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1、(10)申请公布号 CN 102901459 A(43)申请公布日 2013.01.30CN102901459A*CN102901459A*(21)申请号 201210377685.2(22)申请日 2012.10.08G01B 11/16(2006.01)(71)申请人中国人民解放军国防科学技术大学地址 410073 湖南省长沙市开福区德雅路109号(72)发明人胡春生 王省书 秦石乔 周金鹏高旸(74)专利代理机构国防科技大学专利服务中心 43202代理人郭敏(54) 发明名称一种基于准直光路的角秒级三维变形测量装置与方法(57) 摘要本发明公开了一种基于准直光路的角秒级三维变形测量装置及。
2、方法。装置由发射模块、接收模块和处理模块构成，发射模块由光源、光阑和发射光学系统构成，光源和光阑的中心都在发射光学系统的光轴上；光阑的透光部分采用直线结构；接收模块由接收光学系统和面阵探测器构成，面阵探测器位于接收光学系统的焦平面上，其中心位于接收光学系统的光轴上；处理模块中安装了变形解算软件。测量方法是发射光学系统将透过光阑的光束准直发射到接收模块，接收光学系统将光束会聚到面阵探测器上，面阵探测器将光束转换成光阑图像，变形解算软件根据光阑图像计算三维变形。采用本发明能同时测量方位角、俯仰角和横滚角变形，精度高，能实现角秒级三维变形测量。(51)Int.Cl.权利要求书8页 说明书13页 附图。
3、5页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 8 页 说明书 13 页 附图 5 页1/8页21.一种基于准直光路的角秒级三维变形测量装置，其特征在于三维变形测量装置由发射模块(33)、接收模块(34)和处理模块(35)三大部分构成，发射模块(33)与参考基准(23)固连，接收模块(34)与待测物(22)固连，发射模块(33)与接收模块(34)之间能够通视，发射模块(33)发射的光束直接进入接收模块(34)；发射模块(33)由光源(1)、光阑(2)和发射光学系统(31)构成，光源(1)、光阑(2)和发射光学系统(31)固定在参考基准(23)上；光阑(2)位于光源(1)。
4、和发射光学系统(31)之间，且位于发射光学系统(31)的焦平面上，光源(1)和光阑(2)的中心都在发射光学系统(31)的光轴上，由此构成发射准直光路；光源(1)照射光阑(2)，发射光学系统(31)将透过光阑(2)的光束准直发射到接收模块(34)中；光源(1)是半导体激光器或LED或灯泡；发射光学系统(31)采用双胶合透镜或双分离透镜或多片透镜组；光阑(2)是在玻璃等透明材料上利用光刻工艺加工而成的，加工后的光阑(2)有些部分透光，有些部分不透光，光阑(2)的透光部分采用LC条直线结构，各直线呈放射状分布，直线结构为透光部分，其余部分不透光，LC为大于1的常数；每条直线由两个线段构成，直线越多，。
5、测量精度越高，但横滚方向的形变测量范围会减小；接收模块(34)由接收光学系统(32)和面阵探测器(8)构成，接收光学系统(32)和面阵探测器(8)固定在待测物(22)上；面阵探测器(8)位于接收光学系统(32)的焦平面上，且其中心位于接收光学系统(32)的光轴上，由此构成接收准直光路；接收光学系统(32)采用双胶合透镜或双分离透镜或多片透镜组，面阵探测器(8)采用灰度或彩色的面阵CCD或CMOS探测器；发射模块(33)发射的准直光束经过接收光学系统(32)会聚后成像在面阵探测器(8)上，面阵探测器(8)探测光阑(2)的直线结构光阑图像；处理模块(35)采用工控机、嵌入式计算机、台式计算机或笔记。
