粒子加速器丝线位置测量电容传感器标定方法北大核心CSCD

在高能同步辐射光源中,为了提高磁铁的准直精度,采用磁中心代替机械中心进行磁铁标定,通过振动线或旋转线等技术获得磁铁的磁中心位置,以及通过电容式位移传感器测量得到丝线的位置,从而实现磁中心与准直靶标的关联。为了实现丝线位置的高精度测量,必须对电容传感器进行精确标定,因此介绍了一种电容式位移传感器,并对其标定方法进行了研究,提出了网格化的数据采集方式以及高阶多项式拟合的数据处理方法,搭建了传感器标定平台并开发了相应的标定控制程序,实现了对传感器的自动控制、数据采集和高精度标定过程。经过分析与对比,标定后的电容传感器达到μm级的位移测量精度,为磁铁的高精度准直提供了基础。     

一种用于波荡器磁中心高精度标定的磁靶标

波荡器磁中心轴的标定是保证自由电子激光装置波荡器安装准直精度的重要前提。介绍了一种利用磁靶标实现波荡器磁中心高精度标定的方法。设计制造了由若干块永磁块组合构成的磁靶标,其能产生一正一斜两个高梯度四极场。测出了两四极场垂直分量的零点位置分布并依此给出了磁靶标的具体使用方法。结果表明:标定后的波荡器磁中心在磁靶标坐标系中水平方向测量精度好于±20 μm,垂直方向测量精度好于±2 μm。     

基于参考靶标的线结构光传感器标定

为提高线结构光传感器(LSLS)的标定精度,提出了一种基于平面参考靶标的标定方法。给出了相机坐标系下参考靶标点中心坐标及激光平面方程的计算方法;将参考靶标点中心向激光平面投影,并以左下角投影点为原点建立世界坐标系,得到了靶标点中心像素坐标所对应的世界坐标;采用多项式拟合得到了任意像素点到世界坐标的转换关系,实现了传感器的标定,标定结果仅为多项式的系数,便于存储和使用;对标定误差进行了分析。结果表明,所提方法得到的各测试点与第一个点间距离误差的均方根值为0.0216 mm,相对于传统方法减少了22%,所提方法在LSLS高精度标定方面具有一定的优越性。     

基于视觉测量技术的控制力矩陀螺框架伺服系统标定研究

控制力矩陀螺作为航天器姿态控制的一个重要部分,对其输出力矩的速度及精度要求越来越高。目前,对于高精度的框架控制性能进行标定和验证,大都是依靠控制力矩陀螺自身角度位置传感器进行评价,精度存在一定的误差。针对这种情况,设计了一种独立于控制力矩陀螺的视觉测量标定方式。在力矩陀螺上安装6个测量靶标,靶标在相机成像平面上呈现出由离散点组成的圆弧,对标志点中心进行定位,获得高精度像元提取精度,进一步处理得到二维像点坐标,拟合出圆心和半径;根据相片上像点位置及时间信息,计算得出控制力矩陀螺在不同时刻的角速度。采用快速傅里叶变换对角度信息进行处理,得到频率和相应的幅值,根据幅值计算框架绝对稳定度及相对稳定度,最后对框架角速度控制精度和角速度稳定度进行分析。试验表明,角速度绝对稳定度不低于0.02,相对稳定度不低于0.7%,且随着角度的增大稳定度逐渐提高;角位置测量精度经过实验验证可以达到1″,满足控制力矩陀螺高精度标定要求。     

基于方向性靶标和多约束优化的双目相机标定

提出了一种基于方向性靶标和多约束优化的双目相机标定方法。新型方向性平面靶标能够判断靶标的旋转方向,并对每个标定角点进行编码,以保证双目相机在拍摄到局部靶标的情况下依然能够完成同名点匹配,进而完成双目相机标定。根据方向性靶标建立双目相机标定模型,引入用于描述平面靶标姿态的天顶角和方位角,通过天顶角和方位角筛选出在不同位置上的靶标姿态均具有明显差异的图像作为标定图像,这提高了双目标定结果的稳定性;结合靶标的三维几何信息,建立了多维度约束的双目参数优化模型,提高了双目标定结果的精度。实验结果表明,与传统的张氏标定方法相比,所提出的标定方法能够有效提高所获得的标定结果的稳定性和精度;通过对标准量块进行多次测量,进一步验证了所提方法的有效性。     

