一种摄像装置环境试验稳定性的检测装置及方法论文和设计-昌明

全文摘要

本发明公开的一种摄像装置环境试验稳定性的检测方法，首先安装好检测装置，包括光学平台，光学平台上间隔安装剪切架I和剪切架II，所述剪切架I上放置PSD自准直仪，剪切架II上放置摄像装置，调整剪切架I和剪切架II的高度控制PSD自准直仪的光轴与摄像装置的光轴等高，调整自准直仪与摄像装置光轴位置，确保自准直仪的偏差角度为零；然后摄像装置采集自准直仪的图像判断十字分划板的像在图像中的位置，对比试验前后的十字分划板的像在图像中的位置，确定摄像装置在经历规定的环境试验后的稳定性。本发明公开的检测方法结构简单，调整便捷，便于在试验现场快速搭建和测量，受环境影响因素小的特点。

主设计要求

1.一种摄像装置环境试验稳定性的检测方法，其特征在于，具体操作过程包括如下步骤：步骤1.安装一种摄像装置稳定性的检测装置，包括光学平台(1)，所述光学平台(1)上间隔安装剪切架I(2)和剪切架II(7)，所述剪切架I(2)上放置PSD自准直仪(3)，所述剪切架II(7)上放置摄像装置(6)，调整所述剪切架I(2)和所述剪切架II(7)的高度控制所述PSD自准直仪(3)的光轴与所述摄像装置(6)的光轴等高；所述PSD自准直仪(3)包括目标反射面(31)、望远透镜组(32)、光源(33)、聚焦透镜(35)、分光棱镜(36)、汇聚透镜(37)和PSD芯片(38)，所述汇聚透镜(37)的焦点处与所述光源(33)之间安装有十字分划板(34)，所述光源(33)采用了中心波长为780nm的LED光源，调频驱动为1kHz频率方波；步骤2.调整所述剪切架I(2)和所述剪切架II(7)的高度，使得PSD自准直仪(3)的光轴与摄像装置(6)的光轴等高，调整所述PSD自准直仪(3)与所述摄像装置(6)粗对准，保证所述PSD自准直仪(3)的测量光束投射在所述摄像装置(6)的前表面玻璃上并反射回被所述PSD自准直仪(3)接收，所述PSD自准直仪(3)会有提示音，并在显示屏幕显示偏差角度；然后，根据偏差角度通过调整方位微调旋钮(4)和俯仰微调旋钮(5)微调PSD自准直仪(3)使得十字丝光标与屏幕中心十字线重合，偏差角度为零；步骤3.所述摄像装置(6)通电，拍摄所述PSD自准直仪(3)发射的含有所述十字分划板(34)的像的图像，按照一定判读算法计算所述十字分划板(34)的像在图像中的位置；步骤4.对比试验前后的所述十字分划板(34)的像在图像中的位置，确定所述摄像装置(6)光学机械结构与CCD焦面结构的相对位置变化，确定摄像装置(6)在经历规定的环境试验后的稳定性，如果试验前后的相对位置差异大，则摄像装置(6)稳定性差，如果试验前后的相对位置不变，则摄像装置(6)稳定性好。

设计方案

1.一种摄像装置环境试验稳定性的检测方法，其特征在于，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1.安装一种摄像装置稳定性的检测装置，包括光学平台(1)，所述光学平台(1)上间隔安装剪切架I(2)和剪切架II(7)，所述剪切架I(2)上放置PSD自准直仪(3)，所述剪切架II(7)上放置摄像装置(6)，调整所述剪切架I(2)和所述剪切架II(7)的高度控制所述PSD自准直仪(3)的光轴与所述摄像装置(6)的光轴等高；

所述PSD自准直仪(3)包括目标反射面(31)、望远透镜组(32)、光源(33)、聚焦透镜(35)、分光棱镜(36)、汇聚透镜(37)和PSD芯片(38)，所述汇聚透镜(37)的焦点处与所述光源(33)之间安装有十字分划板(34)，所述光源(33)采用了中心波长为780nm的LED光源，调频驱动为1kHz频率方波；

步骤2.调整所述剪切架I(2)和所述剪切架II(7)的高度，使得PSD自准直仪(3)的光轴与摄像装置(6)的光轴等高，调整所述PSD自准直仪(3)与所述摄像装置(6)粗对准，保证所述PSD自准直仪(3)的测量光束投射在所述摄像装置(6)的前表面玻璃上并反射回被所述PSD自准直仪(3)接收，所述PSD自准直仪(3)会有提示音，并在显示屏幕显示偏差角度；然后，根据偏差角度通过调整方位微调旋钮(4)和俯仰微调旋钮(5)微调PSD自准直仪(3)使得十字丝光标与屏幕中心十字线重合，偏差角度为零；