6、本电脑，在处理模块(35)中安装了变形解算软件，处理模块(35)通过千兆以太网、高速USB或1394接口与面阵探测器(8)连接，实时采集面阵探测器(8)探测的光阑图像，变形解算软件计算参考基准(23)与待测物(22)之间的三维变形，包括方位角、俯仰角和横滚角变形。2.一种采用如权利要求1所述基于准直光路的角秒级三维变形测量装置进行三维变形测量的方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，发射模块(33)的光源(1)照射光阑(2)，发射光学系统(31)将透过光阑(2)的光束准直发射到接收模块(34)；第二步，接收模块(34)的接收光学系统(32)接收发射模块发射的光束，并将其会聚到面阵探测器(8)上；。
7、第三步，面阵探测器(8)将接收的光束转换成光阑图像，此光阑图像为数字化的彩色图像或灰度图像；第四步，处理模块(35)从面阵探测器(8)接收光阑图像；第五步，处理模块(35)中变形解算软件根据光阑图像按以下步骤计算三维变形：5.1若面阵探测器(8)是彩色类型探测器，则将彩色图像转换成灰度图像；若面阵探测器(8)是灰度类型探测器，则直接进入步骤5.2；5.2采用传统标定或自标定方法对发射光学系统畸变、接收光学系统畸变和面阵探测器畸变引起的光阑图像畸变进行校正；5.3对校正后的光阑图像进行亮度分析，并滤除背景噪声；权 利 要 求 书CN 102901459 A2/8页35.4将面阵探测器(8)的光阑。
8、图像行序号记为m，1mM，M为光阑图像的像素总行数，从下向上依次由小到大编号；将光阑图像列序号记为n，1nN，N为光阑图像的像素总列数，从左向右依次由小到大编号，计算第1至第M行光阑图像的各直线中心点坐标，具体方法为：5.4.1令m=1；5.4.2读取第m行光阑图像数据，根据各像素的亮度大小和位置计算所有非零区段；根据各非零区段长度判断区段的有效性，若非零区段的像素长度大于5且小于图像行总长的1/4则该非零区段有效，否则该非零区段无效；5.4.3统计第m行光阑图像的有效非零区段总数Km；建立面阵探测器坐标系，坐标系原点O为面阵探测器(8)中心，X轴和Z轴分别沿面阵探测器的水平中心线和垂直中心线。
9、，将第m行、n列图像像素的灰度记为I(m,n)，计算第m行光阑图像的第1至第Km个有效非零区段的中心坐标，具体方法为：5.4.3.1令km=1；5.4.3.2采用行亮度重心方法计算第km个有效非零区段的中心坐标，行亮度重心方法为：按式(一)和式(二)分别计算光阑图像第m行图像第km个有效非零区段的中心水平坐标Xmkm和垂直坐标Zmkm，其中nkms为第km个有效非零区段的起始图像列序号，nkme为第km个有效非零区段的结束图像列序号：(一)(二)5.4.3.3 kmkm+1；若km大于Km，则转入步骤5.4.4，否则转入步骤5.4.3.2；5.4.4 m=m+1；若m大于M，转入步骤5.5，否。
10、则转入步骤5.4.2；5.5将所有图像行的有效非零区段的中心坐标的总数记为GM，对第1个至第GM个中心坐标进行分组，总共分为LC组，对应光阑图像的LC条直线，具体方法为：5.5.1建立2LC个二维数组，用于保存各组中心坐标，每个二维数组的长度为M，将第L4个二维数组记为DM1L4，1L42LC；建立2LC个整数，用于表示每组中心坐标的有效中心坐标数量，将第L4个整数记为EM1L4，将所有二维数组DM1L4和整数EM1L4清零；5.5.2令gM=1；5.5.3对第gM个中心坐标进行分组，具体方法为：5.5.3.1令L4=1；5.5.3.2若EM1L4=0，则将第gM个中心坐标复制到DM1L4的第。
