高重頻雷射瞄準可移動目標性能的分析系統及方法

2023-05-07 09:07:16 1

專利名稱：高重頻雷射瞄準可移動目標性能的分析系統及方法
技術領域：
本發明涉及光電儀器技術，具體是指一種高重頻雷射瞄準可移動目標性能分析系 統及方法，可用於模擬移動靶標，拍攝、分析、計算探測到的雷射光斑的位置、能量和形貌寸。
背景技術：
高重頻脈衝雷射器目前被廣泛應用於雷射測距、光學加工、目標跟瞄等領域，在這 些領域中通常需要對雷射光斑的能量分布特徵、雷射光斑在目標物體上的位置和形貌特徵 等信息進行探測和分析，這就需要對連續發射的雷射脈衝光斑進行實時拍攝，並對雷射光 斑與目標間的距離做統計分析。

發明內容
本發明的目的是要建立一種高重頻雷射瞄準可移動目標性能的分析方法，本系統 能夠很好的解決雷射對移動目標的瞄準性能評估問題，並能夠調整雷射光斑位置測量的解析度。如圖1所示，其特徵在於中心目標光源和定標燈安裝在靶面上；高速PIN管探測 器及其包含的光學鏡頭必須對所要拍攝的雷射波長敏感；CMOS或CCD相機具有外觸發功 能；中心目標光源和4個二極體定標燈可通過程序分別控制開關；CMOS或CXD相機和PIN 管探測器與靶面固定在一起，系統定標調整時，通過調整相機位置以及鏡頭焦距控制相機 視場覆蓋整個靶面或靶面中心的部分面積，通過覆蓋面積的不同可以調整分析系統的分辨 率；CMOS或者CCD相機與靶面的相對位置在之後的測量過程中不再發生改變，從而靶面可 以隨意移動，成為可移動靶標。本發明的高重頻雷射瞄準可移動目標性能分析方法，其工作方法包括如下步驟A.將中心目標光源與定標燈安裝於靶面或任意平面上。B.打開中心目標光源，CMOS或者CXD相機拍攝靶面背景圖像，並依次分別打開四 個定標燈，各拍攝一幅靶面圖像作為定標圖像，然後將定標燈全部關閉，僅保留靶面中心目 標光源。從這五幅定標圖像解算出靶面坐標與像平面坐標的關係。四個定標燈就可以列出八個共線方程
^^ 中 S1 λ S2 λ 、b1 λ b2、b3、C1 λ C2 λ &3 是坐標轉換矩陣中的元素。
定標燈P點在靶面坐標系中的坐標為(Χ』，Υ』，Ζ』)，該點在攝影測量坐標系(即圖
其中(Xs，Y , Zs)為中心目標光源在靶面坐標系的坐標。 四個定標燈的三維坐標可以解出坐標轉換矩陣則對靶面坐標系上任意一點(X』，Y』，Ζ』)都可根據相片坐標系中對應的點
由以下換算得到
-定重複頻率發射雷射脈衝，雷射脈衝照射到牆 面或者靶面上形成雷射光斑，雷射光斑位於PIN管探測器和CMOS或者CCD相機的探測視場 中。 D. PIN管探測器響應雷射脈衝的光信號並觸發CMOS或者CCD相機拍攝一幅雷射脈 衝光斑圖像。E.拍攝測量分析系統將拍攝到的雷射光斑圖像通過圖像算法減去之前拍攝的背 景圖像，從而減掉中心目標光源，使圖像中僅保留光斑亮點，通過迭代算法算出光斑亮點的 選取閾值，根據閾值選出光斑區域。將區域內的光斑圖像運用加權平均的算法求出光斑的 能量中心。F.拍攝測量分析系統定標時計算出的靶面坐標與像坐標關係，換算出雷射光斑能 量中心在靶面上的真實坐標，計算並記錄雷射光斑能量中心位置與靶面真實中心位置的距 離差d，距離差d的計算公式為 ......
