双目视觉测量系统特征点提取与匹配技术研究

自主研发了一种光笔式双目立体视觉大工件尺寸测量系统,对测量系统中特征点的提取及其匹配技术进行了研究。测量系统采用 Canny 算子和 Zernike 矩相结合的算法实现椭圆光斑的亚像素边缘提取,根据得到的亚像素边缘点,采用基于最小二乘的曲线拟合法得到椭圆光斑的中心坐标。针对特征点的匹配问题,提出了一种基于位置约束的快速匹配方法。实验结果显示:所提方法能提取到椭圆光斑亚像素边缘,可精确计算出椭圆光斑中心坐标,匹配率达到95%以上。     

LAMOST光纤单元位置匹配问题研究

为了使LAMOST(大天区多目标光纤光谱天文望远镜)能够准确运转,需要对焦面板上光纤的位置进行检测和标定。在这一过程中,还需要对由前照法拍摄后所提取的光斑位置与单元实际位置进行匹配。在研究位置匹配的过程中,提出了一种经改进的以背照法[1]中的匹配方法为基础的新型匹配方法——最小值匹配法,有效地解决了原匹配方法在前照法检测过程中光斑数量众多、位置随机、计算量大等问题。实验证明,最小值匹配法的匹配正确率可满足LAMOST的使用需要。     

无衍射光莫尔条纹的中心定位方法

无衍射光莫尔条纹被广泛应用在精密测量领域中，实现无衍射光莫尔条纹中心的精确定位是高精度测量的关键。通过对无衍射光莫尔条纹图像特征进行分析，提出了一种无衍射光莫尔条纹的中心定位方法。该方法首先根据光强分布特征，提取莫尔条纹图像中两光斑中心局部同心圆区域；然后进行局部同心圆环检测，确定初始圆心集；再对初始圆心集进行聚类分析确定两光斑中心的初始位置；最后删除异常点并迭代求取两光斑中心较精确的位置，实现无衍射光莫尔条纹两光斑中心的定位目的。理论和实验结果表明该方法能快速、准确地同时确定两光斑中心位置，且误差小于1 pixel。     

中阶梯光栅光谱仪信号光斑位置的质心提取算法

中阶梯光栅光谱仪二维谱图中,信号光斑位置的提取精度直接影响光谱分析精度,是中阶梯光栅光谱仪研制中的关键问题之一。为保证中阶梯光栅光谱仪的高分辨率特征(其分辨率一般为几千以上,本仪器光谱分辨率为15 000),信号光斑的位置提取误差应小于0.03mm(小于2个像素)。在分析中阶梯光栅光谱仪谱图特征的基础上,提出了一种基于质心法的信号光斑位置提取算法,即通过搜索信号光斑探测窗口进行光斑判读以及信号光斑质心计算,实现了信号光斑位置的精确读取。实验结果表明,采用该算法可以有效地去除噪声光斑的干扰,实现信号光斑位置的快速精确读取,位置提取误差小于2个像素,波长误差小于0.02nm,满足本仪器要求。     

LAMOST光纤定位单元定位精度检测技术研究

对 L AMOST光纤定位系统光纤定位单元提出了单元定位精度非接触检测的装置。检测装置采用面阵CCD传感器 ,通过检测光纤端部出射光斑的特征点以表征定位单元上光纤端部位置。检测算法采用灰度加权平均法 ,可以达到亚像素级的检测精度。介绍了提高检测精度的主要措施 ,装置选用白光照明 ,对所采集的图像采用多次平均的方法 ,提高了装置的稳定性。     

一种新的红外成像末制导目标跟踪方法

为了稳定跟踪导弹末制导阶段的红外目标,提出了一种基于尺度不变特征变换的红外目标跟踪算法.尺度不变性特征变换所提取的图像纹理特征具有尺度和旋转不变性,跟踪算法分别提取目标模板和待跟踪图像的尺度不变特征变换特征.根据最小欧氏距离准则提取目标模板与待跟踪图像间相匹配的尺度不变特征变换特征点对,利用该特征点对拟合反映两图像间映射关系的仿射模型,并据此估计目标中心位置及调整目标模板尺寸.仿真结果表明,跟踪算法能够较好地实现在导弹末制导阶段对红外地面杂波背景下目标的稳定跟踪,其跟踪准确度和稳定度优于传统方法.
关键词:末制导跟踪|尺度不变性特征变换|特征匹配|仿射模型     

基于光纤阵列的激光光斑测量方法

提出一种基于光纤阵列的激光光斑时空分布测量方法,采用在多层石英平板上制作V型槽并层叠石英光纤阵列的方法,获得了具有较高抗激光损伤能力和空间分辨力的光纤阵列取样器,实现了激光光斑的空间分布取样。给出了光纤阵列的取样原理、取样器结构和大倍数光强衰减的设计。实验结果表明:光纤阵列抗激光损伤能力优于10 kW/cm2(50 s),系统空间分辨力优于3 mm,测量误差小于3%。     

