本申請(qǐng)涉及角度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種三維角度測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

角度作為基本的物理量之一，對(duì)其測(cè)量方法及測(cè)量設(shè)備的研究一直受到廣泛的重視。在眾多角度測(cè)量方法中，光電測(cè)量以其非接觸、高精度、高靈敏度以及可以實(shí)時(shí)處理的特點(diǎn)，大大提高了角度測(cè)量設(shè)備的自動(dòng)化程度，尤其是激光的應(yīng)用給光電測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展提供了更大的技術(shù)發(fā)展空間。

航天測(cè)量船在海上運(yùn)行時(shí)由于各種因素會(huì)引起船體變形，直接影響船載測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度，因此需要測(cè)出反映船體變形量的三維角度，并利用測(cè)量出的三維角度對(duì)船載測(cè)量設(shè)備進(jìn)行修正?，F(xiàn)有技術(shù)中對(duì)反映船體變形量的三維角度的進(jìn)行測(cè)量的應(yīng)用最為廣泛的高精度光電測(cè)量方法為自準(zhǔn)直法(包括準(zhǔn)直法)，該方法可以測(cè)量出所述三維角度中的方位角和俯仰角，用來反映船體的橫向撓曲和縱向撓曲，利用測(cè)量出的方位角和俯仰角對(duì)船載測(cè)量設(shè)備進(jìn)行修正以增加所述船載測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度。但該方法無法測(cè)量出所述三維角度中的扭轉(zhuǎn)角，對(duì)所述船載測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度的提升有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種三維角度測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量扭轉(zhuǎn)角、方位角和俯仰角，以為船載測(cè)量設(shè)備的校正提供更精確的信息，從而提升所述船載測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度的目的。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案：

一種三維角度測(cè)量系統(tǒng)，包括：計(jì)算部、測(cè)量部和目標(biāo)指示部；其中，

所述測(cè)量部包括：光學(xué)透鏡組、分光鏡、標(biāo)志板、第一光源、第一圖像傳感器、第二圖像傳感器和第三圖像傳感器；

所述計(jì)算部與所述第一圖像傳感器、第二圖像傳感器和第三圖像傳感器均連接；

所述目標(biāo)指示部設(shè)置于待測(cè)目標(biāo)上，包括：指示光源和設(shè)置于所述指示光源表面的平面反射鏡，所述指示光源包括分別位于其兩端的第一光孔和第二光孔；

所述第一光源用于通過所述聚光鏡對(duì)所述標(biāo)志板進(jìn)行均勻照明，透過所述標(biāo)志板的第一光源發(fā)出的光線通過所述光學(xué)透鏡組形成平行光出射，所述平行光經(jīng)過所述平面反射鏡反射后成為攜帶目標(biāo)角度信息的反射光束；所述反射光束經(jīng)過所述光學(xué)透鏡組成像于所述第一圖像傳感器表面；

所述指示光源用于通過所述第一光孔發(fā)出第一光束，通過所述第二光孔發(fā)出第二光束，所述第一光束通過所述光學(xué)透鏡組成像于所述第二圖像傳感器表面，所述第二光束通過所述光學(xué)透鏡組成像于所述第三圖像傳感器表面；

所述計(jì)算部用于根據(jù)所述反射光束在所述第一圖像傳感器表面的成像計(jì)算方位角和俯仰角，和用于根據(jù)所述第一光束在所述第二圖像傳感器表面的成像以及所述第二光束在所述第三圖像傳感器表面的成像計(jì)算扭轉(zhuǎn)角。

可選的，所述計(jì)算部具體用于根據(jù)所述反射光束在所述第一圖像傳感器表面的成像，利用公式(1)獲得第一偏移值和第二偏移值，并將所述第一偏移值代入公式(2)中計(jì)算獲得方位角，將所述第二偏移值代入公式(3)中獲得俯仰角，和用于根據(jù)所述第一光束在所述第二圖像傳感器表面的成像，利用公式(1)獲得第三偏移值，根據(jù)所述第二光束在所述第三圖像傳感器表面的成像，利用公式(1)獲得第四偏移值，并將所述第三偏移值和第四偏移值代入公式(4)中計(jì)算獲得扭轉(zhuǎn)角；

