粗调平状态数字天顶仪定位方法研究

针对传统数字天顶仪定位方法中存在仪器需精确调平,数据拟合模型参数求解不准确和定位迭代过程复杂的问题,提出一种粗调平状态数字天顶仪定位方法。严格推导了水平状态下CCD图像坐标的计算式,利用倾角仪输出值与粗调平状态下CCD图像坐标计算得到水平状态CCD图像坐标;对粗调平状态下恒星切平面坐标进行分析,分析结果表明粗调平状态下对应的切平面与水平状态下对应的切平面基本平行,粗调平状态下的切平面坐标可直接用于数据拟合模型的建立;通过抗差M估计计算数据拟合模型的参数,抑制了粗大误差对参数解影响,提高了数据拟合模型的准确性;最后,通过联立数据拟合模型方程组解算旋转轴的CCD图像坐标、剔除迭代过程中的数据拟合模型反变换以及取切平面坐标平均值的方式优化定位迭代过程,提高定位解算效率的同时保证了数字天顶仪的定位精度。实验结果表明:粗调平状态定位方法的定位精度与精调平状态的定位精度基本相同,其中粗调平定位方法的定位经度精度为0.306,纬度精度为0.292,满足数字天顶仪定位精度的要求。     

光学畸变耦合下的星敏感器焦距误差建模与分析

精确的焦距误差标定是保证星敏感器输出高精度姿态信息的关键,而光学畸变是焦距误差标定的首要误差源。根据星敏感器成像的几何模型以及光学畸变模型,建立了光学畸变与焦距误差耦合的数学模型,并推导得到畸变量与等效焦距误差间的关系式,提出了进行焦距误差标定时导航星点的参考畸变量阈值δr_max。仿真分析结果表明,选择全部在畸变量阈值内的星点与选择部分或全部在畸变量阈值外的星点相比,焦距误差标定精度分别有5～10倍明显的提升,充分减少了在焦距误差标定时光学畸变对其精度的影响。     

投影仪标定中的相位误差补偿

为了减小由投影仪-摄像机γ非线性引起的红蓝棋盘格标定板相位误差,分析了非线性相位误差的产生原因和表现特征,建立了非线性相位误差和相位主值之间的数学模型,由该模型得到相位误差补偿矩阵并修正展开相位;同时采用MATLAB仿真并结合相关试验对该算法进行了验证。结果表明,误差补偿后棋盘格平面展开相位的均方根误差从0.0836rad下降到0.0218rad;由γ非线性引起的棋盘格角点在标靶图像中像素坐标的最大误差值约从补偿前的0.3pixel降低到0.1pixel。该方法有效减小了由投影仪-摄像机γ非线性引起相位误差,提高了标靶图像的角点坐标精度。     

声阵列与光探测组合测试弹着点坐标的研究

在立靶密集度测试中,为构建更大的测试靶面(10m×10m),且要求测试系统具有较高的精度,在声探测阵列中增加了光探测器,组成了一种新的测量模型。该模型既具有声阵列能构成巨大测试靶面的特点,又通过引入光探测来提高测试系统的精度。推导了该模型的测量公式,并进行误差分析和仿真,得到了x坐标误差为5mm、y坐标误差为15mm的理论测试精度。     

线激光平行检测阵列弹幕武器弹着点测试方法

针对弹幕武器的立靶密集度测试难题,提出了一种基于线激光平行检测阵列组合的测试方法。研究了在平行检测阵列结构下实现弹丸定位的测量原理,推导了弹着点坐标解算公式,给出了弹着点坐标解算的程序流程,并分析了检测阵列精度导致的输出误差,研究了坐标计算误差与坐标位置及靶面大小的分布关系。当规则靶面面积从3 m3 m扩展到10 m10 m时,排除极小部分高误差区域后的x坐标固有误差绝对值从1.56 mm变成5 mm,增加了3.44 mm,y坐标测量固有误差为2 mm。对规则靶面面积为1 m1 m样机的模拟坐标测试结果表明,当采用的阵列精度为1.6 mm时,x坐标最大误差为3.6 mm,y坐标最大误差为2.8 mm。该测试方法有效光幕面积大、测量精度高、布靶难度小。     

基于图像取反的同心圆环半径和圆心提取方法

为了解决非定域干涉同心圆环图像的圆心和半径的精确提取问题,提出了一种基于图像取反的暗亮环兼顾的算法,以点光源非定域干涉同心圆环为对象,在平滑降噪预处理基础上,利用霍夫圆变换获得参考圆心,以参考圆心为基础分别在其x方向和y方向上[-50,50]像素范围内每隔5 pixel取一条强度轮廓线,每一条强度轮廓线取反后,分别实现暗环和亮环峰位坐标的精确识别,再利用圆回归拟合得到系列圆心和半径,通过系列圆心和半径的平均运算实现图像最终圆心和半径的精确提取。结果表明,靠近中心的3个亮环和3个暗环各自的圆心坐标非常接近,相对于总平均值的最大偏差为-3.7 pixel,即相对于总平均值的最大相对偏差为-0.15%,重复性很好;相邻两个圆环半径平方比值相对于实际比值的误差在-4.18%～0.36%之间变化,验证了算法的可行性。该研究对实现自动化检测、提高测量精度是有帮助的。     

