空间光学

TB92 2004032374 交会测量中具有自适应权因子的最优无偏方法=Optimalunbiased method with adaptive weights in crossing measurement[刊,中]/郜广军(北京理工大学信息科学技术学院.北京(100081)),李林…∥光学学报.—2003,23     

机载光电平台目标交会定位

根据直线交会测量原理,构建了机载光电平台目标定位数学模型。首先建立5个坐标系,确定了坐标系之间的变换关系,在地心直角坐标系下,根据光电平台观测目标的方位和俯仰角度参数,结合飞机的位置和姿态测量参数,通过坐标变换确定从光电平台到目标之间的观测直线方程。选择一组目标观测直线建立目标交会测量目标函数,根据最小二乘原理,建立关于直线交会点坐标的线性方程组。解出直线交会点的三维坐标并根据从地心直角坐标系到大地地理坐标系的变换关系,计算目标的大地经纬度和高程坐标,通过样本数据进行交会定位精度实验。实验结果表明,本文方法定位结果和实际测量数据接近,经度误差为0.65",纬度误差为0.82",高程误差为5 m,验证了本文方法的准确性。本文方法有效可行,对机载光电平台目标定位具有实用价值。     

光笔式单目视觉测量系统的关键技术

为了对机械加工部件进行高精度、大尺寸、三维立体空间的现场实时测量,建立了光笔式单目视觉测量系统。对该系统中的新型光笔工艺、算法转换模型、摄像机焦距的优化、光笔笔尖位置的标定进行了研究。首先提出了一种利用光刻工艺设计制作的新型光笔,其次,基于近景摄影测量学中的单像空间后方交会原理,建立了一种新的光笔坐标系与摄像机坐标系之间的转换模型,通过最小二乘平差法循环迭代求解最优的单像空间外方位元素,从而确定了转换模型基本参数。最后,分析了摄像机焦距对光笔式单目视觉测量系统结果的影响,并提出了一种确定相对准确焦距和光笔测头在光笔坐标系下的位置的方法。实验结果表明：摄像机坐标系下x轴、y轴、z轴方向的稳定性误差分别为0.042、0.048、0.066 mm;测量最大误差为0.173 mm,较大程度上满足了光笔式单目测量系统稳定性强和精度高的要求。     

基于机载光电平台的双机交会定位方法

根据现有无人机光电定位方法对动态目标定位的局限性,借鉴光电经纬仪角度交会定位方法,提出改进的基于机载光电平台的双机交会定位系统.介绍了交会定位系统的构成及其工作原理,构建辅助坐标系,对视轴向量进行齐次坐标转换,建立双机交会定位模型.研究了交会定位中载机相对目标位置对定位精度的影响,给出了理想的测量位置,得到最优定位位置,最优交会角为69.984°.最优位置下,当目标距离双机基线20km时,定位均方根误差为38.043 4m.分析了卡尔曼滤波对定位结果的影响,建立合适的滤波模型,滤波后的定位均方根误差减小到13.584 2m.     

基于前方交会的5点相对定向

5点相对定向是摄影测量与机器视觉的经典问题,传统的5点相对定向方法采用多项式求解技术,导致了解的多样性。为此,研究了基于前方交会约束的5点相对定向方法,建立包含前方交会约束的同名像点共面条件方程,推导求解5点相对定向问题的最优化目标函数,并采用最小二乘广义逆法求解。非量测相机Nikon D80的8组5点相对定向实验结果表明,该方法仅利用5个同名像点即可获得两张像片的相对位置(相对定向)立体模型,在测量长度为0.92 m的标尺三维(3D)长度时,其误差的标准不确定度为0.28±0.24 mm,与现有的5点算法相比,该方法无需排解即可确保5对同名射线对对相交,并且求解精度高,稳健性好,有实用价值。     

靶场光电经纬仪多台交会测量的融合处理及其仿真分析

基于两台经纬仪交会测量原理,分析了两台经纬仪交会测量误差;提出了四台经纬仪两两交会测量结果的加权融合处理方法,该方法充分利用了所有测站的测量信息,而且融合测量值误差小于任两台经纬仪的交会误差;最后进行了仿真分析.从仿真结果可以看出,利用该方法可以大大提高空中目标的辨识精度.另外,本方法同样适用于三台或三台以上经纬仪的交会测量问题.     

