本技術(shù)涉及光學(xué)像移補(bǔ)償，尤其涉及基于psd二維光學(xué)快速平動(dòng)像移補(bǔ)償。

背景技術(shù)：

1、長(zhǎng)焦距相機(jī)在機(jī)載或船載環(huán)境下成像時(shí),由于載體的姿態(tài)變化，大氣氣流擾動(dòng)及振動(dòng)等影響，曝光時(shí)刻的像會(huì)在焦平面上產(chǎn)生移動(dòng)，導(dǎo)致成像模糊，影響分辨率和目標(biāo)識(shí)別。在長(zhǎng)焦距，?ccd像元尺寸小，曝光時(shí)間長(zhǎng)的相機(jī)上尤明顯，通常航空攝影行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求曝光時(shí)刻像移量不大于1個(gè)像元。為解決這一問(wèn)題，長(zhǎng)焦距相機(jī)通常是采用外框架陀螺機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)粗補(bǔ)償,?再利用快速反射鏡(fsm)?高帶寬、響應(yīng)快的特點(diǎn)，對(duì)粗補(bǔ)償?shù)耐勇輾埐钸M(jìn)行精補(bǔ)償。

2、使用快速反射鏡(fsm)前提是長(zhǎng)焦距光學(xué)鏡頭在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)人為引出平行光路，這增加光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度,占用了結(jié)構(gòu)空間尺寸；同時(shí)快速反射鏡的無(wú)接觸式電渦流位置傳感器的探頭和信號(hào)處理板的尺寸很大，探頭信號(hào)傳輸用的同軸線纜也占用空間尺寸，且傳感器價(jià)格昂貴。

3、psd屬于光敏感電子元器件，響應(yīng)時(shí)間微秒級(jí)，位置分辨率小于1μm，位置精度也達(dá)到μm級(jí)，輸出的模擬信號(hào)可實(shí)現(xiàn)上百khz采樣頻率，且位置測(cè)量結(jié)果與光斑形狀無(wú)關(guān)，只與光斑重心位置有關(guān)，且成本低，被廣泛應(yīng)用在精密儀器測(cè)量中。但psd信號(hào)提取屬于弱信號(hào)提取，信號(hào)噪聲干擾多，對(duì)信號(hào)的提取放大、解算、濾波和標(biāo)定要求高，否則會(huì)導(dǎo)致位置測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有基于psd的光學(xué)像移補(bǔ)償系統(tǒng)的位置測(cè)量結(jié)果偏差較大的問(wèn)題，并可替代快速反射鏡（fsm）像移補(bǔ)償方式，提供了基于psd二維光學(xué)快速平動(dòng)像移補(bǔ)償方法、系統(tǒng)和設(shè)備。

2、本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明一方面，提供一種基于psd二維光學(xué)快速平動(dòng)像移補(bǔ)償方法，所述方法是基于無(wú)接觸光電位移測(cè)量裝置進(jìn)行平動(dòng)像移補(bǔ)償，所述無(wú)接觸光電位移測(cè)量裝置包括半導(dǎo)體激光器模組和一維psd器件；

3、一維psd器件的數(shù)量為2個(gè)，分別為x軸和y軸一維psd器件，設(shè)置在透鏡運(yùn)動(dòng)方向分別平行于x軸和y軸，不隨透鏡一起運(yùn)動(dòng)；

4、半導(dǎo)體激光器模組的數(shù)量為2個(gè)，分別與x、y軸的一維psd器件配合使用，隨透鏡一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)裝置處于靜止時(shí)，?2個(gè)半導(dǎo)體激光器模組發(fā)出的光束垂直照射到對(duì)應(yīng)一維psd器件的感光面中心位置；

5、所述方法具體包括：

6、步驟1、半導(dǎo)體激光器模組發(fā)出光束，垂直照射到對(duì)應(yīng)軸的一維psd器件感光面上，光斑在該軸一維psd器件上產(chǎn)生光電模擬信號(hào)；

7、步驟2、將光電模擬信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

8、步驟3、根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行位置解算、濾波和擬合修正，獲取最終的光斑位置信息；

9、步驟4、對(duì)外框架陀螺殘差值做積分運(yùn)算，把角速度之差轉(zhuǎn)換為角度差值，將角度差值轉(zhuǎn)換為弧度差值,然后乘以成像系統(tǒng)焦距值獲取需補(bǔ)償?shù)闹本€位移量；

