靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法
【专利摘要】一种靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，包括：1）确定模拟目标；2）选用姿态板；3）将姿态板安装在平行光管上；4）将平行光管固定在可倾斜桁架上；5）对姿态板中心点进行测量；6）对模拟目标进行多点测量；7）对各模拟目标的姿态进行拟合；8）计算被测姿态测量设备像面上姿态板中心点的像到各模拟目标的像的距离；9）被测姿态测量设备对模拟目标进行动态成像；10）将被测姿态测量设备获得的各目标像的倾角及姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离与所得到的各模拟目标的倾角和姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离的真值进行比较。本发明可为靶场光测设备的设计和改进提供数据依据，提高测试精度。
【专利说明】靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于靶场光学测量【技术领域】，具体涉及一种靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，尤其涉及一种对光电经纬仪等姿态测量设备姿态测量精度的室内测量方法。
【背景技术】
[0002]随着现代武器装备不断向高精度、高机动性和高智能化方向发展，不仅要求靶场光测设备在性能上具有高精度、高分辨力、高可靠性和强实时性，而且要求在功能上突破传统的目标“质点化”的测量模式，将目标作为一个具有空间三维几何结构的“立体化”目标进行处理，拓展为对目标空间三维参数测量，如导弹的起飞，飞行过程中的俯仰、偏航、滚动，导弹的再入，火箭的飘移、级间分离、助推器脱落，飞机发射导弹时导弹脱钩姿态，末端制导炮弹开仓点姿态，激光制导炸弹导引头与弹体夹角等测量。测量和记录每一时刻目标的飞行轨迹和三维姿态信息，可以判断目标入轨或攻击的准确性，为各种型号设计和改进提供依据。国内多位学者就目标三维姿态测量方法进行了研究，于起峰等人在《国防科技大学学报》2000，22(2)，pl5-19上发表了“用光测图像确定空间目标俯仰角和偏航角的中轴线法”，该文提出了一种用电影经纬仪等光测设备获得的图像确定火箭等空间轴对称目标的俯仰角和偏航角的新方法。于起峰等人在《光学技术》2002，28(1)，p77-82上发表了“从单站光测图像确定空间目标三维姿态”，该文充分利用空间目标的几何先验知识，提出了一种从单站经纬仪等光测设备获得的图像确定火箭等空间目标三维姿态的方法。彭晓东等人在《光子学报》2007，36 (3)，p568-573上发表了“惯量椭圆法在单站光测目标三维姿态测量中的应用”，提出了一种通过对图像中分割出来的目标图像，计算其惯量椭圆，并根据该惯量椭圆推算出目标的空间姿态角的方法。上述文献的研究内容可总结为:如何利用光电经纬仪等靶场光学测量设备获得导弹、火箭等空间飞行目标的姿态。
[0003]目前，光电经纬仪等靶场光学测量设备的姿态测量精度鉴定通常在靶场进行，光电经纬仪等被鉴定姿态测量设备和其它高精度姿态测量设备对同一个目标进行同步测量，光电经纬仪的测量结果与高精度姿态测量设备的测量结果之差即为其姿态测量误差。但是，光电经纬仪等姿态测量设备出厂前需要对各性能指标进行测试，各项指标均满足技术要求才能出厂。如何在实验室内准确的评价光电经纬仪等姿态测量设备的姿态测量精度是否合格，就成为摆在光学测量设备研制及测试人员面前的难题。而对现有的文献进行检索发现，李霞等人在《光子学报》2007, 36(7),pl360-1363上发表了 “高速电视姿态测量设备室内目标姿态模拟与标定测量”，提出了一种使用检测架、平行光管以及图形板(刻有不同角度的目标刻线和十字丝)室内模拟无穷远目标姿态，用高准确度经纬仪对模拟的无穷远目标姿态进行标定、测量结果与采用高速电视姿态测量设备对室内模拟目标的测量结果比较，从而确定高速电视测量系统姿态角的测试准确度。基于中轴线法，用多个测量站交会测量目标姿态的方法中，影响姿态测量精度的关键因素有两个:(1)目标中轴线的斜率；(2)目标中轴线的截距。然而，该方法只能鉴定姿态测量设备获得的目标像的斜率误差，不能鉴定姿态测量设备获得的目标像的截距误差；其次，该方法对模拟的无穷远目标姿态进行标定的数学模型是在平面坐标系下推导出来的，模型不够精确；(3)经反复验证发现该方法对模拟目标姿态的标定误差较大，远低于该文献给出的标定精度。因此，研究光学姿态测量设备室内姿态精度的测试方法，可以为靶场光测设备的设计和改进提供数据依据，对靶场光测设备的性能改进及发射场测控系统的发展具有重要意义。
【发明内容】
[0004]为了解决【背景技术】中存在的上述技术问题，本发明提供了一种在姿态测量设备出厂前在实验室内完成其姿态测量精度的鉴定工作，从而可以为靶场光测设备的设计和改进提供数据依据，保证设备的姿态测量精度满足任务要求的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法。
[0005]本发明的技术解决方案是:本发明提供了一种靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，其特殊之处在于:所述方法包括以下步骤:
[0006]I)根据需要被测姿态测量设备确定模拟目标；
[0007]2)根据模拟目标选用姿态板；
[0008]3)将姿态板安装在平行光管上，并使姿态板位于平行光管焦平面处；
[0009]4)将平行光管固定在可倾斜桁架上；
[0010]5)采用高精度经纬仪或全站型电子速测仪对姿态板中心点进行测量，同时记录姿态板中心点的方位俯仰角(A。，E0)；
[0011]6)采用高精度经纬仪对模拟`目标进行多点测量，同时记录各测量点的方位俯仰角(Ai, Ei),其中，i=l,2, 3，…，η ;
[0012]7)根据步骤5)中所获取的姿态板中心点的方位俯仰角(Atl, E0)以及步骤6)中所获取的模拟目标的各测量点的方位俯仰角(Ai, Ei)对各模拟目标的姿态进行拟合，得到各模拟目标的倾角的真值；
[0013]8)计算被测姿态测量设备像面上姿态板中心点的像到各模拟目标的像的距离；
[0014]9)被测姿态测量设备对模拟目标进行动态成像，经过图像判读系统输出各目标像的倾角及姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离；
