两共轴背对背固定光电成像系统的轴线误差标定方法

摘要

本发明提供一种两背对背同轴固定光电成像系统轴线误差的标定方法，属于光电成像技术领域。本发明基于不同坐标系之间的转换原理，其技术方案为：将两背对背同轴固定的光电成像系统放置于由两束平行反向的型平行光束构成的光路中，用左右两侧光电成像系统分别采集左右两侧光斑，通过图像处理方法计算左光束坐标系与左光电成像系统坐标系的关系，右光束坐标系与右光电成像系统坐标系的关系。左右光束平行反向，存在简单的坐标变换关系。将上述三个变换关系联系起来，就可以获得左右光电成像系统坐标系的变换关系，进而得出两光电成像系统轴线之间的夹角。该方法适用于两背对背同轴固定的光电成像仪器轴线误差的标定。

主权项

一种两背对背同轴固定光电成像系统轴线误差的标定方法，其特征在于，具体步骤为：步骤一、搭建由两束平行反向的十字型平行光束构成的检测光路；步骤二、将两共轴背对背固定的光电成像系统放置于所述由两束平行反向的十字型平行光束构成的检测光路中，用左光电成像系统采集左十字平行光束得到左十字光斑图像，用右光电成像系统采集右十字平行光束得到右十字光斑图像；步骤三、对所述左光电成像系统采集的左十字光斑图像进行处理，建立左光电成像系统坐标系和左十字光束坐标系，并根据几何成像原理，求解左十字光束坐标系相对左光电成像系统坐标系的旋转矩阵R₁：以左光电成像系统镜头O₁中心为圆心，像面行方向为x轴，列方向为y轴，光轴方向为z轴，建立左光电成像系统坐标系O₁‑x₁y₁z₁，以左十字光束的出射方向为w轴，以十字光束的水平和竖直线为u轴和v轴，建立左十字光束坐标系O₃‑u₁v₁w₁，设左十字光束交左光电成像系统主平面于A点，经镜头会聚于左像面B点，且在左像面上的十字光斑中两条相交的直线分别沿和方向；利用图像处理中的二值化和细化算法，提取左像面上十字光斑的中心骨架，利用最小二乘法拟合两条直线，得到其在坐标系O₁‑x₁y₁z₁中单位方向向量$\overrightarrow{m}={(m_1,m_2,0)}^T$和$\overrightarrow{n}={(n_1,n_2,0)}^T;$设B点在像面矩阵中行列坐标为(i,j)，左光电成像系统的瞬时视场为p₁×q₁，则B点在O₁‑x₁y₁z₁坐标系中的坐标为f′₁(ip₁,jq₁,‑1)，其中f₁′为左光电成像系统焦距；解出左十字光束坐标系相对左光电成像系统坐标系的旋转矩阵R₁为$R_1=\left[\begin{array}{ccc}\frac{m_1}{\sqrt{{(m_{1}i{p}_1+m_{2}j{q}_1)}^2+1}}& \frac{n_1}{\sqrt{{(n_{1}i{p}_1+n_{2}j{q}_1)}^2+1}}& \frac{i{p}_1}{\sqrt{i^2{p}_1^2+j^2{q}_1^2+1}}\\ \frac{m_2}{\sqrt{{(m_{1}i{p}_1+m_{2}j{q}_1)}^2+1}}& \frac{n_2}{\sqrt{{(n_{1}i{p}_1+n_{2}j{q}_1)}^2\text{+1}}}& \frac{j{q}_1}{\sqrt{i^2{p}_1^2+j^2{q}_1^2+1}}\\ \frac{-(m_{1}i{p}_1+m_{2}j{q}_1)}{\sqrt{{(m_{1}i{p}_1+m_{2}j{q}_1)}^2+1}}& \frac{-(n_{1}i{p}_1+n_{2}j{q}_1)}{\sqrt{{(n_{1}i{p}_1+n_{2}j{q}_1)}^2+1}}& \frac{-1}{\sqrt{i^2{p}_1^2+j^2{q}_1^2+1}}\end{array}\right];$步骤四、对所述右光电成像系统采集的右十字光斑图像进行如下处理：以右光电成像系统镜头O₂中心为圆心，像面行方向为x轴，列方向为y轴，光轴方向为z轴，建立右光电成像系统坐标系O₂‑x₂y₂z₂；以右十字光束的出射方向为w轴，以十字光束的水平和竖直线为u轴和v轴，建立右十字光束坐标系O₄‑u₂v₂w₂；设右十字光束交右光电成像系统主平面于D点，经镜头会聚于右像面C点，且在右像面上的十字光斑中两条相交的直线分别沿和方向；利用图像处理中的二值化和细化算法，提取右像面上十字光斑的中心骨架，利用最小二乘法拟合两条直线，得到其在坐标系O₂‑x₂y₂z₂中单位方向向量和${\overrightarrow{n}}^{\prime }={({n_1}^{\prime },{n_2}^{\prime },0)}^T;$设C点在像面矩阵中行列坐标为(i',j')，右光电成像系统的瞬时视场为p₂×q₂；解出右十字光束坐标系相对左光电成像系统坐标系的旋转矩阵R₂：$R_2=\left[\begin{array}{ccc}\frac{{m_1}^{\prime }}{\sqrt{{({m_1}^{\prime }{i}^{\prime }{p}_2+{m_2}^{\prime }{j}^{\prime }{q}_2)}^2+1}}& \frac{{n_1}^{\prime }}{\sqrt{{({n_1}^{\prime }{i}^{\prime }{p}_2+{n_2}^{\prime }{j}^{\prime }{q}_2)}^2+1}}& \frac{i^{\prime }{p}_2}{\sqrt{i^{\prime 2}{p}_2^2+j^{\prime 2}{q}_2^2+1}}\\ \frac{{m_2}^{\prime }}{\sqrt{{({m_1}^{\prime }{i}^{\prime }{p}_2+{m_2}^{\prime }{j}^{\prime }{q}_2)}^2+1}}& \frac{{n_2}^{\prime }}{\sqrt{{({n_1}^{\prime }{i}^{\prime }{p}_2+{n_2}^{\prime }{j}^{\prime }{q}_2)}^2+1}}& \frac{j^{\prime }{q}_2}{\sqrt{i^{\prime 2}{p}_2^2+j^{\prime 2}{q}_2^2+1}}\\ \frac{-({m_1}^{\prime }{i}^{\prime }{p}_2+{m_2}^{\prime }{j}^{\prime }{q}_2)}{\sqrt{{({m_1}^{\prime }{i}^{\prime }{p}_2+{m_2}^{\prime }{j}^{\prime }{q}_2)}^2+1}}& \frac{-({n_1}^{\prime }{i}^{\prime }{p}_2+{n_2}^{\prime }{j}^{\prime }{q}_2)}{\sqrt{{({n_1}^{\prime }{i}^{\prime }{p}_2+{n_2}^{\prime }{j}^{\prime }{q}_2)}^2+1}}& \frac{-1}{\sqrt{i^{\prime 2}{p}_2^2+j^{\prime 2}{q}_2^2+1}}\end{array}\right];$步骤五、根据所述步骤三与步骤四得出R₁、R₂，令R₁₂为左十字光束坐标系相对于右十字光束坐标系之间的旋转矩阵，通过坐标系转换关系，得出左光电成像系统相对右光电成像系统的旋转矩阵R$R=R_2{R}_{12}{R}_1^{-1}$其中左右十字光束平行反向，则$R_{12}=\left[\begin{array}{ccc}-1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& -1\end{array}\right];$步骤六、以右光电成像系统为基准，计算左光电成像系统光轴相对右光电成像系统光轴的水平偏角α和竖直偏角β：假设$R=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{\text{12}}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right],$左光电成像系统光轴在左光电成像系统坐标系中用描述，变换到右光电成像系统坐标系中为${\overrightarrow{z}}_1^{\prime }=R{\overrightarrow{z}}_1={(r_{13},r_{23},r_{33})}^T$在O₂‑x₂z₂平面的投影为${\overrightarrow{z}}_h={(r_{13},0,r_{33})}^T$在平面的投影为${\overrightarrow{z}}_v={(0,r_{23},r_{33})}^T$右光电成像系统光轴在右光电成像系统坐标系中用描述，则左右光电成像系统在水平方向的夹角$\alpha =\arccos \left(\frac{{\overrightarrow{z}}_2·{\overrightarrow{z}}_h}{\left|{\overrightarrow{z}}_2\right|\left|{\overrightarrow{z}}_h\right|}\right)=\arccos \left(\frac{r_{33}}{\sqrt{r_{13}^2+r_{13}^2}}\right)$左右光电成像系统在竖直方向的夹角$\beta =\arccos \left(\frac{{\overrightarrow{z}}_2·{\overrightarrow{z}}_v}{\left|{\overrightarrow{z}}_2\right|\left|{\overrightarrow{z}}_v\right|}\right)=\arccos \left(\frac{r_{33}}{\sqrt{r_{23}^2+r_{33}^2}}\right)$由左右光电成像系统在水平方向和在竖直方向的夹角可表示两共轴背对背固定光电成像系统的轴线误差。