【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及强辐射场景中水下光学成像系统标定及矫正技术，具体涉及一种基于激光片光的水下耐辐照测量系统标定矫正方法。
技术介绍
1、水下场景中，由于光线经过多种不同介质时，其传输方向发生偏移导致在图像传感器上成像存在像素误差，悬浮颗粒的后向散射导致图像成像质量不佳。特别是核电反应堆堆芯、乏燃料水池及压力容器等水下强辐射环境，为提升水下耐辐照测量系统的耐辐照能力和运行生命周期，往往设计较厚的耐辐照反射棱镜视窗，这导致更大的标定误差，形成了更加复杂的传输光路。同时水下强辐射环境多达几十米水深、光照不足及辐射噪声等因素进一步加剧了水下耐辐照测量系统的标定误差。当前的大部分水下场景中的图像传感器标定矫正方法是将其置于水下环境标定并将多介质折射畸变看作焦距变化或者直接忽略水密封视窗的厚度，这对于强辐射场景中设计了较厚水密封视窗及较深的大尺度作业范围的情况下直接无法使用，同时对后续高精度测量任务引入测量误差。
技术实现思路
1、针对现有技术中的不足，本专利技术提供的基于激光片光的水下耐辐照测量系统标定矫正方法能够满足强辐射水下场景应用，实现高精度测量所必须的标定矫正。
2、为了达到上述专利技术目的，本专利技术的技术方案为：
3、(1)耐辐照图像传感器、激光片光发射器、耐辐照反射棱镜及控制器以反射式紧凑型布置于水密封腔体内，所述水下耐辐照测量系统包括两台耐辐照图像传感器，且处于顶部的耐辐照图像传感器与耐辐照反射棱镜为非平行布局，利用耐辐照反射棱镜的斜面将光线从耐辐照反射棱
4、(2)将激光片光投射至与测量系统平行的平面上，提取激光条纹特征，拟合激光条纹直线方程。以耐辐照图像传感器宽度方向为基准直线，计算激光条纹直线与基准直线夹角，调整激光片光发射器的位姿直到上述夹角为零。
5、(3)在标定件上标记多个标记点，将激光片光投射至标定件上，拟合激光条纹直线。提取标记点像素坐标，拟合标记点直线，计算标记点直线与激光条纹直线交点。利用具有共顶点三角形的面积约束关系推导出上述交点的三维坐标，再根据多个交点的三维坐标拟合激光片光平面参数。
6、(4)将水下耐辐照测量系统固定于高精度直线运动模组，在特定距离处固定标定件，通过多点标定法和结构几何关系推导出耐辐照传感器与反射棱镜直角面的垂直距离dcg。
7、在硼酸水与耐辐照反射棱镜交界面、耐辐照反射棱镜与水密封腔体空气介质交界面的非单视点畸变成像影响下，水下直接测量结果并非实际位置。通过光线投影法和snell折射定律矫正位置偏差，并计算出水下测量点pw距离水下耐辐照测量系统的实际位置关系。
8、所述水下目标测量点pw经过硼酸水、耐辐照反射棱镜和水密封腔体在耐辐照图像传感器上成像。根据光线传输可逆特性，设图像传感器上的成像点(u,v)为点光源按照相同传输路径可到达水下测量点的坐标。为水密封腔体内的光线传输向量，为耐辐照反射棱镜中光线传输向量，表示硼酸水环境中光线传输向量，θa表示由传输到耐辐照反射棱镜的入射角，θg表示由传输到耐辐照反射棱镜的折射角，θw表示由传输到硼酸水环境的折射角。p′w点为不考虑非单视点成像畸变时的水下虚拟测量点。ηa表示水密封腔体内空气折射率，ηg表示耐辐照反射棱镜折射率，ηw表示硼酸水折射率。
9、耐辐照图像传感器光心与耐辐照反射棱镜的垂直距离为dcg，基于该参数的标定结果，推导在光线传输路径中的固有交互点的坐标。耐辐照反射棱镜的宽度为dg。利用高精度直线模组标定dw，使用特制标定件标定出耐辐照测量系统底部的耐辐照图像传感器光心与标定件的距离，从而计算出dcg。
10、在水上低辐射区域完成dcg标定和计算。利用数学几何关系计算所述耐辐照图像传感器光心与耐辐照反射棱镜的垂直距离，其计算公式为：
11、
12、其中，为标定件与耐辐照图像传感器光心的垂直距离，dw为耐辐照反射棱镜前表面与标定件的垂直距离。
13、所述激光片光发射器与耐辐照反射棱镜垂直布置，激光片发射器与耐辐照图像传感器的相对位置固定可独立进行光平面标定。耐辐照图像传感器成像面上的任意像素点均可投射为空间射线向量其计算公式如下：
14、
15、上述公式中(u,v)表示像素坐标，(cx,cy)表示主点坐标，(sx,sy)代表传感器像素尺寸，f表示耐辐照图像传感器的焦距。
16、位于顶部的耐辐照图像传感器光轴与耐辐照反射棱镜的前后面存在固定交点pgf和pgs。根据数学几何关系可知：
17、
18、
19、上式中β表示耐辐照图像传感器光轴与的夹角，由耐辐照反射棱镜的法向量和pgf可推导出反射棱镜的平面方程。
20、(5)假设耐辐照图像传感器的光轴在其坐标系中的向量为[0,0,1]，绕该坐标系的x轴顺时针旋转β求得法向量计算公式如下，其中β表示耐辐照图像传感器光轴与的夹角。
21、
22、根据空间射线与空间平面的交点公式，可求解出pag，该符号表示与耐辐照反射棱镜前表面的交点坐标。
23、
24、pcam＝[0,0,0]
25、上述公式中⊙运算符号表示点乘操作，pcam表示耐辐照图像传感器光心坐标。
26、根据snell折射定律计算得到空间射线的折射角余弦值。由此可计算得到耐辐照反射棱镜内的光线向量其计算公式如下。
27、
28、
29、
30、利用pgs和求得空间射线与耐辐照反射棱镜后表面的交点坐标pgw。同理可以求得硼酸水环境中光线传输向量
31、
32、
33、
34、利用pgw和求得在硼酸水环境中对应的空间直线方程。
35、
36、上述中(xp,yp,zp)表示pw的坐标值，(xgw,ygw,zgw)表示pgw的坐标值。表示激光片光平面方程的法向量，(m,n,k)表示的单位向量坐标。最后根据空间直线方程和激光片光平面方程的交点推导出实际的三维坐标。
37、本专利技术的有益效果为：
