基于高斯分布动态校准激光光轴与视轴两轴一致性的方法

1.本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于高斯分布动态校准激光光轴与视轴两轴一致性的方法。


背景技术：

2.传统的光电测量设备一般为两轴系统，即激光测距机的激光光轴（发射轴）和红外探测器（或可见探测器）的视轴组成。光电测量设备对目标进行跟踪的同时激光测距机对目标进行测距，进而形成目标的三维信息。在这个过程中，光电测量设备为了保证“所见即所得”，即光电测量设备跟踪目标的角度信息与激光测距机探测的距离应为同一目标的属性，在设备出厂交付前需进行两轴一致性校准，保证红外探测器的视轴与激光测距机的光轴一致性。
3.传统的两轴一致性调整方法俗称为硬调节，即机械调节，调整原理如图1所示，平行光管1为光电测量设备4提供无穷远的目标，通过机械调节或增加垫片等方式使红外探测器3的视轴与激光测距机2的光轴在无穷远处相交（平行光管1内）。目前，这种调整方法已经被广泛地应用在非共口径的光电测量设备中。但是这种调整方法存在以下缺点：1)由于该调整方法需要通过机械调节或增加垫片等方式使两轴在无穷远处相交，因而对于装调师的工艺水平和经验有着极高的要求；2)受材料应力释放、环境温度变化、运输颠簸等因素的影响，两轴也会发生随机变化；3)光电测量设备交付后，两轴再次误差校准困难，因为光电测量设备已经完成密封，同时光电测量设备安装在舰载、机载、车载或陆基等场所时不方便架设平行光管或其它校准设备，进行多次误差校准的成本极高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于高斯分布动态校准激光光轴与视轴两轴一致性的方法，其采用寻找典型测距目标、结合典型目标类型特点，采用不同的动态调轴策略，采集激光测距回值，统计数据进而实现基于高斯分布的激光光轴与视轴两轴一致性的动态校准方法。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：本发明的基于高斯分布动态校准激光光轴与视轴两轴一致性的方法，包括以下步骤：步骤s1：寻找典型测距目标；步骤s2：锁定跟踪目标同时激光开光；步骤s3：依据目标类型选择动态调轴策略；步骤s4：采集激光测距回值；步骤s5：统计数据；
步骤s6：写入参数文件，完成调轴。
6.进一步的，所述典型测距目标满足激光测距机的探测威力条件。
7.进一步的，所述典型测距目标的类型包括：a、海面的目标，满足y轴方向的调轴需求；b、竖立的杆状物体，满足x轴方向的调轴需求；c、悬停目标，同时满足x轴方向和y轴方向的调轴需求；d、由近及远的飞行目标，用于对调轴结果进行验证。
8.进一步的，步骤s2中，依据步骤s1中典型测距目标的类型选择不同的目标跟踪点，激光开光帧频需满足步骤s5中的统计数据要求。
9.进一步的，步骤s2具体包括：a)光电测量设备在锁定跟踪步骤s1中a、b类典型测距目标时，采取边沿跟踪的方式；b)光电测量设备在锁定跟踪步骤s1中c、d类典型测距目标时，采取重心跟踪的方式；c)激光开光帧频每秒不低于20hz。
10.进一步的，步骤s3具体包括：a)动态调轴原则：使视轴进行x轴和y轴两个方向的运动，使激光测距机出射的激光能击中目标且激光测距回值连续且稳定；b)视轴运动策略：光电测量设备在锁定跟踪步骤s1中a类典型测距目标时，视轴仅做上下往复运动；光电测量设备在锁定跟踪步骤s1中b类典型测距目标时，视轴仅做左右往复运动；光电测量设备在锁定跟踪步骤s1中c、d类典型测距目标时，以螺旋外扩的方式进行移动。
11.进一步的，步骤s4具体包括：a)每一个单点的激光测距回值数量在0~20个之间，数量小于10个时视该点为无效点，在步骤s5中不进行统计，数量大于10个时视该点为有效点，在步骤s5中进行统计；b)将每一个有效点的数据组进行高斯分布排列，以高斯分布曲线顶点数值作为该有效点的激光测距回值。
12.进一步的，步骤s5具体包括：将所有有效点形成的数据组再次进行高斯分布排列，找出高斯分布曲线顶点数值相对应的视轴位置，此视轴位置即为最优的视轴跟踪偏移点位置。
13.进一步的，步骤s6具体包括：将最优的视轴跟踪偏移点位置写入参数文件中，每次光电测量设备启动时，读取此参数文件，自动进行视轴跟踪偏移点位置修正。
14.本发明的有益效果是：本发明在各种光电测量设备的安装平台上（舰载、机载、车载、陆基等）都达到了非常高的两轴一致性指标，可实现1个像元的调轴误差精度，解决了两轴系统因材料应力释放、环境温度变化、运输颠簸、安装平台等因素产生误差的难题。
15.与现有技术相比，本发明的优点如下：（1）低成本、无需专业人士操作；
（2）能够自动修正光电测量设备因材料应力释放、环境温度变化、运输颠簸、安装平台等因素影响所产生的两轴误差；（3）不受光电测量设备安装平台限制，不受时间和空间的影响，随时可以进行两轴一致性多次校准。
附图说明
16.图1为传统两轴一致性调整方法示意图。
17.图2为激光测距机的激光光轴和红外探测器的视轴之间的关系示意图。
18.图3为本发明的基于高斯分布动态校准激光光轴与视轴两轴一致性的方法的流程图。
19.图4为动态调轴示意图。
20.图5为视轴运动策略示意图。
21.图6为目标与红外探测器的视轴重合时光电测量设备两轴一致性试验验证图。