多摄像机空间交会动态测量中遮挡问题的研究

遮挡问题是现有多摄像机测量网络在进行空间交会测量时存在的一个重要问题。当测量过程中有遮挡发生时,某些特征点可能仅能被一个像机观测到,传统的前方交会测量方法将不再可行。为了解决这一问题,通过特征点的几何约束来求解特征点位在全局坐标系下的粗略位置作为进一步迭代优化的初值,并根据可用的特征点(可以是能被所有像机观测到,也可以是仅被部分像机观测到)的多光线约束来建立最优化目标函数,通过迭代算法最终解算得出被测目标可靠的位置姿态。实验结果表明,该方法在解决实际应用中遮挡问题的同时,也能提供较高的测量精度。     

光学经纬仪多站交会的整体最小二乘算法

靶场多台光学经纬仪获取空中炸点坐标时,所采用的水平投影法存在未能充分利用冗余观测值以及难以从多组解算结果中选出最精确结果的问题。而基于最小二乘的交会算法,虽然能解决上述问题,但是受初值影响较大、迭代速度慢甚至可能发散。提出了一种基于整体最小二乘的交会算法,该方法在迭代计算的过程中,对权矩阵不断进行调整,直到满足一定的精度要求为止。结合仿真数据对算法进行了验证。结果表明:该算法在初值较大的情况下,不容易发散,进行10次以内的迭代计算,即可得到较好的结果,当站点至目标距离为1 500 m时,精度可达到0.3 m以内,满足靶场要求。该算法同时考虑了观测值误差和模型线性化误差,大大降低了初值的影响,提高了收敛速度,能够精确地解算出炸点的三维坐标。     

光电经纬仪实时引导的实现

在由四台光电经纬仪与雷达组成的测量网络中,为了提高光电经纬仪实时捕获跟踪空间目标的能力,建立基于目标位置估计的实时引导系统.利用滑窗式最小二乘法将光电经纬仪实时交汇数据和雷达的实测数据进行互联,解算出目标的瞬时位置,经时延补偿后获得目标的位置估计,经坐标转换后实现光电经纬仪的实时引导.实时引导系统充分利用了所有测量站的测量信息,可提高引导数据的引导准确度和可靠性.试验结果表明,该方法快速提供的平滑引导数据,不仅能准确将目标引入光电经纬仪的视场,亦可为其他测量设备提供参考数据.     

基于动态加权的光电经纬仪交会方法

武器飞行试验中,初始段的弹道参数主要依靠光电经纬仪两站交会定位,平滑（滤波）求速获取。速度参数的精度高度依赖定位的精度。在现有定位模型的基础上,通过函数误差传递关系,推导了弹道参数的误差表达式。分析了误差来源和典型情况下的误差情况,提出了在不等精度经纬仪交会测量中,实时确定两台光电经纬仪在解算结果中的权重,动态改变权值的方法。仿真结果表明：在不等精度光电经纬仪交会定位情况卞,该方法能够提高两站定位的精度。     

激光跟踪虚拟坐标测量系统与自标定方法的实验研究

激光跟踪虚拟坐标测量系统满足了工业领域大型工件和空间形位测量所提出的要求。这些要求包括 :高精度、无导轨测量、动态实时跟踪测量、全姿态测量等。在实验室建立了基于角度 距离法的激光跟踪测量系统和基于纯距离法的多站跟踪测量系统 ,分别在三坐标测量机、光学平台光栅位移系统下进行了实际跟踪测量和精度比对实验。并运用虚拟坐标自标定算法在虚拟坐标系下确定了初始点位置、目标点坐标及各点间距离。最后 ,对两种方法的特点进行了分析比较     

一种结合图像复原技术的自适应光学系统控制方法

在天文高分辨成像领域,自适应光学校正和事后图像复原都必不可少,但传统的自适应光学系统控制方法以提升光学成像质量为目的,并未考虑图像复原环节,因此,研究一种结合两者以获得高质量复原图像为目标的控制方法具有重要意义.本文对传统自适应光学技术结合事后图像解卷积的方法进行了分析,阐述了其存在的缺陷.首次提出了将自适应光学技术和图像复原技术相结合进行系统分析的思想,并提出了变形镜校正度(变形镜控制电压相对于传统方法控制电压的缩放比例)的概念,通过改变校正度可实现变形镜校正残差和波前传感器探测误差的调整,同时证明了复原图像质量在校正度下降的方向存在一个最优值,用最优校正度来修正变形镜控制电压,就得到了一种新的控制方法.针对点源目标成像,仿真表明该方法相比于传统方法,能够得到质量更好的复原图像.     

移动特征靶标的摄像机径向畸变标定

针对成像测量系统中镜头径向畸变影响测量精度的问题,提出了一种基于物面移动同心圆特征靶标的径向畸变标定方法。该方法先将固定在二维精密平台上的同心圆靶标置于垂直物面的特定位置,然后采集靶标图像,同时用最小二乘法以拟合得到的圆直径为条件,按一定方式移动特征靶标,直到拟合值达到极值或者在一定误差范围内。记录该幅图像,则其拟合得到的圆心坐标便是畸变中心,同时利用该幅图像,根据等差值半径和摄像机成像模型的半径的成像关系求出其畸变多项式系数。为提高特征靶标的移动效率,提出了坐标轮换最优化移动的方案。实验结果表明,该方法对畸变中心的标定精度可达0.6pixel,畸变多项式系数有效数字重复误差小于0.02,并可实现两者的一靶标定,且利用该法获得的参数能实现对畸变图像的准确校正。     

