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。     

基于坐标转换的数字天顶仪定向方法

为了提高仪器的工作效率,在数字天顶仪定位的基础上开展了定向方法的研究,构建了识别星点的坐标转换模型.从坐标转换模型出发,分析了仪器倾斜及光轴倾斜等因素对恒星像点图像坐标的影响,研究了焦距值及光轴指向的天文坐标对恒星理论坐标的影响,并在坐标转换的基础上建立了定向模型.试验结果表明,单组星图的定向精度均在5″以内,定向精度较高,能够满足实际条件下对定向精度的要求.     

车载红外告警系统中目标航迹管理及DSP实现

介绍了车载红外告警系统中多目标的航迹建立及目标从图像坐标到载体坐标的转换方法。系统在方位360°视场内均匀布置了6个红外传感器，天顶方向布置1个红外传感器，形成360°全半球视场。每个传感器对应1个目标检测板，系统设计有1个系统控制板，用于对目标进行坐标转换、航迹管理以及向各个检测板发送控制命令。当目标检测板完成目标检测后，便向控制板发送7个传感器中的目标信息，控制板对目标进行坐标转换使之统一于载体坐标系，在载体坐标系建立目标航迹并对航迹进行预测管理，最后通过串口向上位机输出目标在载体坐标系的位置信息并报警。实验证明，转换后的目标位置完全正确，且误差小于1°，满足系统指标要求。     

基于等效节点理论确定光轴方法的研究

针对目前高精度光学系统光轴标定存在的误差问题,提出了一种基于等效节点理论对系统实际光轴进行标定的方法,通过建立基准坐标系、节点坐标系和探测器坐标系,结合齐次坐标变换的方法构建适用于实际系统光轴标定的数学模型。以焦距为100 mm,物方节点与像方节点之间的距离为20 mm的光学系统为例,基于小旋量理论对其光轴精度影响因素进行了分析与计算,结果表明平行光管、转台、与标定模型三方面引入的标定误差低于10'。为不同的光学系统基于等效节点理论进行光轴标定时的精度分析提供了方法与依据。     

基于傅里叶条纹分析的多摄像机标定方法

提出一种新的摄像机标定方法,该方法基于2D共面参照物摄像机标定方法和傅里叶条纹分析方法.将已知相位分布的平面二维正弦灰度调制条纹图作为平面标定靶,通过傅里叶条纹分析方法计算出两个截断正交相位分布,利用截断正交相位分布并结合二维正弦条纹图特点提取相应的图像特征点,建立像素坐标与2D平面坐标的对应关系.将该二维平面靶在摄像机成像空间中放置不同的位置,并完成相应的特征点提取,根据2D共面参照物摄像机标定方法即可完成摄像机标定.该方法利用平面相位测量的高准确度来提高标定特征点的提取准确度,从而提高标定准确度.实验对双摄像机系统进行了标定,标定后该系统对标定靶进行测量,标准偏差达到0.010 mm.     

基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统

提出一种基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统,采用一个激光投影仪投影大幅条纹,多相机分布式采集的方法扩展视觉三维测量系统的测量范围。标定过程首先使用小型平面靶标标定基准相机二维图像坐标和相位值到三维世界坐标的映射关系,之后在相邻相机部分视场(FOV)重合的前提下,利用柔性靶标定位标定相邻相机图像坐标的转换关系,最后将各个相机的图像坐标全部转化到基准相机的图像坐标系下完成图像拼接,由基准相机图像坐标到世界坐标的映射完成全局三维测量。实验结果表明,使用图像拼接方法的测量精度略低于相机单视场测量的精度,但精度损失较小,满足工业在线测量的要求。该方法避免使用昂贵的辅助测量仪器和加工高精度大型靶标,为多相机视觉测量提供了成本低、使用方便的解决方案。     