10、步驟5、將某一軸的直線位移量作為給定值，該軸擬合后光斑位置信息作為反饋值，將反饋值與給定值實(shí)時(shí)進(jìn)行差值比較，根據(jù)差值正負(fù)與大小控制透鏡做沿x、y軸二維高速直線平動(dòng)運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償像移量,當(dāng)差值為零時(shí)像移量補(bǔ)償完畢透鏡停止運(yùn)動(dòng)。

11、進(jìn)一步地，步驟3中，所述位置解算具體包括：

12、對(duì)于某一軸的一維psd器件的光斑位置信息，通過(guò)相對(duì)該軸psd中心位置的光斑偏移位置得到的，計(jì)算公式為：

13、

14、其中，和是對(duì)應(yīng)軸一維psd兩端電極的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換的ad碼值，s為該軸psd器件有效感光面有效長(zhǎng)度一半，計(jì)算出的相對(duì)該軸psd中心位置的偏移量即為光斑位置信息。

15、進(jìn)一步地，步驟3中，對(duì)光斑位置信息進(jìn)行濾波處理，所述濾波具體包括：

16、利用iir低通濾波器重復(fù)迭代去除光斑位置信息中的高頻噪聲，迭代過(guò)程如下：

17、（1）

18、（2）

19、（3）

20、其中，是濾波系數(shù)，0<<1，是濾波后的位置信號(hào)，迭代計(jì)算用到的舊光斑位置值信息，計(jì)算是迭代用的新光斑位置值信息，迭代過(guò)程為公式（1）、（2）、（3）順序反復(fù)執(zhí)行。

21、進(jìn)一步地，步驟3中，所述擬合修正是濾波后的位置信號(hào)經(jīng)過(guò)高精度激光位置傳感器對(duì)n個(gè)位置標(biāo)定修正后生成的，具體為：

22、在透鏡上固定一個(gè)接收面與x、y軸的方向垂直的金屬立方體，該立方體與透鏡一起運(yùn)動(dòng)；

23、當(dāng)某一軸的音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)透鏡帶動(dòng)立方體移動(dòng)時(shí)，通過(guò)平行該軸放置的激光位置傳感器測(cè)量立方體的實(shí)際位移量，來(lái)修正并擬合psd解算的光斑位置信息，某一軸的整個(gè)行程范圍分成n等份，每等份的步長(zhǎng)為總行程除以n的距離，既每個(gè)行程依照光斑位置值依次走、、…,其中以位置為測(cè)量起始點(diǎn)零位，同時(shí)采集對(duì)應(yīng)的n個(gè)位置的高精度激光位置傳感器值、、…，獲得兩組數(shù)后，獲取擬合后最終生成的光斑位置信息。

24、進(jìn)一步地，步驟3中，所述擬合修正的公式為：

25、

26、其中，為擬合后最終生成的光斑位置信息，作為控制系統(tǒng)位置反饋使用，是濾波后的光斑位置信息，a、b和c是二項(xiàng)式擬合參數(shù)。

27、進(jìn)一步地，步驟4中，某一軸的直線位移量計(jì)算公式為：

28、

29、其中，為某一軸給定慣性空間角速度給定值，單位為°/s，為該軸的陀螺實(shí)際反饋角速度值，單位為°/s，為控制系統(tǒng)控制周期，為相機(jī)焦距長(zhǎng)度，57.3為角度弧度轉(zhuǎn)換系數(shù)。

30、進(jìn)一步地，一維psd器件感光面長(zhǎng)度不小于對(duì)應(yīng)軸上透鏡的有效行程。

31、第二方面，本發(fā)明提供一種基于psd的二維光學(xué)快速平動(dòng)像移補(bǔ)償系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括無(wú)接觸光電位移測(cè)量裝置、psd傳感器信號(hào)處理板、驅(qū)動(dòng)控制板和推挽音圈電機(jī)；

32、所述無(wú)接觸光電位移測(cè)量裝置包括半導(dǎo)體激光器模組和一維psd器件；

33、一維psd器件的數(shù)量為2個(gè)，分為x軸和y軸一維psd器件，設(shè)置在透鏡運(yùn)動(dòng)方向分別平行于x軸和y軸，不隨透鏡一起運(yùn)動(dòng)；