其中，(i,j)表示光束照射圖像傳感器像元的位置，I(i,j)表示(i,j)位置處的信號(hào)強(qiáng)度，T表示圖像噪聲閾值；

其中，α表示所述方位角，Δx表示所述第一偏移值，f'表示所述光學(xué)透鏡組的焦距；

其中，β表示所述俯仰角，Δy表示所述第二偏移值；

其中，θ表示所述扭轉(zhuǎn)角，y_L表示所述第三偏移值，y_R表示所述第四偏移值，L'表示所述第一光孔與所述第二光孔之間的間距。

可選的，所述指示光源包括：

外殼，所述外殼設(shè)置有平面反射鏡的表面兩側(cè)具有第一光孔和第二光孔；

設(shè)置于所述外殼內(nèi)部中心的第二光源；

所述第二光源朝向所述第一光孔一側(cè)和朝向所述第二光孔一側(cè)均設(shè)置有一聚光鏡和一棱鏡，所述第二光源發(fā)出的光線經(jīng)過兩個(gè)所述聚光鏡和棱鏡均勻照亮所述第一光孔和第二光孔，經(jīng)所述第一光孔出射的光束稱為第一光束，經(jīng)所述第二光孔出射的光束稱為第二光束。

可選的，所述第二光源為激光光源為L(zhǎng)ED光源。

可選的，還包括：設(shè)置于所述第一光源與所述標(biāo)志板之間的聚光鏡，所述聚光鏡用于匯聚所述第一光源發(fā)出的光線。

可選的，所述標(biāo)志板為星點(diǎn)分劃板或十字絲。

可選的，所述第一圖像傳感器、第二圖像傳感器和第三圖像傳感器為電荷耦合元件圖像傳感器或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器。

可選的，所述第一光源為激光光源或LED光源。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種三維角度測(cè)量系統(tǒng)，所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)利用所述指示光源通過所述第一光孔和第二光孔分別出射第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束通過所述光學(xué)透鏡組后分別成像于所述第二圖像傳感器和第三圖像傳感器表面，然后利用所述計(jì)算部根據(jù)所述第一光束在所述第二圖像傳感器表面的成像以及所述第二光束在所述第三圖像傳感器表面的成像實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角的計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)可以利用所述計(jì)算部、所述第一光源、所述標(biāo)志板、所述光學(xué)透鏡組和所述平面反射鏡采用傳統(tǒng)的自準(zhǔn)直法測(cè)量所述方位角和所述俯仰角，從而實(shí)現(xiàn)所述三維角度的全面測(cè)量，為船載測(cè)量設(shè)備的校正提供更精確的信息，進(jìn)而提升所述船載測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度。

并且，所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)透鏡組在測(cè)量方位角和俯仰角時(shí)作為準(zhǔn)直透鏡，在測(cè)量所述扭轉(zhuǎn)角時(shí)作為接收透鏡，實(shí)現(xiàn)了所述準(zhǔn)直透鏡和接收透鏡的共光路設(shè)計(jì)，降低了所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)的體積。

進(jìn)一步的，所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)扭轉(zhuǎn)角的測(cè)量不需要采取柱透鏡組和四面體反射棱鏡都加工難度較大的光學(xué)鏡片，降低了所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)的加工難度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例提供的一種三維角度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本申請(qǐng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例提供的一種三維角度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例提供的一種圖像傳感器成像面坐標(biāo)系；

圖4為本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例提供的第一光孔在第二圖像傳感器中成像位置和第二光孔在第三圖像傳感器中成像位置的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種三維角度測(cè)量系統(tǒng)，如圖1所示，包括：計(jì)算部(附圖1中未示出)、測(cè)量部10和目標(biāo)指示部20；其中，

所述測(cè)量部10包括：光學(xué)透鏡組14、分光鏡13、標(biāo)志板12、第一光源11、第一圖像傳感器15、第二圖像傳感器16和第三圖像傳感器17；

所述計(jì)算部與所述第一圖像傳感器15、第二圖像傳感器16和第三圖像傳感器17均連接；

所述目標(biāo)指示部20設(shè)置于待測(cè)目標(biāo)上，包括：指示光源和設(shè)置于所述指示光源表面的平面反射鏡23，所述指示光源包括分別位于其兩端的第一光孔21和第二光孔22；

所述第一光源11用于通過所述聚光鏡對(duì)所述標(biāo)志板12進(jìn)行均勻照明，透過所述標(biāo)志板12的第一光源11發(fā)出的光線通過所述光學(xué)透鏡組14形成平行光出射，所述平行光經(jīng)過所述平面反射鏡23反射后成為攜帶目標(biāo)角度信息的反射光束；所述反射光束經(jīng)過所述光學(xué)透鏡組14成像于所述第一圖像傳感器15表面；

所述指示光源用于通過所述第一光孔21發(fā)出第一光束，通過所述第二光孔22發(fā)出第二光束，所述第一光束通過所述光學(xué)透鏡組14成像于所述第二圖像傳感器16表面，所述第二光束通過所述光學(xué)透鏡組14成像于所述第三圖像傳感器17表面；