复眼式光学成像系统畸变测量与校正技术研究

复眼式光学成像系统在大视场侦查、图像识别、目标探测等领域较传统单孔径光学系统优势突出,但随着视场的增加,子孔径本身的成像畸变及多个子孔径的安装位置误差引起的畸变会直接影响拼接图像的质量。针对该问题,采用光电测量技术对复眼系统进行畸变测量与校正,生成多模动态电子畸变测量靶标,构建畸变测量校正模型,建立多项式拟合算法,采用最小二乘法获得畸变系数,通过双线性插值法模型对图像进行重建。实验结果表明,校正后的平均相对畸变优于0.1%,满足大视场复眼式光学成像系统的畸变校正和图像拼接的精度要求。     

一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法

为满足高精度测量和瞄准跟踪系统中对激光CCD自准直仪的测量精度和实时性的要求,提出一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法。首先利用变结构元广义形态学边缘检测算法,充分提取图像边缘细节信息的同时抑制图像噪声的影响,然后采用多项式插值算法对圆目标轮廓进行快速亚像素定位,最后利用最小二乘拟合方法实现了圆目标中心的精确定位。实验结果表明,该定位方法稳定性好,定位精度高且实时性强,应用该方法改进后激光CCD自准直仪的测量精度由2″提高到±0.25″,且单次测量时间小于0.23s,可满足激光CCD自准直仪在小角度测量和瞄准跟踪等领域的高精度实时测量需求。     

由多台全站仪组成的馈源舱位姿动态测量系统

介绍了大射电望远镜 FAST光机电一体化的创新设计。给出了通过测量馈源舱不共线三点的空间坐标来解算舱体位置和姿态的方法。提出以先进的高精度动态跟踪测量仪器徕卡 TCA2 0 0 3全站仪为基本测量单元 ,组合六台TCA2 0 0 3为一套馈源舱位姿动态测量系统。由于系统的测量精度可达到 1mm,因此不仅为馈源舱的闭环控制提供了检测手段 ,而且可应用 Stewart平台精调系统所提供的舱体位姿信息进行逆运动学模型计算。     

基于自适应阈值法的合金弹头缺陷尺寸测量算法研究

在合金弹头缺陷尺寸检测中,针对传统分割算法无法在复杂背景下将缺陷完整分割的问题,采用了自适应阈值分割算法。该算法在分割时,图像的每个像素对应的阈值不同,可避免缺陷和背景错误划分,而且可以在保证缺陷完整分割的情况下避免噪声带来的干扰。给出了缺陷分割过程,完成了缺陷尺寸计算,并对尺寸计算的准确度进行了分析。实验结果表明,在缺陷与背景灰度差较小的情况下,该算法仍可较为完整地将缺陷分割出来,测量结果的标准差为0.122 8,不确定度为0.368 4。     

可见光电视摄像机整机MTF测量装置及方法

调制传递函数（MTF）是评价电视摄像机成像质量的重要参数。介绍了一种用于可见光电视摄像机整机MTF测量装置及方法。设计了三积分球目标发生器系统,通过电动衰减器实现了目标和背景亮度的独立可控,其出口不均匀性为4.1%。采用基于倾斜狭缝法的亚像元自动插值与匹配算法以及线扩散函数（LSF）的最小二乘拟合分析法,实现了倾斜角度的自动计算以及MTF的精确测量,测量装置的重复性为0.007。通过与国外先进仪器的比对实验,表明建立的电视摄像机整机性能测量装置可以有效解决电视摄像机整机成像质量性能评价问题。     

太阳能帆板平面度测量系统中光斑图像处理方法研究

太阳能帆板的平面度测量是卫星生产制造过程中的一个关键技术，现有的测量方法存在着精度差，效率低的问题。该文在基于实际工程课题的太阳能帆板平面度测量系统基础上，针对测量系统中光斑图像处理这一关键技术进行了详细的研究。对现有测量方法进行了比较与分析，介绍了测量系统的基本原理、图像采集系统设计过程中采取的主要措施、图像处理的具体方法与步骤和测量系统的基本组成。提出了一种新的快速滤波算法和光斑图像能量中心求取算法，大大提高了光斑图像能量中心的求取精度和实时性，提高了太阳能帆板平面度的测量精度。给出了光斑图像处理结果、静态测量重复性误差以及实际帆板的测量结果与分析，实验结果证明所采用的光斑图像处理方法可以满足对实际帆板测量精度的要求。     

基于偏心光束法的离焦量探测装置及计算方法的改进

引入生物显微镜用于探测病理切片离焦量。针对反射光斑内部纹理缺陷、畸变严重的特殊情况,通过自适应中值滤波、基于Ostu算法的Canny边缘检测(去除非圆弧边缘部分)、畸变校正、最小二乘法拟合非完整圆等算法,直接计算光斑半径大小及离焦方向,建立光斑半径与离焦量的线性关系模型。实验结果表明,与传统的灰度重心法相比,离焦量计算方法抗噪性强、稳定性高,可大幅度地提高线性关系模型的范围及光斑半径、圆心位置的准确度。