34、半導(dǎo)體激光器模組的數(shù)量為2個(gè)，分別與x、y軸的一維psd器件配合使用，隨透鏡一起運(yùn)動(dòng)，設(shè)置位置是當(dāng)裝置處于靜止時(shí)，使2個(gè)半導(dǎo)體激光器模組發(fā)出的光束垂直照射到對(duì)應(yīng)一維psd器件的感光面中心位置，光斑在psd上產(chǎn)生光電模擬信號(hào)，利用該信號(hào)可解算出光斑相對(duì)psd感光面中心位置信息；

35、psd傳感器信號(hào)處理板為2個(gè)，分為x軸和y軸的psd傳感器信號(hào)處理板，用于將x軸和y軸的光位置模擬信號(hào)放大，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至驅(qū)動(dòng)控制板；

36、驅(qū)動(dòng)控制板用于根據(jù)x軸和y軸轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行光斑位置解算、濾波和擬合修正，獲取最終x軸和y軸的光斑位置信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)推挽音圈電機(jī)帶動(dòng)透鏡做二維直線運(yùn)動(dòng)；

37、推挽音圈電機(jī)的數(shù)量為4個(gè)，其中x軸2個(gè)，y軸2個(gè)，以透鏡為中心設(shè)置在透鏡兩端，分別平行于透鏡x和y軸移動(dòng)方向。

38、第三方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)所述處理器運(yùn)行所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行如上文所述的一種基于psd的二維光學(xué)快速平動(dòng)像移補(bǔ)償方法的步驟。

39、第四方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有多條計(jì)算機(jī)指令，所述多條計(jì)算機(jī)指令用于使計(jì)算機(jī)執(zhí)行如上文所述的一種基于psd的二維光學(xué)快速平動(dòng)像移補(bǔ)償方法。

40、本發(fā)明的有益效果：

41、psd全稱position?sensitive?detector，即位置敏感探測(cè)器，是一種與光源組合使用，用于檢測(cè)光斑精確位置的光電器件，本發(fā)明原理是利用psd作為位置檢測(cè)元件，控制光學(xué)透鏡快速沿x，y軸二維直線平動(dòng)補(bǔ)償像移。當(dāng)長(zhǎng)焦距光學(xué)相機(jī)在機(jī)載或船載環(huán)境下成像時(shí),?由于相機(jī)曝光時(shí)載體的晃動(dòng)、風(fēng)的擾動(dòng)和載體振動(dòng)等影響，像會(huì)在焦平面上產(chǎn)生移動(dòng)導(dǎo)致成像模糊，在長(zhǎng)焦距或長(zhǎng)曝光時(shí)間下尤為明顯，解決方法通常是采用外框架陀螺機(jī)構(gòu)對(duì)x，y軸擾動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)粗補(bǔ)償,再利用快速反射鏡(fsm)對(duì)粗補(bǔ)償?shù)膞，y軸陀螺殘差進(jìn)行精補(bǔ)償。引入快速反射鏡需要光學(xué)鏡頭在設(shè)計(jì)時(shí)引出平行光路，增加光學(xué)設(shè)計(jì)難度,光路變復(fù)雜；同時(shí)快速反射鏡的無(wú)接觸式電渦流位置傳感器和信號(hào)處理板尺寸大，成本高。

42、本發(fā)明利用psd器件和半導(dǎo)體激光模組組合成無(wú)接觸位置傳感器，根據(jù)外框架陀螺殘差值，控制推挽音圈電機(jī)帶動(dòng)透鏡二維快速直線平動(dòng)補(bǔ)償像移的技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的快速反射鏡設(shè)計(jì)方法，它的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：1)?高速直線透鏡平動(dòng)運(yùn)動(dòng)代替反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，無(wú)需特別設(shè)計(jì)平行光路，光學(xué)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；2)psd位置傳感器代替電渦流傳感器，成本低尺寸小,整體結(jié)構(gòu)緊湊。

43、本發(fā)明適用于結(jié)構(gòu)尺寸要求嚴(yán)格，光學(xué)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的長(zhǎng)焦距光電成像設(shè)備的二級(jí)像移補(bǔ)償系統(tǒng)。由于載體振動(dòng)、大氣擾動(dòng)和姿態(tài)變化等擾動(dòng)影響，陀螺補(bǔ)償機(jī)構(gòu)不能完全補(bǔ)償擾動(dòng)引起的像移，需要引入二級(jí)像移補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)一步穩(wěn)像。