星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的实验室定标

采用四通道凸面光栅成像光谱仪设计了星载大气痕量气体差分吸收光谱仪,该光谱仪用天底推扫方式探测地球地表或天空散射光信号,基于痕量气体对不同谱段光信息的“指纹”吸收和差分吸收光谱算法定量获取大气痕量气体分布.针对该光谱仪的大视场、宽谱段、高分辨率(光谱、空间)等特点,提出了相应的光谱定标和辐射定标方法,建立了定标系统,实现了对载荷的光谱定标和辐射定标,并对其定标的不确定度进行了分析.结果表明,载荷光谱定标不确定度为0.027 nm,辐射定标不确定度为2.96％,满足给定的技术指标要求,为载荷的定量反演提供了保证.     

一种目标位置解算方法

目标位置解算装置是快速、准确地获取空中或地面目标位置坐标的有效手段,由激光测距机提供目标距离参数,由GPS接收机获得观测点坐标参数,方位获取设备提供目标方位角及高低角参数。在目标位置解算过程中,建立目标局部坐标系,根据地球的椭球模型,建立相应的地心坐标系。根据求得的目标局部坐标系与地心坐标系的转换关系,解算空中或地面目标相对于地心坐标系的大地坐标参数。通过对已知WGS-84坐标系数值的地面固定目标进行测试,在30 km的探测距离上,达到了目标定位误差绝对值小于1％的精度要求。     

大气临边观测中视轴临边指向精度的在轨补偿

为提高大气臭氧观测中的临边大气反演精度,克服臭氧探测仪在轨热变形和卫星姿态误差对临边指向精度的影响,建立了在轨视轴临边指向的精度补偿方法。通过分析低星等恒星的能量和观测时机,设计合适的恒星观测窗口和积分时间;采用平板玻璃获取星点像的弥散斑,用阈值距心法计算恒星像在像面上的位置;然后根据卫星轨道和探测仪的几何结构,设计临边指向精度的在轨补偿方法并分析了补偿后的临边指向精度。地面对星观测实验的结果表明:采用恒星定位补偿法,可使星点像的定位误差小于1.83″,当前视轴的指向误差控制在±3.08″以内;在编码器的位置重复精度为±2.47″的条件下,使临边观测光轴位置上的扫描镜定位误差控制在±3.95″以内,臭氧探测仪临边指向精度达到±7.9″以上,完全满足反演所需的指向精度优于±12.4″的要求。     

利用地球紫外和恒星可见光的卫星自主导航

提出一种利用地球紫外波段和恒星可见光波段为卫星进行自主导航的方法,该导航方法利用视场1观测恒星可见光波段,视场2观测地球紫外波段.在视场1利用星敏感器全天球识别算法识别所有恒星星像,识别结果的光轴指向作为恒星矢量;视场2被用来对地球紫外波段轮廓成像,计算得到地心矢量在卫星本体坐标系中的方向.最后,利用卫星轨道动力学方程和扩展卡尔曼滤波器来计算卫星轨道参数.对一紫外敏感器进行的实验表明,与利用红外地平仪和恒星可见光的自主导航方法相比,该方法的位置误差由1 000 m减小到500m,速度误差由100m/s减小到40 m/s,而且消除了由于太阳光与地平线夹角带来的周期误差,因此,该方法具有很好的鲁棒性.     

漫反射板法标定成像光谱仪的精度分析

用漫反射板法标定成像光谱仪时不仅要考虑定标仪器的精度,还要了解成像光谱仪几何参数和仪器参数对标定结果的影响.本文根据漫反射板法标定成像光谱仪原理,推导了以定标角度、距离等几何参数和成像光谱仪仪器参数为自变量的探测器沿景物像元方向采集到的信号电子数变化表达式,据此对几何参数和仪器参数对标定的影响进行了分析.结果表明,F/...     

