CN107481289A - 大视场相机远场标校的精密靶标系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大视场相机远场标校的精密靶标系统及方法。包括光学平台、经纬仪、基台、转台、俯仰台、平移台、二爪定心卡盘、平面反射镜、圆盘水平仪和待校相机等；经纬仪与基台相对且安置于光学平台；转台基座安装于基台；俯仰台与转台台面固定；平移台固定于俯仰台台面；待校相机通过二爪定心卡盘固定于平移台运动部件；平面反射镜垂直安装于二爪定心卡盘侧面。工作时，调整经纬仪基座和基台保持水平；调整待校相机的光轴与经纬仪出射光线平行，使系统到达零位；按照采样点设定，通过转台、俯仰台和平移台调整待校相机的位置和角度，并拍照，最终实现待校相机不同视场的远场标定。本发明结构简单、紧凑，实现了大视场相机的远场精密标校。

Description

大视场相机远场标校的精密靶标系统及方法

技术领域

本发明涉及精密光学成像领域，具体为一种光学成像相机标定系统，尤其涉及大视场相机远场标校的精密靶标系统及方法。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，越来越多的相机被应用于军事和民用的各个领域；而且根据实际应用需求的提升，对相机成像质量的要求也越来越高，因此校正相机成像畸变的系统及方法也越来越多。高精度光学靶标系统是光学测量、光学成像、视觉测量和机器人视觉等技术领域中必不可少的标校仪器，是通过待测相机拍摄靶标系统的采样点，并对比实际采样点的位置和拍摄采样点的像点位置，来标定相机的固有参数或成像畸变。对于小视场或近距离摄景的相机，采用固定式小尺寸精密靶面能够得到有效的校正；然而，对于较大视场相机的标校，由于其视场覆盖的面积较大，很难采用固定式小尺寸靶面的靶标进行有效的标定，所以这一课题成为这些年研究的热点。

目前应用于大视场相机标校的靶标系统有基于框架结构多小靶拼接的大靶面系统和基于机械臂的单点光源靶标系统。基于框架结构多小靶拼接的大靶面系统，是将多个小尺寸靶面安装在较大的框架结构上实现拼接，并最终形成较大的靶面，实现全视场的标校。基于机械臂的单点光源靶标系统，是通过机械臂调整单点光源的位置，同时利用被测相机拍摄每一位置的点光源，最终合成面阵列光源的方法来校正相机；由于臂展较长的机械臂精度较差，因此该方法实际上还是仅适合于较小视场或近景拍摄相机的视场校正。上述两种标校方式主要是针对于相机的近场标校，而实际使用过程中，相机的近场和远场成像效果并不完全对等，还需要对相机的远场成像能力进行有效标校。本发明采用多精密轴系组合使用，并结合经纬仪，实现大视场相机的远场精密标定。

发明内容

本发明针对大视场相机远场成像畸变标校需求，提供一种大视场相机远场标校的精密靶标系统及方法。该装置依托于高精密轴系系统，能够有效实现大视场相机远场成像畸变的精密标定。

本发明的技术方案为：

所述一种大视场相机远场标校的精密靶标系统，其特征在于：包括光学平台、经纬仪和待校相机安装平台；

所述经纬仪和待校相机安装平台相对放置在光学平台表面上；

所述待校相机安装平台包括基台、转台、俯仰台、平移台、安装卡盘、平面反射镜、水平仪；

基台固定安装在光学平台表面上，水平仪安装在基台表面；转台基座固定安装在基台表面上；俯仰台基座固定安装在转台台面；平移台基座固定安装在俯仰台台面，且平移台滑动部件的运动方向与俯仰台的俯仰平面平行；安装卡盘基座固定安装在平移台的滑动部件上；待校相机能够固定安装在安装卡盘台面上；平面反射镜安装在安装卡盘上远离经纬仪的一侧，且平面反射镜镜面法线方向与平移台滑动部件的运动方向平行，且与安装卡盘台面平行。

进一步的优选方案，所述一种大视场相机远场标校的精密靶标系统，其特征在于：所述安装卡盘为二爪定心卡盘，所述二爪定心卡盘中双卡爪与被夹物体的接触面为相互平行的小平面，且小平面法向与与双卡爪的运动方向平行；双卡爪的运动方向与平面反射镜的镜面法线方向垂直。

利用上述精密靶标系统进行大视场相机远场标校的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：调整经纬仪基座至水平状态并锁定，再调整经纬仪光学部件的光轴线达到水平状态并锁定；根据水平仪指示，调整基台到水平位置；

步骤2：经纬仪光源通电，安装卡盘打开；通过经纬仪和平面反射镜采用自准直法进行零位调整：调整转台、俯仰台、平移台以及经纬仪，使经纬仪出射光的方向和平面反射镜法线平行，系统达到零点位置，并标记此时转台、俯仰台及平移台的位置读数；

步骤3：通过安装卡盘固定待校相机；基于系统零位，调整俯仰台和转台达到待校相机的最大半视场角位置，通过平移台调整待测相机位置，使待校相机能够对经纬仪出射光清晰成像；

