大视场相机近场标校的精密靶标系统及方法与流程

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，尤其是涉及大视场相机近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，因此对校正相机成像畸变的靶标应用也日益广泛。高精度光学靶标是光学测量、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，是依据对光学靶标上已知几何量的成像检测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近场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；为提高大靶面的精度，对框架结构以及各小尺寸靶面的侧边有较高的精度要求，因此系统结构复杂，质量较重，后期小靶面拼接安装工艺复杂，且最终系统由于重力和温度影响的变形较大；另外，为实现红外波段相机的标校，需要给靶面加热提供热源，因此整个靶面所需的供电系统较为复杂，需要较高的供电功率。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；对于大视场相机的校正需要拍摄视场内所有的等间隔点，因此过程比较繁琐；另外，由于臂展较长的机械臂精度较差，因此该方法较适合于较小视场或近景拍摄相机的视场校正。

技术实现要素：

本发明针对大视场相机近场传统标校方法精度及效率较低和功耗大的问题，提供一种大视场相机近场标校的精密靶标系统及方法，依托于龙门框架多轴高精密数控系统，能够实现用小靶精确标定被测相机的不同视场，不仅有效的提高了标定的精度和效率，而且降低了系统功耗。

本发明的技术方案为：

所述一种大视场相机近场标校的精密靶标系统，其特征在于：包括带有龙门框架的基座、三轴运动机构、被测相机支撑机构、靶标系统；

所述三轴运动机构包括相互垂直的x轴、y轴、z轴运动机构，其中x轴运动机构固定安装在龙门框架横梁侧面，x轴与基座台面平行，x轴运动机构中的运动托板能够沿x轴横向移动；z轴运动机构固定安装在x轴运动机构的运动托板上，z轴与基座台面垂直，z轴运动机构中的运动托板能够沿z轴纵向移动；y轴运动机构固定安装在基座台面上，y轴与xz平面垂直，y轴运动机构中的运动托板能够沿y轴移动；

所述被测相机支撑机构包括转台和俯仰台；转台底座固定安装在y轴运动机构的运动托板上，俯仰台底座固定安装在转台台面上，被测相机安装在俯仰台台面上；

所述靶标系统包括靶标和靶面，靶标背部固定安装在z轴运动机构的运动托板上，靶面通过定位孔安装在靶标正面，并用导热硅脂填充靶面与靶标接触面之间的间隙；靶面平行于xz平面。

进一步的优选方案，所述一种大视场相机近场标校的精密靶标系统，其特征在于：所述靶标由导热层、隔热层和加热层组成；隔热层背面带有用于固定在z轴运动机构的运动托板上的凸台，正面有边框；在隔热层的边框上设置有靶标定位孔；导热层安装在隔热层正面边框内，在导热层与隔热层正面底面之间有加热层，导热层压附于加热层表面，形成无间隙贴附。

进一步的优选方案，所述一种大视场相机近场标校的精密靶标系统，其特征在于：所述靶面由红外隐身涂层、红外辐射涂层和靶面基板组成；靶面基板上开有靶面定位孔，用于与靶标上的定位孔配合；红外隐身涂层和红外辐射涂层按照设计的形状要求印刷在靶面基板。

进一步的优选方案，所述一种大视场相机近场标校的精密靶标系统，其特征在于：所述靶面由黑色亚反光涂层、亮色热致发光涂层和靶面基板组成；靶面基板上开有靶面定位孔，用于与靶标上的定位孔配合；黑色亚反光涂层和亮色热致发光涂层按照设计的形状要求印刷在靶面基板。

进一步的优选方案，所述一种大视场相机近场标校的精密靶标系统，其特征在于：x轴、y轴、z轴运动机构均采用步进电机驱动的丝杠结构。

进一步的优选方案，所述一种大视场相机近场标校的精密靶标系统，其特征在于：所述龙门框架底座以及基座进行了隔震处理。

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

步骤1：根据标校被测相机的需求，选择红外或可见光的靶面，并通过定位孔安装于靶标正面；

步骤2：给靶标系统、三轴运动机构以及被测相机通电，通过调节三轴运动机构以及被测相机支撑机构，使相机的光轴垂直于靶面；

步骤3：通过y轴运动机构带动被测相机沿y轴运动，使被测相机和靶面的y向距离满足要求；锁定俯仰台、转台和y轴运动机构；

步骤4：控制x轴运动机构和z轴运动机构，移动靶面到需求的位置，待测相机对靶面清晰成像并拍摄；

步骤5：重复步骤4，待测相机完成对所有设定位置处靶面的清晰成像并拍摄；根据每个拍摄图像对应的x轴和z轴位置进行图像拼接，得到一幅完整的拍摄图像；

步骤6：根据完整的拍摄图像，以及x轴运动机构、y轴运动机构和z轴运动机构位置数据，实现对被测相机的全视场校正。

有益效果

本发明目的是为了解决大视场相机近场传统标校方法精度、效率较低以及高功耗的问题。该装置使用较小尺寸的靶标；相比大面阵靶标有效的提高了靶标的加工精度和使用精度，降低了加热靶标所需的能量；相比单点光源靶标，提高了标定的效率。通过采用高精密运动控制系统，有效的提高了标定过程中靶面运动的位置精度，且提高了标校的效率。通过使用多种形式的靶面，提高了系统标定的范畴。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近场标校的精密靶标系统的三维图；

