大角度动态高精度激光测角方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及计量科学领域，更具体地说，设及一种大角度动态高精度测角方法，提 供了一种非接触、大角度范围动态测量转角机构位置角度的方法，可广泛地应用于航天、航 空、航海、光学等领域。
【背景技术】
[0002] 随着航天遥感对地观测技术的不断发展，要求遥感卫星图像定位精度越来越高， 对有效载荷扫描镜光轴指向的精度要求也随之越来越高。有效载荷扫描镜光轴指向在电机 的驱动下在约15°角度范围内来回摆动，扫描镜的转角的测量精度直接关系到卫星成像质 量。因此，扫描镜转动角度的动态检测成为亟待解决和研究的重要课题，也是遥感卫星发展 的关键性技术之一。
[0003] 目前，主要的动态测角装置包括:激光干设仪、PSD、激光自准直仪、激光巧螺、光电 码盘等，然而对于前述的角度测量需求，W上角度敏感器均难W很好地满足要求。
[0004] 激光干设仪、PSD、激光自准直仪可W实现非接触式测量，但测角范围较小，一般测 角范围不超过±0.5°，不能满足扫描镜大角度动态测量的需求。
[000引激光巧螺测角范围可W达到360°且精度较高，但只能实现接触式测量，需要将巧 螺安装在福射计扫描镜上，运将会改变产品的结构和质量特性，对于星上产品而言无法接 雙。
[0006] 光电码盘能够实现大角度高精度的动态角度测量，然而光电码盘必须与被测对象 同轴安装。由于扫描镜法线和转轴不能保证完全垂直安装，直接在扫描镜转轴上安装光电 码盘仅能反映转轴运动的角度变化，而不是扫描镜光轴的指向变化，由扫描机构自身测出 的角度与真实的光轴指向角必然存在偏差。
【发明内容】
[0007] 本发明为了探究一种非接触、大角度动态范围、高精度测量转角的方法，在不改变 原有机械结构的基础上，通过转动机构扫描镜反射光点的动态变化，提取光屯、，校正后获取 高精度的转角信息。
[0008] 根据本发明提供的一种大角度动态高精度激光测角方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1，激光扫描图像获取
[0010] 将激光器固定在扫描镜后光路上，由激光器发出的光束通过扫描镜反射后照射在 基准祀墙屏幕上形成光点，随着扫描镜的运动光点同步移动，并由相机对基准祀墙屏幕上 的光点运动轨迹进行成像，得到光点图像；
[0011] 步骤2,图像预处理
[0012] 对光点图像进行预处理，得到光点与背景的分离图像；
[0013] 步骤3,光点的质屯、定位
[0014] 对光点质屯、进行定位；
[0015] 步骤4，激光跟踪仪的定标校正
[0016] 建立基准祀墙屏幕与光点图像上各光点质屯、间的映射关系，拟合函数关系式，得 到基准祀墙屏幕上的实际光点坐标与光点图像上提取出的光点质屯、坐标之间的函数关系； 用该函数关系对光点图像进行校正，得到校正后的实际光点坐标数据组。
[0017] 步骤5,图像数据分析
[0018] 将光点质屯、位置信息转化为角度信息，输出测量结果。
[0019] 优选地，按照如下公式设定图像成像参数：
(1)
[0021 ]式中:Wr为基准祀墙屏幕横向尺寸；
[0022] Wn为相机成像阵面横向尺寸；
[0023] S2为相机与基准祀墙屏幕距离；
[0024] f为相机镜头焦距。
[0025] 优选地，在光点成像区域内利用插补来增加有效像素个数而改善光点质屯、定位精 度。
[0026] 优选地，在光点成像区域内，对于插入在像素点（i，j)、（i + l，j)、（i，j+l)、（i + l，j+ 1)内的像素点(U，V)的插值：
[0027] f(u,j)=f(i,j)+a[f(i+l,j)-f(i,j)] (2)
[0028] f(u，j)表示像素点(u，j)的灰度;f(i，j)表示像素点（i，j)的灰度;f(i+l，j)表示 像素点（i+lj)的灰度；
[0029] f(u,j+l)=f(i,j+l)+a[f(i+l,j+l)-f(i,j+l)] (3)
[0030] f(u，j+l)表示像素点(u，j+l)的灰度;f(i，j+l)表示像素点（i，j+l)的灰度;f(i+ 1，j+1)表示像素点（i+1 J+1)的灰度；
[0031 ] f(u,v)=f(i,j)(l-a)(l-0)+f(i+1,j)a(l-0)+f(i,j+l)(l-a)0+f(i+1,j+1)地（4)
[0032] ^11，乂)表示像素点(11，乂)的灰度；
[0033] 定义[u]、[v]为分别小于u、v的最大整数值，则在公式(4)中的i、j、a、e表示为：i = [u]，j = [v]，a = u-[u]，e = v-[v]，则经过插值之后的光点质屯、由公式(5)和(6)来确定
