[发明专利]一种二维姿态角的测量方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量领域，特别涉及一种二维姿态角的测量方法和系统。 

背景技术

在机械制造、航空、航天、国防、建筑等部门中，姿态角是需要测量确定的重要物理量。所谓姿态角，是指物体相对于参照物的空间方位角，姿态角的测量通常采用圆光栅法、环形激光测角法、光学内反射小角度测量法、光电自准直测角法等。 

在诸多的姿态角测量方法中，圆光栅法其原理是：利用两块32400线的径向光栅安装在0.5r/s的同一个轴套上，两个读数头一个固定，一个装在转台上连续旋转，信号间的相位差变化与转角成正比，仪器中用一个自准直仪作为基准指示器，可以测得绝对角度，利用光栅细分原理可测360度范围内的任意角度，附加零伺服机构可以对转台进行实时调整，限制零漂。 

环形激光测角的基本原理是：当被检量具和环形激光器相对于静止的光电自准直仪同步转动时，在瞄准轴与量具棱面发现相重合的瞬间，被测角度转换成由光电流触发和停止脉冲所需的时间间隔，接口装置在此间隔内对环形激光脉冲读数，根据读数计算出被测角度。 

以圆光栅法和环形激光法为代表的光学姿态角测量方法，虽然精度较高，但对硬件条件要求苛刻，且只限于一维角度测量。 

基于传统光学方法与光电接收器件相结合的光电姿态角测量方法，例如：采用光电自准直姿态角测量系统的光电自准直测角方法，由于其良好的测量精度和可操作性被广泛应用，但传统的光电自准直姿态角测量系统均采用激光光源，如图1所示，利用激光11本身的方向性，以激光光强分布中心作为基准直线，通过半透半反镜12，经反射镜13反射和透镜14聚焦成像在探测器15上，通过对激光束光斑成像位置的探测实现姿态角的测量。

由于激光的方向性好，在一定工作距离内，当姿态角发生变化时，激光光束将会有较大的偏移，从而需要大口径的光学系统接收激光光束，随着工作距离的增加，所需光学系统的口径也在增大。如在1米距离内10°的测角范围，所需的光学系统的口径是175mm，所以一般光电自准直姿态角测量系统的测角范围只能小于±5°，这样，光学系统的口径大大阻碍了传统光电自准直姿态角测量系统对大量程测角范围的设计。 

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种二维姿态角的测量方法和系统，使姿态角的测量能够达到大量程的姿态角测角范围。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

本发明提供的一种二维姿态角的测量方法，该方法包括： 

将平行准直光源的平行入射光线通过针孔光阑上的多个不对称的阵列小孔投射在图像传感器成像面上，形成多个光斑； 

根据光斑成像区域，计算各光斑质心在成像面的坐标； 

根据各光斑质心相对位置关系，在各光斑为入射光线通过针孔光阑经平面反射镜反射在图像传感器成像面上形成的反射光斑时，计算各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标；根据各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法计算出入射光线的二维姿态角； 

在各光斑为入射光线直接通过针孔光阑投射在图像传感器成像面上形成的正射光斑时，根据各光斑质心的坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法计算出入射光线的二维姿态角。 

上述方案中，所述计算备光斑质心在成像面的坐标之前，该方法进一步包括：对针孔光阑、平面反射镜和图像传感器的成像面进行系统建模；所述系统 建模具体为：取针孔光阑中心到图像传感器的成像面的垂直点，作为图像传感器成像面的平面直角坐标系的原点，计算出各阵列小孔的中心坐标、及平面反射镜的位置。 

上述方案中，所述计算出入射光线的二维姿态角具体为：根据各光斑质心的坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法得到入射光线的多个二维姿态角，将所有得到的二维姿态角取平均值作为入射光线的二维姿态角。 

本发明提供的一种二维姿态角的测量系统，该系统包括： 

平行准直光源，用于提供平行入射光； 

成像单元，用于将平行准直光源的平行入射光线通过多个不对称的阵列小孔投射在成像面上形成多个光斑，并将各光斑的成像区域传送给计算机处理单元；