[发明专利]低动态水平/方位角在线测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种低动态水平/方位角在线测量装置，其特征是，包括有：对水平/方位角进行探测和成像的探测成像单元，用于对所述探测成像单元的成像信息进行图像采集和图像处理以求解水平/方位角的信息处理单元；用于显示水平/方位角测量结果的显示器，以及用于进行控制和信息输入的键盘；

所述探测成像单元包括有：

稳定靶标单元，用于在低动态条件下保持空间角度的稳定；

靶标成像单元，设置在所述稳定靶标单元的正上方，用于拍摄所述稳定靶标单元的探测状态信息；以及

连接件，将所述稳定靶标单元和所述靶标成像单元固定连接在一起；

所述稳定靶标单元包括：开设有半球形内腔的靶标座，放置在所述靶标座内腔中的中空半球形浮体，内置于所述半球形浮体底部的平面光源，设置在所述半球形浮体顶面的靶板，以及设置在所述半球形浮体顶面的条形磁铁；

在所述靶标座的内腔中充有悬浮液，在所述靶板的板面上开有若干条状透光孔，所述条状透光孔构成相互交叉的线条图案；

所述靶板采用硫化锌玻璃作为基底材料，在硫化锌玻璃基底材料上镀铬，在镀铬的硫化锌玻璃上形成“井字形”的透光条孔线条图案。

2.根据权利要求1所述的低动态水平/方位角在线测量装置，其特征是，所述信息处理单元是包含有图像采集模块、图像处理模块和角度求解模块的嵌入式分析控制系统。

3.根据权利要求1所述的低动态水平/方位角在线测量装置，其特征是，所述靶标成像单元是内设有可进行角度测量和垂直度测量的准直系统的CCD感光元件。

4.根据权利要求3所述的低动态水平/方位角在线测量装置，其特征是，所述靶板的板面与所述CCD感光元件的光轴相垂直。

5.一种低动态水平/方位角在线测量方法，其特征是，包括以下步骤：

a、设置如权利要求1所述的低动态水平/方位角在线测量装置；

b、将探测成像单元水平放置，并将信息处理单元与靶标成像单元通过数据线相接，观察显示器所显示的数值，调整靶标成像单元中的CCD感光元件的光轴与靶板的位置，保证CCD感光元件的光轴与靶板的板面相垂直；

c、将探测成像单元固定在被测设备上，开启半球形浮体内部的光源，在被测设备的空间角度发生变化时，CCD感光元件的光轴也随着被测设备发生空间角度的变化，半球形浮体在悬浮液的浮力作用下，一直与大地水平面保持平行，CCD感光元件的光轴与半球形浮体顶面的靶板之间的角度发生变化，利用CCD感光元件对靶板上的透光孔的图案成像，通过对靶板透光孔的成像进行图像采集和图像处理；

d、通过键盘输入指令，将CCD感光元件拍摄的靶板成像的图像信息传输到信息处理单元中的图像采集模块，根据CCD感光元件在不同位置、不同角度所拍到靶板透光孔的线条图像，建立成像线条上任意点在世界坐标系下的坐标与其成像点在图像坐标系下的坐标间的映射关系，经过图像处理模块和角度求解模块的计算，将被测设备的水平角度和俯仰角度求解出来，并送显示器予以显示。

6.根据权利要求5所述的低动态水平/方位角在线测量方法，其特征是，求解水平/方位角的计算方法如下：

第一步，建立靶标成像单元的投影模型：

图像坐标系以靶标成像单元所成图像左上角为原点，横纵轴分别为xy方向，单位为像素数；像平面坐标系以光轴与像平面的交点O_u为原点，xy轴分别为像平面的水平和垂直轴；CCD感光元件的坐标系以光心O_c为原点，光轴为z轴，xy轴方向分别平行于像平面的水平和垂直轴；世界坐标系可根据实际情况选取；

理想的小孔模型下的空间点在世界坐标系下的坐标P_w(x_w,y_w,z_w)^T与其投影点在图像坐标系下的坐标p(u,v)^T间的映射关系为：

式(1)中，A是反映靶标成像单元内部参数的矩阵，其中f是靶标成像单元的焦距，d_x，d_y是CCD感光元件的横向和纵向间距，u₀，v₀是主点坐标；z_c是空间点在摄像机坐标系下的z坐标值；R是一个3×3的旋转正交阵，表示靶标成像单元坐标系与世界坐标系的旋转关系，T是3×1的平移向量，表示两坐标系间的位置关系；

第二步，计算靶标成像单元坐标系与世界坐标系相对关系：

将世界坐标系选取为：以L₁L₃交点O_w为圆心，L₁，L₃分别为x轴和y轴方向，按右手系规则确定z轴；为确定旋转矩阵R，建立消隐点坐标系OABC：光心O为原点,以OA为x轴,OB为y轴，OC为OA与OB向量的交积方向；

在建立靶标成像单元的投影模型中，靶标成像单元的内部参数u₀、v₀、d_x、d_y和f已经在使用前进行精确标定，认为是已知量，消隐点A和B的在图像坐标系中的坐标(u_A,v_A)和(u_B,v_B)通过图像处理的手段获取，那么在靶标成像单元坐标系下有：

OA→=[(uA-u0)dx,(vA-v0)dy,f]TOB→=[(uB-u0)dx,(vB-v0)dy,f]T---(2)]]>

构成OABC坐标系z轴方向的向量都垂直，则有：

OC→=OA→×OB→---(3)]]>

设向量进行归一化后的向量分别为a，b，c，消隐点坐标系OABC下a，b，c分别为3个坐标轴上的单位向量，则OABC坐标系与靶标成像单元坐标系的旋转矩阵R'满足：

[a b c]＝R'I (4)

式(4)中的I为单位矩阵，即可得到R'＝[a b c]；

第三步，判断世界坐标系与消隐点坐标系OABC间的方向关系：

世界坐标系的x_w和y_w轴会在像平面上投影形成两个方向x'和y'，两个消隐点位置与x'和y'则有四种可能情况；利用世界坐标原点O_w投影点的坐标O'_w,利用投影向量与x'，y'的符号即可判断世界坐标系与消隐点坐标系间的方向关系，最后得到成像单元坐标系与世界坐标系的旋转矩阵R；

设旋转矩阵利用如下公式即可求出被测设备的水平角度和俯仰角度：

φ=arctanr32r33θ=-arcsinr31ψ=arctanr21r11.---(5)]]>