专利名称：一种激光自准直二维角度测量的建模方法
技术领域：
本发明属于测量技术，涉及对激光自准直测量方法的改进。
背景技术：
在诸多的测量方法中，激光自准直测量方法充分利用激光的优点，具有结构简单、使用方便等特点，在计量科学中得到越来越广泛的应用。激光自准直测量方法是利用激光本身的方向性，以激光光强分布中心作为基准直线，采用CCD、四象限光电池或PSD作为光电位置探测器，实现角度的测量。激光自准直测角方法具有非接触、准确度高、灵敏度高，结构简单、使用方便等特点。建立准确的测量模型，能够准确、快速测量出被测物偏转的角度是激光自准直测量方法得以成功应用于工程中的一个关键技术。目前建立激光自准直测量模型的方法有(1)直接利用激光自准直近似模型公式，通过不同的光电接收器件测量出光斑位置，建立测量模型。王建林、朱明武、崔秀华在文章“一种新颖的单线阵CCD双坐标自准直仪”(仪器仪表学报，2000，Vol.21，No.3229-232)和蒋本和、陈文毅、胡文斐等在文章“用激光准直及CCD检测的小角度测量系统”(激光与红外，1998，Vol.28，No.4233-235)中陈述了这种方法。他们采用CCD作为光电接收器件建立二维小角度测量模型。光电接收器件还可以采用位置敏感器件(PSD)。朱小平在文章“PSD自准直仪”(计量技术，1999，No.48-11)和郭晓松、黄先祥、孔祥玉在文章“PSD光电自动瞄准系统”(红外与激光工程，1999，Vol.28，No.143-45)中也描述了这种方法。
(2)基于多项式法建立测量模型。尚鸿雁、张广军在文章“三自由度动态角度实时测量系统的研究”(光电工程)中提出了一种建模方法。该方法主要是通过将被测物体安装在精密三轴旋转台上，被测物体表面贴上反射镜。被测物体分别做某一角度θ下的左偏航、右偏航、上俯仰和下俯仰转动，标定出测量系统的基准零位、PSD横纵比和PSD坐标系与俯仰/偏航坐标系的旋转角度，采用多项式拟和的方法从而建立出激光自准直测量的数学模型θ＝Ar2+Br+C，其中A、B、C是标定出的常数。
上述两种建模方法只适用于平面镜初始空间位置确定的情况，模型的通用性差。
发明内容
本发明的目的是针对现有激光自准直测量建模方法中存在的不足，提出一种建模方法简单、使用范围广、应用方便的激光自准直测量建模方法，改善其工程使用的通用性。
本发明的技术方案是一种激光自准直二维角度测量的建模方法，其特征在于，基于透视投影变换，把激光自准直测量模型看成一个针孔成像模型，数学模型的建立过程如下(1)建立坐标系，建立光学系统坐标系Oop-xopyopzop，光学系统坐标系的原点位于光轴上，zop轴与光轴重和，方向与光线传播的方向相同，建立像空间坐标系(OIs-xIsyIs)和物空间坐标系(Oob-xobyobzob)，像空间坐标系的原点位于光轴上，并且与光学系统坐标系的相距f，物空间坐标系与Oop点之间的物距为L，平面镜镜面和xobOobyob面重合，设光电接收器件的敏感面为xImOImyIm，它与xIsOIsyIs面不重合，两者之间的关系可用矩阵表示如下xImyImzIm=RxIsyIszIs+T---[3]]]>式中R是单位正交矩阵，并且R=S11S12S13S21S22S23S31S32S33,]]>光电接收器件敏感面的中心坐标(0，0)在像空间坐标系下的坐标为T=xoyozo;]]>(2)在测量系统中，用法线向量坐标表示平面镜空间位置，设平面镜法线的单位方向向量为nπ→={nx,ny,nz},]]>物空间坐标系下，当平面镜转动了一个空间角，即俯仰方向转动了θ角，偏航方向转动了角时，平面镜法线的向量坐标与平面镜旋转角度之间的关系为 并且有nx2+ny2+nz2=1---[5]]]>(3)从物空间Oob点发出的一束平行反射光 经过透镜的折射后，与像空间xIsOIsyIs面交于F点，把反射光线 平移到过光学系统坐标系的原点，即投影中心，设平移后的反射光线与xobOobyob面交于Q点，则Q点、Oop点和F点三点共线，基于透视投影方程和三角形定理，得到像空间xIsOIsyIs面上F(xIs，yIs，0)点的坐标为xIsyIs=fnxnx2+ny2arccos(2nz2-1)nynx2+ny2arccos(2nz2-1)---[6]]]>(4)联立公式[4]和[6]，得到 把公式[3]带入式[7]，即完成激光自准直二维角度测量数学模型的建立；(4)确定模型的参数，激光自准直二维角度测量数学模型参数的确定需在以下设备的基础上进行一套需待建立测量模型的激光自准直测量系统，其中光电接收器件采用PSD光电位置敏感器；一个精度在角秒级的三自由度旋转台，并在旋转台的旋转中心放置一平面反射镜；模型参数的确定过程按如下步骤进行①打开激光器，使得自准直测量系统的出射光束照射在平面镜上；②旋转三自由度旋转台，使得平面镜空间转动10个已知角度(θi，i)，i＝1～10，分别记录并存储由PSD探测到的相应10个像点坐标值(xi，yi)，i＝1～10；③利用②中获得的10个点坐标值和其对应的10个已知角度，用线性求解方法，计算得到矩阵R和T。