椭圆轨道TDI CCD相机像移匹配计算与成像验证

针对椭圆轨道卫星地心距和前进速度时刻变化对航天时间延迟积分(TDI)CCD相机成像的影响,提出了一种矢量映射分析方法来计算椭圆轨道时变的像移速度矢量。通过建立不同的坐标系,将椭圆轨道卫星在轨运行速度和地物随地球自转的线速度映射至TDI CCD相机像面坐标系。以某临界回归椭圆轨道为例,计算了影响航天TDI CCD相机成像的像移速度矢量和数据读出频率。最后,利用小卫星姿态控制系统半物理仿真平台和TDI CCD原理样机对提出的像移速度矢量映射分析方法进行了实验验证。结果表明:临界回归椭圆轨道一个周期内,参数按照等比缩放原则配置时,对应的偏流角、像移速度矢量和靶标移动速度分别为-3.76~3.22(°)、0.1673~0.72mm/s和19.12~82.24pixel/s,获取的图像能够满足1~2peixl的目标分辨率。实验结果说明,用提出的方法计算像移速度矢量结果准确,可为椭圆轨道航天TDI CCD相机成像匹配提供可靠依据。     

线结构光传感器的模型及成像公式

分析了结构光传感器的模型,从矩阵变换的角度推导出了传感器的成像公式.与几何成像法求传感器转换公式相比较,矩阵变换法的原理更简洁,参数意义更明显,推导过程更简单易懂.文章最后对传感器的特性进行了分析,得出了一些有指导价值的结论.     

空间相机地心距误差修正

为了修正时间延迟积分(TDI) CCD空间相机像移补偿计算中的地心距误差,减小其对像移速度相对误差的影响,推导出了星下点成像的像移速度计算模型.通过该模型分析了地心距误差对像移速度相对误差的影响.根据地心距误差的来源,分两步修正了地心距误差:采用WGS-84(World Geodetic System)模型修正地球的偏心率引起的地心距误差;采用地球海拔高度数据源(USGS DEM)制作电子高程图,修正了地球表面海拔高度不同引起的地心距误差.推导出了地心距误差修正后的空间相机星下点成像的像移速度模型.修正后模型计算以及分析结果表明:WGS-84模型和电子高程图对地心距误差的修正消除像移速度相对误差最大分别为2.85％和1.76％.地心距误差的修正极大地减小了前向(沿TDI CCD积分方向的)匹配误差,提高了TDI CCD空间相机成像质量.     

用于大气临边探测的高光谱成像仪研制

用于大气临边探测的高光谱成像仪是一种探测大气痕量气体的新型空间光学遥感仪器。分析了利用高光谱成像仪进行大气临边探测的原理,设计并研制了一台紫外/可见高光谱成像仪原理样机,该样机光学系统由前置望远系统和改进的Czerny-Turner光谱成像系统组成,工作谱段为280～390 nm和560～780 nm,通过转轮切换紫外、可见滤光片分别探测这2个波段。高光谱成像仪原理样机质量为15 kg,体积500 mm×350 mm×200 mm。对该样机的性能进行了检测并测量了低压汞灯的光谱。性能检测结果表明,空间分辨力为0.44 mrad,光谱分辨力为1.3 nm,均满足设计指标要求。该样机结构紧凑、质量小,在空间大气痕量气体探测领域有广泛的应用前景。     

航向测量系统中三轴磁传感器标定的等效两步法

针对航向测量系统中三轴磁传感器误差参数标定问题提出了等效两步法。通过奇异值分解将测量模型等效为一组坐标变换,分析误差参数的几何意义及等效变换方法的意义与特点,依据几何意义将标定过程分为两步进行,即等效传感器坐标系标定及等效非对准标定。利用椭球面方程系数计算等效传感器坐标系误差参数,明确椭球法标定参数的几何意义;应用主成分分析法进行等效非对准标定,分析传统主成分分析法产生符号错误及非正交问题的原因与影响,并研究符号修正与正交修正方法。等效两步法的标定过程不需要航姿参考、地磁信息及辅助传感器,实验表明其航向角校正精度与点积不变法相当。     

