矢量网络分析仪测量不确定度评估算法

虽然目前校准算法已趋成熟,但由于随机误差和剩余系统误差等的存在,矢量网络分析仪(Vector network analyzer,VNA)的测量结果不可避免地会有一定的不准确性.而现有的矢网测量不确定度评估算法中往往只考虑剩余系统误差,忽略了系统线性性能、线缆状态以及测试环境等因素.本文同时考虑了校准后剩余系统误差、系统非线性误差,随机误差及测量环境等因素,建立了整机测量不确定度模型,实现了矢量网络分析仪整机测量不确定度的评估.与现有矢网不确定度评估算法相比,本算法考虑的误差因素更为全面,评估结果更为可靠.利用误差上限传递思想推导出商用VNA散射参数测量不确定度评估公式,并提供了相应的参数获取方案.应用该算法对安捷伦8753ES矢量网络分析仪进行测量不确定度评估,并与安捷伦提供的技术数据进行对比,其结果数据吻合良好.     

精密测角法中测量误差对内方位元素标定的影响

通过误差传递推导误差公式,确定了各参数对内方位元素精度的影响关系.为了明确对相机内方位元素精度的影响因素,对像点位置坐标精度和物方视场角精度与相机内方位元素精度的关系进行研究.在现有的精密测角法的基础上,推导关系公式来确定各参数对内方位元素精度的影响关系.对采样点各个数据的精度及其组数对结果精度的影响进行讨论.结果表明:在像点位置坐标标准差1μm内,物方视场角极限误差0.7"内,位置坐标精度对主距f精度影响较大,而物方视场角精度对主点x0精度影响较大;测量数组数(采样点数)量对结果误差有很大的影响.实验证明:该影响与实际结果相符.     

非理想校准件对S参数测量结果的影响

TRL校准方法是矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer,VNA）校准的常用方法之一,它通过对直通件、反射件和传输线3个标准件的测量,经过一系列计算获取各误差项的值。但是在实际测量中,这些校准件并不能在整个频带范围内具有理想的特性,从而在实际测量时会引起被测件S参数的测量不确定度。对于使用日益广泛的多端口VNA而言,测量不确定度的分析比二端口VNA更为复杂,目前对其开展的研究还不够广泛深入。文章以四端口VNA为例,对TRL校准过程中由非理想标准件引起的被测件的S参数测量不确定度进行研究。首先,运用广义节点的思想将四端口VNA的S参数测量不确定度用矩阵形式表示,再运用广义TRL校准方法,求得各误差项及其偏移的值,最终求得灵敏度系数的解析式,它可以对四端口VNA进行S参数测量不确定度的B类评估。     

高速列车动态位姿测量方法及校准技术研究

针对高速列车动态位姿测量中高速、大视场和高精度的测量需求,构建由两台高速相机组成的双目视觉测量系统,通过同步捕捉由大功率线激光瞬时光源构造的测量特征,实现对高速列车动态位姿的实时测量。提出基于非成像模型的相机校准方法,重构相机光学成像过程,构造三维空间成像光束和图像像点之间的一一对应关系,通过建立入射光束角度值与像点坐标的数学模型,实现大视场相机的高精度校准。基于光束平差原理,利用已知长度的基准尺实现双相机位置关系的快速精确校准。实验结果表明,采用上述方法可达到±5"的相机校准精度和±0.2mm的双相机校准精度,整个系统能达到±0.5mm的测量精度,为高速列车动态位姿的测量提供了一种全新有效的手段。     

流图法在光探测器芯片高频特性测量校准上的应用

在采用光调制法测量光探测器芯片高频响应特性的过程中,测试系统往往忽视光调制器响应、高频探针衰减以及端口间失配等误差中的一项或几项.为了降低校准不完善对结果造成的误差,文中提出了基于信号流图的系统校准分析方法,考虑了各种频响误差及端口间失配的影响,推导出校准公式.利用该法对一种光探测器的典型测试系统--基于LCA(lightwave component analyzer)的测试系统做了进一步校准分析,在130MHz～20GHz范围内,测量了一种新型光探测器的高频响应参数S21,结果表明经流图法校准的S21参数比仅使用原有校准算法有明显改善,证明了该方法的可行性.     

