2017, Vol. 39
Issue (1): 46-49
2. 上海精密计量测试研究所, 上海 201108
2. Shanghai Precision Metrology & Test Research Institute, Shanghai 201108, China
图像检测因其非接触、并行、高效、适应范围广等特点, 使其在现代工程测量中的应用越来越广。随着CCD应用领域的扩大, 其结构性能也不断变化以适应不断发展的使用要求。目前已出现了多种CCD结构类型, 从紫外到超长波红外不同波段的探测器, 红外CCD也随之进入人们的视线[1-2]。由于摄像机镜头均有畸变等像差, 测量时均需标定以减弱这些像差的影响[3-5]。在军事领域的应用发展尤为迅速, 其中利用红外导引头的近距离跟踪系统是其典型应用。由于红外CCD被密封在隔热的真空体内, 无法直接测量其准确位置, 因此, 本文利用激光跟踪仪, 提出一种红外CCD相机光轴标定方法, 即通过标定获得封装后的红外相机的像心及其光轴坐标值。
1 红外相机光轴标定原理及系统构成红外导引头跟踪是利用红外成像技术, 实时探测被跟踪目标并检测其相对方位角和俯仰角, 检测原理如图 1所示。
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图 1 红外跟踪原理画 Figure 1 The principle diagram of the infrured tracking |
图中物面通过光学镜头成像于像面 (光电探测器), 光学镜头的光轴为OO′, 其中O′为像面中心。物面P点投影至水平轴和竖直轴分别相交于B点和A点, 则∠α和∠β分别代表方位角和俯仰角。物点P成像于像面上P′点, 而且是唯一的, 只要得到像面上的P′所在的像素, 即可反演出方位角和俯仰角。
1.1 光轴标定原理如图 2所示, OO′是转台的转轴中心线, 平面CDFE平行于转台平面并与轴线相交于H点, A、B、A′和B′为CDFE平面内的四个标记点。如果AH和BH连线重合, 则A、B和H三点共线。同理, 如果A′H和B′H连线重合, 则A′、B′和H三点也共线。
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图 2 位置关系图 Figure 2 Location diagram |
光轴标定基于图 2所示的点、线和轴的几何关系, 即通过测定空间数个位置的坐标, 进而推演光学系统的光轴。
1.2 光轴标定系统构成及功能为了标定光轴, 需定义数个已知的空间位置。为此, 该标定系统主要包括激光跟踪仪、高精度分度台、六维调整架、模拟目标源和红外相机。
(1) 红外相机:对4.5 μm波段的红外光敏感, 是本文标定的对象。
(2) 激光跟踪仪[6-7]:基于角度测量和长度测量相结合的极坐标测量设备, 可以将空间特征点转化成空间三维坐标, 通过获取坐标值测量被测物体空间位置关系。
(3) 高精度分度台[8]:采用多齿结构, 既可以保证分度精度, 又可以保证定心精度, 且不受轴承间隙及正反转的影响, 定位精度高达0.3″。为角度标定提供真值。
(4) 六维调整架:通过六维调整架可控制相机的直线移动和转动, 可调节相机与目标源的姿态。
(5) 模拟目标源:对红外系统, 模拟目标源是在标准黑体发射面前端设置一个与靶球等直径的圆孔光阑。标定时是对该光阑成像。
2 红外相机光轴标定实验首先将六维调整架和分度台组合构成调节机构, 然后将相机与调节机构固定。将靶球放置在分度台某一位置, 转动分度台并用激光跟踪仪测得多个角度时靶球的空间坐标, 进而利用激光跟踪仪自带软件拟合转台所在平面以及转台的轴线。红外相机光轴标定包括基于激光跟踪仪坐标系的相机光轴标定和相机光轴标定。
2.1 基于激光跟踪仪坐标系的红外相机光轴标定红外相机光轴标定参见图 3, 实验步骤为:(1) 模拟目标源置于空间某一位置A, 光阑中心与红外相机镜头中心连线平行于转台, 利用红外相机拍摄目标源的像, 并对图像进行处理以获得目标源的光像斑中心。如果光斑像中心与CCD中心不重合, 则调整目标源的位置和相机的调节机构, 直至二者的中心重合。(2) 将靶球放置在目标源的光阑处 (靶球中心与光阑中心重合), 利用激光跟踪仪测得光阑中心的空间坐标。(3) 将目标源移到位置B, 调节目标源的支撑系统, 直至其成像光斑中心与CCD中心重合, 并测量此时光阑的中心坐标。(4) 如果A和B的连线AB不垂直于转台转轴, 则调节相机的俯仰机构, 并重复步骤 (1)~(3), 直至A和B都能成像于CCD中心并且连线AB垂直于转台转轴。至此, 目标源所在位置A和B的连线将与CCD中心重合, 则此连线即为红外相机的光轴。
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图 3 红外相机光轴标定示意图 Figure 3 Calibration method of infrared camera optical axis diagram |
通过2.1的标定, 可以获得红外相机在该特定位置时的光轴及其空间位置参量的表达形式, 该表达形式的参考坐标系是激光跟踪仪定义的。如果该相机应用到其它测试系统, 则由于相对坐标系的改变而无法表述光轴信息。因此, 需在红外相机表面做标记, 通过该标记进行坐标转化, 重构相机坐标系, 从而得到相机光轴坐标。如图 4所示, 在外形为长方体的红外相机顶面和两个侧面分别加装1个激光跟踪仪靶球位。以激光跟踪仪测得该3个靶球位的位置信息构建一个平面, 光轴与平面的交点即可通过激光跟踪仪自带软件计算获得。至此, 光轴和激光跟踪仪就可转化为相对3点的位置关系。在应用时只需测量3个标记点的信息, 即可推演出光轴的空间位置。
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图 4 带靶位的红外相机 Figure 4 Infrared camera with target position |
图 5是基于LabVIEW软件开发的平台, 只要输入对应3个靶球坐标, 软件就可计算得到相机的光轴, 并进而换算出光轴及光轴与参考面的交点 (像心坐标)。
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图 5 光轴标定软件界面 Figure 5 Optical axis calibration software interface |
通过上述标定, 无论将红外CCD相机置于何处, 只要其相机的3个靶球互相位置不发生改变, 通过各点坐标的转化即可得到像心和光轴坐标值。利用这种光轴标定方法, 即可得到其相机在空间系统上的具体位置, 以便测量应用。
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