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基于光学自准直和摄像测量法的舰船三维形变测量技术研究

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基于光学自准直和摄像测量法的舰船三维形变测量技术研究

作者：高旸国防科学技术大学

学位级别：硕士

由于外部应力和外部环境的影响,舰船在海上航行时会产生不可忽视的形变。这些形变使得雷达天线、光测系统等外围设备相对中心基准的姿态角有着较大的变化。外围设备在使用中心航姿系统的参数时必须根据自身失调角进行形变修正,以消除舰... 详细信息

由于外部应力和外部环境的影响,舰船在海上航行时会产生不可忽视的形变。这些形变使得雷达天线、光测系统等外围设备相对中心基准的姿态角有着较大的变化。外围设备在使用中心航姿系统的参数时必须根据自身失调角进行形变修正,以消除舰船形变的影响。由于舰船形变规律的复杂性,目前国内外仍没有一种成熟有效的三维形变测量方法和技术。针对以上背景及工程应用需求,本文结合光学自准直和摄像测量法的优势,对舰船的三维形变测量技术展开研究,设计了基于光学自准直的三维形变测量光路,通过拍摄光路中的十字丝目标,并采用数字图像亚像素定位方法分析拍摄的图像,实现了三维形变的高精度测量。本文的主要工作如下: 一、针对光学自准直方法只能测量二维挠曲形变的不足,本文改进了自准直光路,使之满足了三维形变测量的需求。详细介绍了光路的三维形变测量原理,深入分析了光路中的物像关系、形变角测量方法和测量范围、形变角测量精度与图像定位精度的关系、光路工作距离以及光路设计导致的形变角测量误差等关键问题,为实际测量提供了理论指导,并针对扭转角高精度提取难度大的问题,提出了目标图像高精度定位需求。二、提出了采用数字图像亚像素定位技术高精度提取形变角的方法。设计了由粗定位到精定位的形变角提取流程。在此基础上,对图像中十字丝几何和灰度分布特征、二维空间等距离采样与角度的非线性关系等影响扭转角提取精度的主要因素进行了仿真分析,比较了四种矩方法和两种拟合法对扭转角的提取精度。仿真结果表明:十字丝长度是高精度扭转角提取的关键因素;当噪声小于5个灰度值时,灰度平方重心法和高斯拟合法在扭转角提取中更具优势;当十字丝长度大于800 pixels时,上述两种方法的扭转角提取误差小于1。三、搭建了三维形变测量系统并设计了相关实验,针对三维形变测量技术中重复性、稳定性、工作距离与重复性的关系以及三维形变测量精度这四个关键指标进行测试。实验结果表明:本文提出的方法具有良好的重复性和稳定性;由于大气扰动的影响,测量精度随距离的增加而降低;当测量距离为2 m时,挠曲角的重复性优于0.05(″),精度优于1;扭转角的重复性优于0.8(″),精度优于2。

关键词：船形变测量光学自准直摄像测量法扭转角亚像素定位

基于光学自准直原理的多维转轴角度偏差测量方法

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现代制造技术与装备 2023年第9期59卷 69-71页

作者：叶朗独伟锋全旭松徐旭熊召中国工程物理研究院激光聚变研究中心绵阳621900

文章提出了基于光学自准直原理的多维电动调节机构旋转轴夹角的测量方法,并将该方法用于终端光学组件中的倍频晶体二维调整机构旋转轴夹角的测量实验。结果表明,提出的方法能够有效实现二维电动调节机构旋转轴夹角的测量,且测量误差可... 详细信息

文章提出了基于光学自准直原理的多维电动调节机构旋转轴夹角的测量方法,并将该方法用于终端光学组件中的倍频晶体二维调整机构旋转轴夹角的测量实验。结果表明,提出的方法能够有效实现二维电动调节机构旋转轴夹角的测量,且测量误差可控制在3.06″。该方法可广泛应用于复杂精密光学系统多维调节机构旋转轴角度测量与调试。

关键词：光学自准直多维转轴角度偏差终端光学组件

曲线拟合算法在光学自准直传感器设计中的应用

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科技创新与应用 2018年第6期8卷 153-154页

作者：沈广楠王晔李金平史鑫中国电子科技集团公司第四十九研究所黑龙江哈尔滨150001

为了降低光电自准直传感器的测量误差,提高传感器的测量精度,文章从光电自准直传感器的基本原理出发,介绍了三种不同的曲线拟合算法,通过对光电自准直传感器样品进行测试,验证不同拟合算法对光电自准直的测量误差的影响,最后对影响光学... 详细信息

为了降低光电自准直传感器的测量误差,提高传感器的测量精度,文章从光电自准直传感器的基本原理出发,介绍了三种不同的曲线拟合算法,通过对光电自准直传感器样品进行测试,验证不同拟合算法对光电自准直的测量误差的影响,最后对影响光学自准直仪测量精度的因素进行了分析,文章对提高光学自准直传感器的测量精度具有指导意义。