所述計(jì)算部用于根據(jù)所述反射光束在所述第一圖像傳感器15表面的成像計(jì)算方位角和俯仰角，和用于根據(jù)所述第一光束在所述第二圖像傳感器16表面的成像以及所述第二光束在所述第三圖像傳感器17表面的成像計(jì)算扭轉(zhuǎn)角。

需要說明的是，參考圖1，在實(shí)際測(cè)量過程中，所述測(cè)量部10的光線出射端口需要位于所述平面反射鏡23的垂直平分線上；所述第一圖像傳感器15需要設(shè)置在所述光學(xué)透鏡組14的焦平面上，以能夠接收所述攜帶目標(biāo)角度信息的反射光束。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的一個(gè)具體實(shí)施例中，參考圖2，所述指示光源包括：

外殼26，所述外殼26設(shè)置有平面反射鏡23的表面兩側(cè)具有第一光孔21和第二光孔22；

設(shè)置于所述外殼26內(nèi)部中心的第二光源23；

所述第二光源23朝向所述第一光孔21一側(cè)和朝向所述第二光孔22一側(cè)均設(shè)置有一聚光鏡CM和一棱鏡24，所述第二光源23發(fā)出的光線經(jīng)過兩個(gè)所述聚光鏡CM和棱鏡24均勻照亮所述第一光孔21和第二光孔22，經(jīng)所述第一光孔21出射的光束稱為第一光束，經(jīng)所述第二光孔22出射的光束稱為第二光束。

需要說明的是，所述聚光鏡CM用于對(duì)所述第二光源23發(fā)出的光線進(jìn)行匯聚，然后匯聚的光線經(jīng)過所述棱鏡24的折射均勻照亮所述第一光孔21和第二光孔22。

在本實(shí)施例中，所述第二光源23可以為L(zhǎng)ED光源。但在本申請(qǐng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述第二光源23還可以為激光光源，激光光源具有優(yōu)良的準(zhǔn)直性和單色性，當(dāng)所述第二光源23為激光光源時(shí)，可以不在所述指示光源中設(shè)置所述聚光鏡CM，利用激光光源作為所述第二光源23有利于提升所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。但本申請(qǐng)對(duì)所述第二光源23的具體種類并不做限定，具體視實(shí)際情況而定。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，參考圖2，所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)還包括：設(shè)置于所述第一光源11與所述標(biāo)志板12之間的聚光鏡CM，所述聚光鏡CM用于匯聚所述第一光源11發(fā)出的光線。

在本實(shí)施例中，所述第一光源11可以為L(zhǎng)ED光源。同樣的，在本申請(qǐng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一光源11還可以為激光光源，當(dāng)所述第一光源11為激光光源時(shí)，所述第一光源11與所述標(biāo)志板12之間也可以不設(shè)置所述聚光鏡CM，利用激光光源作為所述第一光源11有利于提升所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)所述方位角和俯仰角的測(cè)量精度。但本申請(qǐng)對(duì)所述第一光源11的具體種類并不做限定，具體視實(shí)際情況而定。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的一個(gè)具體優(yōu)選實(shí)施例中，所述計(jì)算部具體用于根據(jù)所述反射光束在所述第一圖像傳感器15表面的成像，利用公式(1)獲得第一偏移值和第二偏移值，并將所述第一偏移值代入公式(2)中計(jì)算獲得方位角，將所述第二偏移值代入公式(3)中獲得俯仰角，和用于根據(jù)所述第一光束在所述第二圖像傳感器16表面的成像，利用公式(1)獲得第三偏移值，根據(jù)所述第二光束在所述第三圖像傳感器17表面的成像，利用公式(1)獲得第四偏移值，并將所述第三偏移值和第四偏移值代入公式(4)中計(jì)算獲得扭轉(zhuǎn)角；

其中，(i,j)表示光束照射圖像傳感器像元的位置，I(i,j)表示(i,j)位置處的信號(hào)強(qiáng)度，T表示圖像噪聲閾值；

其中，α表示所述方位角，Δx表示所述第一偏移值，f'表示所述光學(xué)透鏡組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表示所述扭轉(zhuǎn)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與所述第二光孔22之間的間距。

下面將對(duì)所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)的具體原理進(jìn)行說明。

參考圖3，圖3為圖像傳感器成像面坐標(biāo)系uv，在所述圖像傳感器成像面坐標(biāo)系中，坐標(biāo)原點(diǎn)為圖像傳感器的像面幾何中心點(diǎn)，u和v分別對(duì)應(yīng)所述圖像傳感器的行坐標(biāo)和列坐標(biāo)，坐標(biāo)單位為像素；另外，參考圖1和圖2，建立坐標(biāo)系F，坐標(biāo)系F為o-XYZ，Z軸為圖1和圖2中所述平面反射鏡23的軸線方向，X軸和Y軸分別于u和v平行，坐標(biāo)系F的坐標(biāo)原點(diǎn)o為所述平面反射鏡23的幾何中心，也是所述第一光孔21和第二光孔22連線的中心。圖3中的Δx表示在所述圖像傳感器上成像的像點(diǎn)到v軸的距離，Δy表示在所述圖像傳感器上成像的像點(diǎn)到u軸的距離。

