摘　要：根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和CCD圖像分析測(cè)量原理，介紹了對(duì)FAST饋源艙多個(gè)位置和姿態(tài)的靜態(tài)定標(biāo)，以及對(duì)艙體特征點(diǎn)的圖形坐標(biāo)的攝取。推導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)中所需饋源艙的空間坐標(biāo)變換矩陣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)饋源艙的動(dòng)態(tài)跟蹤，并為艙體的閉環(huán)控制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺(jué) CCD圖像分析 靜態(tài)定標(biāo) 動(dòng)態(tài)跟蹤

        作為國(guó)際新一代大射電望遠(yuǎn)鏡(LT)陣計(jì)劃的第一步，擬在我國(guó)先行實(shí)施一項(xiàng)FAST(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope)項(xiàng)目工程。目前國(guó)際上正在更新的 Arecibo 系統(tǒng)難以滿足 LT 基本單元的要求：低造價(jià)、大天空覆蓋、寬帶以及偏振觀測(cè)。全球最大的射電望遠(yuǎn)鏡是位于美國(guó)波多里格的 Arecibo305m 口徑天線，但它具有天空覆蓋小(天頂掃描角僅20°)的嚴(yán)重缺陷，以及造價(jià)太高、跟蹤精度低的不足。FAST項(xiàng)目計(jì)劃利用我國(guó)某地獨(dú)一無(wú)二的喀斯特(Karst)洼地，鋪設(shè)主天線的球面望遠(yuǎn)鏡，建造口徑為500m的射電望遠(yuǎn)鏡。這種射電望遠(yuǎn)鏡取消了主反射面的運(yùn)動(dòng)，改用饋源移動(dòng)跟蹤目標(biāo)，基本不受重力形變的影響，可把主反射面建造得很大[1]。

        對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的饋源艙實(shí)施閉環(huán)控制的前提條件是已知饋源艙的位置及姿態(tài)，故需對(duì)饋源艙進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，以取得相關(guān)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和CCD圖像分析測(cè)量原理，詳細(xì)介紹了對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械酿佋磁撨M(jìn)行靜態(tài)定標(biāo)與動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量的原理及方法。
1 CCD測(cè)量系統(tǒng)

        結(jié)合課題情況，可考慮使用的測(cè)量方法有以下四種：(1)GPS定位系統(tǒng)：測(cè)量范圍大，差分處理后的測(cè)量精度較高，不足是測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)[2]。(2)無(wú)線電定位：受環(huán)境影響小，測(cè)量范圍大，可在較惡劣的環(huán)境中工作。但測(cè)量成本較高，且無(wú)線電信號(hào)會(huì)影響射電天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙信號(hào)的接收[3]。(3)激光全站儀：測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高、采樣周期高。但系統(tǒng)的采樣間隔具有不穩(wěn)定性、時(shí)延性與較低的動(dòng)態(tài)精度(3mm)，這給控制帶來(lái)較大難度。另外受環(huán)境影響較大，在降雨和大風(fēng)揚(yáng)塵等較惡劣的環(huán)境下，測(cè)量精度會(huì)受影響，且價(jià)格很高(一臺(tái) Leica 大約價(jià)值18萬(wàn)元)。(4)CCD三維測(cè)量系統(tǒng)：成本低，測(cè)量范圍較小時(shí)測(cè)量精度較高。但由于測(cè)量數(shù)據(jù)量大，動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)。另外環(huán)境因素對(duì)測(cè)量精度的影響也較大，夜間工作有一定限制。

        根據(jù)實(shí)際情況以及順利實(shí)現(xiàn)測(cè)量的目的，測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有快速測(cè)量、自動(dòng)跟蹤和成本低的特點(diǎn)。而CCD三維測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足要求。CCD器件是一種固體化器件，體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)；圖像畸變小，尺寸重現(xiàn)性好；具有較高的定位精度和測(cè)量精度；輸出信號(hào)易于數(shù)字化處理，易與計(jì)算機(jī)連接組成實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量控制系統(tǒng)，便于擴(kuò)大應(yīng)用功能和使用范圍[4]。

        CCD圖像分析測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

2 測(cè)量原理與方法

        CCD三維測(cè)量系統(tǒng)的組成元件主要有CCD攝像機(jī)(MTV-1881EX、795x596)、圖像卡(大恒 CG210)、計(jì)算機(jī)和視頻線等。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理是：測(cè)量對(duì)象在CCD攝像機(jī)的測(cè)量范圍內(nèi)沿任意方向運(yùn)動(dòng)，CCD攝像機(jī)從三個(gè)不同的角度對(duì)測(cè)量對(duì)象的特征點(diǎn)進(jìn)行攝像，生成被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)； 通過(guò)圖像卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸送給控制計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)調(diào)用執(zhí)行文件，根據(jù)一定算法計(jì)算被測(cè)目標(biāo)的世界坐標(biāo)，由此確定對(duì)象的位置與姿態(tài)。

        50m實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械酿佋磁撚闪飨蛏侠�，并分別通過(guò)六座鋼筋水泥塔與地面的卷?yè)P(yáng)機(jī)相連。其中三根索均布接在艙體頂部，另三根索均布接在艙體底圓上。取下拉索與艙體的絞合點(diǎn)(索耳中心)為特征點(diǎn)，這樣共有三個(gè)特征點(diǎn)a、b、c，三部CCD攝像機(jī)按照π／3間隔放置，結(jié)構(gòu)分布如見(jiàn)圖2。

        令Pi是待測(cè)特征點(diǎn)，則其世界坐標(biāo)與其在攝像機(jī)中的投影坐標(biāo)的關(guān)系式為：

        其中R、H分別是空間旋轉(zhuǎn)和平移變換矩陣。

&n