④把计算得到的矩阵R和T带入到公式[10]中，从而得到激光自准直二维角度测量的数学模型。
本发明的优点是本发明基于透视投影变换原理的激光自准直二维角度测量的建模方法避开光学系统本身具体结构，采用大于等于3组像点坐标和对应的平面镜转动角度值，就可以建立出激光自准直二维角度测量的数学模型，简化了模型建立和标定的过程，具有方法简单，使用方便等特点。基于该激光自准直二维角度测量模型，只需要测量出任一像点的坐标值，就可计算得到与其对应的转动角度，通用性好。
图1是透视投影几何示意图。
图2是激光自准直测量的透视投影变换示意图。
具体实施例方式
下面对本发明做进一步详细说明。
透视投影变换。
透视投影成像模型的特点是所有来自场景的光线均通过一个投影中心，它对应于透镜的中心。经过投影中心且垂直于成像平面的直线称为投影轴或光轴，如图1所示。其中xyz是固定在透镜上的直角坐标系，遵循右手法则，其原点位于投影中心，z轴与投影轴重和并指向场景，x轴、y轴与像平面的坐标系x’轴和y’轴平行，xy平面与成像平面的距离为f，称为透镜的焦距。
点(x，y，z)的视线、点(x，y，z)到z轴的垂直线段以及z轴形成了一个三角形。成象平面上的点(x’，y’)的视线、点(x’，y’)到z轴垂直线段以及z轴形成了另一个三角形。这两个三角形是相似三角形，由此得到透视投影方程x′x=y′y=fz---[1]]]>点(x，y，z)在成象平面中的位置由下式给出x′=fzx,]]>y′=fzy---[2]]]>激光自准直二维角度测量数学模型的建立。
图2是激光自准直测量的投影透视变换模型示意图。图中黑虚线是实际反射光线传播的途径。基于透视投影变换，把激光自准直测量模型看成一个针孔成像模型。数学模型建立过程如下(1)建立坐标系。
建立光学系统坐标系Oop-xopyopzop，光学系统坐标系的原点位于光轴上，zop轴与光轴重和，方向与光线传播的方向相同，如图2所示。建立像空间坐标系(OIs-xIsyIs)和物空间坐标系(Oob-xobyobzob)。像空间坐标系的原点位于光轴上，并且与光学系统坐标系的相距f。物空间坐标系与Oop点之间的物距为L。平面镜镜面和xobOobyob面重合。
光电接收器件的敏感面(设为xImOImyIm)与xIsOIsyIs面不重合，两者之间的关系可用矩阵表示如下xImyImzIm=RxIsyIszIs+T---[3]]]>式中R是单位正交矩阵，并且R=S11S21S13S21S22S23S31S32S33;]]>光电接收器件敏感面的中心坐标(0，0)在像空间坐标系下的坐标为T=xoyozo.]]>(2)在测量系统中，用法线向量坐标表示平面镜空间位置。
设平面镜法线的单位方向向量为nπ→={nx,ny,nz}·]]>物空间坐标系下，当平面镜转动了一个空间角(即俯仰方向转动了θ角，偏航方向转动了角)时，平面镜法线的向量坐标与平面镜旋转角度之间的关系为 并且有nx2+ny2+nz2=1---[5]]]>(3)图2中，从物空间Oob点发出的一束平行反射光 经过透镜的折射后，与像空间xIsOIsyIs面交于F点。把反射光线 平移到过光学系统坐标系的原点，即投影中心。设平移后的反射光线与xobOobyob面交于Q点，则Q点、Oop点和F点三点共线。
基于透视投影方程和三角形定理，得到像空间xIsOIsyIs面上F(xIs，yIs，0)点的坐标为xIsyIs=fnxnx2+ny2arccos(2nz2-1)nynx2+ny2arccos(2nz2-1)---[6]]]>(4)联立公式[4]和[6]，得到
把公式[3]带入上式，即可建立出激光自准直二维角度测量的数学模型。
模型参数的确定。
激光自准直二维角度测量数学模型参数的确定需以下物理设备来完成一套需待建立测量模型的激光自准直测量系统，其中光电接收器件采用PSD光电位置敏感器；一个精度在角秒级的三自由度旋转台，并在旋转台的旋转中心放置一平面反射镜。模型参数的确定过程按如下步骤进行①打开激光器，使得自准直测量系统的出射光束照射在平面镜上。