.......................... (5)本發明的優點是(I)CMOS或CXD相機和PIN管探測器與靶面通過拍攝系統固定架固定在一起，系統 定標調整時，通過調整相機位置選擇目標瞄準的區域，相機與靶面的相對位置在之後的測 量過程中不再發生改變，從而靶面可以隨意移動，成為可移動靶標。(2)本雷射瞄準可移動目標性能分析方法可以使用單個相機獲得靶面上任意點的 真實兩維坐標。雷射光斑中心的提取算法能夠最大限度的模擬雷射光斑的能量分布，因此 提取的是雷射能量分布的中心，能夠最大程度上的反應雷射瞄準性能的可靠性。(3)調整相機位置以及鏡頭焦距控制相機視場覆蓋整個靶面或靶面中心的部分面 積，通過覆蓋面積的不同可以調整分析系統的解析度。


圖1為本發明的高重頻雷射瞄準可移動目標性能分析系統結構示意圖；其中1——中心目標光源；2——定標燈組；3——PIN管探測器(包括光學鏡頭)；
4——CMOS或者CCD相機(包括光學鏡頭)；5——拍攝控制分析系統；6——雷射器；7——雷射光斑；8-靶面。
具體實施例方式下面根據圖1給出本發明一個較好實施例。1、中心目標光源1中心目標光源使用滷鎢燈，安置於靶盤中心，是雷射瞄準的目標。2、定標燈組2定標燈組2用於對目標平面和相機的像平面之間的關係的標定。選用普通LED 二 極管。波長範圍在可見光波段。3、PIN管探測器3PIN管探測器3用於實時響應每一個雷射脈衝並產生電信號觸發延遲電路系統開 啟延時計時。選用矽材料PIN管探測器，響應波長200-1100nm，光學鏡頭選用普通照相機鏡 頭。4、CMOS 或者 CCD 相機 4CMOS或者CXD相機4用於拍攝雷射光斑，像素解析度1024x1024，幀速率不小於 IOHz，光學鏡頭選用普通相機鏡頭。5、拍攝控制分析系統5雷射瞄準性能分析軟體5根據雷射脈衝的重複發射頻率對信號延遲電路的延時 參數進行設置，對靶面與相機之間的坐標轉換關係進行定標，並且負責對CMOS或者CCD相 機2拍攝的雷射光斑數據進行採集、處理、計算和保存。系統選用普通計算機。6、靶面 8靶面8是一塊圓形的金屬鋁盤；盤面直徑600mm，厚度5-10mm;中心安裝目標光 源，四周安裝四個定標燈。靶面的主要功能是使得入射雷射在靶面前表面形成雷射光斑；靶 面中央的光源作為模擬目標，當該靶面剛好充滿相機視場時，解析度可達0. 6毫米。
權利要求
一種高重頻雷射瞄準可移動目標性能的分析系統及方法，它包括中心目標光源(1)、定標燈組(2)、PIN管探測器(3)、CMOS或者CCD相機(4)、拍攝控制分析系統(5)、雷射器(6)、雷射光斑(7)，靶面(8)，其特徵在於中心目標光源(1)和定標燈組(2)安裝在靶面(8)上；高速PIN管探測器(3)和CMOS或CCD相機(4)及其包含的光學鏡頭必須對所要拍攝的雷射波長敏感；CMOS或CCD相機(4)具有外觸發功能；中心目標光源(1)和4個二極體定標燈組(2)可通過程序分別控制開關；CMOS或CCD相機(4)和PIN管探測器(3)與靶面(8)固定在一起，系統定標調整時，通過調整相機位置以及鏡頭焦距控制相機視場覆蓋整個靶面或靶面中心的部分面積，通過覆蓋面積的不同可以調整分析系統的解析度；CMOS或者CCD相機(4)與靶面(8)的相對位置在之後的測量過程中不再發生改變，從而靶面可以隨意移動，成為可移動靶標。
