一种旋转双棱镜成像对准方法
【专利摘要】本发明公开了一种旋转双棱镜成像对准方法，能够大幅度降低由于系统参数失真而导致的目标成像偏差。其基于闭环反馈调整两块棱镜各自转动，以使目标成像逐渐逼近探测视场中心。该方法的核心，在于解耦两块棱镜各自转动与目标成像最终移动之间的几何关系。本发明通过深入研究旋转双棱镜的光束指向特性，完成了解耦过程。
【专利说明】
一种旋转双棱镜成像对准方法
技术领域
[0001 ]本发明属于光电跟踪领域，具体涉及一种旋转双棱镜成像对准方法。
【背景技术】
[0002]旋转双棱镜光电跟踪装置能够在单一且简单的结构中兼顾大扫描范围、高指向精度和高响应频率。在目标朝向变化较小的应用场景中，其对于传统的光电跟踪装置，尤其是万向架式，构成了明显的比较优势和替代可能，正在展现出越来越广阔的发展前景。
[0003]在先技术(参见李锦英、彭起等的专利:CN103631276A)提出了用于光电跟踪的旋转双棱镜装置及其控制方法，然而并未涉及其实际应用中必须克服的一项工程难题。棱镜加工、装调和测量的固有误差，将会造成系统参数相对实际数值的失真。使得旋转双棱镜按照理论解算转动后，目标成像与探测视场中心始终存在一定偏差，且无法通过更多的理论解算加以消除。
[0004]数学补偿方法和闭环反馈方法，都能够较大程度的改善该问题。前者过程复杂，需要大量预处理，并且无法保证全局优化效果。后者能够避免以上缺陷，但也存在着两块棱镜各自转动对目标成像最终移动呈现出耦合性的困难。目前这方面的研究较为欠缺，更鲜有文献针对该类型成像偏差提出解决方法。
【发明内容】
[0005]本发明针对的应用难题是:由于旋转双棱镜系统参数的固有失真，两组棱镜按照理论解算转动后，目标成像只会位于探测视场中心附近，而非正对位置。并且无法通过更多了理论解算和棱镜转动消除该类成像偏差。
[0006]本发明产生的实际意义是:提供了一种旋转双棱镜成像对准方法，能够大幅度降低由于系统参数失真而导致的目标成像偏差。该方法利用了两块棱镜各自转动与目标成像最终移动之间的几何关系，通过闭环反馈加以实现。在先技术(参见李锦英、彭起等的专利:CN103631276A)说明了本算法所依赖的旋转双棱镜光电跟踪转置及光束指向解算方法。两块棱镜由两台环形力矩电机带动，共轴独立旋转。其转角数值通过位置传感器测量。探测器能够测量目标在探测视场中所成像点的方位角Θ和俯仰角Φ。目标位置确定条件下，为了使目标成像位于探测视场中心附近，采用坐标变换+矢量折射方法和两步法，计算两块棱镜需要调整的角度。
[0007]本发明采用的技术方案为:一种旋转双棱镜成像对准方法，该方法步骤如下:
[0008]步骤(I)两块棱镜按照理论解算转动，使目标成像位于探测视场中心附近后，保持此时的相对转角不变，再两次转动适当角度。记录相应的三次目标成像在探测视场中的位置。旋转双棱镜中，光束偏折后相对于棱镜旋转轴的俯仰角，仅与两块棱镜的相对转角有关。棱镜旋转轴在探测视场上的投影点称为旋转中心。前述三点到旋转中心的距离相等，利用“圆上三点确定圆心”相关知识，计算出旋转中心的近似位置。以穿过探测视场中心和旋转中心的直线为基准，计算第一次目标成像位置与其之间的夹角τ。
[0009]步骤(2)以探测视场中目标成像到旋转中心的距离，不断接近视场中心到旋转中心的距离为判断准则，持续调整两块棱镜的相对转角。直到两种距离的差值满足预期的目标成像对准精度。调整过程中，由于目标成像相对于旋转中心的方向角变化，可能引起虽然两种距离之差越来越小，但是目标成像到探测视场中心的距离却越来越大的奇异现象。为了避免出现此种情况，每次获得新的目标成像位置，都需要计算出其与穿过旋转中心和市场中心的直线之间的夹角。如果该夹角大于步骤(I)所得出的τ值，则在两组棱镜后一次的调整值中，朝着与前一次相反的方向同时增加τ。另外，为了提高两种距离接近的效率，两组棱镜相对转角的调整量应当变长处理。
[0010]步骤(3)以旋转中心为顶点，计算目标成像与探测视场中心的夹角。两块棱镜的转角同时增加或减少该角度，目标成像便会对准探测视场中心。当前述两种距离基本相等时，可以认为目标成像和探测视场中心在以旋转中心为圆心的同一个近似圆上。此时，欲使目标成像沿着该圆运动到探测视场中心，只需要两块棱镜转动相同的某一角度即可。
[0011 ]本发明相比现有技术的优点是:
[0012]通过深入研究旋转双棱镜光电跟踪装置的光束指向特性，解耦了两块棱镜各自转动与目标成像最终移动之间的几何关系。首次提出了基于闭环反馈的旋转双棱镜目标成像对准算法，为消除由于系统参数失真而导致的目标成像偏差提供了有效途径。
【附图说明】
[0013]图1为本发明所依赖的旋转双棱镜光电跟踪装置结构图。其中，I为第一棱镜，2为第二棱镜，3为第一电机，4为第二电机，5为第一位置传感器，6为第二位置传感器，7为探测器，8为控制器；
[0014]图2为描述了本发明所阐述算法中，获取旋转中心近似位置的过程；
[0015]图3为描述了本发明所阐述算法，使目标成像逐步逼近探测视场中心的过程；