流图法在光探测器芯片高频特性测量校准上的应用

在采用光调制法测量光探测器芯片高频响应特性的过程中,测试系统往往忽视光调制器响应、高频探针衰减以及端口间失配等误差中的一项或几项.为了降低校准不完善对结果造成的误差,文中提出了基于信号流图的系统校准分析方法,考虑了各种频响误差及端口间失配的影响,推导出校准公式.利用该法对一种光探测器的典型测试系统--基于LCA(lightwave component analyzer)的测试系统做了进一步校准分析,在130MHz～20GHz范围内,测量了一种新型光探测器的高频响应参数S21,结果表明经流图法校准的S21参数比仅使用原有校准算法有明显改善,证明了该方法的可行性.     

彩色成像亮度计用于显示测量及其不确定度分析

彩色成像亮度计能在几秒钟之内一次完成数以万计个物点的测量,因此它非常适合于测量显示器的亮度、颜色及其分布.分析了彩色成像亮度计测量 CRT 和 LCD 显示器的不确定度,主要分析了光谱失配所引入的不确定度,结果表明系统响应的光谱失配造成了较大的测量不确定度.介绍了一种应用于彩色成像亮度计测量 CRT 和 LCD 显示器的光谱校正方法,结果表明这种校正方法能有效减少测量不确定度.     

基于动态校准测量数据的不确定度评定

提出一种基于比较法的自动式高冲击台的高g值加速度传感器动态校准方法,并针对校准环境的复杂性,标准加速度传感器本身具有的误差性,对校准结果的不确定度进行灰色评定。该方法将校准系统看成为灰色系统,先用灰色准则剔除粗大误差,然后利用灰色方法对校准结果的不确定度进行评定,最后与A类不确定度进行比较,验证了灰色评定方法的可靠性。     

机动车方向盘转向力-转向角检测仪示值误差的不确定度分析

依据JJF1196-2008《机动车方向盘转向力-转向角检测仪校准规范》和JJF1059-1999《测量不确定度评定及表示》,对机动车方向盘转向力-转向角检测仪测量结果示值误差进行了不确定度评定,通过阐述测量过程中产生的各分量对示值误差的影响,得到了测量结果的扩展不确定度。     

摄影测量相机成像模型参数的单图标定方法

为研究热控措施下温度波动引起的相机成像模型参数变化规律问题，提出了一种摄影测量相机成像模型参数的单图标定方法。摆放多张不同位置及姿态的同规格同精度标定板于相机视场内，为相机单图标定提供大量不同深度不同姿态及不同位置的已知空间点阵约束信息，在有限空间内的连续时刻分别采集单张标定场景图像，通过多站位光束平差算法实现连续时刻下相机成像模型参数的标定。实验结果表明，此标定方法的空间点像面反投影误差标准差为0.48μm,标定精度为1/15像素，可为后续变温条件下相机成像模型参数变化规律的探究提供准确的温度与相机参数相对应的数据集。     

基于正交柱面成像相机的大尺寸三维坐标测量

提出了一种基于正交柱面成像相机的大尺寸三维坐标测量方法。正交柱面成像相机由一个正交柱面成像光学系统和两个正交放置的线阵CCD组成,它们分别被用来检测被测点的水平角和垂直角。一个相机决定了两个角度,两个相机交汇,即可实现被测点的三维坐标测量。所提出的方法在精密坐标测量特别是动态位置跟踪方面具有突出的优势。一个灵活的内参标定方法被用来标定正交柱面成像相机,内参标定后相机在水平方向和垂直方向角度测量误差的均值分别为1.85和2.16。另外,双相机的外参标定也被介绍,外参标定后系统的坐标测量精度优于0.52 mm。实验结果表明:所提出的三维坐标测量方法有效,具有良好的测量精度。     

雷达罩瞄准误差测量不确定度评定方法研究

雷达罩电性能测试系统是一种复杂的计量器具,需要对其检测结果的不确定度进行评定,以前在这方面几乎没有开展工作。以雷达罩电子定标法为例,对影响瞄准误差测试结果的主要因素进行了分析,确定了不确定度分量。采用A 类或B 类评定方法,对每个分量的标准不确定度进行了分析计算。研究了不确定度分量之间的相关性,并对合成标准不确定度和扩展不确定度进行了计算。该方法也可用于雷达罩传输效率、方向图畸变和功率反射等电性能参数测量不确定度的评定。     

