单摄像机立体视觉测量系统的高精度变焦标定技术

针对现有用于光学测量的双目变焦系统标定方法难度大、测量精度受限于两摄像机内参一致性等问题。提出一种基于单摄像机的平行双目立体视觉系统实现及其高精度变焦标定方法。方法基于三角测量原理采集图像,利用高精度位移台驱动单摄像机进行平移以保证基线精度;求解离散焦距下的预标定结果并利用BP神经网络模型对其进行拟合,以实现任意焦距下系统内外参数动态估计。实验结果表明,系统预标定的重投影误差小于0.1664 pixel,变焦后图像畸变校正平均误差为0.0982 pixel,立体视觉测量尺寸绝对误差小于0.05mm。方法能弥补传统变焦标定方法的不足,消除双目内参不一致引入的误差,提高视觉系统的测量精度。     

面向机器人位姿测量的大视场变焦测量方法

针对机器人大范围位姿精准测量问题,提出一种大视场位姿测量的变焦测量方法。利用变焦图像匹配点的单应矩阵进行变焦内参动态计算,根据变焦前后靶标位姿求解相机坐标系变换,给出与变焦参数相关的PnP算法,考虑畸变后进行参数优化,并提出缩放和对焦两步变焦控制策略。提出一种基于图像模板的靶标板位姿测量算法,在靶标可视姿态均能稳定检测并区分标志点。对变焦测量系统进行误差测量实验和大场景跟踪实验,结果表明,不同变焦参数下均具有较高的单点测量精度,平均位置精度最高21.8μm,在400~1600 mm范围误差0.09mm,精度较高,使用的变焦相机可实现178.7461~9022.31mm测量。该方法实现了相机活动范围受限而测量范围可拓展的位姿测量。     

连续变焦系统的一阶结构设计方法研究

机械补偿变焦系统一阶结构设计的核心问题是确定各组元的光焦度和各组元的间隔。为了减少设计时对经验的过多依赖,提出了一种连续变焦光学系统一阶结构优化设计方法。以各组元的光焦度和间隔为优化变量,构造不同变焦位置的运动方程,以像面稳定、系统总长和Petzval场曲作为评价函数,用粒子群优化算法寻找多维约束空间的最优解。为了验证该方法,优化设计了一个10~100 mm变焦范围的一阶结构。为机械补偿变焦系统一阶结构的求解提供了一种新思路。     

基于单应性矩阵的变焦双目视觉标定方法

针对现有变焦镜头标定方法难度大、动态精度低等问题,提出一种基于单应性矩阵的动态变焦双目内外参数估计方法和平面快速重建方法。利用双目图像匹配点及变焦前后的匹配点进行两类单应性矩阵估计;基于变焦数学模型和单应性矩阵,求解变焦后双目内外参数,实现畸变后双目参数动态估计与优化;通过双目图像单应性进行平面快速匹配和重建。实验结果表明,计算的内外参数与标定结果吻合较好;变焦后,推导的单应性矩阵归一化误差小于0.01,图像重投影误差小于1pixel;重建精度小于0.1mm。     

基于变形镜本征模式的空间光学遥感器波前误差校正方法研究

提出采用基于变形镜(DM)本征模式的自适应光学波前误差校正方法校正高分辨率空间光学遥感器的在轨波前误差。该方法利用变形镜各致动器的影响函数得到一组符合导数正交关系的变形镜本征模式,以图像功率谱密度在低频区域的积分和为评价函数,根据本征模式系数与评价函数之间的关系直接求解出各阶模式所需的校正量。利用实测的37单元变形镜的影响函数得到变形镜本征模式,基于该模式对泽尼克像差进行了开环和闭环仿真校正,定量分析了相位偏置和图像频率范围对算法精度的影响。针对遥感器主镜镜面热变形误差给出了仿真校正结果,分析了图像噪声和不同遥感图像对算法校正精度的影响。仿真结果表明基于变形镜本征模式的自适应光学校正方法可以有效校正波前误差,算法收敛速度快,对图像噪声和内容不敏感,适合用于空间光学遥感器的波前误差校正。     

