[发明专利]基于视觉定位的相位干涉仪静态标校方法

权利要求书

1.一种基于视觉定位的相位干涉仪静态标校方法，其特征在于：包括如下步骤,

S1,构建静态标校环境，首先，在外场条件下构建标校环境，放置三维重建特征板和定位特征点，连接相机、信号源、控制计算机；再连接控制计算机与待测相位干涉仪测向设备；

S2,视觉重建三维坐标，首先，使用相机拍摄相位干涉仪阵列若干张不同角度的照片和/或视频，照片和/或视频包含特征板和定位特征点；然后，基于计算机视觉算法，自动重建在外场环境下的载具平台上的相位干涉仪阵列的三维坐标；

S3，在重建的三维空间中计算出干涉仪阵列基线的中垂面，包含待标定的法线；

S4，通过视觉定位算法，动态指示当前相机拍摄位与中垂面的夹角，通过标校推车来引导修正拍摄位到0°，从而完成相位干涉仪天线阵列的法线OS的对准；

S5，在控制计算机的自动控制下，在法线位置的标校推车上信号源辐射标校信号，与待测相位干涉仪测向设备各天线获取的相位差比对，自动产生相位标校表，从而完成静态标校。

2.根据权利要求1所述的基于视觉定位的相位干涉仪静态标校方法，其特征在于：借助于标校设备包括相机、特征板、信号源、控制计算机；

控制计算机电连接相机、信号源；在相位干涉仪天线阵列上设置有定位特征点；

特征板采用黑白相间的棋盘格，放置在相位干涉仪天线阵列附近，棋盘格的面积由相机的标校距离决定，棋盘格的每格的间距d已知，用于视觉重建三维空间与相机定位；

定位特征点放置在天线阵列表面，用于计算视觉定位载具平台上天线阵列的基线；

相机采用数码相机；信号源使用通用微波信号源；

控制计算机，安装有视觉定位处理和自动标校软件的处理中心，用于与相机的交互，实时获取相机拍摄的照片来重建三维坐标，同时动态计算当前相机位置、相机与天线基线角度误差，指示对准修正方向；控制计算机完成与相位干涉仪测向设备的交联，控制微波的信号源工作，自动计算产生全频段的相位校准表；

相机、信号源、控制计算机集成在带小轮的标校推车上。

3.根据权利要求1所述的基于视觉定位的相位干涉仪静态标校方法，其特征在于：其中，在S2中，执行有S2.1，相机在设定的P₁位置拍摄的图像，并完整拍摄到预先放置在相位干涉仪测向天线阵处的特征板和特征点；由于特征板和定位特征点均采用明暗相间的棋盘格，通过棋盘格角点检测算法来检测特征板与定位特征点上所有特征角点，求出角点在图像中的二维坐标，并按照从左到右从上到下的顺序排列，以保证同一角点在不同图像中的索引一致；其中，索引一致的角点称为配对点；

S2.2，进行特征板三维坐标初始化步骤；

首先，设在特征板上的左上角第一个交叉角点，为世界坐标系原点0(0，0，0)，且特征板定义在XOY平面，其中，角点间距d已知，则第m行第n列的角点在世界坐标系中的坐标为[(n-1)·d，(m-1)·d，0]，从而确定出三维重建特征板上所有角点在世界坐标系下的三维空间坐标；

S2.3，计算相机位姿，首先，当相机从P₁点进行拍摄时，认为相机的坐标系(P₁-x₁y₁z₁)相对于世界坐标系(O-XYZ)发生了刚体运动；然后，根据三维空间刚体运动原理，两个坐标系之间的运动定为一个旋转加上一个平移组成，三维重建特征板角点N，在世界坐标系下的三维坐标是已知的，记为N＝[X，Y，Z]^T；在P₁相机坐标系(P₁-x₁y₁z₁)下，记为N₁＝[x_n1，y_n1，z_n1]^T；

则N₁的坐标为：N₁＝RN+t；

其中，R为3×3的旋转矩阵，t为3×1的平移矩阵，R和t即为相机的位置和姿态，即相机位姿；其次，定义增广矩阵[R|t]为一个3×4矩阵，则列式①：

相机位姿[R|t]是未知的，通过拍摄到的三维重建板上的角点图像来确定P₁点相机的位姿[R|t]，N在P₁中成像为n₁，设n₁的二维坐标为n₁＝[u_n1，v_n1]^T；

再次，相机采用针孔相机模型，若f为相机的焦距。则有：

即z_n1n₁＝KN₁；

其中，K为相机的内参数矩阵，是所有图像的预设系数；

由式②可得：

之后，将该式③代入式①展开后得到两个约束：

其中，待求的P₁点相机位姿增广矩阵[R|t]共有12维，相机内参K和三维重建特征板上角点的三维坐标(X，Y，Z)已知，因此提供式④约束，则6个特征角点即可对矩阵[R|t]求解，多于6个点时使用SVD方法求方程最小二乘解；

再后，在求解出旋转矩阵R和平移矩阵t后，确定相机在P₁点拍摄时的位置和姿态。紧接着，用相同方法确定后续所有拍摄点(pn，n＝2，3，4…)上相机的位置和姿态；

S2.4，定位特征点三维坐标计算，在S2.3确定了P₁和P₂两个拍摄点相机的位姿后，通过三角测量的方式确定空间所有定位特征点三维坐标；首先，取定位特征点A，a₁和a₂是相机在P₁和P₂位置拍摄到的图像中，该定位特征点的像素坐标；然后，射线P₁A上的所有点投影到同一个像素点a₁，当不知道A的空间位置，则射线P₂a₂与射线P₁a₁相交于A点，推断A的空间位置，实现定位特征点的三维重建；

S2.5，当图像求最小二乘解时误差大于设定阈值，执行集束调整；在计算得到的A点坐标，投影到相机P_i中得到二维坐标为a_i，由于A点在图像中实际成像坐标为a′_i，当a_i与a′_i不重合时，a_i与a′_i两个点的距离称为重投影误差，集束调整通过调整相机位姿与A点坐标，使所有图像的重投影误差最小；当图像数量M达到10时得到所需结果。

4.根据权利要求1所述的基于视觉定位的相位干涉仪静态标校方法，其特征在于：在S3-S4中，视觉定位引导对准；

在S3中，进行干涉仪天线阵中垂面测定，求得所有定位特征点三维坐标后，利用这些点在空间中拟合一条直线l，并求与该直线垂直的平面，该平面即为相位干涉仪天线阵的中垂面，设中垂面与直线l交于点C；

在S4中，标校位偏差动态引导对准，首先，相机位姿中t认为是当前拍摄位置相机中心P在空间中的坐标，已知点P与点C的坐标，则通过点P与点C的坐标两者相减，求得相机中心P与点C连线的方向向量t_pc，当前标校位，即是当前拍摄位置，其与中垂面夹角即为向量t_pc与中垂面的夹角，记为θ，则

然后，当有偏移角θ后，通过偏移角的大小和正负符号指示，来动态的调整当前相机位置，拍摄位＝标校位，直到偏移角θ＜±δ对准精度，即完成了相位干涉仪天线阵列法线测定和对准。