视轴测量

视轴测量（精选3篇）

视轴测量 篇1

0引言

光电测量方法是现阶段应用最多的精密测量方法,广泛应用于航天、航海、卫星测绘等国防建设以及工业制造和日常生活中[1]。光电设备的视轴一般都是其测量坐标的重要参考量,视轴的测量和测量精度直接影响着光电设备的成像功能、测量性能、测量精度等[2,3,4,5]。常用的视轴测量方法有平行光管法[6]、经纬仪法等[7]。

平行光管法是用平行光管测量视轴,利用平行光管中星点的成像以及正倒镜来确定零位。这种方法只能对不少于两轴的光电测量系统即能打正、倒镜的系统使用,有一定的局限性。再者这种方法是通过正、 倒镜两次测量来消除误差确定零位,这就在理论上要求光学系统正镜测量的条件和倒镜测量的条件完全相同。稍有不同就会带来误差,所以这种测量方法对操作的要求比较高。

经纬仪法是用经纬仪测量视轴,利用经纬仪自身的测角功能测量出一些参考点的角度,进行角度计算后得出视轴的方向。这种方法的测量精度主要依赖于经纬仪自身的精度、参考点的基准误差等,测量精度一般不高,主要应用于航天相机等凝视测量光电设备。

本文根据单轴光电测量设备无法实现正、倒镜测量消除视轴误差的特点,提出了一种利用合作目标测量视轴的方法。

1测量原理

根据几何光学理论可知,在主光轴上的物点经过光学系统成像后,其像点的位置为主光轴与像面相交的点,并且像点的位置不随物距的变化而改变。本测量方法就是利用这一特性进行测量的。

为此设计了一个能够调平且安装两个激光目标点的目标架,把单轴光电设备放置在带平移导轨可调平的平台上。以目标点A与目标点B的连线中点为原点建立直角坐标系如图1所示。

在测量前首先调整目标架,使目标A与目标B的连线垂直于大地;调整平台,使检测平台与大地平行, 调整轴系底座,使旋转中心线垂直于大地[8,9]。当光电系统对目标点进行扫描测量时,目标A、B在线阵CCD上的成像位置为A′,B′,根据工程光学理论可知其成像原理如图2所示。

在图2中,H为目标A与目标B的高度差,h为像点A′与像点B′的高度差,Z0为目标A与目标B的连线与主光轴的交点,Z0′为主光轴与像面的交点,Hz为目标B与主光轴的距离,hz为像点B′与主光轴的距离, l为物距,l′为像距,O′为光学系统的主点。根据目标A、目标B与Z0的关系可以分为两种情况。第一种情况(特殊情况),点A或点B与Z0重合;第二种情况,点A或点B都不与Z0重合。根据以上两种情况及数学运算可得两种视轴测量方法,在本文中称为直接测量法和间接测量法,具体如下。

1.1直接测量法

由图2可知,如果点A或点B与Z0重合,则有一个目标点在主光轴上,这时此目标点的像点即为视轴上的点。因为平台平面与大地平行,所以光电测量设备在平台上沿着导轨移动位置不改变测量设备主光轴的高度。测量设备在不同位置,像点的位置不变。具体的测量方法就是不断调整目标架的高度,使光电测量设备在位置一对该目标的成像位置与在位置二对该目标的成像位置重合,这时的像点即为视轴上的点。 这种测量方法操作困难,同时由于光电测量的精密性,对机械调整机构的要求非常高,在实际应用测量中, 实现非常困难。

1.2间接测量法

在图2中,光电设备在位置一时,先假设视轴在像面上的点为M′,其在目标A与目标B的连线上对应的物点为M,根据图2及三角公式可得(在位置一时,计算公式中所有符号均以下标1表示):

则点X在直角坐标系中Z轴的坐标为

在式(4)中H是标定出的已知高度,h、hm可以根据设定点M′、线阵CCD上的成像位置及像元尺寸计算出来,所以X点的Z轴坐标是唯一确定的。然后把光电设备通过平移导轨移动到位置二进行测量。同理可得如下计算公式(在位置二时,计算公式中所有符号均以下标2表示)

则点X在直角坐标系中Z轴的坐标为

由于平台平面平行于大地,所以在位置二点X在直角坐标系中Z轴的坐标与位置一点X在直角坐标系中Z轴的坐标应该相等。即:

因为H1H2H,所以:

由式(1)、式(5)、式(10)可得:

在图2中,因为Z0′和M′是固定点,B′随l的变化不断变化,所以要使式(13)成立,只有Z0′和M′重合, 即为视轴上的点。

在具体的标定过程中,只要不断调整线阵CCD的电零位M′,使光电测量设备对固定位置的合作目标点A和点B在位置一和位置二分别进行测量,如果目标点A在位置一和位置二的Z轴坐标值相等,则M′ 即为视轴上的点。此时目标点B在位置一和位置二的Z轴坐标值也应该相等,这可以对测量的正确性进行校验。这种方法操作简便,对机械调整机构的精度要求低,易于实现。

2实验平台及实验过程

2.1实验平台

本实验平台主要由目标架、单轴光电测量设备、带移动导轨的平台等组成,如图3所示。

目标A、B为同波段红光激光目标,激光器的波长为680 nm。激光器发出的激光经毛玻璃打散后形成目标源,该目标源为直径15 mm亮度均匀的圆。因为激光的单色性好,经过窄带滤光片后能极大的提高信噪比,很好的拓展了使用环境的限制,减小了图像处理的难度。

在该光电测量设备中,轴系的主要零件加工精度高,轴系的晃动小于5,轴向串动小于0.015 mm。

光学系统采用像方远心光路的反远摄结构,焦距30.02 mm,为典型的大视场短焦距光学系统。

光电转换器件选用大靶面的CCD传感器,选用东芝公司的TCD1703C,像元尺寸7 µm7 µm,像元数7 500。

2.2实验过程

由上述可知,间接测量法与直接测量法相比,优势明显。在实际应用中采用间接测量法,具体测量步骤如下:

1) 把测量设备放在平台上,调整平台,使平台平面平行于大地。调整测量设备底座,使轴系旋转中心线垂直于大地;

2) 固定目标架,调整目标架底座,使目标A与目标B的连线垂直于大地;

3) 分别给目标架和测量设备上电,设定视轴上的点在线阵CCD上的位置为M′;

4) 把测量设备移动到平台的位置一,使测量设备对合作目标进行测量,得到A的Z轴坐标值为Za1, 点B的Z轴坐标值为Zb1;

5) 把测量设备移动到平台的位置二,使测量设备对合作目标进行测量,得到的A的Z轴坐标值为Za2, 点B的Z轴坐标值为Zb2;

6) 比较Za1和Za2,如果Za1和Za2相等,则M′为视轴上的点在线阵CCD上的位置;

7) 如果Za1和Za2不相等,则重新设定M′的位置,然后重复步骤4)、5)、6),直到Za1和Za2相等为止;

8) 根据Zb1和Zb2是否相等,对测量结果进行校验。如果相等则测量结果正确,如果不相等,则要分析原因,进行重新标定。

3实验结果分析

通过调整目标A、目标B在目标架上的位置来改变目标的高度,根据2.2试验过程中的步骤,反复对该测量设备进行测量,具体的测量结果如表1。

由该组实验数据可得视轴测量的最大误差为-0.84″。根据式(13)可知,本测量方法的依据是hz和hm, 它们都是像方的距离值,它们同时受目标图像提取及目标位置计算误差和光学镜头的成像像差的影响。同时本测量方法的推导前提条件是平台平面与大地平行,所以平台平面与大地的平行误差也会给测量带来误差。轴系旋转轴线与大地水平面的垂直误差也会给不同位置的测量带来误差。所以本测量方法的误差主要来源于以下几个方面:

1) 平台平面与大地的平行误差,平台的调平精度可以控制在0.5"以内,为了使精度进一步提高,可以在光电设备上粘贴一标志点,利用空间直角坐标精度可达0.1 mm的交汇测量系统对这标志点进行观测, 能够保证测量系统的光轴在位置一和位置二的高度差在0.1 mm内;

2) 轴系旋转轴线与大地水平面的垂直误差,利用0.2"的水平仪可以控制在0.5"以内,且在位置一和位置二对目标扫描时的转角相差很小,所以这个误差相对其他误差可以忽略不计;

