一种三维角度测量系统的制作方法

本申请涉及角度测量技术领域，更具体地说，涉及一种三维角度测量系统。

背景技术：

角度作为基本的物理量之一，对其测量方法及测量设备的研究一直受到广泛的重视。在众多角度测量方法中，光电测量以其非接触、高精度、高灵敏度以及可以实时处理的特点，大大提高了角度测量设备的自动化程度，尤其是激光的应用给光电测量系统的发展提供了更大的技术发展空间。

航天测量船在海上运行时由于各种因素会引起船体变形，直接影响船载测量设备的测量精度，因此需要测出反映船体变形量的三维角度，并利用测量出的三维角度对船载测量设备进行修正。现有技术中对反映船体变形量的三维角度的进行测量的应用最为广泛的高精度光电测量方法为自准直法(包括准直法)，该方法可以测量出所述三维角度中的方位角和俯仰角，用来反映船体的横向挠曲和纵向挠曲，利用测量出的方位角和俯仰角对船载测量设备进行修正以增加所述船载测量设备的测量精度。但该方法无法测量出所述三维角度中的扭转角，对所述船载测量设备的测量精度的提升有限。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种三维角度测量系统，以实现测量扭转角、方位角和俯仰角，以为船载测量设备的校正提供更精确的信息，从而提升所述船载测量设备的测量精度的目的。

为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种三维角度测量系统，包括：计算部、测量部和目标指示部；其中，

所述测量部包括：光学透镜组、分光镜、标志板、第一光源、第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器；

所述计算部与所述第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器均连接；

所述目标指示部设置于待测目标上，包括：指示光源和设置于所述指示光源表面的平面反射镜，所述指示光源包括分别位于其两端的第一光孔和第二光孔；

所述第一光源用于通过所述聚光镜对所述标志板进行均匀照明，透过所述标志板的第一光源发出的光线通过所述光学透镜组形成平行光出射，所述平行光经过所述平面反射镜反射后成为携带目标角度信息的反射光束；所述反射光束经过所述光学透镜组成像于所述第一图像传感器表面；

所述指示光源用于通过所述第一光孔发出第一光束，通过所述第二光孔发出第二光束，所述第一光束通过所述光学透镜组成像于所述第二图像传感器表面，所述第二光束通过所述光学透镜组成像于所述第三图像传感器表面；

所述计算部用于根据所述反射光束在所述第一图像传感器表面的成像计算方位角和俯仰角，和用于根据所述第一光束在所述第二图像传感器表面的成像以及所述第二光束在所述第三图像传感器表面的成像计算扭转角。

可选的，所述计算部具体用于根据所述反射光束在所述第一图像传感器表面的成像，利用公式(1)获得第一偏移值和第二偏移值，并将所述第一偏移值代入公式(2)中计算获得方位角，将所述第二偏移值代入公式(3)中获得俯仰角，和用于根据所述第一光束在所述第二图像传感器表面的成像，利用公式(1)获得第三偏移值，根据所述第二光束在所述第三图像传感器表面的成像，利用公式(1)获得第四偏移值，并将所述第三偏移值和第四偏移值代入公式(4)中计算获得扭转角；

其中，(i,j)表示光束照射图像传感器像元的位置，I(i,j)表示(i,j)位置处的信号强度，T表示图像噪声阈值；

其中，α表示所述方位角，Δx表示所述第一偏移值，f'表示所述光学透镜组的焦距；

其中，β表示所述俯仰角，Δy表示所述第二偏移值；

其中，θ表示所述扭转角，y_L表示所述第三偏移值，y_R表示所述第四偏移值，L'表示所述第一光孔与所述第二光孔之间的间距。

可选的，所述指示光源包括：

外壳，所述外壳设置有平面反射镜的表面两侧具有第一光孔和第二光孔；

设置于所述外壳内部中心的第二光源；

所述第二光源朝向所述第一光孔一侧和朝向所述第二光孔一侧均设置有一聚光镜和一棱镜，所述第二光源发出的光线经过两个所述聚光镜和棱镜均匀照亮所述第一光孔和第二光孔，经所述第一光孔出射的光束称为第一光束，经所述第二光孔出射的光束称为第二光束。

可选的，所述第二光源为激光光源为LED光源。

可选的，还包括：设置于所述第一光源与所述标志板之间的聚光镜，所述聚光镜用于汇聚所述第一光源发出的光线。

可选的，所述标志板为星点分划板或十字丝。

可选的，所述第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器为电荷耦合元件图像传感器或互补金属氧化物半导体图像传感器。