Improved calibration method for airborne ATI-SAR baseline

Airborne Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar (ATI-SAR) baseline error is a main error resource affecting the precision of velocity measurement of moving objects and therefore should be calibrated externally. The Jet Propulsion Laboratory (JPL) has proposed a calibration scheme for tasks of PacRim98 and PacRim2000 based on several static objects on the ground. In this paper, the influence of phase center uncertainty on baseline determination by using PacRim method proposed by JPL is analyzed. According to the analysis, the phase center uncertainty can cause a constant part of error to the result of baseline calibration. In order to deal with this problem, an improved calibration method on the basis of sensitivity equations and some ground moving targets, whose velocities are already known, is proposed in this paper. The simulation results show that our proposed calibration method has improved the accuracy of baseline calibration and has obviously prohibited the effect of antennas?? phase center uncertainty.     

光场相机建模与畸变校正改进方法

光场相机作为一种新型的成像系统,可以直接从一次曝光的图像中得到三维信息。为了能够更充分有效地利用光场数据包含的角度和位置信息,完成更加精准的场景深度计算,从而提升光场相机的三维重建的精度,需要实现精确的几何建模,并精确标定其模型参数。该方法从薄透镜模型和小孔成像模型出发,将主透镜建模为薄透镜模型,将微透镜建模为小孔成像模型,结合光场相机双平面模型,将每个提取到的特征点与其在三维空间中的射线建立联系,详细解释了内参矩阵中每个参数的物理意义,以及标定过程中初值确定的过程,并在镜头径向畸变模型的基础上进一步应用了相机镜头的切向畸变模型以及基于射线重投影误差的非线性优化方法,改进了光场相机的标定方法。实验显示,该方法的RMS射线重投影误差为0.332 mm,与经典的Dansereau标定方法相比,进行非线性优化后得到的射线重投影误差精度提升了8%。该方法详细分析的场景点与特定像素索引的推导过程对光场相机的标定具有重要的研究意义,为光场相机光学模型的建立与初始化标定奠定了基础。     

一种基于共线特征点的线阵相机内参标定方法

提出一种利用共线的标定特征点确定线阵相机内参的方法。所有标定特征点均在线阵相机的视平面内。首先,标定过程中对标定特征点逐一成像,直接得到标定特征点和其对应像点,解决了空间标定点与像点的对应问题;其次,通过数学建模得到线阵相机的成像模型,联立多个位置处的成像模型解算出相机内参;最后,对影响线阵相机标定的因素进行分析及实验验证。理论分析和实验结果表明,文中的线阵相机标定方法简单灵活,无需制作精密的靶标,可获得大量标定点,提高了线阵相机标定的准确性和稳定性,实验得到成像特征点重投影像点位置偏差均方根为0.37 pixel。     

考虑圆形特征边缘模糊和偏心误差修正的高精度相机标定方法

针对立体视觉系统采用圆形特征点标定时存在的空间圆形投影边缘模糊和偏心现象问题,利用改进Zernike矩和偏心误差修正进行圆心的高精度定位,以此提高相机参数的标定精度。首先考虑了由于立体视觉成像系统的标定场景光照强度不均匀引起的圆形特征投影图像边缘模糊的问题,引入高斯误差函数对边缘过渡段的灰度分布进行描述,建立了高斯边缘模型,并基于该模型计算投影图像的Zernike矩,然后利用改进Zernike矩实现高精度的圆形特征投影边缘像素坐标定位。此外,分析了影响圆形特征中心投影点和拟合圆心间偏差大小的因素,基于该分析对迭代拟合圆心进行偏差补偿使之逼近真实的圆心投影,最后通过所提算法对99圆形标志点进行圆心坐标提取并用于相机参数的标定。仿真实验表明,文中算法对投影图像边缘定位的精度以及圆心拟合的精度均高于传统的算法;实测实验中,基于圆心高精度坐标得到的相机标定参数对标准杆进行三维重建,长度测量精度比传统算法提高了30%。     