②旋转三自由度旋转台，使得平面镜空间转动10个已知角度(θi，i)，i＝1～10，分别记录并存储由PSD探测到的相应10个像点坐标值(xi，yi)，i＝1～10。
③利用②中获得的10个点坐标值和其对应的10个已知角度，用线性求解方法，计算得到矩阵R和T。
④把计算得到的矩阵R和T带入到公式[17]中，从而得到激光自准直二维角度测量的数学模型。
实施例构建参数确定所需的物理设备，其中需待建立测量模型的激光自准直测量系统的光电接收器件PSD为日本滨松公司生产，型号为S1880。按照上述根据激光自准直二维角度测量数学模型的建立过程，获得10组像点坐标和对应的平面镜转动角度值，计算得到矩阵R和T为R=1.00000.0000-0.00160.00001.00000.00410.00240.00411.0000,]]>T=0.3310.1401.272]]>从而建立的激光自准直二维角度测量的数学模型为
采用本发明方法建模的测量装置进行激光自准直角度测量，测量范围±2°，静态测量精度0.25′。
权利要求
1.一种激光自准直二维角度测量的建模方法，其特征在于，基于透视投影变换，把激光自准直测量模型看成一个针孔成像模型，数学模型的建立过程如下(1)建立坐标系，建立光学系统坐标系Oop-xopyopzop，光学系统坐标系的原点位于光轴上，zop轴与光轴重和，方向与光线传播的方向相同，建立像空间坐标系(OIs-xIsyIs)和物空间坐标系(Oob-xobyobzob)，像空间坐标系的原点位于光轴上，并且与光学系统坐标系的相距f，物空间坐标系与Oop点之间的物距为L，平面镜镜面和xobOobyob面重合，设光电接收器件的敏感面为xImOImyIm，它与xIsOIsyIs面不重合，两者之间的关系可用矩阵表示如下xImyImzIm=RxIsyIszIs+T----[3]]]>式中R是单位正交矩阵，并且R=S11S12S13S21S22S23S31S32S33,]]>光电接收器件敏感面的中心坐标(0，0)在像空间坐标系下的坐标为T=xoyozo;]]>(2)在测量系统中，用法线向量坐标表示平面镜空间位置，设平面镜法线的单位方向向量为nπ→={nx,ny,nz},]]>物空间坐标系下，当平面镜转动了一个空间角，即俯仰方向转动了θ角，偏航方向转动了角时，平面镜法线的向量坐标与平面镜旋转角度之间的关系为 并且有nx2+ny+nz2=1----[5]]]>(3)从物空间Oob点发出的一束平行反射光 经过透镜的折射后，与像空间xIsOIsyIs面交于F点，把反射光线 平移到过光学系统坐标系的原点，即投影中心，设平移后的反射光线与xobOobyob面交于Q点，则Q点、Oop点和F点三点共线，基于透视投影方程和三角形定理，得到像空间xIsOIsyIs面上F(xIs，yIs，0)点的坐标为xIsyIs=fnxnx2+ny2arccos(2nz2-1)nynx2+ny2arccos(2nz2-1)----[6]]]>(4)联立公式[4]和[6]，得到 把公式[3]带入式[7]，即完成激光自准直二维角度测量数学模型的建立；(4)确定模型的参数，激光自准直二维角度测量数学模型参数的确定需在以下设备的基础上进行一套需待建立测量模型的激光自准直测量系统，其中光电接收器件采用PSD光电位置敏感器；一个精度在角秒级的三自由度旋转台，并在旋转台的旋转中心放置一平面反射镜；模型参数的确定过程按如下步骤进行①打开激光器，使得自准直测量系统的出射光束照射在平面镜上；②旋转三自由度旋转台，使得平面镜空间转动10个已知角度(θi，i)，i＝1～10，分别记录并存储由PSD探测到的相应10个像点坐标值(xi，yi)，i＝1～10；③利用②中获得的10个点坐标值和其对应的10个已知角度，用线性求解方法，计算得到矩阵R和T。④把计算得到的矩阵R和T带入到公式[5]中，从而得到激光自准直二维角度测量的数学模型。
全文摘要
本发明属于测量技术，涉及对激光自准直测量方法的改进。本方法的步骤是(1)建立坐标系，(2)求出当平面镜转动了一个空间角后平面镜法线的向量坐标与平面镜旋转角度之间的关系式，(3)求出像空间x
文档编号G01B11/26GK1796930SQ20041010258
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月28日 优先权日2004年12月28日
发明者张广军, 尚鸿雁, 江洁 申请人:北京航空航天大学
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