可选的，所述第一光源为激光光源或LED光源。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种三维角度测量系统，所述三维角度测量系统利用所述指示光源通过所述第一光孔和第二光孔分别出射第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束通过所述光学透镜组后分别成像于所述第二图像传感器和第三图像传感器表面，然后利用所述计算部根据所述第一光束在所述第二图像传感器表面的成像以及所述第二光束在所述第三图像传感器表面的成像实现扭转角的计算。在此基础上，所述三维角度测量系统可以利用所述计算部、所述第一光源、所述标志板、所述光学透镜组和所述平面反射镜采用传统的自准直法测量所述方位角和所述俯仰角，从而实现所述三维角度的全面测量，为船载测量设备的校正提供更精确的信息，进而提升所述船载测量设备的测量精度。

并且，所述三维角度测量系统的光学透镜组在测量方位角和俯仰角时作为准直透镜，在测量所述扭转角时作为接收透镜，实现了所述准直透镜和接收透镜的共光路设计，降低了所述三维角度测量系统的体积。

进一步的，所述三维角度测量系统对扭转角的测量不需要采取柱透镜组和四面体反射棱镜都加工难度较大的光学镜片，降低了所述三维角度测量系统的加工难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种三维角度测量系统的结构示意图；

图2为本申请的一个优选实施例提供的一种三维角度测量系统的结构示意图；

图3为本申请的一个实施例提供的一种图像传感器成像面坐标系；

图4为本申请的一个实施例提供的第一光孔在第二图像传感器中成像位置和第二光孔在第三图像传感器中成像位置的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种三维角度测量系统，如图1所示，包括：计算部(附图1中未示出)、测量部10和目标指示部20；其中，

所述测量部10包括：光学透镜组14、分光镜13、标志板12、第一光源11、第一图像传感器15、第二图像传感器16和第三图像传感器17；

所述计算部与所述第一图像传感器15、第二图像传感器16和第三图像传感器17均连接；

所述目标指示部20设置于待测目标上，包括：指示光源和设置于所述指示光源表面的平面反射镜23，所述指示光源包括分别位于其两端的第一光孔21和第二光孔22；

所述第一光源11用于通过所述聚光镜对所述标志板12进行均匀照明，透过所述标志板12的第一光源11发出的光线通过所述光学透镜组14形成平行光出射，所述平行光经过所述平面反射镜23反射后成为携带目标角度信息的反射光束；所述反射光束经过所述光学透镜组14成像于所述第一图像传感器15表面；

所述指示光源用于通过所述第一光孔21发出第一光束，通过所述第二光孔22发出第二光束，所述第一光束通过所述光学透镜组14成像于所述第二图像传感器16表面，所述第二光束通过所述光学透镜组14成像于所述第三图像传感器17表面；

所述计算部用于根据所述反射光束在所述第一图像传感器15表面的成像计算方位角和俯仰角，和用于根据所述第一光束在所述第二图像传感器16表面的成像以及所述第二光束在所述第三图像传感器17表面的成像计算扭转角。

需要说明的是，参考图1，在实际测量过程中，所述测量部10的光线出射端口需要位于所述平面反射镜23的垂直平分线上；所述第一图像传感器15需要设置在所述光学透镜组14的焦平面上，以能够接收所述携带目标角度信息的反射光束。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中，参考图2，所述指示光源包括：

外壳26，所述外壳26设置有平面反射镜23的表面两侧具有第一光孔21和第二光孔22；

设置于所述外壳26内部中心的第二光源23；

所述第二光源23朝向所述第一光孔21一侧和朝向所述第二光孔22一侧均设置有一聚光镜CM和一棱镜24，所述第二光源23发出的光线经过两个所述聚光镜CM和棱镜24均匀照亮所述第一光孔21和第二光孔22，经所述第一光孔21出射的光束称为第一光束，经所述第二光孔22出射的光束称为第二光束。

需要说明的是，所述聚光镜CM用于对所述第二光源23发出的光线进行汇聚，然后汇聚的光线经过所述棱镜24的折射均匀照亮所述第一光孔21和第二光孔22。

在本实施例中，所述第二光源23可以为LED光源。但在本申请的一个优选实施例中，所述第二光源23还可以为激光光源，激光光源具有优良的准直性和单色性，当所述第二光源23为激光光源时，可以不在所述指示光源中设置所述聚光镜CM，利用激光光源作为所述第二光源23有利于提升所述三维角度测量系统的测量精度。但本申请对所述第二光源23的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，参考图2，所述三维角度测量系统还包括：设置于所述第一光源11与所述标志板12之间的聚光镜CM，所述聚光镜CM用于汇聚所述第一光源11发出的光线。

在本实施例中，所述第一光源11可以为LED光源。同样的，在本申请的一个优选实施例中，所述第一光源11还可以为激光光源，当所述第一光源11为激光光源时，所述第一光源11与所述标志板12之间也可以不设置所述聚光镜CM，利用激光光源作为所述第一光源11有利于提升所述三维角度测量系统对所述方位角和俯仰角的测量精度。但本申请对所述第一光源11的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体优选实施例中，所述计算部具体用于根据所述反射光束在所述第一图像传感器15表面的成像，利用公式(1)获得第一偏移值和第二偏移值，并将所述第一偏移值代入公式(2)中计算获得方位角，将所述第二偏移值代入公式(3)中获得俯仰角，和用于根据所述第一光束在所述第二图像传感器16表面的成像，利用公式(1)获得第三偏移值，根据所述第二光束在所述第三图像传感器17表面的成像，利用公式(1)获得第四偏移值，并将所述第三偏移值和第四偏移值代入公式(4)中计算获得扭转角；