基于宏微复合标定的跨尺度零件测量方法

为了实现对跨尺度零件微小结构的尺寸精度和定位精度的同时测量,提出一种基于宏微复合标定的测量方法。建立不同尺度传感器组合式测量的标定模型,利用变焦扫描显微系统测量零件微尺度特征,利用双目系统测量定位显微设备,从控制坐标转换精度的角度设计加工特殊的标定块,将其作为跨尺度中转坐标系,标定变焦扫描显微重建点云坐标系与测头坐标系的空间转换关系,从而将局部测量点云统一至一个数据集中以完成所有局部区域的整体拼接。与理论模型对比分析,所提测量方法的各孔圆心坐标分布圆度误差为0.0438 mm,平面度误差为0.0252 mm,对喷注器各孔位姿的点误差值小于0.029 mm,孔轴向误差小于0.1140°。与面结构光传感器重建结果对比分析,所提模型能够在保证高精度重建三维形貌的情况下,更加正确地获取跨尺度零件的尺寸和位置。     

体视2D-3cPIV相机标定方法研究

基于针孔相机成像模型,利用共线方程建立了像平面坐标与粒子三维空间坐标之间的映射关系,在此基础上采用Tsai’s算法开展了相机内外参数标定方法的研究。使用微位移机构负载二维平面标定板完成了片光厚度内多个位置的单视场非共面标定。改进后的Wong-Trinder算子提高了标定板上目标像中心的定位精度。利用标准图像对其进行了仿真实验。结果表明,该标定方法具有标定速度快、精度高的特点,适合于多种流场的2D-3cPIV测量。     

一种新的摄像机一维标定方法

针对摄像机一维(1D)标定的问题,将世界坐标系建立在1D标定物上,提出新的数学模型,给出了一种新的标定方法。一般地,假设1D标定物与世界坐标系的X轴重合,定义了1D标定点与其对应投影图像点之间的1D单应矩阵。从单幅视图出发,推导了1D摄像机标定的基本约束方程。根据基本约束方程采用线性最小二乘估计摄像机的初值,并以标定点的反投影误差最小为目标函数进行非线性优化得到最终的标定结果。通过仿真实验和真实实验证明了该算法的正确性和可行性。实验结果表明,与传统的方法相比,所提出的方法线性初值估计精度高,且对于固定点不可见的情况,无需估计固定点的图像投影坐标。     

基于双重虚拟圆靶标的激光扫描测头标定

提出了一种基于双重虚拟圆来标定光平面的新方法。该方法利用棋盘的角点在图像坐标系下构建双重虚拟圆,虚拟圆与激光光条直线建立了相对的位置关系,根据交比不变原理计算出光条上的特征点在摄像机坐标系下的坐标。在摄像机视场范围内多次变换棋盘位置,构造出的虚拟圆也相应变换,由此计算得到更多的特征点,利用最小二乘法拟合光平面方程。实验表明,该方法求得的精度要明显优于实际的圆形靶标标定的精度,光平面标定的均方根误差为0.04mm,且棋盘靶标更易于制作,标定计算简单可靠,适合现场标定。     

Line-scan CCD camera calibration in 2D coordinate measurement

We present a line-scan camera calibration method in a plane not perpendicular to but parallel to the optical axis, without requiring the camera motion or a complex calibration pattern. A random 2D reference coordinate system in the calibration plane can be used, images of a rod perpendicular to the calibration plane at known coordinates are captured by the camera, the relation between the given coordinates and the rod image centroid position are analyzed based on a reduced pinhole model and image processing, and then the camera parameters and distortion factors are all estimated. These distortion factors build a sample relation only between the image position in theory and in practice, and they do not change with object position. Two wide-angle line-scan cameras that are used in a 2D-coordinate measurement system are calibrated by this method; the application results illustrate the effectiveness and convenience of this method.     

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。     

基于几何覆盖的导航星视场构造算法

由导航星表构造导航星匹配模式是星图匹配、识别的最关键步骤。为了从根本上能保证星图识别模式的完备性,提出了构造导航星视场的方法。从导航星表中任一颗星开始,依次找到两两角距小于FOV的星,构成1颗星、2颗星…m颗星的全部子集(子集P)。以子集P中心的视轴为基准,取两倍于视场的导航星子集Q(Q包含P)。把Q中的每一颗星投影到星敏感器像平面,形成点列子集Q。视场的构造就可以表述为平面上点集的几何覆盖问题。对每一个子集P来说,先计算其最小覆盖圆,若其半径小于视场在像平面的投影值(R),则计算点列子集Q删除P后的Voronoi图,这样就可求出包含点列子集P的最大空圆;若其半径大于R,则点列子集P为一个导航星视场。给出了由20颗导航星生成的124个视场,并与Monte Carlo 20万次随机生成的视场作了比较。结果证明了该算法是有效的、实用的。     