38、采用本方案的标定矫正计算方法可实现在水上低辐射安全区域完成参数标定及矫正，无需复杂、繁琐、具有辐射污染风险的水下标定矫正，为实现耐辐照水下场景的大尺度目标高精度测量和重建提供关键模型参数。
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1.一种基于激光片光的水下耐辐照测量系统标定矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)的具体实现方法为：采用反射式紧凑型结构设计，将耐辐照图像传感器、激光片光发射器、耐辐照反射棱镜及控制器布置于水密封腔体内，水下耐辐照测量系统包括两台耐辐照图像传感器，且处于顶部的耐辐照图像传感器与耐辐照反射棱镜为非平行布局，利用耐辐照反射棱镜的斜面将光线从耐辐照反射棱镜的直角面旋转90°后从耐辐照反射棱镜的另一直角面传输至水下场景；按照预设位置将两台耐辐照图像传感器和激光片光发射器安装在安装板上，在水上低辐射区域完成耐辐照图像传感器的固有参数cx，cy，f的标定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)的具体实现方法为：将激光片光投射至与测量系统平行的平面上，提取激光条纹特征，拟合激光条纹直线方程，以耐辐照图像传感器宽度方向为基准直线，计算激光条纹直线与基准直线夹角，调整激光片光发射器的位姿直到上述夹角为零。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)的具体实现方法为：在标定件上标记多个标
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)的具体实现方法为：将耐辐照测量系统固定于高精度直线运动模组，在特定距离处固定标定件，通过多点标定法和结构几何关系推导出耐辐照传感器与反射棱镜直角面的垂直距离dcg；在硼酸水与耐辐照反射棱镜交界面、耐辐照反射棱镜与水密封腔体空气介质交界面的非单视点畸变成像影响下，水下直接测量结果并非实际位置，通过光线投影法和Snell折射定律矫正位置偏差，并计算出水下测量点Pw距离水下耐辐照测量系统的实际位置关系，水下目标测量点Pw经过硼酸水、耐辐照反射棱镜和水密封腔体在耐辐照图像传感器上成像，根据光线传输可逆特性，假设耐辐照图像传感器上的成像点(u,v)为点光源按照相同传输路径可到达水下测量点的坐标，为水密封腔体内的光线传输向量，为耐辐照反射棱镜中光线传输向量，表示硼酸水环境中光线传输向量，θa表示由传输到耐辐照反射棱镜的入射角，θg表示由传输到耐辐照反射棱镜的折射角，θw表示由传输到硼酸水环境的折射角，P'w点为不考虑非单视点成像畸变时的水下虚拟测量点，ηa表示水密封腔体内空气折射率，ηg表示耐辐照反射棱镜折射率，ηw表示硼酸水折射率，耐辐照图像传感器光心与耐辐照反射棱镜的垂直距离为dcg，基于该参数的标定结果，推导在光线传输路径中的固有交互点的坐标，使用标定件标定出耐辐照测量系统底部的耐辐照图像传感器光心与标定件的距离，从而计算出dcg，其计算公式为：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)的具体实现方法为：假设位于顶部的耐辐照图像传感器的光轴在其坐标系中的向量为[0,0,1]，绕该坐标系的x轴顺时针旋转β求得耐辐照反射棱镜的法向量计算公式如下，其中β表示位于顶部的耐辐照图像传感器光轴与的夹角，
...【技术特征摘要】
1.一种基于激光片光的水下耐辐照测量系统标定矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)的具体实现方法为：采用反射式紧凑型结构设计，将耐辐照图像传感器、激光片光发射器、耐辐照反射棱镜及控制器布置于水密封腔体内，水下耐辐照测量系统包括两台耐辐照图像传感器，且处于顶部的耐辐照图像传感器与耐辐照反射棱镜为非平行布局，利用耐辐照反射棱镜的斜面将光线从耐辐照反射棱镜的直角面旋转90°后从耐辐照反射棱镜的另一直角面传输至水下场景；按照预设位置将两台耐辐照图像传感器和激光片光发射器安装在安装板上，在水上低辐射区域完成耐辐照图像传感器的固有参数cx，cy，f的标定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)的具体实现方法为：将激光片光投射至与测量系统平行的平面上，提取激光条纹特征，拟合激光条纹直线方程，以耐辐照图像传感器宽度方向为基准直线，计算激光条纹直线与基准直线夹角，调整激光片光发射器的位姿直到上述夹角为零。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)的具体实现方法为：在标定件上标记多个标记点，将激光片光投射至标定件上，拟合激光条纹直线，提取标记点像素坐标，拟合标记点直线，计算标记点直线与激光条纹直线交点，利用具有共顶点三角形的面积约束关系推导出上述交点的三维坐标，再根据多个交点的三维坐标拟合激光片光平面参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)的具体实现方法为：将耐辐照测量系统固定于高精度直线运动模组，在特定距离处固...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯春成，王从政，龚万齐，刘雷，张灵怡，彭柏皓，冯常，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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