3) 目标图像提取及目标位置计算误差[10],这是一个随机误差。因为该目标源为直径15 mm亮度均匀的圆形激光目标,扫描成像后的像点为椭圆形。这降低了目标提取难度,同时目标位置计算误差也比较小;

4) 光学镜头的成像像差,经过光学镜头的相差分析、标定、补偿后,成像像差非常小。但相对其他的误差源来说还是比较大,所以是标定误差的主要误差来源。

表1中的误差分布与以上误差来源分析相吻合。

4结论

本文简要的介绍了两种现阶段常用的视轴测量方法,针对单轴光电测量设备中视轴的测量问题,根据其特点,提出了一种利用合作目标测量视轴的新方法。对该方法进行了理论推导,并建立了相关的测量方案,最后通过实验对该测量方法进行验证评价。实验测量结果表明该测量方法结构简单可行,测量精度高, 对同类问题的解决提供了一种新的方法。

视轴测量 篇2

可见光电视跟踪测量系统主要用于对可见光波段的目标进行成像跟踪和测量,即将视场中目标偏离光轴的角度大小检测出来,送伺服系统,形成闭环,由跟踪架带动电视测量系统跟踪目标,使得脱靶量减小,将目标始终锁定在电视视场之中.在无外引导设备的状态下,电视自动跟踪系统也可实施对穿过视场目标的自动捕获.电视测量系统作为光电经纬仪的主镜系统,其视轴精度将直接影响到经纬仪角度测量精度.图1为光电经纬仪电视自动捕获跟踪框图,由电视测量分系统、伺服控制分系统和监视器等组成[1].

1 系统结构设计

此可见光电视测量分系统设计要求如下:焦距f≥800 mm;相对孔径D/f≥1/4.5;对角线视场≥0.7°;具有自动调光、温度和距离调焦功能.此分系统包括:800 mm定焦距镜头(光学设计),自动调光、距离及温度调焦机构,高灵敏度CCD摄像机等[2].

1.1光学系统结构

可见光测量电视光学系统的作用是将被测目标成像到探测器靶面上,为测量提供图像和数据.对于800 mm的长焦距光学系统,为了缩短镜筒长度、减轻质量及减少二级光谱,系统选用折反式结构,其组成包括前校正镜组、主反射镜、次反射镜组、变密度片、滤光片及后校正镜组.其光学系统结构如图2所示.

1.2机械结构设计

根据光学设计,将镜头结构设计分为4大板块:镜头遮光罩组、镜筒组、变密度片-滤光片组、CCD摄像机组.机械结构外形示意图如图3所示.

1.2.1镜头遮光罩组

为了限制杂光进入成像系统和适应不同的外界光强环境要求,本镜头将其遮光罩设计为2节,且可随意拆卸和安装,遮光罩内壁设计有消光纹,并染黑处理,尽可能减小杂光对成像系统的影响.

1.2.2镜筒组

(1)前校正镜组和次反射镜

前校正镜组由2片光学玻璃组成,分别装在2个镜框中,镜框材料选用优质钢,以减小由于热变形引起的镜片应力变形.各镜框加工中除保证同心度要求以外,每个镜片在装入镜框后,还应进行定心加工.设计时,镜框的径向及轴向尺寸应留有对心加工的余量,定心完成后将光学镜片固定.隔圈、压圈及镜筒内壁设有消杂光的遮光齿纹.

次反射镜口径的大小直接影响光学系统的通光量,因此结构设计在保证光学有效通光口径的前提下,遮拦要尽可能的小.设计中,采用了轮箍式结构,这种结构主要是通过轴向尺寸的延伸来保证结构的刚度,而径向尺寸延伸较小,以减少对通光的遮拦.图4为前校正镜组和次反射镜结构图.

(2)主反射镜和后校正镜组

主反射镜为光学镜头最关键零件.其镜座必须为球面主反射镜提供稳定、无应力的固定支撑.考虑到温度变化对主反射镜的影响,采用优质钢为主反射镜内轴,主反射镜座采用铸铁材料.后校正镜组装在主反射镜内轴的内孔中,其光学间隔由隔圈来保证.

结构设计时在主反射镜座及主镜筒间留有可调整的间隙量,这样既保证了固定可靠,又防止了由于温度变化时主反射镜会产生过大应力,使主反射镜变形,从而影响成像质量.图5为次反射镜和后校正镜组结构图.