11、1个坐标数据中，EM1L4=1，进入步骤5.5.4；否则进入步骤5.5.3.3；5.5.3.3分别计算第gM个中心坐标与DM1L4的第1个至第EM1L4个坐标数据之间的最小距离，若最小距离大于5个像素则进入步骤5.5.3.4；否则将第gM个中心坐标复制到DM1L4的第EM1L4+1个坐标数据中，EM1L4EM1L4+1，进入步骤5.5.4；5.5.3.4 L4=L4+1，若L4大于2LC，则进入步骤5.5.4；否则进入步骤5.5.3.2；权 利 要 求 书CN 102901459 A3/8页45.5.4 gM=gM+1，若gM大于GM，进入步骤5.5.5；否则进入步骤5.5.3；5.5.5对2。
12、LC组中心坐标进行合并，将光阑图像中每条直线的两段合并为一条直线，合并后的中心坐标组数为LC组，具体方法为：5.5.5.1建立LC个二维数组，用于保存各组中心坐标，每个二维数组的长度为2M，将第L个二维数组记为DM2L1LLC；建立LC个整数，用于表示每组中心坐标的有效中心坐标数量，将第L个整数记为EM2L；建立2LC个整数，用于表示每组中心坐标的合并状态，0表示未合并，1表示已合并，将第L4个整数记为FM2L4；将所有二维数组DM2L、整数EM2L和整数FM2L4清零；5.5.5.2令L4=1，L=1；5.5.5.3若FM2L4=1，则进入步骤5.5.5.9；否则将二维数组DM1L4的所有中。
13、心坐标数据复制到二维数组DM2L的第1至EM1L4个数据中，然后令EM2L=EM1L4，FM2L4=1；5.5.5.4令L5=L4+1；5.5.5.6若FM2L5=1，则进入步骤5.5.5.8；否则采用最小二乘法分别计算二维数组DM1L4和DM1L5的直线方程，然后计算两直线之间的最小距离；5.5.5.7若最小距离大于5个像素则进入步骤5.5.5.8；否则将二维数组DM1L5的所有中心坐标数据复制到二维数组DM2L的第EM2L+1至EM2L+EM1L5个数据中，然后令EM2L=EM2L+EM1L5，FM2L5=1，L=L+1，进入步骤5.5.5.9；5.5.5.8 L5=L5+1；若L5大于2。
14、LC，则进入步骤5.5.5.9；否则进入步骤5.5.5.6；5.5.5.9 L4=L4+1；5.5.5.10若L4大于2LC，进入步骤5.6；否则进入步骤5.5.5.3；5.6计算第1组至第LC组中心坐标的直线方程，具体方法为：5.6.1令L=1；5.6.2将第L组中心坐标分别记为XMLa、ZMLa，1aAL，AL为第L组中心坐标总数，采用式(六)表示第L组中心坐标的直线方程，其中BML、CML为直线方程参数；按式(七)计算直线方程的各系数：X=BMLZ+CML(六)(七)其中矩阵为ZML的转置矩阵；5.6.3按式(八)计算第L个直线的倾斜角(八)5.6.4 L=L+1，若L大于LC，则进入步。
15、骤5.7；否则进入步骤5.6.2；权 利 要 求 书CN 102901459 A4/8页55.7根据第1至第LC个直线倾斜角计算横滚方向变形按式(九)进行计算；(九)5.8计算第1至第N列光阑图像的各直线中心点坐标，具体方法为：5.8.1令n=1；5.8.2读取第n列光阑图像数据，根据各像素的亮度大小和位置计算所有非零区段；根据各非零区段长度判断区段的有效性，若非零区段的像素长度大于5且小于图像列总长的1/4则该非零区段有效，否则该非零区段无效；5.8.3统计第n列光阑图像的有效非零区段总数Kn；计算第n列光阑图像的第1至第Kn个有效非零区段的中心坐标，具体方法为：5.8.3.1令kn=1；5。
