[发明专利]基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置及方法，属于微小位移检测技术领域。

背景技术

微小位移检测技术在现代精密测量领域中意义重大，通过对微小位移的高精度测量，并结合空间布局的结构参数，可以完成对角度、速度、直线度、平面度等一系列重要参数的精密测量。同时它还可以用于评估各类已有仪器的控制精度，并可以检测目标体在空间中的移动精度。

目前世界上精度较高的位移测量技术是双频激光干涉测量法，其测得的位移精度为纳米级。但是这种方法只能测定角锥棱镜的一维标量位移值，无法测量二维矢量位移值，且不能跟踪具体实物目标，视场很小，在使用上具有较大的局限性。

目前在测量领域中，通常采用视觉检测技术对空间物体的位置信息进行测量，这种测量方法成本低、精度高、视场大，并且便于安装运输，适应性强，再配合高精度的图像处理算法即可以实现对目标体的高速、大范围及高精度的定位和位移测算。

典型的视觉检测测量方案中，采用若透视模型的光学成像方程对物方的线位移矢量进行测定，该测量系统一般由光源、镜头、CCD摄像机、图像采集装置和图像处理软件组成，其通过视觉成像原理解算出物体的空间位置参数。测量原理如图2所示。

典型的视觉测量位移的原理为：CCD摄像机利用相机镜头对物面屏幕上的物点A进行成像，在CCD像面上形成像点B。当目标物点在屏幕上从A₁点运动到A₂点，则成像点在CCD像面上从B₁点运动到B₂点。通过后续的图像处理算法可以算出像点从B₁点运动到B₂点的位移为x，则目标物点在屏幕上从A₁点运动到A₂点的位移为d，各参量满足的关系为：

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其中，l为成像系统的光心到屏幕4的垂直距离，f为CCD摄像机2的镜头焦距。据此方法即可便捷的测算出目标体在屏幕4上的位移矢量值。这种位移矢量值的获得方法存在以下缺陷：

1、工艺性缺陷：CCD摄相机和镜头在制造过程中，存在工艺性缺陷，其镜头焦距与出厂的设定值f存在一定误差，该误差引入测量方程，会造成测量误差。并且成像系统光心的准确位置很难确定，进而很难在实际测量中给出光心到屏幕的准确距离l，这都对测量结果造成误差影响。

2、若透视模型误差：若透视模型比较简单，没有考虑屏幕与主光轴存在夹角等问题，当屏幕平面不平整，或者屏幕与主光轴存在夹角时，系统的成像公式均不能成立。而且实际情况中，镜头存在畸变，会导致很大的非线性误差，畸变的种类不同，造成的误差分布也不同，很难通过标定的办法矫正此类问题，由此限制了视觉检测系统对目标微位移的检测能力和检测精度。

发明内容

本发明目的是为了解决现有视觉检测测量系统对目标微位移的检测方法，存在的测量结果精度低的问题，提供了一种基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置及方法。

本发明所述基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置，它包括高速CCD摄像机、激光跟踪仪和漫反射投影屏幕，目标物在漫反射投影屏幕上移动；

高速CCD摄像机用于对漫反射投影屏幕上的目标物标定点进行成像，激光跟踪仪用于测定漫反射投影屏幕上的目标物标定点坐标。

所述漫反射投影屏幕为由两块1000mm×500mm×3mm的磨砂玻璃拼接而成的正方形，该漫反射投影屏幕的背面喷涂黑色漆料。

基于上述基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置的测量方法，它包括以下步骤：

步骤一：设定漫反射投影屏幕上一点A1作为目标物标定点，由激光跟踪仪获得该目标物标定点A1在投影屏幕坐标系上的坐标值为A1(U1,V1)；

步骤二：保持目标物标定点A1固定，利用高速CCD摄像机对该目标物标定点A1进行成像，在高速CCD摄像机的像面上得到目标物标定点A1的对应共轭点B1，对共轭点B1进行图像处理后，获得共轭点B1在像面坐标系上的坐标值B1(m1,n1)；