光电成像探测中目标方位测量方法

为了在光电成像探测目标的同时给出目标相对探测器的方位信息,探讨了一种基于单目视觉的运动目标方位测量方法。根据投射成像原理,推算出二维目标像点坐标与目标的空间三维位置之间的映射关系,建立了单目视觉测量目标方位的数学模型。结合帧间差分法和KLT方法检测静止背景下和变化背景下的运动目标,并对目标特征点进行亚像素定位。试验和仿真结果分析表明,该方法能够有效提取目标的特征点,可对目标较为准确地定位,并通过单目视觉测量出目标方位信息,误差控制在8%的范围内。     

基于双远心镜头的空间分辨PDV探头研制

为了在材料动力学实验和结构响应研究中实现对平面靶约5 mm范围内多点速度的同时测量,基于光纤密排阵列和双远心镜头研制了一种与光子多普勒测速仪配套使用的具备空间分辨能力的激光发射接收探头。介绍了探头的光学设计和结构设计,并进行了装调和测试。输出光斑特性测试结果表明,探头垂轴放大率与设计值吻合,聚焦位置处最小光斑直径为109μm,最大为202μm。探头对漫反射靶的接收效率测试结果表明,探头中各光纤互不串扰,靠近中心的光纤的接收效率较大,而两侧的偏小。     

利用双反射镜控制实现无线光通信光束对准

针对远距离无线光通信中光束跟踪受长距离大气传输不确定因素影响大的问题,提出了一种利用双反射镜的无线光系统结构。针对双反射镜到接收端的短轴跟踪控制设计了滤光片转盘模块,通过给反射光斑施加频率扰动的方式来实现对相机探测面上双光斑的辨别,并以探测面上双光斑的重叠情况作为判别光束对准的依据。对于存在偏移的重叠双光斑图像,提出多光斑/重叠光斑中心提取的思路,利用最小二乘法椭圆拟合实现重叠光斑的分割,并对无重叠、较少重叠以及较多重叠三种情况下的光斑图像进行分割实验。研究结果显示,在光斑重叠的场景下,光斑中心定位与实际位置之间的标准差小于0.5 pixel,因此所采用的算法在重叠光斑的分离方面具有很好的效果。     

基于光斑重心的交锁髓内钉远端定位方法研究

提出基于光斑重心的交锁髓内钉远端定位方法,即用光纤传像束传输照明光、接收并传送交锁髓内钉远端像的光斑到CCD靶面,由计算机接收并计算出光斑重心的方法来测量和定位交锁髓内钉远端锁孔。介绍了交锁髓内钉远端定位检测系统的组成,阐述了基于重心的光斑中心定位算法。该方法用VC++对光斑中心位置进行了精确测量,为了避免二值变换引起的毛刺,先用改进的阈值变换,然后用一种直观的画圆方法把光斑框起来求重心,通过计算交锁髓内钉变形前后其远端锁孔像的重心位置,求出交锁髓内钉远端锁孔的实际位置。实验结果表明：该系统定位精度可以达到0.1mm,满足系统指标要求,且具有较高的稳定性。     

基于Hough与改进局部Radon变换的多目标姿态提取

针对大视场、小目标、多目标特点下基于数字图像的飞行目标姿态判读任务,选用顶帽运算抑制背景.提取目标骨骼,利用改进Radon坐标系计算极限角分辨率.通过在传统Hough变换后加上一次改进局部Radon变换的方法提取多目标姿态参量,解决了线段位置检测问题,同时消除了小目标、多目标情况下,单纯使用Hough变换处理时产生的误判现象.提出一种变步长快速游标尺度逼近算法,在目标尺度提取上获取了较高的判读准确度.     

基于Hough与改进局部Radon变换的多目标姿态提取

针对大视场、小目标、多目标特点下基于数字图像的飞行目标姿态判读任务,选用顶帽运算抑制背景.提取目标骨骼,利用改进Radon坐标系计算极限角分辨率.通过在传统Hough变换后加上一次改进局部Radon变换的方法提取多目标姿态参量,解决了线段位置检测问题,同时消除了小目标、多目标情况下,单纯使用Hough变换处理时产生的误判现象.提出一种变步长快速游标尺度逼近算法,在目标尺度提取上获取了较高的判读准确度.     