16、.8.3.2采用列亮度重心方法计算第kn个有效非零区段的中心坐标，列亮度重心方法为：按式(十)和式(十一)分别计算光阑图像第n列图像第kn个有效非零区段的中心水平坐标Xnkn和垂直坐标Znkn，其中mkns为第kn个有效非零区段的起始图像行序号，mkne为第kn个有效非零区段的结束图像行序号：(十)(十一)5.8.3.3 kn=kn+1；若kn大于Kn，则转入步骤5.8.4，否则转入步骤5.8.3.2；5.8.4 n=n+1；若n大于N，则转入步骤5.9，否则转入步骤5.8.2；5.9将所有图像列的有效非零区段的中心坐标的总数记为GN，对第1个至第GN个中心坐标进行分组，总共分为LC组，对应光。
17、阑图像的LC条直线，具体方法为：5.9.1建立2LC个二维数组，用于保存各组中心坐标，每个二维数组的长度为N，将第L4个二维数组记为DN1L4；建立2LC个整数，用于表示每组中心坐标的有效中心坐标数量，将第L4个整数记为EN1L4，将所有二维数组DN1L4和整数EN1L4清零；5.9.2令gN=1；5.9.3对第gN个中心坐标进行分组，具体方法为：5.9.3.1令L4=1；5.9.3.2若EN1L4=0，则将第gN个中心坐标复制到DN1L4的第1个坐标数据中，EN1L4=1，进入步骤5.9.4；否则进入步骤5.9.3.3；5.9.3.3分别计算第gN个中心坐标与DN1L4的第1个至第EN1L4。
18、个坐标数据之间的最小距离，若最小距离大于5个像素则进入步骤5.9.3.4；否则将第gN个中心坐标复制到DN1L4的第EN1L4+1个坐标数据中，EN1L4EN1L4+1，进入步骤5.9.4；5.9.3.4 L4=L4+1，若L4大于2LC，则进入步骤5.9.4；否则进入步骤5.9.3.2；5.9.4 gN=gN+1，若gN大于GN，进入步骤5.9.5；否则进入步骤5.9.3；权 利 要 求 书CN 102901459 A5/8页65.9.5对2LC组中心坐标进行合并，将光阑图像中每条直线的两段合并为一条直线，合并后的中心坐标组数为LC组，具体方法为：5.9.5.1建立LC个二维数组，用于保存各。
19、组中心坐标，每个二维数组的长度为2N，将第L个二维数组记为DN2L；建立LC个整数，用于表示每组中心坐标的有效中心坐标数量，将第L个整数记为EN2L；建立2LC个整数，用于表示每组中心坐标的合并状态，0表示未合并，1表示已合并，将第L4个整数记为FN2L4；将所有二维数组DN2L、整数EN2L和整数FN2L4清零；5.9.5.2令L4=1，L=1；5.9.5.3若FN2L4=1，则进入步骤5.9.5.9；否则将二维数组DN1L4的所有中心坐标数据复制到二维数组DN2L的第1至EN1L4个数据中，然后令EN2L=EM1L4，FN2L4=1；5.9.5.4令L5=L4+1；5.9.5.6若FN2L。
20、5=1，则进入步骤5.9.5.8；否则采用最小二乘法分别计算二维数组DN1L4和DN1L5的直线方程，然后计算两直线之间的最小距离；5.9.5.7若最小距离大于5个像素则进入步骤5.9.5.8；否则将二维数组DN1L5的所有中心坐标数据复制到二维数组DN2L的第EN2L+1至EN2L+EN1L5个数据中，然后令EN2L=EN2L+EN1L5，FN2L5=1，L=L+1，进入步骤5.9.5.9；5.9.5.8 L5=L5+1；若L5大于2LC，则进入步骤5.9.5.9；否则进入步骤5.9.5.6；5.9.5.9 L4=L4+1；5.9.5.10若L4大于2LC，进入步骤5.10；否则进入步骤5.。