图2为本发明系统的靶标；

图3为本发明系统的靶面；

其中：1-带龙门框架的基座，2-x轴运动机构，3-y轴运动机构，4-z轴运动机构，5-靶标，6-转台，7-俯仰台，8-被测相机，9-靶面，10-导热层，11-隔热层，12-靶标定位孔，13-加热层，14-第一涂层，15-第二涂层，16-靶面基板，17-靶面定位孔。

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为本实施例中大视场相机近场标校的精密靶标系统的三维图，包括龙门框架1、x轴运动机构2、y轴运动机构3、z轴运动机构4、靶标5、转台6、俯仰台7、被测相机8、靶面9。

其中，系统采用龙门框架1作为主体支撑，龙门框架1的底座采用隔震处理；x轴运动机构2、y轴运动机构3和z轴运动机构4采用高精密直线运动丝杠轴，且两两相互垂直。靶面9安装在靶标5的正面，且之间的间隙填充导热硅脂以实现对靶面9的均匀加热。靶标5的背面安装在z轴运动机构4的运动托板上，实现竖向运动；z轴运动机构4安装在x轴运动机构2的运动托板上，在x轴运动机构2的驱动下实现z轴运动机构4整体的水平横动；x轴运动机构2沿水平横向固定在龙门框架1横梁的前侧面；y轴运动机构3沿水平纵向固定在带龙门框架的基座1的底座台面上；转台6的底座安装在y轴运动机构3的运动托板上，转台6的台面上固定有俯仰台7；被测相机8安装在俯仰台7的台面上。

图2为本实施例的靶标5。该靶标5由导热层10、隔热层11和加热层13组成。图2(a)为靶面5的正视图，加热层13镶嵌在隔热层11内，在隔热层11的边框上设置两靶标定位孔12，分别与靶面9的靶面定位孔17相对应。图2(b)为靶面5沿图2(a)中心线的中心剖面图，导热层10安装在隔热层11内，并压附于加热层13表面，形成无间隙贴附；隔热层11的背部凸台固定在z轴4的运动托板上。

图3为本实施例的靶面9。该靶面9由第一涂层14、第二涂层15和靶面基板16组成。图3(a)为靶面9正视图，图3(b)为靶面9的侧视图。第一涂层14和第二涂层15间隔排列并精密印刷于靶面9的靶面基板16上，靶面基板16上开有靶面定位孔17，靶面定位孔17与靶标定位孔12相对应。根据待测相机8的需求，采用两种形式的靶面9：第一种形式，用于红外光波段相机的标校，第一涂层14采用红外隐身材料来抑制红外线的发射，第二涂层15采用红外辐射涂层保证其所覆盖区域具有较高的红外发射率；第二种形式，用于可见光波段相机的标校，第一涂层14采用黑色亚光材料来降低亮度，第二涂层15采用亮色热致发光涂层来提高其亮度。

测量标校时，将被测相机8安装于俯仰台7的台面上；根据被测相机8选择适合的靶面9，在靶面9的背面均匀涂抹少量导热硅脂，根据靶面定位孔17和靶标定位孔12将靶面9紧密安装于靶标5正面；靶标5、x轴运动机构、y轴运动机构、z轴运动机构和被测相机8通电；调整x轴运动机构、y轴运动机构、z轴运动机构、转台和俯仰台，使被测相机8光轴垂直于靶面9，此时系统为零位位置。通过y轴运动机构带动被测相机沿y轴运动，使被测相机和靶面的y向距离满足要求；锁定俯仰台、旋转台和y轴运动机构；控制x轴运动机构和z轴运动机构，移动靶面到需求的位置，待测相机对靶面清晰成像并拍摄；沿x轴和z轴移动靶面至下一设定位置，待测相机再次对靶面清晰成像并拍摄；重复上述过程，待测相机完成对所有设定位置处靶面的清晰成像并拍摄；根据每个拍摄图像对应的x轴和z轴位置进行图像拼接，得到一幅完整的拍摄图像，根据完整图像、x轴、y轴和z轴数据，实现对被测相机的全视场校正。