成像系统倍率高精度测量技术研究

针对目前尚无高精度通用倍率测量方法与装置的问题,提出了基于双光纤点衍射干涉仪的成像系统倍率高精度测量方法。通过分析双点光源间距、CCD相机空间位置与点衍射干涉场相位Zernike多项式系数之间的定量关系,得到物面光纤间距和像面光纤像点间距的纳米级精度测量值,进而完成对倍率的高精度测量。分别进行仿真分析和实验验证,证明了所提测量方法的可行性和稳定性。结果表明,倍率测量的扩展不确定度为2.64×10-6。所提出的成像系统倍率高精度测量方法具有测量精度高和测量效率高的特点,且具备高可靠性,可以用于显微物镜、光刻投影物镜等高精度成像系统倍率的超高精度测量。     

一种红外与可见光融合的“双双目”立体视觉系统的标定方法研究

针对红外相机与可见光相机联合标定的问题,利用不同物体红外辐出度的差异,设计了可同时应用于红外相机与可见光相机标定的平面靶标。利用"最大稳定极值区域"(MSER)算法,检测靶标的镂空深色区域。为克服图像可能存在较大畸变的问题,通过相邻最大稳定极值区域质心的位置关系预估角点所在位置,在预估位置内进行角点检测,提取用于标定的亚像素角点位置。结果表明:新型靶标及相应的角点提取方法能够同时满足于红外相机与可见光相机内外参数标定的需要。通过红外与可见光"双双目"立体视觉系统的融合重构效果可看出,提供的标定数据能够满足系统需求。     

用于相机标定的球靶标投影误差分析与校正

由于球体具有轮廓连续性好等优点,在摄像机标定,尤其是多相机标定方面获得了广泛的应用。利用球作为标定靶标可以弥补平面靶标在多相机标定中出现视角过大时畸变太大甚至于观测不到的不足,但是空间球经透视投影后成像一般并非标准圆,而是一个椭圆。椭圆几何中心与球心真实成像中心并不一致,从而影响了标定精度。造成球心成像误差的因素主要有两个,即球的相对大小及相对于相机的位置。通过分析空间球成像模型,仿真研究了各因素对球心成像误差影响的大小,寻找球心的透视投影像点与其成像椭圆几何中心之间的误差变化规律,并建立了两者之间的误差校正模型,最后通过实验验证了该校正模型的可行性和有效性。通过校正,球心投影像点定位精度可达到亚像素级。     

摄像机的一种主动视觉标定方法

提出了一种快速高精度的摄像机主动视觉标定方法,建立了摄像机模型并详细分析了其各项参数的求解算法。标定时,令摄像机作一组二维的平移运动,采集圆孔靶标件的图像并计算圆心的像点坐标,同时记录摄像机的移动距离,得到标定所需的特征点。利用这些特征点计算摄像机标定参数,标定精度可达到0.005 mm。利用该方法定制的标定模块实现了摄像机的自动标定。该方法对摄像机运动的限制条件较少,并基本实现了摄像机模型参数的线性求解,为主动视觉系统的摄像机标定提供了一种有效的解决方案。     

面向大视场视觉测量的摄像机标定技术

提出了一种面向大视场高精度视觉测量的摄像机标定新方法,该方法采用亮度自适应的单个红外发光二极管(IR-LED)作为目标靶点,将该靶点固定在三坐标测量机的测头上,并依次精确移动至预先设定的空间位置,每次靶点到达设定的空间位置时,摄像机对靶点进行图像采集。利用三坐标测量机的精确位移,在三维空间构成一个虚拟立体靶标。针对虚拟立体靶标在大视场摄像机标定中只能覆盖一小部分标定空间的问题,通过自由移动摄像机在多个方位对虚拟立体靶标进行拍摄,使得多个虚拟立体靶标分布于整个标定空间。摄像机在每个方位对虚拟立体靶标的拍摄都标定出一组摄像机的内、外参数,然后以摄像机内参数和摄像机在各个方位下拍摄的虚拟立体靶标在摄像机坐标系下的位置及姿态参数为优化变量,建立以所有三维靶点位置重投影误差平方和为最小的目标函数,采用非线性优化方法求解摄像机标定参数的最优解。该方法较好地解决了大视场视觉测量中大尺寸靶标加工困难、摄像机标定精度难以保证的问题。仿真和实际标定实验均证明此方法可以有效提高大视场摄像机的标定精度。     