22.图7为目标与激光测距机的激光光轴重合时光电测量设备两轴一致性试验验证图。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
24.如图2所示，整个光电视场为640
×
512个像素，左上角为（0、0），右下角为（640、512），中心点为（320、256）。
△
x、
△
y分别为x轴脱靶量和y轴脱靶量。中心点（320、256）的脱靶量为（0、0），以中心点为原点，x轴左为负，x轴右为正，y轴上为正，y轴下为负。其中，中心圆点（320、256）为红外探测器的视轴，右上圆点（320
△
x、256
‑△
y）为激光光轴，中心三角为目标位置。
25.激光测距机帧频为20hz，即1秒钟进行20次激光测距。当光电测量设备处于目标稳定跟踪状态时，目标处于视场中心（320、256）的位置，理想状态下激光测距机的激光光轴位置也应处于
△
x=0、
△
y=0处，但是如果激光测距机的激光光轴和红外探测器的视轴出现了偏差，且当偏差过大时激光测距机出射的激光并未击中目标，导致无激光回波，无法进行激光探测。
26.如图3所示，本发明提供一种基于高斯分布动态校准激光光轴与视轴两轴一致性的方法，包括以下步骤：寻找典型测距目标
→
锁定跟踪目标同时激光开光
→
依据目标类型选择动态调轴策略
→
采集激光测距回值
→
统计数据
→
写入参数文件，完成调轴。
27.本发明提供一种基于高斯分布动态校准激光光轴与视轴两轴一致性的方法，具体由以下步骤组成：步骤s1：寻找典型测距目标，不同类型的典型测距目标可以实现不同的调轴需求。
28.此类典型测距目标需满足激光测距机的探测威力条件，具体地讲，此类典型测距目标分为四大类：a类：海面的目标，例如海天线以上的油井、海面上的船等，此类典型测距目标可满足y轴方向的调轴需求；b类：竖立的杆状物体，例如铁塔尖、信号塔尖、电线杆尖等，此类典型测距目标可
满足x轴方向的调轴需求；c类：空飘物（悬停目标），例如气象气球、风筝、无人机等，此类典型测距目标可同时满足x轴方向和y轴方向的调轴需求；d类：由近及远的飞行目标，例如民航飞机、战斗机、直升机等，此类典型测距目标可对调轴结果进行验证。
29.步骤s2：锁定跟踪目标同时激光开光依据步骤s1中的典型测距目标类型来选择不同的目标跟踪点，激光开光帧频需满足步骤s5中的统计数据要求。具体地讲：a)光电测量设备在锁定跟踪步骤s1中a、b类典型测距目标时，采取边沿跟踪的方式（上边沿）；b)光电测量设备在锁定跟踪步骤s1中c、d类典型测距目标时，采取重心跟踪的方式；c)激光开光帧频每秒不低于20帧（20hz）。
30.步骤s3：依据目标类型选择动态调轴策略。具体地讲：a)动态调轴原则：如图4所示，为了达到激光测距机出射的激光可以击中目标且激光测距回值连续且稳定的目的，需使红外探测器的视轴进行x轴和y轴两个方向的运动，以图2所示为例，视轴向左运行
△
x（伺服向左运动）、同时向下运行
△
y（伺服向下运动），致使光电测量设备的目标跟踪点人为发生偏移，激光测距机出射的激光刚好击中目标。
31.b)视轴运动策略：如图5所示，光电测量设备在锁定跟踪步骤s1中a类典型测距目标时，视轴仅做上下往复运动即可（范围
±
5个像元，单步时长间隔为1秒）；光电测量设备在锁定跟踪步骤s1中b类典型测距目标时，视轴仅做左右往复运动即可（范围
±
5个像元，单步时长间隔为1秒）；光电测量设备在锁定跟踪步骤s1中c、d类典型测距目标时，以螺旋外扩的方式进行移动（范围10
×
10个像元，单步时长间隔为1秒）。
32.步骤s4：采集激光测距回值，要求所采集的激光测距回值连续且稳定，具体地讲：a)每一个单点的激光测距回值数量在0~20个之间，数量小于10个时视该点为无效点，在步骤s5中不进行统计，数量大于10个时视该点为有效点，在步骤s5中进行统计；b)将每一个有效点的数据组进行高斯分布排列，以高斯分布曲线顶点数值作为该有效点的激光测距回值。
33.步骤s5：统计数据找出激光测距回值对应的视轴位置，将样本数据进行融合，再通过人工智能决策，找出最优的视轴位置。具体地讲：将所有有效点形成的数据组再次进行高斯分布排列，找出高斯分布曲线顶点数值相对应的视轴位置，此视轴位置即为最优的视轴跟踪偏移点位置。
34.步骤s6：将最优的视轴跟踪偏移点位置写入参数文件（此参数文件可嵌入在图像处理单元或伺服控制单元）中，每次光电测量设备启动时，都会读取此参数文件，然后自动进行视轴跟踪偏移点位置修正。
35.为了验证本发明的基于高斯分布动态校准激光光轴与视轴两轴一致性的方法的有效性，特进行以下验证性试验。
36.目标为飞机（机长22.3m，翼展12.7m），当目标与红外探测器的视轴（图中的中心点）重合时，激光测距机无探测值，雷达测距距离为73.6km，此时（14:32:28）视轴在光电视
场中的位置为（318、259），如图6所示；下一秒（14:32:29），目标与激光测距机的激光光轴重合，激光测距机输出目标探测距离为73.3km，雷达测距距离也为73.3km，完成目标三维信息的构建，此时（14:32:29）视轴在光电视场中的位置为（319、259），如图7所示。
37.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。