一种基于CMOS图像传感器的大视场角度测量装置的误差校正方法

　　1　引　言

　　近些年来,随着CMOS图像传感器像素数量的不断增加,提供了可在大视场角度测量上应用的可能性。由于CMOS传感器具有体积小以及不需要可动部件等优点,加上一个自准直光路即可实现一个超小型的角度测量装置。进一步借助CMOS的ROI (Region of interest)功能,辅以目标实时预测与跟踪的算法,可使测量速度远远超过采用面阵CCD的同类装置[1,2]。

　　本文针对一个基于高像素CMOS图像传感器的大视场角度测量仪器的实际设计,重点讨论了系统误差的校正方法,以便利用FPGA查表法来完成高速角度测量的任务。

　　2　角度测量的基本原理

　　角度测量装置所采用的是改进了的双分划板型自准直光路,如图1所示。

　　图1中,由于角度测量范围较大,因而选用了一个分辨率为3002×2210像素的CMOS图像芯片来作为传感器。为了保证测量精度,采用了发光面积和发散角都非常小的点光源。如图1所示,光源发出的光线经过分光镜及物镜后呈准直光出射,经被测摆镜反射后再次经过物镜和分光镜,并成像在CMOS传感器上。按照自准直角度测量光路的原理,当被测摆镜的角度有(αX,αZ)的变化时,反射镜上的入射光线和反射光线的夹角将随之改变,光源像点在CMOS传感器上相应地移动了(lX, lZ),依此可得出像点位移量和被测角度变化的规律:

　　在本装置中,由于光源像点覆盖CMOS传感器的像素很少,故可借助于CMOS图像传感器的ROI功能,只读出光源像点附近的图像数据,同时采用FPGA实时预测下一帧的读出窗口位置来跟踪光点的移动,并通过查询存储器中的校正数据表输出测量结果。这个闭环反馈的窗口控制过程如图2所示,可大大减少无用像素的输出以提高角度测量的实时性。

　　3　系统误差分析与校正方法

　　式(1)是没有考虑任何误差的理想计算公式,而在实际系统中,光学部件的装配误差和成像畸变都将对测量精度造成影响,尤其是本装置体积要求较小,无法加入调整机构。因此,本文将所有误差看成一个整体,用数字处理的方式对系统误差进行综合校正。

　　为了建立FPGA中的综合误差校正表,在本系统中意味着需要对高达3002×2210的像素点进行逐一标定,这样就带来了巨大的标定工作量。当然自然会考虑到采用若干抽样点的数据来插值或拟合得到整个量程的校正数据以缩短标定过程。由于插值或拟合基函数的选取将直接对精度带来影响,所以本系统中没有选用常见的分段线性插值或多项式拟合方法,而是根据式(1)的自准直测量原理所具有的固有规律,提出了引入装配误差和畸变后的测量模型,并依此模型研究了拟合算法以及具体的标定步骤。