神光-Ⅲ诊断包瞄准指示器光学系统的设计和研究

介绍采用瞄准指示器提高诊断包瞄准精度的方法。基于高斯光束薄透镜变换原理分析由单模光纤耦合输出的激光经过瞄准指示器的光学系统后的传输特性,提出近轴放大率是影响瞄准指示器像方光斑大小的主要因素。设计一个以光纤耦合输出激光为光源,工作波长为635nm,总长小于100mm,瞄准距离（600～1500）mm,在靶心处相应光斑大小为（46.2～71.9）μm的神光-Ⅲ诊断包瞄准指示器光学系统。该激光光学系统采用3片普通光学玻璃,其中固定组由正负分离的2片玻璃组成,变焦组为单片负透镜。最后利用点扩散函数和波像差进行质量评价,结果表明该光学系统设计指标达到技术要求。     

基于光谱密度的差分吸收光谱法气体测量系统的校准研究

差分吸收光谱法(DOAS)是基于朗伯比尔定律的光谱法测量气体的重要方法,按此原理建立的测量系统是测量痕量气体的主要方法。用于测量痕量气体的DOAS系统的关键是其检出限的校准,传统的方法是使用标准气体进行校准。但是由于标准气体自身的量值确定问题,在ppb甚至ppt级的不确定度大于10%,而一般的ppt级的DOAS测量系统本身的不确定度也会高于标准气体,导致传统方法失效。提出一种基于光谱密度的DOAS系统校准方法,利用朗伯比尔定律将DOAS系统的检出限和光谱密度建立关系。由于光谱密度作为光学量值可以测量到10-6甚至更高,所以通过该方法可以实现DOAS系统在ppb乃至ppt级的校准。本方法需要根据待校准的测量系统光学结构的基本参数计算其总的标准光学密度值,然后把标准光学密度片放入测量系统光程中,测得其光学密度值,根据前后两次光学密度计算测量系统的测量偏差,进而分析计算测量系统的标准不确定度和标定的扩展不确定度,所得到的标定的扩展不确定度即为测量系统的检出限。该方法完全基于光学测量,不需引入标准气体评估,基于光学密度的精密测量和测量系统光学结构的装调误差,实现测量系统在较小不确定度水平上的标定,提高检出限标定的精度。本方法在开放光程式的DOAS系统上进行了实验验证。     

基于光学参考棒的立体视觉测量系统现场标定技术

为实现大空间复杂工件的准确测量,精确标定立体视觉系统变得越来越重要。为了克服传统立体摄像机标定过程繁复、户外实现困难的弱点,提出了一种基于光学参考棒的灵活、有效的立体视觉测量系统标定技术。参考棒水平和深度方向各有三个距离已知的红外LED作为特征点。通过在测量范围内的不同位置和方位移动光学参考棒,两像机同时捕获参考棒上特征点的图像。基于匹配的特征像点以及对极线约束,利用线性算法和Levenberg-Marquardt(LM)迭代算法快速地标定立体视觉测量系统。两像机之间平移量的比例因子由参考棒上特征点间的已知距离确定。参量标定过程中,自动地控制光强,优化曝光时间,使不同位置处光点图像的强度均一致,可以获得高的信噪比,提高标定精度。实验结果表明,该方法灵活、有效,在线标定能达到很高的精度,将现场标定过程应用到实际的大空间三维测量系统中,测量最大误差为0.18 mm。     

红外耦合光学系统设计

红外目标模拟器由红外目标图像发生器和投影光学系统组成。该红外光学系统是一个要求与2个导引光学系统的光学技术参数相匹配的长焦距、大视场和具有像方远心光路的中红外光学系统。叙述用于红外目标模拟器的红外耦合光学系统的设计原理，提出它与导引光学系统一起可组成放大倍率M=4.5×的红外投影光学系统，并指出IR CRT产生的图像通过红外投影光学系统可成像在导引接收器上。针对给出的红外耦合光学系统的设计特点和技术要求，光学材料选取硅（Si） 锗（Ge） 硅（Si），采用简单的柯克三片式结构完成光学系统设计。设计评价结果表明，该系统的光学性能和成像质量均满足设计指标要求。     