(5) 12 式中：m为插值的个数，n为光点像素点的个数，J和；为光点质屯、的直角坐标系坐 标;Xi表示第i个像素点横坐标，Pi表示第i个像素点灰度值，Ui表示第i个插值像素点横坐 标，f(Ui，Vi)表示第i个插值像素点灰度值，yi表示第i个像素点纵坐标，Vi表示第i个插值像 素点纵坐标。 2 优选地，所述步骤4包括：
[0038] 建立基准祀墙屏幕上若干基准点的二维平面坐标，由相机获取所有基准点的二维 像面坐标，建立起二维像面坐标与基准祀墙屏幕上基准点坐标的一一对应关系，利用插值 算法，计算基准祀墙屏幕上任一点的坐标位置。
[0039] 优选地，所述步骤4包括：
[0040] 步骤4.1:激光跟踪仪根据自身位置建立空间坐标系，空间坐标系原点为激光跟踪 仪的控制自身激光出射方向的两个反光镜光轴交点位置;在测量过程中，激光跟踪仪的光 轴跟随祀球移动，并根据对祀球的测量结果，实时给出祀球球屯、的空间坐标；
[0041] 步骤4.2:移去祀球，激光跟踪仪光束直接打到基准祀墙屏幕上，由相机获得基准 祀墙屏幕上激光跟踪仪光束形成的光点，提取出光点质屯、坐标；
[0042] 步骤4.3:将提取的光点质屯、坐标与激光跟踪仪给出的空间坐标一一对应，建立校 正后的实际光点坐标数据组。
[0043] 优选地，所述步骤5包括：
[0044] 设光点在基准祀墙屏幕上的线位移为D，扫描镜光轴的转角为0，投影基准祀墙屏 幕到扫描镜转轴的垂直距离为S，则：
(7)
[0046]得到测角误差A0关系式：
(8)
[0048] 式中：AS为扫描镜旋转轴线到投影基准祀墙屏幕的垂直距离误差，是系统结构参 数误差;AD为投影基准祀墙屏幕上的线位移误差，是图像定位误差。
[0049] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
[0050] 本发明方法将激光器固定在扫描镜后光路上，由激光器发出的光束通过扫描镜反 射后照射在祀墙上，随着扫描镜的运动光点同步移动，并由相机对祀墙上的光点运动轨迹 进行成像，最后通过图像处理解获得扫面镜光轴的实时转角。该方法用间接的手段直接测 量扫描镜光轴指向，可W获得真实的指向精度。
【附图说明】
[0051] 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0052] 图1为大角度动态高精度激光测角方法原理示意图；
[0053] 图2大角度动态高精度激光测角方法搭建示意图(俯视图）；
[0054] 图3像素间插补增加有效像素数。
【具体实施方式】
[0055] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。W下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不W任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干变化和改进。运些都属于本发明 的保护范围。
[0056] 本发明方法设计思想是W空间距离换取系统对于转动角度测量精度和测量分辨 率的提高。本发明提供的方法包括如下步骤：
[0057] 步骤1，激光扫描图像获取
[0058] 将激光器固定在扫描镜后光路上，由激光器发出的光束通过扫描镜反射后照射在 基准祀墙屏幕上形成光点，随着扫描镜的运动光点同步移动，并由相机对基准祀墙屏幕上 的光点运动轨迹进行成像。
[0059] 转动机构驱动扫描镜的运动引起光点在基准祀墙屏幕上的移动，相机记录光点的 运动轨迹，完成运动轨迹的记录与处理。如图1中①所示。
[0060] 转角测量一方面要求具有一定的测量范围，又要求达到一定的测量精度，因此需 要设定合适的图像成像参数。基准祀墙屏幕二维尺寸、镜头焦距、成像阵面关系由公式（1) 给出，可确定出相机与基准祀墙屏幕距离。
[0061] 具体地，按照如下公式设定图像成像参数：
併
[006引式中:Wr为基准祀墙屏幕横向尺寸；
[0064] Wn为相机成像阵面横向尺寸；
[0065] S2为相机与基准祀墙屏幕距离；
[0066] f为相机镜头焦距；
[0067] 步骤2,图像预处理
[0068] 通过相机得到光点在基准祀墙屏幕上形成的光点图像，对光点图像进行预处理， 再通过阔值截断处理得到光点与背景的分离的增强图像。如图1中②所示。其中，所述预处 理，包括:消除高斯噪声，采用卷积滤波对图像进行平滑。
[0069]步骤3,光点的质屯、定位
[0070] 光点与背景的分离后，优选地采用亚像素细分技术得到光点质屯、的定位。例如采 用带阔值的质屯、法或加权阔值质屯、定位算法，完成基于亚像素细分的光点质屯、提取与运动 趋势判断，最终实现光点质屯、的精确定位。如图1中③所示。
[0071] 光点图像在相机成像阵面的若干像素上成像，由于光点大小和镜头焦距的原因， 成像像素较