关键词：光学自准直误差分析角度传感器曲线拟合

基于光学自准直原理的喷管角度偏差测量方法研究

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宇航计测技术 2020年第4期40卷 41-45页

作者：陈平刘文异宋骐羽张丽娜姜云翔海军装备部北京局驻北京地区第一军事代表室北京100076 吉林江机特种工业有限公司吉林132021 北京航天计量测试技术研究所北京100076

提出了一种基于光学自准直原理的喷管角度偏差测量方法,通过专用靶标将虚拟的喷管轴线等效替代为靶标轴端反光镜的法线,实现发动机喷管基准孔轴线空间角度偏差的快速准确、实时测量,及时提供测量数据,有效保证零件、部件和发动机总装的... 详细信息

提出了一种基于光学自准直原理的喷管角度偏差测量方法,通过专用靶标将虚拟的喷管轴线等效替代为靶标轴端反光镜的法线,实现发动机喷管基准孔轴线空间角度偏差的快速准确、实时测量,及时提供测量数据,有效保证零件、部件和发动机总装的质量一致性和可靠性。利用该方法研制了一套发动机多喷管轴线角度偏差自动测量装置并进行了试验验证,结果表明该装置测量精度与三坐标表测量机的测量精度接近,符合测量误差分析,满足使用要求。

关键词：光学自准直喷管角度偏差

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航天光学相机几何参数星上监测技术

光子学报 2018年第10期47卷 156-165页

作者：王慧刘薇于建冬王柯俨李云松刘丹西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室西安710071 西安测绘研究所地理信息工程国家重点实验室西安710054 中科院西安光学精密机械研究所西安710119

针对目前航天光学相机在轨定标方法存在更新周期长、时效性不强的问题,提出一种将光学自准直原理应用到星上监测的实时在轨定标方法.在卫星载荷系统内部加装准直光源、呈影面阵CCD和棱镜等器件,将相机焦距、光轴夹角等参数的变化转化为... 详细信息

针对目前航天光学相机在轨定标方法存在更新周期长、时效性不强的问题,提出一种将光学自准直原理应用到星上监测的实时在轨定标方法.在卫星载荷系统内部加装准直光源、呈影面阵CCD和棱镜等器件,将相机焦距、光轴夹角等参数的变化转化为光斑影像的变化,提取并处理光斑影像位置的变化量,求解出线阵相机参数的变化量,实现快速、高效的在轨监测.通过搭建实验平台验证了本文方法的可行性,俯仰和横滚方向参数的监测精度小于1″,测量误差优于0.1″.

关键词：几何定标定标光学自准直星上监测航天光学相机

基于长焦距、大口径反射式光学系统成像的工艺技术研究

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应用光学 2017年第4期38卷 627-631页

作者：张向明孔龙阳李玉喜姜峰赵红军王奇西安应用光学研究所陕西西安710065

文中以焦距4 000mm、口径Φ400mm的反射式平行光管精密调试、检测工艺方法为研究对象。作为某光学系统的检测与标定基准,该平行光管在成像质量、分辨率、出射光束平行性等关键指标都有极高的要求,重点从主镜微应力粘接、主次镜光学间隔... 详细信息

文中以焦距4 000mm、口径Φ400mm的反射式平行光管精密调试、检测工艺方法为研究对象。作为某光学系统的检测与标定基准,该平行光管在成像质量、分辨率、出射光束平行性等关键指标都有极高的要求,重点从主镜微应力粘接、主次镜光学间隔精确调节、主次镜光轴一致性调节和分划板位置精确标定等关键工艺环节入手进行了深入研究,并利用自准直法进行了精密调试、检测。最终得到的平行光管系统分辨率≤0.8″,出射光束平行差≤3″,星点能量集中,无明显像差,十字分划板竖刻线与安装基准铅垂,综合性能指标达到设计要求。

关键词：光学自准直反射式平行光管卡塞格林系统主镜光轴一致性

二维激光跟踪转台轴系设计及动态形变误差修正

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光学精密工程 2024年第14期32卷 2200-2210页

作者：霍汉林王劲松王国名李根梓周维虎长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 中国科学院微电子研究所北京100094 中国科学院大学北京100049 雁栖湖基础制造技术研究院(北京)有限公司北京101407

二维激光跟踪转台轴系结构的稳定性及动态形变误差补偿精度是激光跟踪仪实现高精度动态坐标测量的关键因素。为满足激光跟踪仪动态坐标测量高精度、高稳定的实际需求,本文研制了一套基于过定位双角接触轴承对轴系的二维转台。首先,基于... 详细信息

二维激光跟踪转台轴系结构的稳定性及动态形变误差补偿精度是激光跟踪仪实现高精度动态坐标测量的关键因素。为满足激光跟踪仪动态坐标测量高精度、高稳定的实际需求,本文研制了一套基于过定位双角接触轴承对轴系的二维转台。首先,基于转台性能指标要求开展二维转台轴系设计及精度分析;然后,基于所设计结构及现有装配工艺,结合弹性力学理论,开展转台动态形变误差形成机理分析,并通过刚柔耦合动力学仿真分析验证理论分析合理性。最后,提出基于共轭差动式光学自准直原理的轴系动态误差测量方法,完成对轴系稳定性和动态形变误差的测量补偿。实验结果表明:转台的动态形变误差重复性优于±0.6″,动态形变误差由补偿前的±7″降低为±1″,转台设计的稳定性和动态形变误差补偿精度满足设计需求。

