用于校准能见度仪的标准散射体定标系统中光学系统的误差分析（英文）

为了实现用于校准能见度仪的标准散射体的快速高精度定标,依据标准散射体校准前向散射式能见度仪的校准原理,建立定标系统中光学系统的误差分析方法.分析标准散射体定标系统的工作原理,结合其光学系统、机械结构的加工及装调偏差,建立了标准散射体定标系统的光学系统模型并设计实验证明其正确性.分析影响定标系统中光学系统精度的主要误差,得到标准散射体定标系统中光学系统的误差传递模型.通过对畸变偏差、像面位置偏差、主点位置偏差、像面倾斜偏差和焦距偏差的分析,提出了一种系统综合误差分析的方法并建立了综合偏差模型,对每个偏差单独分析,得出畸变偏差、像面位置偏差、主点位置偏差、像面倾斜偏差和焦距偏差的偏差范围依次为0.024mm,0.399mm,0.02mm,0.28rad和0.392mm.该研究为提高用于校准能见度仪的标准散射体定标系统的精度以及校准时误差的来源分析与补偿提供理论依据.     

用于校准能见度仪的标准散射体定标系统中光学系统的设计（英文）

为了实现校准能见度仪中标准散射体的快速准确定标,建立了用于校准能见度仪的标准散射体的定标系统.研究了定标系统中全景成像折反光学系统的设计方法.根据抛物面反射镜的光学特性推导出抛物面面型的计算方法.根据定标系统对光学系统的要求,完成全景成像色度计光学系统的设计.对全景成像折反光学系统进行建模仿真并设计实验验证光学系统的设计与仿真结果的正确性.实验结果表明:全景成像折反光学系统的空间检测俯仰角范围为0°~90°,方位角范围为0°~360°,且最小角分辨率为1°,与仿真结果基本一致,满足用于校准能见度仪的标准散射体定标系统中光学系统的设计要求.     

用于校准能见度仪的标准散射体定标系统的校准方法

为了实现对用于校准能见度仪的标准散射体的快速准确定标,通过测量标准散射体不同散射角的散射系数,实现对标准散射体不同散射角所模拟的大气能见度进行准确定标并对定标系统进行校准.根据定标系统的组成与工作原理,确定定标系统的校准方法并建立相应的校准链,并设计校准链的各组成部分的校准方法.通过对已知散射系数的标准散射体进行定标,验证校准后定标系统定标结果的准确性,进而验证了定标系统校准方法的正确性.实验结果证明:定标系统对标准散射体的散射系数定标结果的误差为7.93%;经由定标系统定标的标准散射体所模拟的大气能见度的最大误差为8.61%,满足用于校准能见度仪的标准散射体的使用要求.     

用于校准能见度仪的标准散射体定标系统中光学系统的设计

为了实现校准能见度仪中标准散射体的快速准确定标,建立了用于校准能见度仪的标准散射体的定标系统.研究了定标系统中全景成像折反光学系统的设计方法.根据抛物面反射镜的光学特性推导出抛物面面型的计算方法.根据定标系统对光学系统的要求,完成全景成像色度计光学系统的设计.对全景成像折反光学系统进行建模仿真并设计实验验证光学系统的设计与仿真结果的正确性.实验结果表明:全景成像折反光学系统的空间检测俯仰角范围为0°~90°,方位角范围为0°~360°,且最小角分辨率为1°,与仿真结果基本一致,满足用于校准能见度仪的标准散射体定标系统中光学系统的设计要求.     

大视场星敏感器标定技术研究

大视场星敏感器光学系统,由于畸变量较大,在轨标定过程中,直接采用最小二乘最优估计(LMS)或扩展卡尔曼滤波方法(EKF)无法精确求解其标定参数。在深入分析星敏感器测量误差因素的基础上,对考虑畸变和不考虑畸变两种情况的在轨标定结果进行了仿真对比;指出了标定焦距之前需先标定光学畸变的必要性,并介绍了4种可用于在轨校正光学畸变的方法;提出先标定主点偏差,再标定光学畸变参数,最后标定焦距的标定方法。仿真结果表明,可以采用像面旋转法求取主点偏差,利用高阶多项式方法求取光学畸变参数,畸变校正后,采用LMS和EKF标定算法估计焦距,标定精度达到了3.1μm和2.2μm。对100幅模拟星图处理后,星间角距统计偏差约为传统在轨标定方法的1/10～1/8。     