21、9.5.3；5.10计算第1组至第LC组中心坐标的直线方程，具体方法为：5.10.1令L=1；5.10.2将第L组中心坐标分别记为XNLb、ZNLb，1bBL，BL为第L组中心坐标总数，采用式(十五)表示第L组中心坐标的直线方程，其中BNL、CNL为直线方程参数；按式(十六)计算直线方程的各系数。X=BNLZ+CNL(十五)(十六)其中矩阵为ZNL的转置矩阵；5.10.3按式(十七)计算第L个直线的倾斜角(十七)5.10.4 L=L+1，若L大于LC，则进入步骤5.11；否则进入步骤5.10.2；5.11根据第1至第LC个直线倾斜角计算横滚方向变形按式(十八)进行计算；权 利 要 求 书CN 。
22、102901459 A6/8页7(十八)5.12计算最终的横滚方向变形按式(十九)其中为横滚角零位：(十九)5.13根据光阑图像数据计算方位和俯仰方向变形，具体计算方法为：首先计算整个光阑图像的中心坐标，采用式(二十)计算整个光阑图像中心的水平坐标采用式(二十一)计算整个光阑图像中心的垂直坐标然后采用式(二十二)计算方位方向变形，采用式(二十三)计算俯仰方向变形，其中f为接收光学系统焦距，X为面阵探测器水平方向的像元间距，Z为面阵探测器垂直方向的像元间距：(二十)(二十一)(二十二)(二十三)。3.如权利要求2所述的采用如权利要求1所述基于准直光路的角秒级三维变形测量装置进行三维变形测量的方法。
23、，其特征在于5.3步对校正后的光阑图像进行亮度分析，并滤除背景噪声的方法是：对光阑图像的所有像素根据亮度进行排序，根据光阑(2)的直线结构的直线数量LC选取L3个最亮像素，根据选择的最亮像素计算平均亮度，将该平均亮度作为光阑图像的最大亮度IMAX；根据IMAX和面阵探测器噪声大小设置亮度阈值ITH，根据ITH滤除背景噪声，将小于ITH的所有像素的亮度置为零，ITH大于面阵探测器噪声且小于IMAX的20%，L3为LC的10100倍。4.如权利要求2所述的采用如权利要求1所述基于准直光路的角秒级三维变形测量装置进行三维变形测量的方法，其特征在于5.4.3.2步采用行曲线拟合方法计算第km个有效非零。
24、区段的中心坐标，行曲线拟合方法为：按式(三)对光阑图像第m行图像第km个有效非零区段的亮度进行P阶多项式拟合，其中Jkmp为P阶多项式的第p个系数，1pP，阶数P满足使拟合曲线计算的亮度与第km个有效非零区段的亮度的相对误差小于5%；nkmsnnkme(三)采用式(四)计算多项式系数权 利 要 求 书CN 102901459 A7/8页8(四)其中矩阵为Nmkm的转置矩阵；采用式(五)计算该有效非零区段的中心水平坐标Xmkm，按式(二)计算垂直坐标Zmkm：(五)。5.如权利要求2所述的采用如权利要求1所述基于准直光路的角秒级三维变形测量装置进行三维变形测量的方法，其特征在于5.8.3.2步采。
25、用列曲线拟合方法计算第kn个有效非零区段的中心坐标，列曲线拟合方法为：按式(十二)对光阑图像第n列图像第kn个有效非零区段的亮度进行P阶多项式拟合，其中Jknp为P阶多项式的第p个系数，1pP，阶数P满足使拟合曲线计算的亮度与第kn个有效非零区段的亮度的相对误差小于5%；mknsmmkne(十二)采用式(十三)计算多项式系数(十三)其中矩阵为Nnkn的转置矩阵；采用式(十四)计算该有效非零区段的中心垂直坐标Znkn，按式(十)计算水平坐标Xnkn：(十四)。6.如权利要求4或5所述的采用如权利要求1所述基于准直光路的角秒级三维变形测权 利 要 求 书CN 102901459 A8/8页9量装置。