关键词：激光跟踪仪二维激光跟踪转台轴系精度动态形变误差光学自准直

基于PSD的微型化精密光学三维测角系统的研究

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基于PSD的微型化精密光学三维测角系统的研究

作者：刘学吉国防科学技术大学

学位级别：硕士

惯性测量单元(IMU)中的减震器由于外界扰动产生的形变,会导致陀螺输出一个额外的角加速度。为了进一步提高IMU的姿态测量精度,常通过测量减震器的形变量来补偿这个额外的角增量。本文基于某型惯性导航设备研制的实际需要,针对现有精密... 详细信息

惯性测量单元(IMU)中的减震器由于外界扰动产生的形变,会导致陀螺输出一个额外的角加速度。为了进一步提高IMU的姿态测量精度,常通过测量减震器的形变量来补偿这个额外的角增量。本文基于某型惯性导航设备研制的实际需要,针对现有精密测角仪在三维测量、结构外形、温度稳定性等方面的不足,提出了一种基于高精度位置敏感器件(PSD)的微型化精密光学自准直三维测角方案,论证并设计了该三维测量系统,实验研究了该方案的可行性。主要研究工作如下:一、针对自准直测量的光学成像过程进行数学建模,仿真研究了成像质量对测量结果的影响。从典型光学自准直测量系统的光学结构出发,建立了一种基于矩阵变换、矢量运算和光线变换理论的自准直测量模型,仿真分析了简化模型的误差、成像光斑的畸变以及测量过程中光斑的运动轨迹。实验研究了现有基于四象限探测器的精密测角仪的光斑非均匀性和温度稳定性,分析并指出了该测量方案中存在的不足。二、设计了自准直三维测量光路,仿真验证了该设计方案的可行性,较全面地分析了系统中引入测量误差的各种因素。针对现有测量方案的不足,甄选了满足要求的光源和探测器,围绕小型化和高精度的实际要求,完成了光学三维测角方案的系统设计;应用ZEMAX软件对系统测量光路进行了仿真分析,验证了测量方案的可行性;应用理论推导和仿真分析的手段,研究了自准直测量中可能出现的多种影响测量精度的因素,并分别提出了修正方法。三、搭建了方案中的测量光路,实验研究了所设计系统的测量特性。参照设计方案,在光学平台上搭建了基于PSD的光学自准直三维测角系统的实验光路,实验验证了所选择的光源和光电探测器的主要特性,并测试了该系统的测量稳定性、重复性和分辨力。实验结果表明,该系统的稳定性误差在3″以内,三维测量精度优于3″。

关键词：角秒测量三维测角光学自准直 PSD 微型化设计

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转台转角动态测量仪设计研究

转台转角动态测量仪设计研究

作者：贾倩哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

转台作为仿真技术中的关键设备,其性能指标直接影响到仿真及测试试验的可靠性和置信度。在转台的各种性能指标中,转台的动态转角误差是一项十分重要的指标,因此对该指标的测试也成为急需解决的问题。本文以转台动态转角误差测试为背景,... 详细信息

转台作为仿真技术中的关键设备,其性能指标直接影响到仿真及测试试验的可靠性和置信度。在转台的各种性能指标中,转台的动态转角误差是一项十分重要的指标,因此对该指标的测试也成为急需解决的问题。本文以转台动态转角误差测试为背景,提出一种基于光学自准直原理和高速线阵CCD相结合的转台转角的动态测量方法,并在此基础上对转台转角动态测量仪进行设计研究。论文首先对光学自准直原理,以及动态测量中高速线阵CCD的应用问题作了研究,并在此基础上对转台转角动态测量仪作总体方案设计,根据测量仪的技术指标,给出测量仪的工作原理和组成。然后,分别对组成测量仪的光学系统、数据采集处理系统和测量仪应用软件进行了设计与实现。对光学系统的光源选择、各个组成元件的设计及噪声问题等进行了讨论研究,给出相应的解决方法。测量仪采用多组平行光管和高速线阵CCD相结合进行测量和数据采集,以保证测量仪的大范围连续动态测量。同时设计测量仪应用软件,以实现整个测量过程的自动化及测量仪的人机交互功能。最后为了保证了测量仪的测量精度,采用亚像素细分算法,把对CCD检测到的目标像的定位精度提高到亚像素量级,并对亚像素细分算法的精度问题进行了研究,给出相应的结论。通过对该测量仪的方案设计研究,从理论上证明测量仪不仅可以实现对动态转角角度值的高精度、大范围的连续测量,还能够实现对整个角度变化过程的高速测量和记录。

关键词：转角动态测量光学自准直高速线阵CCD 亚像素细分算法