一种高速摆镜性能指标检测装置及方法与流程

本发明涉及航空机载成像技术领域，具体涉及一种高速摆镜性能指标检测装置及方法。

背景技术：

随着各类无人机的快速发展，相应配套的机载光学成像设备得到更多的应用，无人机携带光学成像设备能够实现地面图像的快速获取，广泛应用于航空摄影、地理测绘、环境监测以及灾害响应等领域。

为了提升无人机载光电设备的成像分辨率，光学镜头焦距一般较长，这样导致相机的视场角较小，获取地面的成像幅宽太小；为了提高相机成像幅宽，通过采用相机连续扫描成像的工作模式进行图像拼接获取大画幅图像；为了保证扫描过程中航向相邻两幅图像之间具有一定的重叠率，要求相机具有较快的扫描速度，

因此，在扫描成像过程中成像探测器与地面目标之间有较快的相对运动，这样就导致相机产生扫描像移，致使获取得图像出现模糊。

针对相机扫描成像产生的像移，根据分析计算，当像移补偿残差超过1/2个像素会使成像MTF下降从而影响成像质量。

实际应用中可以采用高精度高速摆镜进行扫描像移的补偿，而采用的高速摆镜的有效摆角测量范围、零位重复性、速度测量范围、速度精度指标是否满足要求，是影响像移补偿效果的关键因素。

为了确保扫描成像相机中采用的高速摆镜能够有效进行扫描像移的补偿，在高速摆镜装配之前，对高速摆镜的有效摆角测量范围、零位重复性、速度测量范围、速度精度指标进行客观准确的详细测试，这是十分必要的，也是避免相机整机装配调试过程中出现返工，提高系统装调效率的有效保障措施。

常规摆镜性能检测采用光电轴角编码器等测角设备，通过联轴器与摆镜的旋转轴进行连接，实现对摆镜的速度和角度等指标进行测量。这种方法对摆镜的结构有一定要求，要求摆镜旋转轴有一端可以与测角设备连接，只适应部分特殊结构的摆镜，并且这种方法属于接触式测量，编码器的轴旋转运动会对摆镜运动产生力矩干扰，从而引起测量误差，并且这种测量系统安装难度大、结构复杂，可操作性不佳。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有摆镜检测采用接触方式测量，测量误差大、适用面窄、结构复杂、安装操作困难等问题，而提供一种高速摆镜性能指标检测装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供一种高速摆镜性能指标检测装置，其特殊之处在于，包括光学平台、光源、图像采集处理系统，以及设置在所述光学平台上的平行光管和高速相机；所述图像采集处理系统包括图像采集卡和控制计算机；所述高速相机包括相机镜头和相机探测器；所述相机探测器与图像采集处理系统相连；所述平行光管的物镜焦平面处设置分划板，所述光源设置在平行光管的一侧；所述高速相机位于平行光管的另一侧；所述平行光管的中心轴线与相机镜头的中心轴线垂直相交；所述平行光管的焦距为f1，高速相机的焦距为f2，f1大于3倍的f2。根据待测高速摆镜的指标测试范围，结合选用高速相机探测器的像元大小和分辨率，分别计算得到平行光管焦距f1和相机镜头焦距f2。

进一步地，上述光学平台包括两个升降平台，所述平行光管和高速相机分别设置在两个升降平台上。升降平台用于调节平行光管和高速相机的高度，使平行光管中心轴线以及相机镜头中心轴线均与反射镜的镜面几何中心相交。

进一步地，上述光源为LED照明灯。

进一步地，上述分划板为十字分划板或星点板。

此外，本发明还提供一种基于上述高速摆镜性能指标检测装置的检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，安装、调试待测高速摆镜以及高速摆镜性能指标检测装置；

1.1将待测高速摆镜放置在光学平台上，并使其反射镜旋转轴与光学平台垂直；

1.2调整待测高速摆镜姿态，使平行光管的中心轴线与待测高速摆镜零位时的反射镜镜面夹角为45°；

步骤2，点亮光源，待测高速摆镜和高速相机加电工作，镜面处于零电位；光源照射十字分划板并经平行光管得到目标点平行光，目标点平行光经待测高速摆镜反射至高速相机镜头后，在相机探测器成像，形成目标点成像的运动序列；