步骤4：从待校相机的最大半视场角位置开始，待校相机对经纬仪出射光清晰成像并拍照，记录此时俯仰台和转台度数，并锁定平移台；然后依据设定的采样点调整转台和俯仰台，待校相机对经纬仪出射光清晰成像并拍照，记录此时俯仰台和转台度数；

步骤5：通过步骤4获得待校相机在若干设定位置处的拍摄照片，将所有拍摄照片合并，获得一幅带有所有像点的照片；根据像点的位置以及对应记录的转台、俯仰台度数数据，并基于系统零位，完成对待校相机成像畸变的标校。

进一步的优选方案，所述一种大视场相机远场标校的方法，其特征在于：步骤2中进行零位调整的过程为：调整转台和俯仰台，使从经纬仪出射光经平面反射镜反射后回射到经纬仪内，并在经纬仪分划板上成自准直像；调整转台和俯仰台，使从经纬仪目镜观察的自准直像在经纬仪分划板一侧的横向刻线上；转动转台，观察自准直像的移动轨迹线是否平行于经纬仪分划板的横向刻线；若不平行，则调节基台的调平装置，直至观察自准直像移动的运动轨迹线平行于经纬仪分划板的横向刻线为止；调整转台、俯仰台和经纬仪，使自准直像的中心和经纬仪分划板的中心重合，标记此时转台、俯仰台和平移台的位置为零位。

有益效果

本发明目的是为了解决大视场相机远场传统标校方法精度低的问题。该装置使用多精密轴系，有效的提高了标定过程中相机运动的位置精度和可操作性；结合高精密经纬仪，实现了相机与采样点相对位置的精确设置。结构直观、明确，降低标校过程的难度。

附图说明

图1为本发明大视场相机远场标校的精密靶标系统的三维图；

图2为本发明采用的经纬仪三维图；

图3为本发明的基台示意图；图3(a)侧视图，图3(b)俯视图；

图4为本发明的二爪定心卡盘装置；

图5为本发明系统的零位标定方法；

其中：1-光学平台，2-经纬仪，3-基台，4-转台，5-俯仰台，6-平移台，7-二爪定心卡盘，8-待校相机，9-平面反射镜，10-圆盘水平仪，11-光源，12-理想平面镜，13-经纬仪分划板，14-自准直像，15-调平螺栓，16-小平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。图1为本发明大视场相机远场标校的精密靶标系统的三维图，包括光学平台1、经纬仪2、基台3、转台4、俯仰台5、平移台6、二爪定心卡盘7、待校相机8、平面反射镜9、圆盘水平仪10。

其中，系统采用光学平台1作为主体支撑；经纬仪2和基台3相对，并安置在光学平台1的表面；转台4的基座固定在基台2的表面；俯仰台5的底座固定在转台3的台面上；平移台6的底座固定部分固定在俯仰台5的台面，并保证平移台6滑动部件的运动方向与俯仰台5运动部件所扫过的俯仰面平行；二爪定心卡盘7的底座安装在平移台6的滑动部件上；平面反射镜9固定在二爪定心卡盘7的侧面，并平行于二爪定心卡盘7的双卡爪运动方向，平面发射镜9的面法线平行于二爪定心卡盘7的台面；待校相机8固定夹持在二爪定心卡盘7的双卡爪之间，并且底面与二爪定心卡盘7的台面相贴合；圆盘水平仪10放置在基台3的表面。

图2为本发明采用的经纬仪2。所述经纬仪2具备有安装光源11的接口。当光源11照射发出的光经经纬仪2后，形成平行光束，能够通过理想平面镜12反射回经纬仪2，在经纬仪分划板13上所成的自准直像14能够进行位置标识，例如十字像。

图3为本发明的基台3侧视图及俯视图。图3(a)为基台侧视图，图3(b)为基台俯视图。基台3的上表面具有较高的表面平整度，三个调平螺栓15拧入基台3的三个螺纹孔内。通过调节基台3上三个调平螺栓15实现基台3的水平。

图4为本发明的二爪定心卡盘装置。二爪定心卡盘装置由二爪定心卡盘7和平面反射镜9组成，双卡爪的接触面为小平台16的台面，且小平台16接触面垂直于双卡爪的运动方向，同时也垂直于二爪定心卡盘7的底座面。平面反射镜9面向经纬仪2，安装于二爪定心卡盘7相对于经纬仪2的较远侧，平面反射镜9的镜面所在平面垂直于小平台16，同时也垂直于二爪定心卡盘7的底座面。