26、进行三维变形测量的方法，其特征在于若第km次使用行亮度重心方法，则第km+1次也使用行亮度重心方法，若第km次使用行曲线拟合方法，则第km+1次也使用行曲线拟合方法；若第kn次使用列亮度重心方法，则第kn+1次也使用列亮度重心方法，若第kn次使用列曲线拟合方法，则第kn+1次也使用列曲线拟合方法。权 利 要 求 书CN 102901459 A1/13页10一种基于准直光路的角秒级三维变形测量装置与方法技术领域0001 本发明属于光学变形测量技术领域，特别涉及一种基于准直光路的角秒级三维变形测量装置与方法。背景技术0002 光学变形测量技术可广泛用于大型运动平台变形测量和高精度姿态基准传递等方面。
27、，具有测量精度高、直接测量、稳定性好等优点。目前的光学变形测量大多采用准直光路方法实现。0003 中国专利CN97251378.7、美国专利US7227627、中国惯性技术学报杂志2006年第3期中“一种舰船变形测量方法的研究与应用”和长春理工大学学报杂志2006年第3期中“车载平台变形的激光自准直测量方法研究”论文公开了一类基于自准直光路、平面反射镜和面阵CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）的二维变形测量装置，该装置如图1所示，主要由光源1、光阑2、分光镜3、面阵CCD探测器4、光学系统5和平面反射镜6构成。该装置可以实时测量两个载体之间的相对变形，为了方便起见。
28、将其中一个载体称为待测物，另外一个载体称为参考基准。可将该测量装置的平面反射镜6与待测物固连，其余部分与参考基准固连，反之亦然。这种测量装置的测量光学变形的方法是利用光源1照射光阑2，透过光阑2的光部分透过分光镜3，然后通过光学系统5对光阑2进行成像，所成的光阑像经过平面反射镜6、分光镜3和光学系统5后成像在面阵CCD探测器4上，根据面阵CCD探测器的光阑图像位置解算变形。该装置可以测量与光轴垂直方向的二维变形，不能测量绕光轴方向的旋转角变形。该装置的二维变形测量精度可以达到角秒量级。0004 美国专利US7697127公开了一种测量绕光轴旋转角的装置，该装置如图2所示，主要由光源1、光阑2和。
29、面阵探测器8构成。该装置的光阑2采用周期结构的光阑，由光阑2和面阵探测器8实现绕光轴7旋转角测量，具体测量方法：在光源1照射下光阑2直接投影到面阵探测器8上，利用图像处理方法处理面阵探测器8探测光阑图像得到旋转角变化。该装置可以测量绕光轴7的旋转角，但不能测量与光轴垂直方向的角度变化。由于没有准直光路和直接投影的图像质量限制，该装置的旋转角测量精度难以达到角秒量级。0005 中国专利CN200410010856.3、计量技术杂志2005年第4期中“干涉法在船体角度变形测量中的应用”、光学技术杂志2005年第5期中“船体三维角度变形的自准直干涉测量方法”和飞行器测控学报2009年第3期中“基于莫。
30、尔条纹测量法设计的船体变形测量系统”论文公开了一类干涉类型的三维变形测量装置，该装置组成与图1所示装置类似，如图3所示，由第一光源1、光阑2、第一分光棱镜3、第二分光棱镜12、第三分光棱镜7、光学系统5、反射镜6、第一面阵CCD探测器41、第二光源9、自准直光栅10、瞄准光栅11和第二面阵CCD探测器42构成。该装置的测量方法是：利用第一光源1、光阑2、第一分光棱镜3、第二分光棱镜12、第三分光棱镜7、光学系统5、反射镜6、第一面阵CCD探测器41构成一套自准直光路，采用与图1类似的方法测量与光轴垂直方向的二维变形角；利用第二光源9、自准直光栅10、第二分光棱镜12、第三分光棱镜7、光学系统5、反射镜6、瞄准光栅11和第说 明 书CN 102901459 A10。