极紫外波段平面变栅距全息光栅的优化设计

为制作应用于极紫外波段(50~150 nm)的变栅距全息光栅,提出了一种新的应用于球面波曝光系统的优化算法,即改进的局部优化算法。根据仪器使用要求构建了期望刻线密度函数,并以此建立优化目标函数,其特点是使四个目标函数转化为多变量、带约束的一个目标函数,变为非线性优化问题。使用改进的局部算法时,由于对目标函数进行了加权,赋予了初值多样性,限定了记录参数取值,给出了刻线密度系数的约束条件,从而改变了各项系数对目标函数值的贡献,有效地降低了刻线密度函数系数的误差,提高了刻线函数符合程度及光栅分辨率。与常规局部优化算法相比较,使用改进的局部优化算法可使刻线密度函数与期望刻线密度函数绝对误差在0~0.02 line/mm范围内,提高一个数量级,分辨能力可由4000提高至17000以上。结果表明,只要优化方法选择得当,使用简单的球面波曝光系统可以制作高分辨率的变栅距全息光栅。     

基于混合优化算法的分块镜共相位误差校正

对采用分块拼接式主镜的大口径空间望远镜,有必要研究适合在轨应用的共相位误差校正方法。以像清晰度函数作为评价函数,通过仿真分析了单色光和白光照明2种情况下分块镜共相位误差与评价函数的变化关系。仿真结果表明:采用单色光照明时,分块镜平移误差校正的动态范围小于0.5λ;采用白光照明时,评价函数存在局部极值,必须采用全局最优化算法。仿真结果表明,当平移误差大于0.5λ时,采用随机并行梯度下降(SPGD)算法易陷入局部极值,而采用遗传算法(GA)可以搜索到全局最优解,但迭代速度较慢。提出了采用基于SPGD算法和遗传算法的混合优化算法校正分块镜共相位误差。当平移误差在[-λ,+λ]范围内时,混合优化算法的校正精度可优于10 nm。     

超大口径光学制造均力支撑布局优化

为降低支撑控制难度和节约制造成本,同时又保证在线光学加工-检测所需的支撑精度,提出超大口径反射镜的支撑布局优化方法。研究支撑状态下的反射镜面形精度,解决面形拟合和优化目标提取的问题;以斜率均方根(SlopeRMS)为目标建立非圆形口径的超薄反射镜加工支点布局优化模型,使其具备自适应有限元分析的功能;针对工程中大量使用的轻量化反射镜,设计出适应其几何变化的支撑转换结构,并展开以面形均方根(RMS)误差为目标的支点位置的优化设计;通过30m口径望远镜(TMT)第三镜和某2m口径反射镜的支撑布局优化,验证了所采用方法的效果。算例结果表明,所提方法具有较好的几何适应性,布局优化后支撑系统的精度满足超大口径反射镜的光学制造要求。     

多目标优化的舰船磁场建模方法

针对舰船磁场混合模型建模中存在的建模精度不高和稳定性差的问题,提出一种高精度稳定模型建立方法,结合混合模型中磁偶极子参数与舰船结构的相关性,以建模精度和模型稳定性为目标构造了多目标函数,通过对多目标函数优化获得合理的磁偶极子参数,间接地将建模求解问题转化为多目标函数优化问题.利用多目标粒子群优化算法进行求解,得到了建模问题求解结果的可选集,以建模精度为基准设计了从可选集中选取最佳结果的选择规则.三种类型的舰船船模实测数据建模结果表明:本文方法所建模型相对误差小于3%,换算误差小于6%,能够有效对舰船磁场进行建模;当存在测量数据误差时,本文方法建模求解结果稳定,验证了文本方法建模具有较好的稳定性.海上的某型舰船实测数据建模结果表明,本文方法建模具有较高的建模精度和换算精度,能够有效地在相关的工程中应用.     