基于自准直原理的空间光学成像系统在轨几何定标技术

通过分析成像原理、仿真光学模型和搭建原理样机,讨论了在实验环境下影响自准直定标系统定标精度的主要因素,提出了定标系统在设计和工作中应注意的主要问题,包括像元尺寸选取、像点位置算法、调焦量计算和系统装调误差。根据分析结果对原理样机的定标误差进行了校正,最终实现原理样机的焦距定标精度小于0.4 mm,X、Y和Z方向旋转的定标精度分别小于0.6″、0.6″和12″,定标精度的相对误差优于0.2%。     

透射式能见度仪定标光源光谱模拟方法

透射式能见度仪的校准结果无法溯源到世界气象组织对气象光学视程(MOR)的定义,如何实现MOR定义中2700 K白炽灯的光谱模拟已成为透射式能见度仪定标技术亟待解决的关键问题,故对透射式能见度仪定标光源的光谱模拟方法进行了研究。首先,从理论上分析了光谱不匹配对透射式能见度仪定标的影响,建立了满足透射式能见度仪定标精度要求的光源光谱分布判别依据,得出透射式能见度仪定标光源的光谱模拟误差应优于±5.5%的结论。然后,基于一种数字微镜器件(DMD)的透射式能见度仪定标光源系统,在遗传算法基础上,提出了一种基于无余均分机制的光谱模拟方法,以均分800列DMD微镜阵列面为前提,通过不断均匀划分DMD阵列面的方式增加光谱拟合单元数量,实现了2700 K绝对色温的光谱模拟。最后,测试了20,50,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源的光谱分布,并进行了不确定度分析。测试结果表明,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源光谱模拟误差为±5.3%,扩展不确定度为4.04%。     

一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法

星敏感器作为卫星姿态测量装置,其在轨服役过程中,主点和焦距的标定精度是影响其姿态输出精度的主要因素。针对标定过程中含有随机测量噪声偏大的星像点,导致星敏感器主点和焦距的标定结果产生较大偏差的问题,提出了一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法。该方法首先建立了星敏感器在轨标定模型,然后引入合理的标定权值,加入到最小二乘估计主点和焦距的过程中,寻找并剔除随机测量噪声偏大的星点,最后将加权估计出的结果作为测量,采用扩展卡尔曼滤波对星图进行处理。仿真结果表明,在星点位置存在较大误差的情况下,该方法能剔除随机测量噪声偏大的坏点。星内角距统计偏差约为传统方法的1/10,与真值相比标定参数精度分别为0.219 9像素、0.148 7像素、3.38 μm。     

长焦红外光学系统焦距的高精度测量技术

为提高长焦红外光学系统焦距测量的准确性,提出一种将干涉测量、光电自准和激光跟踪技术相结合的焦距测量方法。基于光学系统波前干涉测量光路,利用波前的power值对球面反射镜位置非常敏感的特性,结合激光跟踪仪的空间几何量精密测量和光电自准直仪的精密测角功能,实现长焦红外光学系统焦距的高精度测量。实验中对一理论焦距为1 520 mm的航空长焦红外光学系统进行测试,并结合测试设备的测量精度进行误差分析,5次测量的标准偏差为0.930 mm,测量误差小于0.2%,满足测试技术要求。结果表明这种方法用于长焦红外光学系统焦距的测量是合理可行的。     

三线阵立体测绘相机光学系统的调焦分析

针对三线阵立体测绘相机CCD成像靶面偏离最佳像面位置,影响成像质量的问题,根据光学系统的设计参量,计算测绘相机的调焦准确度,分析像方远心光路对测绘相机调焦准确度及调焦对测绘准确度的影响.结果表明,光学系统的调焦范围为±2mm;当采用像方远心光路,在允许离焦的范围内进行调焦时,产生的投影畸变可忽略不计.调焦后光学系统的成像质量、畸变要求满足高测绘准确度要求.     

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。     

影响摄像机标定精度的因素分析

摄像机标定是三维重建必不可少的步骤,摄像机标定结果的好坏直接决定着三维重建结果以及其他计算机视觉应用效果的好坏。研究了影响摄像机标定精度的一些因素,并给出了在这些因素影响下,摄像机焦距、主点位置、倾斜因子、径向畸变等参数的误差分布曲线。通过这些曲线可见增加特征点和标定图片数量,减小特征点提取误差,将有助于减小标定误差。研究表明,特征点数量控制在90点以上,标定图片数量在4～10之间,可以有效减少标定误差。对摄像机标定过程中合理选择标定图片数量,确定特征点数量和提取算法提供了参考依据。     