1.2.3变密度片-滤光片组

调光调焦系统对于保证CCD的成像质量起着非常重要的作用.为使在摄影过程中像面照度能保持在一个恒定数值上,自动调光系统中采用可变密度片,来自动调节像面背景照度,使CCD冷平面始终获得均匀的正确光照度.

自动调光系统的作用是当光电经纬仪对飞行目标进行摄影时,天空背景亮度尽管有较大的变化,但通过调光系统的调光元件(变密度片)自动调节CCD冷平面上背景光的照度,使目标像与背景有一最佳的对比度,以提高对远距离小目标像点的发现能力,得到尽可能清晰的像点.

采用电机驱动变密度片,其电机所带齿轮与变密度片座所带齿轮的转速比为9:1.变密度片可调光范围约为32倍左右.4种滤光片由箱体外手轮转动切换,箱体外有明显标志.变密度片和滤光片构成一组件,装配在基板上,基板与壳体相连,调节完成后定位并连接.

1.2.4 CCD摄像机组

光电经纬仪对飞行目标进行跟踪摄影的过程中,由于目标距经纬仪的距离不断发生变化,致使目标像点位置也随之变化,这样就造成像点离散,能量扩散,产生像点离焦现象,使目标像点和背景的对比度下降,影响成像质量.调焦系统的作用就是根据给出的目标距离信号,利用调焦系统的调焦装置自动调节目标像点的位置,使CCD冷平面始终位于光学系统的焦面上,以获得最佳的清晰像.表1给出了不同作用距离时的调焦量.

光电经纬仪在不同环境温度下工作,望远物镜由于温度变化会引起成像物镜的变形和机械零件的变形,从而使像面产生移位,也将产生离焦,使像点弥散、边缘模糊、像面能量扩散,导致目标与背景的对比度下降.为此还应设有温度调焦机构,温度调焦的目的是按照预先设计好的温度变化量,调节CCD的位置,从而补偿由温度变化而引起的离焦量.表2给出了温度不同时的调焦量.

CCD摄像机固定在一调节板上,由轴向精密丝杆带动进行温度和距离调焦.摄像机在调节板上可作轴向移动,调节垫片使其满足光学径向要求.精密丝杆与外部手轮连接,根据温度及距离调焦量设计其轴向调焦量为-2～+3 mm.

2 视轴精度分析

视轴是可见光电视测量分系统的光学系统主点与CCD靶面十字丝中心的连线,即为电视测量分系统的轴线.视轴误差是实际视轴与理想视轴不相重合而产生的误差,即为由于加工及装配误差,实际光学系统的主光轴与CCD靶面中心并不在一条直线上,而存在一个共线偏差[3,4,5].其产生的原因主要有:(1)机械零部件加工和装配的不完善,如透镜的位置有上下位移、CCD靶面的上下位移等引起视轴变化;(2)调焦装置的运行误差.由于调焦装置的运行不正确,不是沿视轴方向直线运动,而是不规则运动或有上下跳动而改变视轴的方向;(3)调光变密度片-滤光片的随机晃动误差;(4)CCD靶面本身的误差;(5)热变形误差;(6)镜头变形误差[4].

2.1机械零件的加工误差及零部件的装配误差σ1

镜头各零件由于机床本身的加工精度、零件的装卡及加工人员的操作技能等都会造成零件本身的误差.其中机床本身的加工精度属于系统误差;而零件的装卡和加工人员的操作技能属于随机误差.装配误差在视轴误差中处于重要地位,而且还可以对零件在加工过程中的误差进行补偿.装配误差主要跟装配仪器的精度和人员的经验水平有关,造成装配误差的主要原因有:各镜片装好之后的定心差、CCD相机的调整差、定心后的光轴与CCD调焦丝杆的平行度误差及变密度片和滤光片的安装倾斜度都属于系统误差.

定心加工即为在将每个镜片装入其相应的镜框后,用胶和压圈固定,使其成为一个整体,然后对其进行加工,使光学零件的光轴和机械零件的主轴同轴,这个过程相当于一次组合加工,这样可以将之前零件的加工误差减小,消除了误差的累积效应.

由装配误差带来的视轴晃动误差σ1的表达式为:σ1=σ1S.