遗传算法在变焦曲线优化中的应用

由于变焦系统的凸轮曲线对变焦过程中像面的稳定、操作的灵活性都有重要影响,因此变焦曲线的优化设计有着重要的意义。首次采用遗传算法对机械补偿类型的变焦曲线进行了优化设计,并给出了实例。这样得到的曲线比传统的让变倍组作线性移动得到的曲线要明显平滑,证明了遗传算法用于变焦曲线优化设计的可行性和有效性。     

基于CCD探测器的点目标成像平均半径误差分析及最优阈值选择

在反射式望远镜系统误差校正过程中,常以点目标的清晰度函数作为成像质量的评价指标。通过优化算法对存在误差的参量进行校正,使清晰度函数达到极值。平均半径作为点目标成像的清晰度函数由于具有适用范围大、动态特性好的特点而得到广泛的应用。然而,在实际工作过程中,由于探测器噪声等因素的影响,平均半径计算值与理论值存在一定的偏差,从而对校正过程产生影响。对噪声下平均半径的计算误差以及阈值对误差的影响进行了理论和仿真分析,结果表明存在最优阈值使计算误差达到最小,并对不同噪声强度下仿真的最优阈值数据进行拟合,给出了最优阈值拟合公式,分析表明该公式能够较准确的计算最优阈值。     

带像差校正功能的柔性变焦透镜

为了校正柔性变焦透镜变焦过程中出现的光学像差,提出了一种带校正像差功能的柔性变焦透镜。所提透镜由变焦模块和基于压电致动器的像差校正模块组成。制备了变焦透镜的原理样机并搭建实验光学系统对其进行了测试。测试结果表明,所提透镜可实现-1～5 D的屈光力变化;像差校正模块可精确重构3～9项Zernike多项式像差,归一化残余误差小于4%;对不同屈光力下的系统像差进行校正,校正后系统的波前像差下降幅值均在76%以上,系统成像质量明显提升。     

基于二次规划的光刻机光源优化方法

提出一种基于二次规划的光刻机光源优化方法。采用空间像与目标像的图形误差为目标函数,根据空间像强度与不同位置的点光源之间的线性关系,将光源优化转换成二次规划问题。将掩模图形区域分成限制区域和比较区域,对限制区域应用约束条件,对比较区域采用目标函数优化。采用一维孤立空图形和二维接触孔阵列图形对该方法进行验证,分析光刻胶阈值和离焦量对优化结果的影响。仿真表明,提出的光源优化方法获得了光源的全局最优解,提高了光刻成像质量,增大了工艺窗口。     

球形发射换能器多目标优化设计

为了解决球形发射换能器多约束条件下的离散/连续变量混合型非线性多目标优化问题,基于等效电路理论,建立了球形换能器的电学-力学-声学耦合模型,以辐射声源级、输入电功率和质量为优化目标函数,材料属性参数、结构尺寸参数、工作频率范围和输入电压为设计变量,压电陶瓷电退极化极限、结构强度极限、功率容量等物理特性以及设计变量取值等为约束条件,构建了球形换能器多目标优化数学模型;利用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行了球形换能器多目标优化设计,获得Pareto前沿解集;并通过实验验证了优化结果的有效性。结果表明,采用多目标优化方法设计和制作的球形发射换能器样机,在满足辐射声源级要求的前提下,工作频率范围内输入功率降低了32.8%,质量减轻了27.4%。研究结果可为严苛条件限制下的发射换能器优化设计提供参考。     

逆合成孔径激光雷达机动目标运动补偿成像算法

逆合成孔径激光雷达(ISAL)成像运动补偿中,包络对齐的精度直接影响了相位误差估计精度.当目标速度和加速度较大时,距离包络严重倾斜且相位误差较大,图像无法进行良好聚焦.针对上述问题,在高精度成像模型的基础上提出了一种基于Nelder-Mead单纯形法和粒子群优化的全局联合运动误差补偿算法.首先,利用单纯形法估计目标速度,完成包络对齐.然后,将包络对齐过程获得的目标速度作为相位误差估计中参数初始化的约束条件.最后,用粒子群优化算法对各运动参数进行全局搜索并得到最优解,实现高精度运动参数估计及高阶相位误差补偿,得到聚焦良好的二维图像.实验结果表明,本算法的参数估计误差主要分布在±0.2％以内,参数估计精度和抗噪声性能均优于传统ISAL成像算法.     