基于新型靶的CCD摄像系统畸变测量与校正

深入研究了测试图案对测量畸变的影响。提出"一靶测试法"进行畸变测量与校正,拍摄了自行设计、制作的"综合点阵靶板"的畸变图像,图像处理得到其畸变点位置,并与理想点位置进行对应比较。建立多项式模型确定畸变点与理想点的位置校正关系,理想点位置由理想成像得到,并运用最小二乘拟合算法求得多项式系数,标定整个CCD摄像系统的畸变。"综合点阵靶板"采用灰色圆点黑色间带图案,方便了点按序标记排列,从而确定畸变点与理想点的一一对应。对2.6 mm焦距的广角CCD镜头摄像系统进行了畸变测量与校正,其重复测量,校正精度达到0.3%。     

平顶线结构光的中心检测算法及光刀平面标定

针对传统线结构光光刀平面标定方法测量精度不高,应用范围小的问题,提出基于平面标靶的线结构光系统光刀平面标定,对无激光的标靶图片进行迭代摄像机标定,有激光的标靶图片进行光刀平面标定.提出光强符合均匀分布的平顶激光检测中心算法,将平顶激光建模为矩形的台阶函数,估计背景亮度和前景亮度,确定亮条纹宽度,再将窗口内的有效像素参与重心计算,得到光条纹中心.用该算法对不同噪声及不同量块的图片进行处理,结果表明,处理后图像的均方根误差分别在0.149pixel和0.176pixel内,表明该算法抗噪声能力强、精度高.用该算法提取光条中心,计算光条在标靶上的位置,根据至少两个姿态下的光条中心三维点,基于最小二乘法拟合光刀平面.通过迭代摄像机标定和光刀平面标定,利用三角测量法,在立体视觉模型下获取物体的三维点云数据.实验测量两个距离为100.5mm的标准球,相机与标准球距离为500mm,比较两球心距离与标准距离,测得平均误差为0.236mm.表明平顶激光检测中心算法切实可行,光刀平面标定方法基本满足要求.     

大口径离轴反射式星模拟器光学系统设计

星模拟器作为星敏感器的地面标定系统,用来模拟星点像的大小、星等、光谱、色温、星的位置及星之间的角距等。随着航天技术的不断发展,对星模拟器本身的要求也越来越高,进而使星模拟器重要部件准直光学系统的设计成为关键因素。利用离轴反射式光学系统无色差、体积小、光利用率高、中心无遮拦等特点,提出一种离轴抛物面式准直光学系统。该系统由离轴主抛物面反射镜和次平面反射镜组成,实现了通光口径为300 mm,焦距为3 000 mm,视场角为30的准直光学系统设计,经像质分析表明,在视场角内畸变为0.006 2%（小于0.01%）,MTF达到衍射极限,波相差为0.071 6 ,所设计的光学系统能满足要求,并论述了准直光学系统的装校过程。     

光笔式双目视觉测量系统标定技术研究

针对光笔式双目视觉测量系统的标定问题,讨论了关于相机内参、双相机外参以及测量笔的相关标定理论,开发了一整套基于LabVIEW的标定系统。运用张氏平面标定法实现了相机内参标定。结合基于标准长度的外部参数标定方法,实现了双相机外参数标定。运用粒子群算法和LM算法相结合,加快了目标函数高维寻优速度。在测量笔标定环节,提出了一种基于最小二乘法的现场校准方法。标定系统完成了后期开展相关测量前的所有准备工作,具有较高的精度和实用性。在测量系统标定结果基础上对直径25 mm标准陶瓷球进行测量,测量结果标准差达到0.019 mm。     

航天CCD相机焦面位置地面标定方法研究

为了在地面试验阶段准确标定出航天CCD相机在轨成像时的像面位置,提出了一种基于自准直干涉测量原理和调制传递函数测量原理的航天CCD相机焦面位置的地面标定方法。介绍了该方法的原理和实施过程,并以口径1 m、焦距20 m的平行光管标定口径600 mm、焦距6 m的航天CCD相机为例,分析并计算了新标定方法和已有标定方法的标定精度。结果表明:新标定方法的标定精度优于0.006 mm,是已有标定方法标定精度的5倍至10倍,能够满足现阶段所有航天CCD相机的焦面位置的标定精度要求。     

CCD摄像机图像中心两种标定方法的应用研究

应用两种方法对CCD摄像机的图像中心进行标定;其中直接光学方法根据因镜头畸变造成的像素点在像面水平和垂直两个方向上分布的对称性得到图像中心;基于镜头畸变的透视投影方法利用具有精确定位点阵的平面模板及其在不同方位所成图像,标定出摄像机的内外参量,其中包含图像中心.标定过程考虑了两种主要的镜头畸变.针对某型摄像机及镜头,试验得出关于两种方法的适用性和优缺点,并验证了后一种方法的强收敛性.