步骤3.所述摄像装置(6)通电，拍摄所述PSD自准直仪(3)发射的含有所述十字分划板(34)的像的图像，按照一定判读算法计算所述十字分划板(34)的像在图像中的位置；

步骤4.对比试验前后的所述十字分划板(34)的像在图像中的位置，确定所述摄像装置(6)光学机械结构与CCD焦面结构的相对位置变化，确定摄像装置(6)在经历规定的环境试验后的稳定性，如果试验前后的相对位置差异大，则摄像装置(6)稳定性差，如果试验前后的相对位置不变，则摄像装置(6)稳定性好。

2.如权利要求1所述的一种摄像装置环境试验稳定性的检测方法，其特征在于，所述步骤3中十字分划板(34)的像在图像中的位置的判读过程如下：

步骤3.1使用加权质心算法寻找灰度最大值像元中心点的位置，如公式(1)和公式(2)所示：

设计说明书

技术领域

本发明属于光电测试技术领域，涉及一种摄像装置环境试验稳定性的检测装置，还涉及一种摄像装置环境试验稳定性的检测方法。

背景技术

随着CCD摄像装置的应用领域不断拓展，对其能够耐受的使用环境提出了更加苛刻的要求，希望其能够耐受冲击、振动、高低温等恶劣条件，提高稳定性和可靠性。为了验证CCD摄像装置在经历各类环境试验后，其光学机械结构与CCD焦面结构是否发生变化，从而为进一步的性能测试提供参考，因此，就需要采取某种测试方法，对比光学机械结构与CCD焦面结构的相对位置的变化。

目前，用于检查摄像装置光学机械结构与CCD焦面结构的相对位置的变化两种方法：一种是比对摄像装置试验前后的调制传递函数值，另一种是通过测量摄像装置试验前后的主点坐标值。其中，测量摄像装置的传递函数值，需要在平行光管焦面处放置一个与摄像装置参数相适应的条纹板，条纹板由均匀光源照亮，摄像装置对条纹板成像，由计算机采集图像，并按照摄像装置调制传递函数的计算方法对黑白条纹像进行计算。通过对比试验前后，摄像装置不同视场处的调制传递函数值，判断摄像装置的光学机械结构与CCD焦面结构有无发生相对位移。此方法通过直接对摄像装置的成像性能进行测试，可一次性完成性能测试和比对验证，但是调制传递函数的测试调整过程比较复杂，测试时间较长，且容易受到周围环境因素的影响，如温度、湿度和气流等，造成的测试重复性偏差，不易判断根本原因，不便于在环境试验现场快速开展。测量摄像装置试验前后的主点坐标值，需要在平行光管焦面处放置一个大小与摄像装置参数匹配的星点，星点由均匀光源照亮，摄像装置位于平行光管出口处。摄像装置安装在二维转台的回转中心上，摄像装置光轴与平行光管同轴等高，对星点成像。二维转台带动相机沿从左到右，从上到下的方向按照一定间隔对星点成像，采集图像和转台角度数据。采集完毕，按照相机内方位元素的计算方法，对采集图像进行数据处理，得到相机的主点坐标。通过比对试验前后，摄像装置的主点坐标，检查光学机械结构与CCD焦面结构的相对位置有无发生变化。此方法的优点是测量精度高，缺点是对测量环境要求高，测量和数据处理过程复杂，只有专业人员才能完成，测量过程稍有差错，就只能重新开始，因而测量效率低，不便于在环境试验现场快速开展。

发明内容

本发明的目的是提供一种摄像装置环境试验稳定性的测试方法，解决了现有技术调整过程复杂以及对环境要求高从而导致工作效率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种摄像装置环境试验稳定性的检测方法，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1.安装一种摄像装置稳定性的检测装置，包括光学平台，光学平台上间隔安装剪切架I和剪切架II，剪切架I上放置PSD自准直仪，剪切架II上放置摄像装置，调整剪切架I和剪切架II的高度控制PSD自准直仪的光轴与摄像装置的光轴等高；

PSD自准直仪包括目标反射面、望远透镜组、光源、聚焦透镜、分光棱镜、汇聚透镜和PSD芯片，汇聚透镜的焦点处与光源之间安装有十字分划板，光源采用了中心波长为780nm的LED光源，调频驱动为1kHz频率方波；

步骤2.调整剪切架I和剪切架II的高度，使得PSD自准直仪的光轴与摄像装置的光轴等高，调整PSD自准直仪与摄像装置粗对准，保证PSD自准直仪的测量光束投射在摄像装置的前表面玻璃上并反射回被PSD自准直仪接收，PSD自准直仪会有提示音，并在显示屏幕显示偏差角度；然后，根据偏差角度通过调整方位微调旋钮和俯仰微调旋钮微调PSD自准直仪使得十字丝光标与屏幕中心十字线重合，偏差角度为零；