如图5，本实施例中系统的零位标定方法：调整经纬仪2的底座达到水平状态并锁定，调整经纬仪2光学部件的光轴线达到水平状态并锁定；调整基台3上的三个调平螺栓15，使圆盘水平仪10达到水平状态；调整二爪定心卡盘7的双卡爪分开到最大程度；打开光源11，调整转台4和俯仰台5，使从经纬仪2出射光经平面反射镜9反射后回射到经纬仪2内，并在经纬仪分划板13上成自准直像14；调整转台4和俯仰台5，使从经纬仪2目镜观察的自准直像14在经纬仪分划板13一侧的横向刻线上；转动转台4，观察自准直像14在移动轨迹线是否平行经纬仪分划板13的横向刻线；若不平行，微调节基台3上的调平螺母15，直到观察自准直像14在移动的运动轨迹线平行于经纬仪分划板13的横向刻线为止；调整转台4、俯仰台5和经纬仪2，使自准直像14的中心和经纬仪分划板13的中心重合，标记此时转台4、俯仰台5和平移台6的位置为零位。

测量标校时，先调整系统到达零位，锁定经纬仪2上所有运动轴。通过二爪定心卡盘7固定待校相机8，并使待校相机8的下表面与二爪定心卡盘7的台面贴合；打开光源11；基于系统零位，调整转台4和俯仰台5，达到待校相机8的最大半视场角，利用待测相机8对从经纬仪2中发出的平行光进行成像拍照；若待校相机8像面内无经纬仪2发出的像，调整平移台6移动二爪定心卡盘7的位置，进而移动待校相机8的位置，直到在待校相机8可以对经纬仪2发出的平行光成像，锁定平移台6。根据采样点调整转台4和俯仰台5，记录数据，并用待校相机8拍照；最终将所有位置拍的照片合并，获得一幅带有所有像点的照片；根据像点的位置以及实际转台4、俯仰台5的数据，并基于系统零位，完成对待校相机8进行成像畸变的标校。

Claims (4)

1.一种大视场相机远场标校的精密靶标系统，其特征在于：包括光学平台、经纬仪和待校相机安装平台；

所述经纬仪和待校相机安装平台相对放置在光学平台表面上；

所述待校相机安装平台包括基台、转台、俯仰台、平移台、安装卡盘、平面反射镜、水平仪；

基台固定安装在光学平台表面上，水平仪安装在基台表面；转台基座固定安装在基台表面上；俯仰台基座固定安装在转台台面；平移台基座固定安装在俯仰台台面，且平移台滑动部件的运动方向与俯仰台的俯仰平面平行；安装卡盘基座固定安装在平移台的滑动部件上；待校相机能够固定安装在安装卡盘台面上；平面反射镜安装在安装卡盘上远离经纬仪的一侧，且平面反射镜镜面法线方向与平移台滑动部件的运动方向平行，且与安装卡盘台面平行。

2.根据权利要求1所述一种大视场相机远场标校的精密靶标系统，其特征在于：所述安装卡盘为二爪定心卡盘，所述二爪定心卡盘中双卡爪与被夹物体的接触面为相互平行的小平面，且小平面法向与与双卡爪的运动方向平行；双卡爪的运动方向与平面反射镜的镜面法线方向垂直。

3.利用权利要求1所述精密靶标系统进行大视场相机远场标校的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：调整经纬仪基座至水平状态并锁定，再调整经纬仪光学部件的光轴线达到水平状态并锁定；根据水平仪指示，调整基台到水平位置；

步骤2：经纬仪光源通电，安装卡盘打开；通过经纬仪和平面反射镜采用自准直法进行零位调整：调整转台、俯仰台、平移台以及经纬仪，使经纬仪出射光的方向和平面反射镜法线平行，系统达到零点位置，并标记此时转台、俯仰台及平移台的位置读数；

步骤3：通过安装卡盘固定待校相机；基于系统零位，调整俯仰台和转台达到待校相机的最大半视场角位置，通过平移台调整待测相机位置，使待校相机能够对经纬仪出射光清晰成像；

步骤4：从待校相机的最大半视场角位置开始，待校相机对经纬仪出射光清晰成像并拍照，记录此时俯仰台和转台度数，并锁定平移台；然后依据设定的采样点调整转台和俯仰台，待校相机对经纬仪出射光清晰成像并拍照，记录此时俯仰台和转台度数；

步骤5：通过步骤4获得待校相机在若干设定位置处的拍摄照片，将所有拍摄照片合并，获得一幅带有所有像点的照片；根据像点的位置以及对应记录的转台、俯仰台度数数据，并基于系统零位，完成对待校相机成像畸变的标校。

4.根据权利要求3所述一种大视场相机远场标校的方法，其特征在于：步骤2中进行零位调整的过程为：调整转台和俯仰台，使从经纬仪出射光经平面反射镜反射后回射到经纬仪内，并在经纬仪分划板上成自准直像；调整转台和俯仰台，使从经纬仪目镜观察的自准直像在经纬仪分划板一侧的横向刻线上；转动转台，观察自准直像的移动轨迹线是否平行于经纬仪分划板的横向刻线；若不平行，则调节基台的调平装置，直至观察自准直像移动的运动轨迹线平行于经纬仪分划板的横向刻线为止；调整转台、俯仰台和经纬仪，使自准直像的中心和经纬仪分划板的中心重合，标记此时转台、俯仰台和平移台的位置为零位。