基于高精度星敏感器的船载雷达海上精度鉴定

航天测量船海上航行时主要通过精度校飞进行雷达精度鉴定,针对其周期长、耗费大和组织协调困难的缺点,提出了一种采用高精度星敏感器与雷达捷联跟踪测量空间目标进行海上精度鉴定的方法。雷达在跟踪空间目标的同时,星敏感器实时拍摄天线指向附近星图。首先,星敏感器利用雷达输出的编码器角度计算视轴的初始指向,通过快速星图识别和目标定位获取天线地心坐标系精确指向;然后,经坐标变换到地平系,根据蒙气差模型修正地平系俯仰角,再经过船摇修正转换到甲板坐标系;最后,进行轴系误差及脱靶量修正,实现雷达指向精度鉴定。试验结果表明:利用该方法测量的船载雷达相对于星敏感器方位、俯仰随机残差优于50″,满足雷达精度鉴定要求,证明该方法的可行性。     

基于结构光的微细管孔内表面三维重建

介绍了一种适于空间曲线型微细管孔内表面三维重建的系统。该系统主要由管道机器人、形貌检测器和曲率检测器等部分组成。形貌检测器在管道机器人的带动下潜入管孔内部进行内壁截面图像采集，曲率检测器负责测量管孔中心轴线在检测器采样位置处的局部几何性质。对管道内壁截面图像进行适当的处理，结合形貌传感器的标定参数和结构参数，可以计算出在检测器局部坐标系下的管道截面三维轮廓；同时，根据传感器采样位置处的管道中轴线局部几何性质、管道机器人的前进步长，建立局部坐标系与全局坐标系的关系，从而将被测全部截面的局部坐标转化为全局坐标，实现管道内表面的三维重建。实验结果表明，利用该技术检测的管道内表面三维形貌与实际情况是一致的。     

线结构光传感系统的快速标定方法

针对现有线结构光传感系统标定过程中对设备要求高、标定过程繁琐等问题,提出一种基于三点透视模型的快速标定方法.引入一个可自由移动的平面靶标,靶标上只需要共线且相互位置确定的3个特征点,利用共线三点建立三点透视数学模型,根据3个特征点以及光条纹在摄像机像面的成像信息,获取了光平面上标定点在摄像机坐标系下的坐标.平面靶标在视觉范围内任意移动几个位置,得到光平面上多个标定点坐标,从而确定光平面方程.实验证明,该方法平均相对测量误差约为0.72%,标定时不需要昂贵的辅助调整设备,也不需要求解坐标系之间的转换矩阵,简单、快速,适合现场标定.     

多轴铣削定位加工手工数控编程的研究

以双转台五轴联动铣削加工中心为例,对多轴铣削定位加工手工编程进行了研究。利用坐标旋转公式,推出了工件坐标系中点的坐标转换到NT坐标系中刀位点的坐标的计算公式和旋转轴的旋转角的计算公式。利用这些计算公式,计算了任意平面铣削加工刀具轨迹刀位点的坐标和旋转轴的旋转角度,与UG软件生成的刀轨程序中相关数据比较,两者之间的坐标值的误差在0．0005mm以下,旋转角度误差在0．0005。以下。手工编写了在日本MAZAJ公司制造五轴联动加工中心上加工铝合金条形零件上表面数控加工程序,加工的零件质量较为理想。     

基于三点透视模型的线结构光系统标定方法

针对现有线结构光传感系统标定过程中对设备要求高、标定过程繁琐等问题,提出一种基于三点透视模型的快速标定方法。引入一个可自由移动的平面靶标,靶标上只需要共线、且相互位置确定的三个特征点,利用共线三点建立三点透视数学模型,根据三个特征点以及光条纹在摄像机像面的成像信息,就可以获取光平面上标定点在摄像机坐标系下的坐标。平面靶标在视觉范围内任意移动几个位置,得到光平面上多个标定点坐标,从而确定光平面方程。实验证明,该方法平均相对测量误差小于0.8%。该方法不需要昂贵的辅助调整设备,也不需要求解坐标系之间的转换矩阵,简单、快速,适合现场标定。     