步骤3.摄像装置通电，拍摄PSD自准直仪发射的含有十字分划板的像的图像，按照一定判读算法计算十字分划板的像在图像中的位置；

步骤4.对比试验前后的十字分划板的像在图像中的位置，确定摄像装置光学机械结构与CCD焦面结构的相对位置变化，确定摄像装置在经历规定的环境试验后的稳定性，如果试验前后的相对位置差异大，则摄像装置稳定性差，如果试验前后的相对位置不变，则摄像装置稳定性好。

本发明的其他特点还在于，

步骤3中十字分划板的像在图像中的位置的判读过程如下：

步骤3.1使用加权质心算法寻找灰度最大值像元中心点的位置，如公式(1)和公式(2)所示：

式中，x_{i,j<\/sub>——图像第j行第i列的像素的x轴坐标；y_{i,j<\/sub>——图像第j行第i列的像素的y轴坐标；DN_{i,j<\/sub>——图像第j行第i列像素的灰度值；}}}

步骤3.2以灰度最大值像元的所在位置为中心，分别向上下左右四个方向扩展若干像元，提取包含十字分划板的像的正方形目标框；

步骤3.3针对目标框内的图像，使用Canny算子寻找十字分划板的图像边缘，首先，使用高斯滤波器平滑图像；其次，对平滑后的图像使用一阶偏导的有限差分计算梯度的幅值和方向；然后，对梯度幅值进行非极大值抑制；最后，使用双阈值算法检测和连接边缘；将十字分划板的图像边缘进行Hough变换，确定其中长度最长的两条线段；

步骤3.4计算两条线段的交点，即得到十字分划板的像的中心；具体计算过程如下：

设线段A的两点为(x1，y1)，(x2，y2)，线段B的两点为(x3，y3)，(x4，y4)，则A和B的直线方程分别为

y_{A<\/sub>＝k1*x_{A<\/sub>+b1 (3)}}

y_{B<\/sub>＝k2*x_{B<\/sub>+b2 (4)}}

式中：

k1＝(y2-y1)\/(x2-x1)

k2＝(y4-y3)\/(x4-x3)

联立公式(3)和公式(4)求得直线A和B交点的坐标为：

本发明的有益效果是，一种摄像装置环境试验稳定性的检测装置及方法，解决了现有技术调整过程复杂以及对环境要求高从而导致工作效率低的问题。利用PSD自准直仪的自准直原理，在PSD自准直仪光源聚焦透镜焦面处设置一个十字分划板，使投射光束与经摄像装置窗口玻璃反射的反射光束重合，由摄像装置拍摄PSD自准直仪发射的包含十字分划板像的图像，判读环境试验前后十字分划板像在图像中的位置，检查摄像装置光学机械结构与CCD焦面结构位置变化，从而来评价摄像装置的稳定性。

附图说明

图1是本发明的一种摄像装置环境试验稳定性的检测装置示意图；

图2是PSD自准直仪系统图；

图3是自准直仪测量显示界面；

图4是本发明的检测装置中十字分划板的像中心判读算法流程图；

图5是某摄像装置冲击试验前后十字分划板位置的对比结果；其中，(a)为测试前的十字分划板位置，(b)为测试后的十字分划板位置。

图中，1.光学平台，2.剪切架I，3.PSD自准直仪，4.方位微调旋钮，5.俯仰微调旋钮，6.摄像装置，7.剪切架II；

31.目标反射面，32.望远透镜组，33.光源，34.十字分划板，35.聚焦透镜，36.分光棱镜，37.汇聚透镜，38.PSD芯片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种摄像装置环境试验稳定性的检测装置，如图1所示，包括光学平台1，光学平台1上间隔安装剪切架I2和剪切架II7，剪切架I2上放置PSD自准直仪3，剪切架II7上放置摄像装置6，调整剪切架I2和剪切架II7的高度控制PSD自准直仪3的光轴与摄像装置6的光轴等高。

如图2所示，PSD自准直仪3包括目标反射面31、望远透镜组32、光源33、聚焦透镜35、分光棱镜36、汇聚透镜37和PSD芯片38，汇聚透镜37的焦点处与光源33之间安装有十字分划板34，光源33采用了中心波长为780nm的LED光源，调频驱动为1kHz频率方波。

本发明的一种摄像装置环境试验稳定性的检测方法，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1.安装一种摄像装置环境试验稳定性的检测装置，包括光学平台1，光学平台1上间隔安装剪切架I2和剪切架II7，剪切架I2上放置PSD自准直仪3，剪切架II7上放置摄像装置6，调整剪切架I2和剪切架II7的高度控制PSD自准直仪3的光轴与摄像装置6的光轴等高；