设此项误差按等概率分布,则均方根误差表达式为:undefined

2.2调焦装置的运行误差σ2

由于调焦丝杆与螺母之间运行的不平稳性和垂直度误差及轴承间有间隙、轴承钢球的不圆度等都将造成CCD在调焦时的运行轨迹不是直线,或跳动而引起视轴的随机晃动,改变视轴的方向,从而造成视轴误差[3],其误差公式为:undefined

设此项误差按等概率分布,则均方根误差表达式为:undefined.式中,c是调焦过程中的CCD靶面中心偏差;f是镜头焦距;α′为弧度换算成角度的换算值,α′为2.063×105,c和f的单位均为mm.

2.3调光变密度片-滤光片的视轴晃动误差σ3

调光变密度片-滤光片由于在旋转时的晃动所造成的视轴误差σ3,如图6所示,其最大晃动误差为:σ3=σ3S+σ3R.式中,σ3S是系统晃动误差;σ3R是随机晃动误差.由图6得:undefined,其中,undefined,设此项误差按等概率分布,则其均方根表达式为

undefined

式中,i是入射角;i′是折射角;d是变密度片和滤色片的厚度;θ是晃动角;ΔZ是晃动引起的目标移动量;L是变密度片-滤色片距CCD耙面的距离;n是变密度片和滤色片所用光学材料的折射率;α′是弧度换算成角度的换算值,α′为2.063×105.

2.4 CCD靶面的本身误差σ4

CCD的制造误差如靶面与其安装底面之间的垂直度误差σ41、十字丝中心的坐标误差σ42等,这些误差对于本系统来说都属于系统误差,可以通过装配修整来消除.误差表达式为:σ4=σ4S=σ41+σ42.

设此项误差按等概率分布,则均方根误差表达式为:undefined

2.5热变形误差σ5

由于镜头内各元件的材料不同,各材料的热膨胀系数的差异导致各元件变形量的不一致,形成镜头视轴误差,属于系统误差[3].热变形引起的最大视轴晃动误差σ5为

σ5=σ5S(系统误差)

设此项误差按高斯分布,则均方根误差表达式为:σ5S=σ5/3

2.6镜头自重变形误差σ6

镜头内部的所有零件质量及镜筒自身的质量都会引起镜筒结构变形,形成视轴倾斜误差,此误差也属于系统误差[3].其引起的的最大视轴晃动σ6为

σ6=σ6S(系统误差)

设此项误差按等概率分布,则均方根误差表达式为:undefined

综上述分析,可得出可见光电视测量系统视轴均方根误差值σ为

undefined

3 结论

对可见光电视测量分系统的设计进行了详细的介绍,并定性分析了影响可见光电视镜头视轴精度的各种因素,并得出视轴误差公式和产生视轴误差的误差源,在理论和实践上都有较强的借鉴和指导作用.

摘要：可见光电视测量系统主要用于对可见光波段的目标进行实时测量,即将视场中目标偏离光轴的角度大小检测出来,送伺服系统,形成闭环,由跟踪架带动电视测量系统跟踪目标,使得脱靶量减少,将目标始终锁定在电视视场之中.详细介绍800 mm可见光测量电视分系统的各个部分的机械结构设计,并对其视轴精度进行了定性分析,得出了视轴误差公式和产生视轴误差的误差源.

关键词：电视测量系统,视轴精度,装配精度

参考文献

[1]朱焕文,赵治平.电视跟踪器的实时输出精度分析[J]光电工程,1990,17(6):31-46.

[2]冯小荣,张建新,樊秋林.电视跟踪系统误差分析[J].光电技术应用,2006,21(3):14-16.

[3]闻生.单指标经纬仪竖盘偏心差的精确测定及改正[J]长沙铁道学院学报,2000,18(1):25-30.

[4]刘敏,雷斌.靶场光电经纬仪测量数据的误差分析及数据处理[J].理论与方法,2007,26(11):12-14.

[5]光学仪器设计手册[M].北京:国防工业出版社,1972.