其中，(i,j)表示光束照射图像传感器像元的位置，I(i,j)表示(i,j)位置处的信号强度，T表示图像噪声阈值；

其中，α表示所述方位角，Δx表示所述第一偏移值，f'表示所述光学透镜组14的焦距；

其中，β表示所述俯仰角，Δy表示所述第二偏移值；

其中，θ表示所述扭转角，y_L表示所述第三偏移值，y_R表示所述第四偏移值，L'表示所述第一光孔21与所述第二光孔22之间的间距。

下面将对所述三维角度测量系统的具体原理进行说明。

参考图3，图3为图像传感器成像面坐标系uv，在所述图像传感器成像面坐标系中，坐标原点为图像传感器的像面几何中心点，u和v分别对应所述图像传感器的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；另外，参考图1和图2，建立坐标系F，坐标系F为o-XYZ，Z轴为图1和图2中所述平面反射镜23的轴线方向，X轴和Y轴分别于u和v平行，坐标系F的坐标原点o为所述平面反射镜23的几何中心，也是所述第一光孔21和第二光孔22连线的中心。图3中的Δx表示在所述图像传感器上成像的像点到v轴的距离，Δy表示在所述图像传感器上成像的像点到u轴的距离。

下面对如何获得Δx和Δy进行说明，首先根据像在所述图像传感器表面的成像结果代入上面的公式(1)中，获得(u_k,v_k)；在获得(u_k,v_k)后，与零位位置(u₀,v₀)相减即可得到Δx和Δy。其中，零位位置(u₀,v₀)可以是初始安装时认为在没有产生形变时的光斑位置，也可以是在相对测量时，一次测量过程中的初始光斑位置，在本实施例中，优选将初始安装时认为在没有产生形变时的光斑位置作为所述零位位置，这样所述零位位置可以取所述图像传感器成像面坐标系uv的原点，在计算所述第一偏移值和第二偏移值时只要根据所述反射光束在所述第一图像传感器15表面的成像，利用公式(1)进行一次计算即可获得所述第一偏移值和第二偏移值。

相应的，参考图4，图4示出了第一光孔21在第二图像传感器16中的成像示意图，在图4中，标号y_L表示所述第三偏移值，标号y_R表示所述第四偏移值，L'表示所述第一光孔21与所述第二光孔22之间的间距。同样的，y_L和y_R同样可以通过所述第一光孔21在所述第二图像传感器16上的成像进而第二光孔22在所述第三图像传感器17上的成像利用公式(1)获得。

需要说明的是，所述三维角度测量系统可以根据实际的应用需求(例如测量距离和测量精度需求)来设计所述第一光孔21和第二光孔22之间的间距L'，从而满足不同应用场合的需求，一般而言，L'的长度越长，测量精度越高，测量距离越远。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述标志板12可以为星点分划板或十字丝。所述标志板12的作用是确定成像的中心位置，以提高计算所述第一偏移值和第二偏移值的精度。本申请对所述标志板12的具体种类并不做限定，其他形状的分划板也可作为所述标志板12，只要能够确定中心位置即可，具体视实际情况而定。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，所述第一图像传感器15、第二图像传感器16和第三图像传感器17为电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器。优选的，所述第一图像传感器15、第二图像传感器16和第三图像传感器17均为电荷耦合元件图像传感器，但本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。

综上所述，本申请实施例提供了一种三维角度测量系统，所述三维角度测量系统利用所述指示光源通过所述第一光孔21和第二光孔22分别出射第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束通过所述光学透镜组14后分别成像于所述第二图像传感器16和第三图像传感器17表面，然后利用所述计算部根据所述第一光束在所述第二图像传感器16表面的成像以及所述第二光束在所述第三图像传感器17表面的成像实现扭转角的计算。在此基础上，所述三维角度测量系统可以利用所述计算部、所述第一光源11、所述标志板12、所述光学透镜组14和所述平面反射镜23采用传统的自准直法测量所述方位角和所述俯仰角，从而实现所述三维角度的全面测量，为船载测量设备的校正提供更精确的信息，进而提升所述船载测量设备的测量精度。

并且，所述三维角度测量系统的光学透镜组14在测量方位角和俯仰角时作为准直透镜，在测量所述扭转角时作为接收透镜，实现了所述准直透镜和接收透镜的共光路设计，降低了所述三维角度测量系统的体积。

进一步的，所述三维角度测量系统对扭转角的测量不需要采取柱透镜组和四面体反射棱镜24都加工难度较大的光学镜片，降低了所述三维角度测量系统的加工难度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。