步骤3，图像采集卡和待测高速摆镜高速同步工作，快速采集目标点成像的运动序列，并存储至控制计算机；

步骤4，控制计算机根据目标点成像的运动序列，随机选取不同时间段的至少3组数据，每组数据包含待测高速摆镜一个运动周期的序列图像；

步骤5，通过对每一帧图像中像点目标中心位置进行分析计算，得到像点坐标位置与时间变化的曲线；

步骤6，通过曲线的峰值计算出待测高速摆镜的有效摆角测量范围；

通过曲线求导计算出待测高速摆镜的速度精度和速度测量范围；

通过不同周期待测高速摆镜零位像点重复性计算出待测高速摆镜的零位重复性。

本发明的工作原理：

光源照射平行光管内的分划板得到目标点，目标点平行光经高速摆镜反射至高速相机镜头后，在相机探测器成像。采集卡将图像快速采集，形成像点的运动序列，并存储至控制计算机。控制计算机通过对像点运动特征分析，即对这些序列点在相机探测器上的坐标位置和时间关系的关联分析计算，就可以分别计算得到高速摆镜有效摆角测量范围、零位重复性、速度测量范围、速度精度等精确指标。

与现有技术相比，本发明的优点：

1、本发明提供了一种利用光学反射像点高速成像进行高速摆镜指标测量的装置，该装置简单、高效、精确，避免了接触式检测装置引起的测量误差，能以很高的时间分辨率对经过高速摆镜反射像点目标进行采集记录，通过对每帧图像坐标与时间关系的分析计算，可以同时实现有效摆角测量范围、零位重复性、速度测量范围、速度精度指标检测。

2、本发明提供的检测装置及方法一次装调，采用非接触测量方法对高速摆镜的指标进行精确测量，尽可能降低了测试过程中高速摆镜的使用损耗，可以有效满足各类高速摆镜的性能指标测试要求。

附图说明

图1是本发明所提供高速摆镜性能指标检测装置的结构示意图；

图2是本发明所提供的高速摆镜性能指标检测方法流程图。

图1中各标号的说明如下：

1—平行光管、11—分划板，2—待测高速摆镜，3—高速相机、31—相机镜头、32—相机探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种高速摆镜性能指标检测装置，包括光学平台、光源、图像采集处理系统(图中未示出)，以及设置在光学平台上的平行光管1和高速相机3(如图1所示)；光源采用LED照明灯；光学平台包括两个升降平台，平行光管1和高速相机3分别设置在两个升降平台上。高速相机3包括相机镜头31和相机探测器32；图像采集处理系统包括图像采集卡和控制计算机，采集卡主要用于将高速相机拍摄的平行光管中的十字分化板图像快速采集，并存至控制计算机。

相机探测器32与图像采集处理系统相连；平行光管1的物镜焦平面处设置十字分划板11，光源设置在平行光管1的一侧；高速相机3位于平行光管1的另一侧；平行光管1中心轴线与相机镜头31中心轴线垂直相交。

本实施例对MS13G高速摆镜进行检测。因此，针对MS13G高速摆镜并结合其他因素，选用平行光管焦距f1为200mm，高速相机镜头焦距f2为60mm。

MS13G高速摆镜标识的主要技术指标为：

a)有效摆角测量范围：≥±0.5°；

b)零位重复性：5″；

d)速度测量范围：60°/s～135°/s；

d)速度精度：≤±0.4°/s。

采用上述高速摆镜性能指标检测装置对MS13G高速摆镜进行检测，检测方法如图2所示，步骤如下：

步骤1，安装、调试MS13G高速摆镜以及高速摆镜性能指标检测装置；

1.1将MS13G高速摆镜放置在光学平台上，并使其反射镜旋转轴与光学平台垂直；

1.2调整MS13G高速摆镜姿态，使平行光管的中心轴线与MS13G高速摆镜零位时的反射镜镜面夹角为45°；

步骤2，点亮光源，MS13G高速摆镜和高速相机加电工作，镜面处于零电位；光源照射十字分划板并经平行光管得到目标点平行光，目标点平行光经MS13G高速摆镜反射至高速相机镜头后，在相机探测器成像，形成目标点成像的运动序列；

步骤3，图像采集卡和MS13G高速摆镜高速同步工作，快速采集目标点成像的运动序列，并存储至控制计算机；

步骤4，控制计算机根据目标点成像的运动序列，随机选取不同时间段的至少3组数据，每组数据包含MS13G高速摆镜一个运动周期的序列图像；

步骤5，通过对每一帧图像中像点目标中心位置进行分析计算，得到像点坐标位置与时间变化的曲线；

步骤6，通过曲线的峰值计算出MS13G高速摆镜的有效摆角测量范围；

通过曲线求导计算出MS13G高速摆镜的速度精度和速度测量范围；

通过不同周期MS13G高速摆镜零位像点重复性计算出MS13G高速摆镜的零位重复性。

最后，得到检测结果如下：

a)有效摆角测量范围：≥±0.7°；

b)零位重复性：4.5″；

c)速度测量范围：50°/s～140°/s；

d)速度精度：≤±0.3°/s；

根据检测结果可以看出，该摆镜的技术指标均满足要求。

以上仅是对本发明的具体实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。