轴与相机的光轴方向重合，X轴和Y轴均与Z轴正交；双...

【专利技术属性】
技术研发人员：李安虎，刘兴盛，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：