结构光内参数和机器人手眼关系的同时标定

为实现对复杂工件的快速在线测量,构建了基于结构光的机器人视觉测量系统,提出一种该系统中结构光测头内参数和手眼关系同时标定的方法。标定时,在机器人工作空间内固定一个平面靶标作为参考物,精确控制机器人末端带动结构光测头做平移运动和变位姿运动,获取不同位姿下的靶标图像。通过平移运动,同时标定结构光测头内参数和手眼关系中的旋转矩阵;通过变位姿运动,同时标定摄像机内参数和手眼关系中的平移向量。考虑到旋转矩阵和平移向量分离标定会存在误差累积,采用非线性优化方法对手眼关系做进一步优化。对标准球及工件进行扫描测量实验,实验结果表明该标定方法简单高效,能保证测量系统具有较高的测量精度,适用于工业现场。     

单目结构光测量中参数自适应标定方法

针对结构光测量时手工调节相机参数易导致图像质量的随机性,进而导致标定精度的下降及调参环节重复繁琐的问题,提出了一种结构光测量的相机标定自适应调参方法。首先,设计了一套相机自动调参装置,根据三个调参环调节时的图像变化机理,选取标定板面积占比、图像清晰度及图像对比度三个参数,分别定义焦距调节环、对焦环及光圈调节环。其次,为实现相机的高精度标定自适应参数调节,针对传统Brenner函数的缺陷,通过一种改进的Brenner自动阈值函数,实现对图像清晰度的精确快速对焦,并对标定板图像感兴趣区域的前景与背景进行分割,计算图像对比度,根据标定的重投影误差,确定标定相机的最优调节区间,以自适应调参搜索控制方法进行标定参数调节。最后,为提高自适应标定调参时电机的搜索定位速度,建立了调参函数模型,并通过物距及像素长度自适应计算焦距。三维测量调参实验表明,相比于手工标定,基于提出的调参方法能在5 s内实现自动调参,且重投影误差减少66.57%。     

多角度偏振成像仪系统级偏振定标方法研究

系统级偏振定标是多角度偏振成像仪(Directional polarization camera, DPC)研制过程中的关键环节,对于提高大气气溶胶和云相态等定量化探测应用具有重要意义。结合矩阵光学和辐射度学理论,建立了多角度偏振成像仪偏振响应定标模型,对关键影响参量进行定标。采用大口径积分球参考光源和分视场测量方法,消除了光楔平板对DPC三检偏通道视场非一致性的影响,实现了高频和低频相对透过率的高精度测量。采用傅里叶级数的分析方法,建立全视场起偏度的测量模型,消除参考光源偏振方位角绝对位置引入的测量误差,实现光学系统偏振特性的准确测量。采用可调偏振度光源和大口径积分球辐射源,开展了偏振定标精度的比对验证实验和精度分析。测试结果表明,全视场偏振定标精度优于0.5\%,自然光状态下的偏振定标精度优于0.05\%,验证了宽视场偏振遥感器偏振辐射响应定标模型的合理性,说明该系统级偏振定标方法可满足宽视场光学偏振遥感器的高精度偏振观测科学应用要求。     

傅氏级数和多项式结合的图像灰度建模及位移测量

利用图像传感器的成像灰度实现位移测量,需要在位移过程中用相机对靶标进行成像,进而建立位移值与成像灰度值之间的映射关系,即成像灰度模型,该方法的测量精度取决于成像灰度模型与灰度噪声水平。实际测量过程中,光照不均匀、靶标制造误差、相机成像系统畸变等外部误差源以及内部不同图像传感器单元之间成像特性的差异性均会使成像灰度模型偏离理想情况,从而影响测量结果。为了进一步提高测量精度,所提方法考虑了上述的非线性因素带来的建模误差,采用Fourier级数与高阶多项式结合构造成像灰度模型类,提高模型的泛化逼近能力进而提高建模精度,校正上述误差源导致的灰度畸变。在此基础上,采用基于位移连续性原理的顺序求解法解算位移,实验结果显示,使用该改进模型在10.46 mm行程下的位移测量误差标准差由校正前的56.4 μm降低至1.5 μm。