高精度星模拟器目标标准源设计

为满足高精度光学导航敏感器地面标定要求,针对传统标定用目标标准源技术特点,给出了一种基于有机电致发光器件(OLED)光源与光纤光导技术相结合的高精度目标标准源设计方法。分析设计方案并给出了目标标准源的整体结构;同时为提高OLED与光纤耦合效率,详细设计了标准目标源的光纤光源耦合机构以及光纤入/出射板的结构;为满足5～10等星的精确控制,对光耦合机构的自聚焦透镜和星等输出模拟系统中的滤光片进行了详细设计,并对自聚焦透镜进行了参数优化。对目标标准源的主要参数星等和星点间距精度进行的理论分析和实际测试表明所设计目标标准源达到了高精度星敏感器标定需要。     

一种改进的凸多边形星图识别算法

提出一种在不依赖于星等的凸多边形算法基础上构造的三角形算法。将像平面上的恒星依据坐标排序生成具有唯一性的凸多边形,以三角形的边角边作为识别特征,按照顶角排序后删除重复的角度和角距来拟和曲线,可以加快搜索查询匹配速度,进而识别出视场中恒星在赤道坐标系中的坐标,识别速度较快,具有较强的鲁棒性。     

航空天文导航系统定位误差因素研究

研究了影响航空天文导航系统定位精度的四个因素,包括轴系制造装调与标校精度、导航星视位置精度、蒙气差修正精度和CCD光电测量精度。首先分别对这四个因素进行了理论分析,在论述轴系制造装调与标校精度的过程中,首次考虑了天文导航设备与外部设备之间的坐标轴系标定问题,并提出了利用对角位移敏感的光学测量技术来完成天文导航设备与外部设备之间的坐标轴系标定,对工程实践具有指导意义。     

低轨空间目标地基偏振成像系统偏振定标方法

针对地基大口径望远镜的机上自适应光学系统构建的低轨空间目标偏振成像系统,提出一种基于非偏振标准星和机上起偏装置的宽带偏振定标方法。该方法以非偏振标准星作为光源,并在望远镜系统的一次像面处加入起偏装置对入射光的偏振态进行调制,再结合基于非线性最小二乘拟合的偏振定标方法分两步对整个偏振成像系统进行宽带偏振定标。为验证该偏振定标方法的效果,利用Matlab软件基于相干矩阵和偏振追迹构建了相应的模型进行仿真分析,仿真结果表明该偏振定标方法可以有效减小望远镜系统偏振效应对偏振探测准确性的影响,并且偏振定标元件的初始角度误差在±5°范围内时对偏振定标准确性的影响极小。     

基于星图识别的空间目标检测算法研究

从恒星背景中检测出空间目标是空间目标天基光学测量相机所要解决的关键技术难题之一。提出了一种基于星图识别的空间目标检测算法,利用背景星图的平移、旋转、比例伸缩不变性,应用星图识别原理,根据识别恒星在不同帧图像中的坐标变化估计背景运动参数,进行探测图像序列的配准,然后在配准后的图像序列中检测出空间目标。通过仿真验证,该方法对于运动恒星背景中运动小目标的检测具有比较好的效果。     

新的基于条纹投影轮廓测量的系统标定方法

提出一种新的光栅条纹投影轮廓测量术系统标定模型,新模型不要求投影装置和成像系统的光心连线与参考面平行、成像系统的光轴垂直于参考面及投影装置和成像系统的光轴相交。基于该模型得出了新的相位高度映射关系,其待定系数与成像点的坐标无关。实际测量中只需2个高度不同的标准块便可以求得待定系数。对4个标准块进行高度测量,得到的最大相对误差为0.6%。实验证明:该标定方法简单有效,提高了系统标定的可操作性和测量精度。