星点亚像元定位中系统误差的改进补偿方法

为提高星点图像的质心提取精度,针对星点亚像元定位的系统误差和随机误差提出了一种改进补偿方法。采用三次样条插值函数表示质心位置与系统误差之间的关系,利用该函数进行系统误差补偿,极大地减小了误差采样点的数量和计算量。为了进一步抑制随机误差的影响,在系统误差补偿的基础上,采用非线性加权算法计算星点质心位置,并通过仿真实验确定了该算法的最优加权系数。在没有加入噪声的情况下,改进算法可以将质心法的精度从1/50 pixel 提高到10-4 pixel;加入服从N（0,22）分布的高斯白噪声后,改进算法可以达到0.0054pixel的精度,远小于质心法的0.0184pixel。实验结果表明:文中提出的改进补偿算法计算简单,精度高于质心法,满足了高精度星敏感器质心提取的要求。     

激光陀螺任意二位置寻北仪及误差分析

介绍了一种激光陀螺任意二位置寻北仪,可在一定程度上节省整个寻北过程的时间,推导了全姿态下的寻北解算公式。为提高整个系统的寻北精度,从理论上分析了陀螺漂移误差、系统圆周误差和转位误差对任意二位置寻北的影响,建立了误差数学模型,并提出了减小寻北误差的方法。仿真结果表明,水平状态下的转位误差引起的寻北误差是一个常量,大小为转位误差的一半;为保证足够高的寻北精度,要求寻北仪在使用过程中转角40,纬度70。寻北实验结果进一步验证了仿真结果的正确性,与理论分析结果相吻合。     

基于残差分析的星点筛选方法研究

运用数字天顶仪对测站点位置进行定位是一种高精度的天文定位方法。在对测站点位置解算的过程中,缺少一种对星点数据进行有效筛选的方法。往往直接对实验获得的星点数据进行处理,影响了最终的定位精度。为了解决上述问题,提出了一种星点筛选的方法,该方法以残差为研究对象,运用格罗布斯准则,在迭代计算的过程中反复对星点数据进行筛选,然后再使用最小二乘算法进行解算。实验数据的处理结果剔除了部分含有粗大误差的星点,提高了解算数据的可靠性,使定位的精度提高了大约5 m。     

改进的数字天顶仪定位方法

针对数字天顶仪原有方法计算过程复杂和计算过程中存在误差的问题,通过改变时间补偿方式和优化迭代核心,提出了一种改进的数字天顶仪定位方法.该方法在切平面中进行均值过程,消除了原方法运算中引入的误差,也避免了切平面变换和反变换的反复计算,从而大幅简化了计算流程.通过实验比较了传统方法与改进方法的计算效率和精度,结果表明:改进方法的计算效率比原方法提高了至少6倍;改进方法赤纬的计算精度比原来的15米左右提高了约1.05 m.因此,改进方法能够在一定程度上提高定位的精度.     

基于数字天顶仪的视场角分析

运用数字天顶仪进行定位是一种高精度的天文测量方法。在定位的过程中需要设定概略位置和进行局部星图识别。局部星图识别是在以概略位置为中心的一定范围内进行的。在进行局部星图识别时一般用数字天顶仪的视场角来确定局部星图识别的范围,实际上这是不准确的。通过对数字天顶仪视场角的分析推导了局部星图识别时的经纬度范围,并通过局部星图识别的范围对概略位置进行了研究。实验数据的分析结果表明,在进行局部星图识别时选取的经纬度范围是要大于视场角的,且随着概略位置的设定值逐渐接近测站点真实值,识别的恒星数量也在逐渐增加。     

基于EPNP算法的单目视觉测量系统研究

利用计算机视觉进行姿态测量的方法已广泛应用于现代控制、导航、跟踪等多个领域中。研究并设计了一种基于P4P矩形分布的平面靶标和EPNP算法结合的单目视觉姿态测量方法。首先,利用单相机获取平面靶标图像,经图像处理后得到四个特征点的像素坐标,并使用EPNP算法进行姿态解算;其次,对姿态角测量误差进行了仿真分析,为提高姿态测量精度提供了理论指导和依据;最后,提出一种与高精度二维转台结合的坐标系配准方法,利用该方法对三个方向姿态角精度进行验证。实验结果表明:当绕x和y轴的转动角度在[-6,6]时,姿态测量误差小于0.1,可以满足测量应用需求。     