TI蜗杆齿顶倒角建模及通用数控车削方法

在批量生产中,渐开面包络环面(Toroidal Involute,TI)蜗杆修缘和倒角加工自动化程度差且依赖人工。为此,提出一种TI蜗杆齿顶倒角特征建模与数控车削自动编程方法,在通用数控车床上即可实现TI蜗杆和齿顶倒角加工:首先将蜗杆齿面与毛坯外轮廓面进行求交,得到齿顶交线,并根据左右齿面齿顶交线的位置关系,设计出两端修缘车削轨迹;其次由修缘曲面对齿顶交线进行修正,通过齿顶交线离散点位置的空间几何关系获取相邻特征曲面的切矢量并旋转投影到车削XZ平面;再次根据投影切矢量建立齿顶倒角特征模型,进而计算出倒角轨迹和刀位数据;最后将刀位极坐标化,采用锥螺纹车削指令和极坐标刀位进行TI蜗杆的车削倒角数控编程。以TI蜗杆齿顶倒角计算及仿真切削实例验证了TI蜗杆齿顶倒角车削加工方法的可行性。     

三视场红外地球敏感器导航算法数值分析及实验研究

红外地球敏感器广泛运用空间飞行器,尤其是在地球轨道附近。目前最新的静态地球敏感器使用焦平面探测器来覆盖整个地球红外辐射圆。若面向飞行在70km-100km处的临近空间飞行器,他们就需要有很大的视场(>120°)且相对分辨率很低。本文针对临近空间飞行器的天文导航运用,采用线阵CCD作为探测器,设计了一个三视场红外地球敏感器。他们按照二维角度均匀分布以确保每个光学头能够均匀的指向地球红外辐射圆上。每个CCD覆盖20°以便能够精确地分辨地球辐射和空间的边界点。综合考虑地球辐射模型和地球扁率等因素,利用地球敏感器观测的向量可以获得地心矢量和飞行高度。以70-100km飞行高度为示例,建立相应的数学模型,同时提出了相应的姿态和高度确定算法并进行了仿真。综上述分析,研制了一套三视场地球敏感器原理样机并进行相关测试。仿真和实验结果表明：高度测量精度优于200m,姿态测量精度优于0.002°。     

共面点的摄像机非线性畸变校正

采用传统的Tsai两步法进行摄像机标定时,标定精度会受一阶径向畸变模型的限制。本文提出了一种同时考虑摄像机镜头径向畸变和切向畸变的摄像机模型并研究了模型求解方法来提高畸变校正精度。考虑图像中心区域畸变较小,故用中心附近点列出线性方程组计算了摄像机的部分参数;建立了综合畸变模型,将摄像机参数代入模型计算畸变参数的初始值。由于焦距和平移分量在标定板与相机平面的距离深度变化不够时难以一次性准确标定,故将其代入综合畸变模型重新计算,并运用两步迭代法逐步逼近精确解。最后,对世界坐标系进行空间几何变换、透视变换和成像变换得到的重投影图像的像素坐标并与实际测得的像素坐标值进行比较,得到校正误差。结果表明,本文的畸变校正方法平均像素误差可以达到0.114 9pixel,优于Tsai校正方法的0.367 0pixel,且重复性较好。     

Three-dimensional tool radius compensation for multi-axis peripheral milling

Few function about 3D tool radius compensation is applied to generating executable motion control commands in the existing computer numerical control (CNC) systems. Once the tool radius is changed, especially in the case of tool size changing with tool wear in machining, a new NC program has to be recreated. A generic 3D tool radius compensation method for multi-axis peripheral milling in CNC systems is presented. The offset path is calculated by offsetting the tool path along the direction of the offset vector with a given distance. The offset vector is perpendicular to both the tangent vector of the tool path and the orientation vector of the tool axis relative to the workpiece. The orientation vector equations of the tool axis relative to the workpiece are obtained through homogeneous coordinate transformation matrix and forward kinematics of generalized kinematics model of multi-axis machine tools. To avoid cutting into the corner formed by the two adjacent tool paths, the coordinates of offset path at the intersection point have been calculated according to the transition type that is determined by the angle between the two tool path tangent vectors at the corner. Through the verification by the solid cutting simulation software VERICUTwith different tool radiuses on a table-tilting type five-axis machine tool, and by the real machining experiment of machining a soup spoon on a five-axis machine tool with the developed CNC system, the effectiveness of the proposed 3D tool radius compensation method is confirmed. The proposed compensation method can be suitable for all kinds of threeto five-axis machine tools as a general form.