[发明专利]大视场反射式自由曲面空间相机畸变标定方法

摘要

大视场反射式自由曲面空间相机的畸变标定方法属于光学检测与光学测量技术领域，该方法利用三台经纬仪建立测量坐标系，通过基准转换标定出光学系统全视场内各计量标记点的方位角、俯仰角，再通过数据拟合方法实现视场角为76度的反射式自由曲面光学系统在分散装调状态下二维畸变分布的标定。本发明实现了复杂光学系统散摆条件下的保精度畸变测量，降低了研制成本，缩短了研制周期；经试验结果验证上述测量及数据解算方法的精度与准确性均满足研制需求。

主权项

大视场反射式自由曲面空间相机畸变标定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：调整网格分划板(4)的位置，使其位于待测光学系统(7)的焦平面内，且网格分划板(4)的法线方向与待测光学系统(7)的光轴平行，网格分划板(4)的网格线绝对水平；步骤二：将测量经纬仪(1)调平，并校准其光学内调焦系统至无穷远的位置固定不变；步骤三：调整第一基准经纬仪(3)和第二基准经纬仪(6)的位置，使测量经纬仪(1)在可以照准待测光学系统(7)全部视场的前提下，仍然能够分别与第一基准经纬仪(3)、第二基准经纬仪(6)实现互瞄；将第一基准经纬仪(3)和第二基准经纬仪(6)调平，分别校准无穷远位置，并在任意方向对两个基准经纬仪的方位角清零；然后根据测量方向选取第一基准经纬仪(3)或第二基准经纬仪(6)与测量经纬仪(1)互瞄对方的自准直十字丝，并记录各基准经纬仪对应的方位角和俯仰角；步骤四：使用测量经纬仪(1)照准网格分划板(4)上的各条网格线的一系列网格线交汇点(8)，并记录测量经纬仪(1)对应的方位角、俯仰角；步骤五：将测量经纬仪(1)沿待测光学系统(7)的线视场方向平移，每次平移后重新调平测量经纬仪(1)；平移到每个位置后，使用测量经纬仪(1)依照步骤三中的方法再次与第一基准经纬仪(3)或第二基准经纬仪(6)进行互瞄，可以得到转换坐标系的方位角ω′和俯仰角θ′：γ＝180‑[(φ1‑φ2)+β]ω′＝180‑(α+γ)    (1)θ′＝η1‑η2    (2)其中，α为在测量位置N进行第N次互瞄时，测量经纬仪(1)相对于网格分划板(4)上最后一个网格线交汇点(8)与测量位置N之间的方位夹角；φ1为第二基准经纬仪(6)相对于清零方向旋转的方位角；β为测量经纬仪(1)移至测量位置N+1并重新调平后，测量经纬仪(1)对测量位置N最后一个网格线交汇点(8)的方位角与再次互瞄后的方位角的夹角；φ2为第二基准经纬仪(6)与测量经纬仪(1)位于测量位置N+1再次互瞄后相对于清零方向旋转的方位角；以及，η1为测量经纬仪(1)在测量位置N对网格分划板(4)上最后一个网格线交汇点(8)的俯仰角；η2为测量经纬仪(1)在测量位置N+1照准测量位置N最后一个网格线交汇点(8)的俯仰角；步骤六：根据步骤五的测量原理，将测量经纬仪(1)沿待测光学系统(7)的线视场方向移动，顺次照准网格分划板(4)上各条网格线的一系列网格线交汇点(8)，并记录测量经纬仪(1)对应的方位角和俯仰角；在每次移动测量经纬仪(1)后，依照步骤五中的方法与第一基准经纬仪(3)或第二基准经纬仪(6)建立位置转换基准，得到转换坐标系的俯仰角和方位角；步骤七：根据步骤六得到的测量数据，依据内方位元素计算公式，得到待测光学系统(7)的主点坐标(x0,y0)和主距(fx,fy)，过程如下：步骤7.1、通过计量得到网格分划板(4)上各条网格线交汇点(8)对应的坐标为：其中(xi,yk)表示第i行网格线与第k列网格线交汇点的坐标的理论值；步骤7.2、采用步骤六中的标定方法，并结合步骤五中的各转换坐标系，可测试并计算得到各网格线交汇点(8)对应出射光束的方位角和俯仰角为：其中(ωik,θik)表示对应第i行与第k列网格线交汇点出射光束的方位角、俯仰角；步骤7.3、将上述得到的方位角和俯仰角对应代入光学设计软件中，根据待测光学系统(7)的光学设计结果计算得到对应|(ωik,θik)|的一组网格线交汇点坐标计算值|(xi′,yk′)|，即对应出射光束视场角的待测光学系统像面坐标的计算值，根据此计算值可以拟合出其对应的坐标原点(xi0′,yk0′)；步骤7.4、根据网格线交汇点理论坐标矩阵|(xi,yk)|计算得到相应的坐标原点(xi0,yk0)，计算实际坐标原点(xi0′,yk0′)与理论坐标原点(xi0,yk0)的差值即得到主点坐标(x0,y0)，进而在光学设计软件中计算得到相应的主距(fx,fy)；步骤八：将步骤七计算得到的主点和主距，代入根据装调后光学系统实际光路关系建立的光学仿真模型中，仿真计算出光学系统上各条网格线交汇点对应的出射光线的方位角、俯仰角；再解算上述仿真数据与测量数据及畸变系数建立的超定方程组，可得到多项式拟合的系数；将得到的系数代入畸变拟合计算公式中，计算待测光学系统(7)焦平面内任意坐标位置的畸变值，过程如下：步骤8.1、待测光学系统(7)像面内任一点畸变的数学模型为：Dx=(x-x0)(k1×r2+k2×r4+k3×r6+p1[r2+2(x-x0)2]+2p2(x-x0)(y-y0)Dy=(y-y0)(k1×r2+k2×r4+k3×r6+2p1(x-x0)(y-y0)+p2[r2+2(y-y0)2]---(3)]]>式中，k1、k2、k3及p1、p2为待估算的畸变系数，x、y为像面内任一点坐标，x0、y0为主点坐标；步骤8.2、根据步骤7.1得到的网格线交汇点的有限个坐标(xi,yk)以及步骤7.4得到的主点坐标(x0,y0)和主距(fx,fy)，计算得到对应的有限个网格线交汇点的畸变值：Diy=yi+y0-fy·tg(θik+y0fy),Dix=xi+x0-fx·tg(ωik+x0fx)---(4)]]>步骤8.3、联立上述公式(3)和公式(4)建立超定方程组为：Dx＝Dix,Dy＝Diy求解上述超定方程组，计算得到畸变系数k1、k2、k3及p1和p2，再代入公式(3)可计算出像面内任一点的畸变值。