[0015]10)将步骤9)所中被测姿态测量设备获得的各目标像的倾角及姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离与步骤7)和步骤8)所得到的各模拟目标的倾角和姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离的真值进行比较，得到将姿态测量设备的姿态测量精度。
[0016]上述步骤I)的具体实现方式是:
[0017]根据被测姿态测量设备的工作波段选择相应的目标模拟方案，靶场常用光学测量设备分为可见光测量设备以及红外光学测量设备。
[0018]上述步骤2)的具体实现方式是:
[0019]所述姿态板包括玻璃姿态板和金属姿态板；
[0020]所述姿态板上目标的尺寸的确定方式是:
【权利要求】
1.一种靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤: 1)根据需要被测姿态测量设备确定模拟目标； 2)根据模拟目标选用姿态板； 3)将姿态板安装在平行光管上，并使姿态板位于平行光管焦平面处； 4)将平行光管固定在可倾斜桁架上； 5)采用高精度经纬仪或全站型电子速测仪对姿态板中心点进行测量，同时记录姿态板中心点的方位俯仰角(A。，E0)； 6)采用高精度经纬仪对模拟目标进行多点测量，同时记录各测量点的方位俯仰角(Ai, Ei),其中，i=l,2, 3，…，η ; 7)根据步骤5)中所获取的姿态板中心点的方位俯仰角(Atl,E0)以及步骤6)中所获取的模拟目标的各测量点的方位俯仰角(Ai, Ei)对各模拟目标的姿态进行拟合，得到各模拟目标的倾角的真值； 8)计算被姿态测量设备像面上姿态板中心点的像到各模拟目标的像的距离； 9)被测姿态测量设备对模拟目标进行动态成像，经过图像判读系统输出各目标像的倾角及姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离； 10)将步骤9)所中被测姿态测量设备获得的各目标像的倾角及姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离与步骤7)和`步骤8)所得到的各模拟目标的倾角和姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离的真值进行比较，得到将姿态测量设备的姿态测量精度。
2.根据权利要求1所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，其特征在于:所述步骤I)的具体实现方式是: 根据被测姿态测量设备的工作波段选择相应的目标模拟方案，靶场常用光学测量设备分为可见光测量设备以及红外光学测量设备。
3.根据权利要求2所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，其特征在于:所述步骤2)的具体实现方式是: 所述姿态板包括玻璃姿态板和金属姿态板； 所述姿态板上目标的尺寸的确定方式是:
4.根据权利要求3所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，其特征在于:所述步骤5)的具体实现方式是: 用高精度经纬仪或者全站型电子速测仪进行精确调平，测量姿态板中心点坐标，记录其方位俯仰角为(\，E0)o
5.根据权利要求4所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，其特征在于:所述步骤6)的具体实现方式是: 用高精度经纬仪对各模拟目标进行多点测量，在测量时根据目标大小及形状确定是沿目标的边缘选取测量点还是沿目标的中轴线选取测量点；在目标较窄时可选择沿目标中轴线选取测量点，在目标较宽时沿目标边缘选取测量点，测量点数不低于10个，选取的测量点在目标上均匀分布。
6.根据权利要求5所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，其特征在于:所述步骤7)的具体实现方式是: 7.1)由姿态板中心点测量坐标(A0, E0)及目标上选取的若干点测量值(Ai, Ei),i=l,2, 3,…,n,根据以下公式计算各测量点相对姿态板中心点的坐标值(Xi，yi)，i=l, 2，3，…，n ;
Vi=atan [tanEi/cos (Ai-A0) ] -E0
Xi=tan (A1-A0)·cos(E0+Vi)·f' 摄
Yi=tanVi·f'摄 其中: f'摄-摄像机的焦距，单位:mm。 7.2)用最小二乘法用一阶多项式模型对步骤7.1)所得到的(Xi，yi)进行拟合，得到一条直线，该直线的倾角是该目标的中轴线的倾角的正切值，倾角是表示该目标姿态的关键参数。
7.根据权利要求6所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，其特征在于:所述步骤8)的具体实现方式是: 根据姿态板中心点到各目标中轴线的距离计算姿态测量设备像面上姿态中心点像到各目标像的中轴线的距离；具体计算方式是:
8.根据权利要求7所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，其特征在于:所述步骤9)的具体实现方式是: 根据被测姿态测量设备的保精度跟踪角速度和保精度跟踪角加速度设计正弦引导函数，对被测姿态测量设备进行正弦引导，使被测姿态测量设备经过平行光管时角速度最大，姿态测量设备的摄像机对各目标进行动态成像，记录目标的图像，经图像判读系统判读给出目标中轴线的倾角和姿态板中心点的像到各模拟目标像的距离，作为姿态测量设备的测量值。
9.根据权利要求8所述的靶场光学测量设备姿态测量精度的测量方法，其特征在于:所述步骤10)的具体实现方式是: 将姿态测量设备的测试结果与真值比较，得到将姿态测量设备的姿态测量精度，测试结果以多个目标测量误差的均方根表示；
【文档编号】G01C25/00GK103868528SQ201410100646
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】田留德, 段炯, 段亚轩, 龙江波, 赵怀学, 赵建科, 周艳, 潘亮, 王争锋 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所