2.一種基於權利要求1所述系統的高重頻雷射瞄準可移動目標性能分析方法，其特徵 在於包括如下步驟A.將中心目標光源(1)與定標燈組(2)安裝於靶面(8)或任意平面上；B.打開中心目標光源(1)，CMOS或者CCD相機(4)拍攝靶面背景圖像，並依次分別打 開四個定標燈組(2)，各拍攝一幅靶面圖像作為定標圖像，然後將定標燈組全部關閉，僅保 留靶面中心目標光源，從這五幅定標圖像解算出靶面坐標與像平面坐標的關係；四個定標燈組就可以列出八個共線方程 ^(Xi'-Xs)+ ^(Yi'-Ys)+ ^(Zi'-Zs)Xi= fa^XZ-XJ + b^-YJ + c^'-ZJ a^X^XJ + b^'-YJ + c^'-ZJ其中a^ayaybplvbyCpCyC^是坐標轉換矩陣中的元素； 定標燈點在靶面坐標系中的坐標為(X』，Y』，Z』)，該點在攝影測量坐標系即圖像坐標系 中的坐標為(Χ，Υ，Ζ)，則有\—X-χY=αιb2C2Y-YsZα3b3C3 _Z'其中(XS，YS，ZS)為中心目標光源在靶面坐標系的坐標，可隨意定義該點的坐標，為方便 起見，大多將其定義為原點坐標(0，0，0)；Ox bx C1四個定標燈的三維坐標可以解出坐標轉換矩陣Ch \ C1以3 辦3則對靶面坐標系上任意一點(x』，Y』，z』)都可根據相片坐標系中對應的點(X，Y，Z)由 以下換算得到" ι-1'X'Χ"Y'α2hC1Y+Z'α3C3ZC.進入測量狀態，待測雷射器以一定重複頻率發射雷射脈衝，雷射脈衝照射到牆面或者靶面上形成雷射光斑，雷射光斑位於PIN管探測器(3)和CMOS或者CCD相機(4)的探測 視場中；D.PIN管探測器響應雷射脈衝的光信號並觸發CMOS或者CCD相機(4)拍攝一幅雷射脈 衝光斑圖像；E.拍攝測量分析系統(5)將拍攝到的雷射光斑圖像通過圖像算法減去之前拍攝的背 景圖像，從而減掉中心目標光源，使圖像中僅保留光斑亮點，通過迭代算法算出光斑亮點的 選取閾值，根據閾值選出光斑區域，將區域內的光斑圖像運用加權平均的算法求出光斑的 能量中心；F.拍攝測量分析系統(4)定標時計算出的靶面坐標與像坐標關係，換算出雷射光斑能 量中心在靶面上的真實坐標，計算並記錄雷射光斑能量中心位置與靶面真實中心位置的距離差= Xs)2 + {Y'-Ys)2 + (ΖZs)2 ο
全文摘要
本發明公開了一種高重頻雷射瞄準可移動目標性能的分析系統及方法，它用於測試高重頻雷射對移動目標的瞄準性能，能夠實時計算雷射光斑中心與目標中心間的距離差。本發明的雷射瞄準可移動目標性能分析系統包括PIN管探測器、CMOS或者CCD相機、定標燈組、目標光源、拍攝控制分析系統。本發明的特徵在於使用單個照相機拍攝位置已知的定標燈，通過五幅定標圖像與定標燈的真實位置坐標可以得出坐標轉換關係矩陣。定標燈與拍攝系統可以固定在任意平面上，模擬運動目標。頻率固定的雷射脈衝觸發相機，軟體拍攝一幅雷射光斑圖像，並實時的計算、顯示、保存雷射光斑能量中心的靶面坐標與中心目標光源的距離差。
文檔編號G01J1/42GK101886951SQ20101014291
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者亓洪興, 李正文, 楊俊 , 舒嶸 申請人:中國科學院上海技術物理研究所