基于准直共轭光学结构的舰船三维变形测量关键技术研究

摘要

舰船三维变形的实时、高精度测量对于建立全舰统一基准、提高舰船作战效能和舰船结构优化设计具有重要意义。然而，由于舰船结构的复杂性和变形因素的多样性，舰船三维变形测量一直是困扰各国海军和造船业的难题。本文以舰船三维变形的高精度测量为研究背景，提出了一种基于准直共轭光学结构的高精度三维变形测量方法。研究了采用准直共轭光学结构测量三维变形的基本原理，在此基础上，围绕准直共轭光学结构中的高精度横扭角测量、准直共轭光学结构在实际应用中的测量误差、光学系统的内部参数标校方法和外部基准引射方法、针对实际需求的光学系统结构参数优化配置方法等关键问题展开研究。论文的主要研究工作和创新如下：
　　(1)针对舰船远距离、高精度三维变形测量需求，提出了基于准直共轭光学结构的三维变形测量方法。根据准直共轭光学结构分析了光学系统的成像过程，从理论上推导了准直共轭光学结构中三维变形与成像变化规律之间的关系，提出了根据图像特征变化计算三维变形的方法，为基于准直共轭光学结构的三维变形测量奠定了理论基础。
　　(2)根据基于准直共轭光学结构的三维变形测量原理，研究了准直共轭光学系统中结构参数与测量性能之间的交叉约束关系，提出了光学系统结构参数的优化配置方法。论文从准直共轭光学变形测量原理出发，分析总结了测量精度、测量范围和测量距离三项性能指标与物镜焦距、物镜通光孔径、投影目标尺寸、光敏面尺寸等光学系统结构参数之间的内在联系。在此基础上，提出了根据实际测量需求优化配置光学系统结构参数的方法，为准直共轭光学系统结构参数设计提供了理论指导。
　　(3)针对实际光学系统中元器件微小失调的情况，建立了准光学准直共轭成像模型，分析了考虑元器件微小失调时的光学系统成像过程和三维变形角测量误差，提出了相应的误差标校方法。光学系统内部的各个元器件的位置和姿态在加工装配过程中的微小失调将令光学系统工作于一种近似的准直共轭光学结构中。针对这种实际应用中的测量误差，论文建立了准光学准直共轭成像模型，并对元器件失调参数与变形测量误差之间的关系进行了深入分析和总结，提出了针对相对变形测量的内部参数标校方法和针对绝对变形测量的外部基准引射方法，有效提高了准直光学系统的三维变形测量精度。
　　(4)针对准直共轭光学结构中的高精度横扭角测量问题，提出了基于线目标和点阵目标的高精度变形测量方法。根据线目标和点阵目标的灰度分布特征，提出相应的高精度提取横扭角的办法，对线和点阵的特征参数与横扭角测量精度之间的关系进行了建模分析和仿真计算。分别以十字线目标和20×20点阵目标为例，对线目标和点阵目标所能实现的三维变形测量精度进行了实验验证，实验结果表明，采用线目标和点阵目标分别能够实现角秒级和亚角秒级三维变形测量。
　　(5)研制了舰船三维变形实时监测系统并进行了大量实验研究，检验所研究理论的正确性。根据实船测量需求提出了系统设计目标和总体方案，对系统软硬件进行了设计分析，并对系统结构参数进行了优化配置。结合系统实际情况，研究分析了图像处理误差、大气湍流误差、机械装配误差等误差因素对系统测量精度的影响。开展了实验室静态测试实验和海上实船变形测量实验，实验室静态测试实验结果表明，系统在恒温环境下对三维变形的测量精度优于1″，海上实船变形测量实验结果表明系统能够对舰船系泊和航行状态下的三维变形进行有效测量。
　　理论与实验研究均表明，采用基于准直共轭光学结构的三维变形测量方法能够实现对舰船三维变形的远距离、高精度、实时和非接触测量。通过进一步研究，该方法还可应用于其它大型平台的高精度三维变形测量。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 舰船变形测量方法的发展现状

1.3 基于光学自准直测量原理的三维变形测量方法

1.3 主要研究思路

1.4 论文的结构

第二章 基于准直共轭光学结构的三维变形测量方法

2.1 基于准直共轭光学结构的三维变形角测量原理

2.2 三维变形测量中的交叉约束和优化配置

2.3 本章小结

第三章 基于准光学准直共轭结构的三维变形测量误差分析

3.1 准光学准直共轭结构中变形测量误差的初步分析

3.2 准光学准直共轭结构成像模型

3.3 基于准光学准直共轭结构成像模型的变形角误差分析

3.4 本章小结

第四章 基于投影目标特征定位的高精度变形测量技术研究

4.1 投影目标及其仿真图像的创建方法

4.2 基于线目标的角秒级变形角测量技术研究

4.3 基于点阵目标的亚角秒级变形角测量技术研究

4.4 本章小结

第五章 舰船三维变形实时监测系统设计与实现

5.1 系统目的与构成

5.2 系统的软硬件设计与实现

5.3 系统标定

5.4 系统误差分析

5.5 系统性能测试与分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 论文的主要创新点

6.3 进一步研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果