[0016]图4为成像对准算法流程图。
【具体实施方式】
[0017]为了更为清晰明确的阐述本发明的应用场景、技术方案和创新之处，以下将结合附图，介绍具体的实施案例。
[0018]图1为在先技术(参见李锦英、彭起等的专利:CN103631276A，本申请引用该专利的全文)提供的旋转双棱镜光电跟踪装置。利用该专利中提出的控制方法，可使目标成像位于探测视场中心附近。之后令目标成像逐步逼近探测视场中心，才是本发明的核心内容。
[0019]如图4所示，一种旋转双棱镜成像对准方法，具体步骤如下:
[0020]步骤一:计算旋转中心在探测视场中的位置，其过程如图2所示。两块棱镜按照理论解算转动，使目标成像位于探测视场中心附近后，保持此时的相对转角不变，再两次转动适当角度。记录相应的三次目标成像在探测视场中的位置。图2中编号1、2、3的圆圈即表示三个记录位置，它们到旋转中心的距离相等。圆上三点确定圆心，计算出旋转中心的近似位置。同时，还需要以穿过探测视场中心和旋转中心的直线为基准，计算第一次目标成像位置与其之间的夹角τ。
[0021 ]步骤二:通过多次迭代得到最终的两块棱镜相对转角，以使目标成像到旋转中心的距离，与探测视场中心到旋转中心的距离之差符合预期的收敛精度。图3中目标成像从I号圆圈位置到4号圆圈位置的顺序运动，描述了这一过程。以前述两种距离之差是否小于目标值，作为是否结束迭代调整的依据。若是，则转到步骤三;若否，则不断调整两块棱镜的相对转角，以改变两种距离之差。如果某次调整后差值的符号与前一次相反，表明目标成像“越过”了预期位置范围，应当反向并以减半后的相对转角变化量继续调整。如果某次调整后差值增大，表明相对转角的加减方向有误，应当变更为前一次调整的反方向。另外，如果某次调整后以旋转中心为顶点，目标成像与探测视场中心之间的夹角大于前述τ值，表明目标成像相对于旋转中心的方向角累积变化量过大，下次调整时可能使目标成像超过探测视场范围。应当令两块棱镜同向回调相同角度。
[0022]步骤三:计算两块棱镜需要同向同量转动的角度，并同步调整。之后目标成像将会位于探测视场中心期望的偏差范围内。图3中目标成像从4号圆圈位置运动到5号圆圈位置描述了这一过程。跳出步骤二循环，意味着目标成像和探测视场中心到旋转中心的距离基本相同，只是相对于旋转中心的方向角不同。三点在探测视场中的位置关系已知，容易求出两块棱镜需要同向同量同步转动的角度。
[0023]旋转双棱镜成像对准算法的核心，在于解耦两块棱镜各自转动，与目标成像最终移动之间的几何关系。因此，本发明中旋转中心的计算方法，以及先调整相对于旋转中心的俯仰角，再调整方向角，从而解耦目标成像运动规律的方法，也应当属于本发明特征。
[0024]旋转双棱镜成像对准算法实行的关键，在于调整过程中的各次目标成像，均位于探测视场范围内。因此本发明中以旋转中心为顶点，计算目标成像与探测视场中心初始夹角，并以其为依据限制和调整后续目标成像相对于旋转中心的方向角的方法，也应当属于本发明特征。
【主权项】
1.一种旋转双棱镜成像对准方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤(I)调整目标成像位于探测视场中心附近后，两块棱镜保持此时的相对转角不变，再两次转动适当角度;记录相应的三次目标成像在探测视场中的位置;旋转双棱镜中，光束偏折后相对于棱镜旋转轴的俯仰角，仅与两块棱镜的相对转角有关;棱镜旋转轴在探测视场上的投影点称为旋转中心；前述三点到旋转中心的距离相等，利用“圆上三点确定圆心”相关知识，计算出旋转中心的近似位置；以穿过探测视场中心和旋转中心的直线为基准，计算第一次目标成像位置与其之间的夹角τ; 步骤(2)以探测视场中目标成像到旋转中心的距离，不断接近视场中心到旋转中心的距离为判断准则，持续调整两块棱镜的相对转角;直到两种距离的差值满足预期的目标成像对准精度;调整过程中，由于目标成像方向角的变化，可能引起虽然两种距离之差越来越小，但是目标成像到探测视场中心的距离却越来越大的奇异现象;为了避免出现此种情况，每次获得新的目标成像位置，都需要计算出其与穿过旋转中心和市场中心的直线之间的夹角；如果该夹角大于步骤(I)所得出的τ值，则在两组棱镜后一次的调整值中，朝着与前一次相反的方向同时增加τ;另外，为了提高两种距离接近的效率，两组棱镜相对转角的调整量应当变长处理； 步骤(3)以旋转中心为顶点，计算目标成像与探测视场中心的夹角;两块棱镜的转角同时增加或减少该角度，目标成像便会对准探测视场中心；当前述两种距离基本相等时，可以认为目标成像和探测视场中心在以旋转中心为圆心的同一个近似圆上;此时，欲使目标成像沿着该圆运动到探测视场中心，只需要两块棱镜转动相同的某一角度即可。
【文档编号】G05D3/12GK106020241SQ201610370121
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】周书芃, 李锦英, 王强, 陈科, 付承毓
【申请人】中国科学院光电技术研究所