基于线阵CCD的空间目标外姿态测量关键技术研究

摘要

姿态测量广泛的应用于航空、航天、军工及民用的各个领域，对于具体应用的不同，对姿态的描述也不尽相同，主要的方式有两种。一种是用其纵轴相对于某固定参考坐标系的转动角来进行描述，是一种绝对意义上的姿态，另一种则是用本体坐标系相对于参考坐标系作旋转变换的一组欧拉姿态角作描述，是相对意义上的姿态。姿态测量也就是对姿态角的测量。针对传统的基于面阵图像传感器的姿态测量方法多存在着速度和精度的矛盾，不利于满足实时性测量的要求，我们提出了一种多线阵CCD组合的姿态测量方法。
　　三个捕捉不同方向信息的线阵CCD和柱面透镜构成的一维成像单元的组合可以实现对空间点目标的三维坐标重构，我们把这样的系统称之为点目标三维坐标重构子系统，采用3套点目标三维坐标重构子系统分别实时捕捉分放于被测物体两端面上的3个点合作目标，就可以实现对两种不同意义上的姿态角的测量。采用可见光内不同波段的 LED作为点合作目标，分别与点目标重构光学子系统中相应波段的滤光片相呼应，解决了多摄像机与多点合作目标一一对应时的干扰问题。设计了新的光学构架，有利于测量精度的提高并节省了测量空间。采用多DSP并行处理和ARM-Linux为主控单元的嵌入式控制平台，易于实时处理的同时还有利于向商品化转型。对于不同物理意义上的两种姿态角，分别建立了它们的数学模型，并给出了合作目标的布置准则。
　　基于三个捕捉不同方向信息的线阵CCD和柱面透镜构成的一维成像单元的组合用于实现对空间点目标的三维坐标定位的相关技术研究，我们称之为三线阵CCD定位技术。针对现有研究成果中尚存的一些问题，我们进行了细致而深入的研究。对于柱面透镜及组合柱面镜头，针对其畸变表达式并没有像基于球透镜像差理论那样的经典公式可以借鉴，提出了一种确定结构已知的复杂（非球面）镜头畸变表达式的新方法；针对其垂直子午面内同平透镜的成像关系亦没有像描述球透镜物像关系的高斯公式可以作借鉴，确定了其在水平子午面内成像的畸变与垂直子午面方向上经同焦距、视场的球透镜的理想像点位置间的关系表达式。
　　采用非线性畸变系数和摄像机参数分开的两步法进行校准。由于构成点目标三维坐标重构子系统各一维成像单元非线性成像模型中含有在与线阵CCD垂直方向上经同焦距、视场的球透镜所获得的理想像点的位置信息，为此，我们构建了该方向上的线性DLT成像模型，以实现在校准和测量过程中对非线性畸变参数的修正。7个l系数的DLT方程可以确定摄像机在参考坐标系下的8个内外参数，其中的一个位置分量是任意的，因此在进行坐标重构时，该位置的不确定性有时会导致解的发散，引入重构子系统各一维像机间的相互位置关系，可以获得三维坐标重构的稳定解。采用基于非线性补偿的 DLT成像模型实现了多视觉传感器测量时局部校准和全局校准的统一。考虑到合作目标在线阵CCD上的成像特性，加权质心的定位方法被采用。
　　参照国外同类产品，对各坐标重构子系统中3个一维摄像机间的相互摆放位置与测量空间的关系、测量空间内总体参考坐标系下被重构点目标在各坐标轴方向上所对应空间分辨率的关系进行了研究，为设计和应用提供了依据。参照用于校准二维摄像机 DLT成像模型参数的控制点布置对其坐标重构精度影响的研究成果，通过仿真实验研究了用于校准的控制点的布局对基于一维 DLT成像方程的定位模型的坐标重构精度的影响。搭建了实验装置，对于文中关键性问题研究的正确性进行了验证。

目录

基于线阵CCD 的空间目标外姿态测量关键技术研究

STUDY OF THE KEY TECHNOLOGIES OF THEEXTERIOR ATTITUD EMEASUREMENT FORSPATIAL OBJECT BASED ON LINEAR CCD

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景、目的和意义

1.2 姿态测量方法及现存问题

1.3 相关技术的发展及研究现状

1.4 论文的主要研究内容

第2章 线阵CCD 组合的姿态测量系统设计

2.1 测量原理

2.2 电路系统的设计

2.3 光学成像系统的设计

2.4 本章小结

第3章 姿态测量的数学建模

3.1 坐标变换

3.2 欧拉姿态角的数学模型

3.3 广义姿态角的数学模型

3.4 本章小结

第4章 三线阵CCD 定位技术

4.1 柱面镜头畸变模型的研究

4.2 多线阵CCD 测量系统的局部和全局校准

4.3 线阵CCD 上像斑的定位

4.4 三线阵CCD 的相互位置及控制点的布置

4.5 仿真实验及结果

4.6 本章小结

第5章 实验结果与分析

5.1 实验说明

5.2 摄像机成像模型参数校准实验

5.3 外姿态测量方法验证实验

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

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