基于数字天顶仪的时间标定方法

为了获得高精度的时间信息,常采用GPS等授时系统进行授时,但在野外等复杂环境下往往接收不到GPS等授时信息。数字天顶仪是一种高精度的天文定位仪器,采用数字天顶仪进行时间标定的研究相对较少。考虑到数字天顶仪的定位结果受恒星视位置和时间的影响,首先分别研究了时间误差及星表精度对恒星视位置的影响,然后分析了恒星视位置对数字天顶仪定位精度的影响。基于数字天顶仪的定位原理提出了一种时间标定的新方法,并得出时间标定的精度在0.025 s。实验数据的分析结果表明该时间标定的方法是可行的。     

点扩散函数对星点提取误差分析的影响

星点提取系统误差又称作像元频率误差,它的分布呈现以像元为周期的规律性,分析它的分布规律对补偿这种误差有指导作用。光学系统点扩散函数类型是影响星点提取系统误差分布的主要因素,选取合理的点扩散函数模型对星点提取系统误差进行频域分析,可以减小分析结果与实际的偏离,提高误差补偿效果。传统方法采用Gauss分布点扩散函数模型进行频域分析,但没有考察它的合理性。文中结合星敏感器拍摄的星点像,将一种Giancarlo点扩散函数模型与Gauss点扩散函数模型进行了比较。并在星点提取系统误差频域分析中采用Giancarlo点扩散函数模型,推得星点坐标提取误差理论解析式。与传统频域分析结果相比,文中频域分析结果中引入了对S曲线振幅起调制作用的项,使得星点横坐标系统误差沿x轴呈现S曲线分布的同时,其振幅沿y轴方向发生改变。随后在噪声条件下对星点提取系统误差进行了仿真,仿真结果与频域分析结果相符。最后进行了实验验证,根据理论解析式对结果进行了误差补偿,星点提取精度提高了54.42%,优于传统正弦拟合补偿方法。     

高精度图像尺寸检测镜头畸变校正方法与实现

在高精度轴类零件尺寸图像检测中,提出了一种基于标准件法对镜头径向畸变进行快速校正的方法。该方法通过建立世界坐标转换到摄像机坐标、然后再转换到图像坐标的理想数学模型,并引入径向畸变参数,最终确立物体在世界坐标中与图像坐标中的映射关系,从而建立误差补偿曲线的高次拟合函数。利用得到的误差补偿函数的系数矩阵和径向畸变参数,实现镜头畸变的误差校正,有效改善了镜头畸变造成的检测误差。实验表明,该方法快速有效,提高了检测精度、降低了设备成本、检测精度可达2 μm。     

基于面阵三维成像激光雷达的目标点云分割技术

针对偏振三维成像系统的高效目标三维点云分割问题,提出一种多维信息融合的高效分割理念。系统采用高分辨率EMCCD相机作为面阵探测器,在一次成像过程中,可同时获得视场中的灰度图像以及三维点云数据。根据该成像特点,建立灰度图的像素坐标与点云数据像素坐标之间的点对点映射关系,结合粒子群优化算法的边缘分割方法,将灰度图中目标分割后的坐标信息映射到三维点云数据中,得到其三维点云数据。该方法将三维点云数据降维处理为二维图像处理,显著降低了计算复杂度,避免了点云数据误差对分割精度造成的影响。实验验证了多维数据融合目标三维点云分割方法的有效性。     

CCD噪声对星敏感器星点定位精度的影响

星点测量精度是表征星敏感器精度的一个重要指标,影响该精度的主要因素有：光学系统误差、图像传感器的噪声、电路噪声及软件算法等。图像传感器的噪声对星点定位精度的影响是不容忽视的,但很少对此进行研究。针对某给定参数的星敏感器,对TH7890M CCD图像传感器的各项噪声进行了定量计算;基于亚像素细分质心算法,针对各噪声的分布特点及规律,分别推导出各自的均方根误差,综合各项误差得到CCD噪声的星点定位精度模型。计算结果表明TH7890M CCD的主要噪声有读出噪声、光子散粒噪声和光响应不均匀性引起的随机噪声;影响星敏感器星点定位精度的主要噪声是读出噪声和光子散粒噪声;对6等星进行星点位置的估计,CCD噪声达到了1/40像素的精度水平。     

工业相机自热引起像点漂移模型与补偿方法

In order to reduce the influence of temperature on the image point coordinates of industrial cameras in visual measurement, the image point drift caused by the self-heating of the camera was studied, and a compensation method for the thermal image point drift of industrial cameras was proposed. The finite element simulation analysis of the industrial camera model through Ansys Workbench shows that the self-heating of the industrial camera will cause the imaging optical path change and sensor expansion change, quantitatively the influence of the optical path change and sensor expansion on the image point coordinates was analyzed, and the image point drift compensation model was established. A large number of experiments have shown that the image point drift error compensated by the model is reduced from 0.4-0.6 pixel to 0.1-0.2 pixel, which is equivalent to the image point drift suppression effect achieved by hardware thermal control. However, compared with the thermal control device, the method of using the model for compensation has obvious advantages of simple structure and low cost. The temperature compensation model proposed in this research provides a theoretical basis for reducing the image point drift error caused by the self-heating of the camera in the visual measurement.