激光扫描测头视觉系统结构参数优化

线结构光视觉测量系统是激光扫描测头的重要组成部分,为了提高激光扫描测头的测量精度及可靠性,提出一种线结构光视觉系统结构参数优化设计方法。分析了影响该测量系统整体测量精度的因素以及该测量系统的结构误差模型,并建立了应用于激光扫描测头的结构约束条件,通过该约束条件建立了结构参数优化仿真系统,进而得到仿真优化后的结构参数,即最优结构参数,并设计实测实验验证其合理性。测得优化后的线结构光视觉系统测量空间点间距相对误差为0.019 8 mm,本文结果表明优化方法的有效性,并具有较好的精度。     

干涉型红外光谱辐射计仪器线型函数仿真及校正

针对大口径干涉型红外光谱辐射计,分析了不平行于主光轴的入射光,对理想仪器线型函数的影响.本文系统介绍了对仪器线型函数产生影响的截断效应、有限视场效应、离轴效应和离焦效应,并通过HITRAN数据库对理想的水汽吸收光谱进行仿真,建立了仪器线型函数误差与光谱畸变的定量关系.根据仿真结果,提出了因子权重校正算法.利用水汽吸收的仿真数据对因子权重校正算法进行验证,光谱漂移从0.51 cm–1降低到0.01 cm–1以下.通过自研干涉型红外光谱辐射计对标准黑体的观测实验,验证因子权重校正算法的准确性,实测数据的光谱漂移从0.226 cm–1降低到0.012 cm–1,校正后的光谱数据更为准确.     

超椭圆柱面梯度线圈设计

超椭圆柱设计表面能够减小线圈与目标的距离,提高空间利用率,扩大成像区域的有效范围.提出利用流函数法及柱面的可展性在超椭圆柱面上设计核磁共振成像系统中的梯度线圈.根据Biot-Savart定律建立磁场强度与流函数的表达式,采用最小二乘法和Tikhonov正则化方法构造了双目标设计函数.利用柱面的可展性提高了基于分片离散流函数计算电磁场的数值精度,通过L-曲线方法实现了正则参数的合理选取.通过引入适当的流函数边界约束条件,把梯度线圈的优化问题转化为适定线性方程组的直接求解问题.通过数值算例验证了超椭圆柱面展开求解方法的正确性.优化结果显示,在满足线性度误差小于5%的设计约束下,该方法在设计超椭圆柱面线圈驱动电流分布的同时有效控制了梯度线圈的能耗.     

以低温热为热源的再沸器(火用)经济优化与传热强化

精馏塔再沸器是炼油、化工、轻工等行业中非常重要的换热设备,这种再沸器的优化和传热强化对热能的优化利用具有重要意义.本文运用经济学方法和传热强化技术,对以低温热为热源的再沸器进行优化设计,建立了同时考虑传热损、流动损和传热强化的再沸器经济优化目标函数和约束条件.并给出了应用实例.     

一类新的差分格式优化目标函数

对差分格式进行优化处理可以提高其谱精度。与高精度(指Taylor展开精度)格式相比,优化格式放大因子的误差随波数的变化不是单调的,而是必然会出现极值点,这样就存在临界距离R_cr,在此距离内优化格式描述的数值波的积累误差小于高精度格式,而超出此距离后优化格式的误差反而大,对于非定常流及气动声学计算来说,控制差分格式的临界距离是必要的。一般的优化目标函数以每个时间推进步的误差为基础(即放大因子法),R_cr不能在优化过程中确定。对此进行分析,指出积累误差的重要性并提出以此为基础的新的优化目标函数,这样在对格式进行优化时可以直接指定临界距离,从而为控制谱精度提供方便。