视轴测量 篇3

舰载机的着舰有很大的风险性, 首先飞机的甲板长度有限, 舰载机必须保证以一定的着舰高度、一定的降落角和合适的姿态降落到甲板上, 同时要求着舰点的位置要求非常准确, 这样在着舰时才能钩住阻拦索, 其次, 航母由于受到海浪的影响, 其甲板会产生艏摇、横摇、纵摇和升沉的运动, 这样的运动会使舰载机的理想着舰点位置发生变化, 为了保证舰载机安全着舰, 现代的航母都装备一套完整的着舰引导系统, 向飞机提供精确的着舰引导数据。

目前, 国内用于舰载的光电跟踪设备很多, 但真正用于舰载机引导的光电跟踪设备还很少, 作为用于着舰引导的光电跟踪设备, 为了能够准确安全的引导舰载机着舰, 光电经纬仪必须采用高精度的视轴稳定控制方法, 克服船摇的影响, 从飞机进场到安全着舰的过程中稳定跟踪飞机。

2、光电着舰引导系统

光电着舰引导系统是集可见、中波、测距功能于一体的光电跟踪设备, 具有随动跟踪、单站定位的功能。由光电跟踪转台和机下控制台组成, 光电跟踪转台上安装了激光测距机、变焦距可见电视和中波红外三个传感器系统。这3个传感器组合在一起, 可实现对远、近距离目标的捕获、跟踪和测量。变焦距可见电视焦距变化范围大, 可实现对近距离目标的捕获、跟踪;中波红外系统的探测器的波长为3-5μm, 主要实现低能见度时对目标的捕获、跟踪和测量;激光测距系统的激光波长为1.57μm, 为人眼安全的激光波长, 可实现对目标距离的测量, 实现光电跟踪测量系统单站定位的功能。其光电跟踪转台的设计效果如图1所示。

3、视轴稳定跟踪技术

安装在舰船上的跟踪设备, 为使设备正常工作, 必须采用稳定控制方法, 从稳定技术角度看, 目前采用的方法可分为机械平台和视轴自稳定控制。

光电着舰引导系统采用视轴稳定技术是陀螺稳定技术, 属于视轴自稳定控制方法, 将两个互相垂直的单自由度的陀螺安装在俯仰框上, 两个陀螺分别敏感经纬仪在方位和俯仰方向相对于惯性空间的运动, 并将此信号作为速度反馈实现陀螺稳定。其两轴陀螺稳定伺服机构组成框图如图2所示。

从控制原理的角度上看, 视轴自稳定控制技术有两种方法, 第一种方法为船摇速度前馈法, 第二种方法为速率陀螺反馈法。

3.1 船摇速度前馈法

利用船上惯导系统或其它稳定基准实时测量船摇运动的横摇、纵摇、艏摇角度和角速度, 经过计算机平滑处理和解算外推, 求出船摇速度前馈量。分别输入到伺服控制系统方位和高低回路, 进一步补偿船摇扰动引起的指向误差[2]。

3.2 速率陀螺反馈法

速率陀螺反馈法, 即将两个正交速率陀螺安装在天线俯仰支臂上, 分别敏感船摇运动在天线横向及俯仰轴向引起的扰动信号, 并负反馈到角伺服控制系统各只路中组成各自的稳定回路。这种方法已经在我所研制的设备上得到了应用。

其伺服控制结构有两种如图3、4所示。

比较两种方法可知, 前者由于在陀螺反馈稳定回路中除包含基座机械谐振频率外, 还存在速率陀螺本身的闭环谐振频率, 因此对稳定回路的稳定性影响较大, 使陀螺稳定回路频率展宽受到限制, 对高频扰动的隔离度降低, 但它设计、调试比较容易。后者在稳定回路内少了一个陀螺谐振环节, 使稳定回路频带可做得更高, 它对高

摘要：舰载机光电着舰引导系统是航空母舰上重要的设备, 本文设计了一套具有红外传感器、可见光电视和激光测距机的光电着舰引导系统, 并对其视轴稳定技术进行了研究, 采用了双速度稳定环设计了伺服回路, 并对抗干扰性能进行了仿真分析。

关键词：光电着舰引导,陀螺稳定,伺服控制系统

参考文献

[1]郑峰婴.舰载机着舰引导技术研究[D].南京:南京航空航天大学, 2007.

[2]王凤英.船载电视跟踪仪自稳定问题研究.大连海事大学, 硕士论文, 2005.

[3]李洁.机 (舰) _载目标真值测量设备伺服控制系统的研究.中科院博士学位论文, 2002.