PSD自准直仪3包括目标反射面31、望远透镜组32、光源33、聚焦透镜35、分光棱镜36、汇聚透镜37和PSD芯片38，汇聚透镜37的焦点处与光源33之间安装有十字分划板34，光源33采用了中心波长为780nm的LED光源，调频驱动为1kHz频率方波；

步骤2.调整剪切架I2和剪切架II7的高度，使得PSD自准直仪3的光轴与摄像装置6的光轴等高，调整PSD自准直仪3与摄像装置6粗对准，保证PSD自准直仪3的测量光束投射在摄像装置6的前表面玻璃上并反射回被PSD自准直仪3接收，PSD自准直仪3会有提示音，并在显示屏幕显示偏差角度，如图3所示；然后，根据偏差角度通过调整方位微调旋钮4和俯仰微调旋钮5微调PSD自准直仪3使得十字丝光标与屏幕中心十字线重合，偏差角度为零；

步骤3.摄像装置6通电，拍摄PSD自准直仪3发射的含有十字分划板34的像的图像，按照一定判读算法计算十字分划板34的像在图像中的位置；

步骤4.对比试验前后的十字分划板34的像在图像中的位置，确定摄像装置6光学机械结构与CCD焦面结构的相对位置变化，确定摄像装置6在经历规定的环境试验后的稳定性，如果试验前后的相对位置差异大，则摄像装置6稳定性差，如果试验前后的相对位置不变，则摄像装置6稳定性好。。每次环境试验结束后，先调整PSD自准直仪3与摄像装置6的相对位置，满足上述步骤中的条件后，拍摄PSD自准直仪3发射的十字分划板34图像，再计算十字分划板34的像在图像中的位置。

因拍摄图像为几乎全黑背景，十字分划板像相对整辐图像来说所占像元数很少，不便于直接进行判读，步骤3中十字分划板34的像在图像中的位置的判读过程，如图4所示，具体过程如下：

步骤3.1使用加权质心算法寻找灰度最大值像元中心点的位置(x_{c<\/sub>,y_{c<\/sub>)，如公式(1)和公式(2)所示：}}

步骤3.2以灰度最大值像元的所在位置为中心，分别向上下左右四个方向扩展若干像元，提取包含十字分划板34的像的正方形目标框；

步骤3.3针对目标框内的图像，使用Canny算子寻找十字分划板34的图像边缘，将十字分划板34的图像边缘进行Hough变换，确定其中长度最长的两条线段；

Canny算法是数字图像处理技术中常用的图像边缘检测算法，包括以下过程：1)使用高斯滤波器平滑图像；2)对平滑后的图像使用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向；3)对梯度幅值进行非极大值抑制；4)使用双阈值算法检测和连接边缘。

Hough变换是数字图像处理技术中重要的检测间断点边界形状的算法，它通过将图像坐标空间变换到参数空间，来实现直线或曲线的拟合。因为期望检出的对象是直线，所以选择适用于直线坐标参数空间的Hough变换算法。

步骤3.4计算两条线段的交点，即得到十字分划板34的像的中心。

具体计算过程如下：

设线段A的两点为(x1，y1)，(x2，y2)，线段B的两点为(x3，y3)，(x4，y4)，则A和B的直线方程分别为

y_{A<\/sub>＝k1*X_{A<\/sub>+b1 (3)}}

y_{B<\/sub>＝k2*x_{B<\/sub>+b2 (4)}}

式中：

k1＝(y2-y1)\/(x2-x1)

k2＝(y4-y3)\/(x4-x3)

联立公式(3)和公式(4)求得直线A和B交点的坐标为：

x＝(b2-b1)\/(k1-k2)

y＝(k1*b2-k2*b1)\/(k1-k2)

本发明的一种摄像装置环境试验稳定性的检测装置中，采用了改进的PSD自准直仪3，在汇聚透镜37的焦点处，与光源66之间布置了十字分划板34，光源33采用了中心波长为780nm的LED光源，以1kHz频率方波调频驱动，用于后续信号处理电路中采用采样保持原理去除背景光和暗电流干扰；

信号处理部分完成电流\/电压信号的转换和放大，采用与LED光源同频的采样脉冲控制采样保持器工作，但采样保持脉冲与LED光源调制信号间设有一定延时，且其占空比为1∶3。采样保持脉冲的延时时间根据PSD自准直仪的器件的光电转换时间确定，只在信号的有效稳定阶段采样；占空比根据希望采集时长确定，信号周期与LED光源调频信号周期一致。PSD自准直仪输出的电学信号经减法电路去除背景光和暗电流信号影响，再经加减法电路和模拟除法器得到位置信号，通过模拟\/数字转换器的数字信号送微控制器，用LCD显示屏显示投射光束与反射光束间的角度偏差。

PSD自准直仪的主要技术参数如下：

1)测量范围：1000\

设计图

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