大偏离度非球面检测畸变校正方法

在高数值孔径(NA)投影光刻物镜中,随着数值孔径的增加,非球面的偏离度越来越大。对这种大偏离度非球面进行亚纳米量级的检测,一直是光学检测的一大难题。本文首先对一偏离度超过500μm的偶次高次非球面进行了计算全息图(Computer-Generated Hologram,CGH)设计,设计出了满足高精度面形检测和刻蚀加工要求的CGH。然后,针对此设计方案,定量分析了CGH的成像畸变及畸变对像差分析的影响。分析结果表明,不同径向位置的成像倍率偏差(畸变)最大达到了2.7∶1,并且由于畸变的存在,低阶像差衍生出了明显的高阶像差。最后,针对用CGH检测大偏离度非球面时出现的成像畸变,提出了采用光线追迹与最小二乘法相结合的成像畸变的校正方法,并通过实验验证了此方法的准确性。实验结果表明,畸变校正之后相对剩余残差小于0.2%,可以满足高精度非球面检测加工的要求。     

光通信系统中分光系统光学调整的误差分析

在平行光路中,光学系统的光学元件的误差或微量运动可抽象为绕定点的微量转动,其成像关系可归结为在微量转动下物像共轭关系的依次迭代,利用光学系统这种动态成像关系的思想,建立一个统一的光学调整及误差分析的数学模型。利用此模型分析光通信系统中分光系统的机械安装误差对系统的影响,建立每个反射镜的机械调整坐标,从理论上指导分光系统中每个反射镜的机械调整,最终使通信激光发射系统和精信标激光接收系统的光轴平行度达到5。     

激光核聚变诊断设备双光束交汇瞄准技术研究

 针对惯性约束激光核聚变诊断设备的精确安装瞄准问题,提出一种新的基于双光束交汇瞄准系统。瞄准指示光学系统采用里斯特显微物镜结构,物像距为180mm,放大倍率为10倍,数值孔径为0.25。机械结构设计采用二维指向可调、沿瞄准指示光学系统光轴可以移动的三维调整机构。系统整体占用空间锥角为28°,小于设计要求极限30°。分析了系统的瞄准误差,结果表明该系统的瞄准精度可达到25μm。该系统瞄准精度有望在激光核聚变靶室得到广泛应用。     

光学标校技术在舰炮武器系统中的应用研究

为了解决舰炮武器系统瞄星标校受天气影响较大的问题,针对雷达（光电）与舰炮一体化的武器系统,提出了一种不需要参照物的光学标校方法。该方法用激光束将炮管轴线引出,通过不失调光学组件进行平行移动并进入雷达（光电）接收窗口,从而获得雷达（光电系统）轴线与炮管轴线的角度差并进行标校。测试与试验结果表明,该方法具有操作简便、效率高、适时性强、标校误差不大于0.5 mrad等特点,与描星方法标校相比,受天气、环境因素影响较小,对充分发挥舰炮武器系统的作战效能具有显著作用。     

主焦点式光学系统的光机结构设计与装调检测

针对应用在极轴式望远镜中的主焦点式光学系统,从主镜的支撑设计与分析、主镜的装调检测、校正镜组件的设计装调和系统的装调检测等方面进行了深入的研究.充分应用了有限元法分析主镜的支撑、定心仪检测光轴的同轴度、平行光管检测系统像质等,得出了主焦点式光学系统的一般装调检测方法.装调后的主镜面形检测结果均方根值达到0.042 8λ,校正镜组的光轴同轴误差达到12.4″.对系统的像质评价采用能量集中度法,成像在靶面上的星点80%能力集中度在24 μm×24 μm范围以内,达到设计指标要求,说明系统结构设计合理,装调检测方法可行.该方法和思路可推广至其他主焦点式光学系统的装调检测工作.     

基于矢量波像差理论的两反光学系统装调研究

 为了实现对两反光学系统的精密装调,提出一种基于矢量波像差理论和波像差检测技术对失调量精确求解的装调方法。使用矢量波像差理论,将已设计的两反光学系统参数、失调量和失调光学系统的波像差之间建立方程;然后通过干涉测量法得到某一个视场的干涉图,利用条纹分析软件得到表征失调系统三阶彗差和三阶像散的泽尼克项系数,将泽尼克项系数代入方程从而求解出失调量。运用此方法对4 m口径RITCHEY-CHR-TIEN结构的天文望远镜进行模拟装调,最终求解的失调量与引入的失调量结果相互吻合,说明该装调方法正确。