下面對(duì)如何獲得Δx和Δy進(jìn)行說明，首先根據(jù)像在所述圖像傳感器表面的成像結(jié)果代入上面的公式(1)中，獲得(u_k,v_k)；在獲得(u_k,v_k)后，與零位位置(u₀,v₀)相減即可得到Δx和Δy。其中，零位位置(u₀,v₀)可以是初始安裝時(shí)認(rèn)為在沒有產(chǎn)生形變時(shí)的光斑位置，也可以是在相對(duì)測(cè)量時(shí)，一次測(cè)量過程中的初始光斑位置，在本實(shí)施例中，優(yōu)選將初始安裝時(shí)認(rèn)為在沒有產(chǎn)生形變時(shí)的光斑位置作為所述零位位置，這樣所述零位位置可以取所述圖像傳感器成像面坐標(biāo)系uv的原點(diǎn)，在計(jì)算所述第一偏移值和第二偏移值時(shí)只要根據(jù)所述反射光束在所述第一圖像傳感器15表面的成像，利用公式(1)進(jìn)行一次計(jì)算即可獲得所述第一偏移值和第二偏移值。

相應(yīng)的，參考圖4，圖4示出了第一光孔21在第二圖像傳感器16中的成像示意圖，在圖4中，標(biāo)號(hào)y_L表示所述第三偏移值，標(biāo)號(hào)y_R表示所述第四偏移值，L'表示所述第一光孔21與所述第二光孔22之間的間距。同樣的，y_L和y_R同樣可以通過所述第一光孔21在所述第二圖像傳感器16上的成像進(jìn)而第二光孔22在所述第三圖像傳感器17上的成像利用公式(1)獲得。

需要說明的是，所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求(例如測(cè)量距離和測(cè)量精度需求)來設(shè)計(jì)所述第一光孔21和第二光孔22之間的間距L'，從而滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求，一般而言，L'的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，測(cè)量精度越高，測(cè)量距離越遠(yuǎn)。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述標(biāo)志板12可以為星點(diǎn)分劃板或十字絲。所述標(biāo)志板12的作用是確定成像的中心位置，以提高計(jì)算所述第一偏移值和第二偏移值的精度。本申請(qǐng)對(duì)所述標(biāo)志板12的具體種類并不做限定，其他形狀的分劃板也可作為所述標(biāo)志板12，只要能夠確定中心位置即可，具體視實(shí)際情況而定。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施例中，所述第一圖像傳感器15、第二圖像傳感器16和第三圖像傳感器17為電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)圖像傳感器或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)圖像傳感器。優(yōu)選的，所述第一圖像傳感器15、第二圖像傳感器16和第三圖像傳感器17均為電荷耦合元件圖像傳感器，但本申請(qǐng)對(duì)此并不做限定，具體視實(shí)際情況而定。

綜上所述，本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種三維角度測(cè)量系統(tǒng)，所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)利用所述指示光源通過所述第一光孔21和第二光孔22分別出射第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束通過所述光學(xué)透鏡組14后分別成像于所述第二圖像傳感器16和第三圖像傳感器17表面，然后利用所述計(jì)算部根據(jù)所述第一光束在所述第二圖像傳感器16表面的成像以及所述第二光束在所述第三圖像傳感器17表面的成像實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角的計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)可以利用所述計(jì)算部、所述第一光源11、所述標(biāo)志板12、所述光學(xué)透鏡組14和所述平面反射鏡23采用傳統(tǒng)的自準(zhǔn)直法測(cè)量所述方位角和所述俯仰角，從而實(shí)現(xiàn)所述三維角度的全面測(cè)量，為船載測(cè)量設(shè)備的校正提供更精確的信息，進(jìn)而提升所述船載測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度。

并且，所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)透鏡組14在測(cè)量方位角和俯仰角時(shí)作為準(zhǔn)直透鏡，在測(cè)量所述扭轉(zhuǎn)角時(shí)作為接收透鏡，實(shí)現(xiàn)了所述準(zhǔn)直透鏡和接收透鏡的共光路設(shè)計(jì)，降低了所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)的體積。

進(jìn)一步的，所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)扭轉(zhuǎn)角的測(cè)量不需要采取柱透鏡組和四面體反射棱鏡24都加工難度較大的光學(xué)鏡片，降低了所述三維角度測(cè)量系統(tǒng)的加工難度。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。