基于光纤输出光斑旋转的位移传感器

实验设计了两个光纤环,减小光纤环1的半径使光纤发生宏弯损耗,获得两光斑。此时再压缩光纤环2,发现两光斑整体随光纤环2的受压位移在一定受压范围内表现出了很好的旋转性。通过两光斑旋转角度随光纤环2受压位移的一一对应关系,经实验数据处理获得了光斑角度与线圈受压位移存在一定范围的线性关系。同时实验分析了光纤环2的直径和光纤环2的紧绕圈数对压缩位移灵敏度的影响。     

基于数字图像相关法的空间目标位姿测量

针对传统立体视觉位姿测量方法中必须事先确定计算点的数量和位置的局限性,提出了一种基于三维数字图像相关法(3D-DIC)的空间目标位姿测量方法。该方法通过3D-DIC获得被测物不同时刻的全场坐标信息,根据提取的相应计算点坐标,结合空间向量求解空间目标的位姿参数。该方法可灵活选取计算点的数量和位置,并相应提出了计算点数量最优比条件。通过位移旋转台和六自由度平台分别对复杂形貌特征的面具试样进行了多位姿参数测量的实验验证。实验结果表明,计算点数量满足最优比条件时位姿测量精度最高,计算点的位置对测量结果影响较小,六自由度平台的测量误差在允许范围之内。所提出的3D-DIC位姿测量方法可在较小的误差范围内实现对空间目标多个位姿参数的测量。     

强天光背景下基于超完备字典的自适应光学天体目标的检测方法

针对稀疏域对强天光背景下天体目标的探测问题,在充分利用天光背景和光斑信号组成成分的形态差异性的基础上,分别建立了天光背景和目标信号的超完备字典,以区分图像中的天光背景区域与光斑信号区域。该方法能够在抑制强天光背景的同时积累更多的信号能量,改善信噪比。仿真及实验结果表明,此处理方法能够较好地提取出光斑信号,且与减阈值算法相比,其处理后质心偏差、均方根值及峰谷值都较小。     

基于光束向量的空间运动目标姿态测量

为了实现空间运动目标姿态参数的高精度测量,采用一种基于光束向量的姿态参数测量系统.该系统在运动目标上安装直线光束作为合作目标,利用高速摄像机记录光束投影光斑在接收平面上的位置.基于平面单应性原理,通过光斑接收平面上9个原始特征点构造柔性标定靶标,实现高速摄像机的高精度标定.进而根据摄像机标定结果获得光束在世界坐标系中的方向向量,而光束在目标体坐标系中的方向向量可根据其安装位置获得.然后,根据光束在世界坐标系和目标体坐标系中的方向向量实现对目标姿态参数的高精度求解.实验结果表明,本文测量系统满足姿态参数测量误差小于1′(1σ)的要求,能够实现对空间运动目标姿态参数的高精度测量.     

光纤迈克耳孙干涉仪的制作及调试

介绍了制作光纤迈克耳孙干涉仪的方法.光纤迈克耳孙干涉仪要用单模光纤传输光束,还要用可见光及不可见光调整光路,因此调试仪器比较困难.为了改善光斑的大小,需要安装自聚焦透镜,这样光斑直径就由原来的60μm扩大到1800μm.而干涉仪的调试可以通过近距离及远距离的方法实现,有时会出现信号波动大无法得到稳定读数的情况,这是反射镜M放置在特殊位置所致,文中对此做了详细介绍并给出了解决方案.     

基于时分复用和窄波长扫描激光的长距离光纤布喇格光栅传感系统

提出了一种通过提高长距离光纤布喇格光栅传感系统容量,从而实现多传感点参量测量的新方法.采用时分复用、窄波长范围扫描激光方式,将多个中心波长相近的低反射率光纤布喇格光栅放置于系统的不同位置,构成准分布式光纤传感系统,实现了多个传感点参量的同时测量.同时提出了采用掺铒光纤和喇曼混合放大方法来延长传感距离.在系统的中间加入一个喇曼泵浦进行喇曼放大以此补偿光纤布喇格光栅反射的信号,系统末端的掺铒光纤利用前面喇曼泵浦剩余的泵浦功率产生自发辐射光并放大传感信号,使得整个系统的传感距离延长.实验证实：将三只中心波长均在1 580 nm附近,反射率均小于4%的光纤布喇格光栅,分别放置在系统的不同位置,在200 km处获得了15 dB的信噪比,反射信号明显|并且在200 km处的静态应变和温度实验中,线性度均达到了0.999以上.     

基于时分复用和窄波长扫描激光的长距离光纤布喇格光栅传感系统

提出了一种通过提高长距离光纤布喇格光栅传感系统容量,从而实现多传感点参量测量的新方法.采用时分复用、窄波长范围扫描激光方式,将多个中心波长相近的低反射率光纤布喇格光栅放置于系统的不同位置,构成准分布式光纤传感系统,实现了多个传感点参量的同时测量.同时提出了采用掺铒光纤和喇曼混合放大方法来延长传感距离.在系统的中间加入一个喇曼泵浦进行喇曼放大以此补偿光纤布喇格光栅反射的信号,系统末端的掺铒光纤利用前面喇曼泵浦剩余的泵浦功率产生自发辐射光并放大传感信号,使得整个系统的传感距离延长.实验证实:将三只中心波长均在1580nm附近,反射率均小于4%的光纤布喇格光栅,分别放置在系统的不同位置,在200km处获得了15dB的信噪比,反射信号明显;并且在200km处的静态应变和温度实验中,线性度均达到了0.999以上.