大视场多CCD拼接相机标定方法研究

介绍了一种多CCD拼接弹道相机的标定方法和步骤,以及标定系统的原理及组成。对相机的光学畸变和大视场拼接物像几何投影关系进行了分析,建立了相机数学模型,并采用最小二乘多元回归分析方法,通过测量相机的内方位元素计算畸变系数,确定了最佳条件下相机数学模型中的各个参数。实验表明利用该方法标定出相机精度方位角测角误差小于10″,高低角测角误差小于15″。     

大视场短焦距镜头CCD摄像系统的畸变校正

从光学测量角度出发,结合计算机视觉中的摄像机标定方法,解决了大视场短焦距镜头CCD摄像系统的畸变校正问题。与摄像机标定不同,畸变校正中仅标定内部参数,外部参数作为已知条件。采用线性畸变模型,由最小二乘法解线性方程组得到摄像系统畸变模型的畸变系数。介绍了数字图像中像素间距和光学中心的标定方法。通过比较由标定参数得到的畸变图像和摄像机采集的畸变图像对实验标定精度进行评定,实验结果表明边缘视场(112°)的标定精度达到了0 75%。     

逆向成像法畸变测试技术研究

在相对畸变的定义下,提出了逆向成像畸变测试方法。通过把目标靶尺放到被测系统的焦面位置,再将被测光学系统的入瞳位置放到精密转台的转轴位置,将被测光学系统从正向最大视场处向负向最大视场处旋转,测量14个视场点后,可得到各个视场的畸变值。该方法严格要求把被测光学系统的入瞳位置放置在精密转台的旋转轴上,否则无法测量出整个视场的畸变值。焦距测量精度达2 m,畸变测量精度达5.010-4。     

小视场长焦距镜头畸变高精度测量研究

利用由精密测角仪、显微摄像测量系统、微型双光栅平面干涉仪、平行光管以及星点组成畸变测量系统,对小视场长焦距的镜头进行畸变测量。在计算镜头畸变中,利用中心视场区域内畸变设计无穷小,采用三次多项式拟和的方法,计算镜头理论焦距;在边视场采用像高高次方和视场角正弦高次方加权平均的方法对测量偏差角进行修正,得到各视场的相对和绝对畸变。通过实际测量和计算验证,镜头全视场畸变测量精度可达到0.02%。     

基于帕尔贴效应的双波段自适应标定板设计

为精确标定可见光和红外双波段相机系统,减少标定板数量并增加对相机响应波段的适应性,设计了一种基于帕尔贴效应的双波段自适应标定板,以解决以往大尺寸标定板制造困难的问题.通过控制电路中的电流产生不同强度的红外辐射,实现对相机系统响应波段的自适应.从双目超大视场长波红外相机拍摄的图像中可以看出,该标定板标定角点数量多,能够满足超大视场需求;标定角点清晰,对比度高;红外辐射均匀性、稳定性好.性能测试结果表明,标定角点重投影误差达到亚像素级别,标定参数误差均在1%以内,畸变校正效果好.     

基于局部焦距追迹计算优化的广角镜头设计方法

将焦距的内涵由零视场拓展至全视场,局部焦距可被用来表征各视场处极小视场角增量光线对应的像高增量,畸变则等效为随视场变化的局部焦距。继而,将局部焦距引入光学系统的设计过程用于畸变的表征与控制,可获得算测融合的效果。针对鱼眼镜头大视场、中央视场分辨率高且无畸变的成像目标,通过对局部焦距的追迹计算和优化控制,设计了全视场角160°,50%中央视场满足f-tanθ等线投影的鱼眼镜头。针对有限物距曲面物体复杂成像场景,通过对局部焦距的调控变换,为多种曲率半径数值的凸、凹物面设计了相应的广角镜头,满足了120°视场范围内物方等分辨率投影映射的效果。     

大视场针孔物镜设计及成像畸变校正

设计了一个相对口径为1/5、焦距为5mm、视场角为125°的大视场针孔物镜系统。该结构在50lp/mm时的所有视场的调制传递函数均大于0.5,成像达到衍射极限,但全视场畸变率达到-46%。根据光学成像理论和图像处理技术,利用点阵样板计算光学中心和畸变系数,建立畸变校正模型,设计畸变校正算法。将线性成像模型与畸变校正模型相结合,建立畸变校正率标定方程,利用该算法求得的畸变校正率达到96.17%。将该校正方法与其他方法进行了对比分析,结果表明,该方法简单易行,基本满足工业上的需求,能够广泛适用于大视场镜头的成像畸变校正。     

小范围回转轴系测角误差测试方法

为了提高小范围回转轴系测角误差的测量精度,用自准直经纬仪测量测角误差的原理和方法,对影响测量结果的误差源进行了分析,仿真结果表明被测轴系轴线倾斜角度是最主要的误差源.基于误差模型提出了利用最小二乘估计辨识失调参数进而分离引入误差的方法,以实现测角误差的高精度测量.以精度为2″的单轴位置转台为受检对象进行实验验证,相比常规方法的测试结果-309.1″~428.6″,本文方法的测试结果为-0.89″~1.01″和-1.01″~0.93″,测试误差为0.70″和0.78″,消除了设备失调引入的测试误差.该方法具有设备简单、操作便捷,可实现小范围回转轴系测角误差的高精度测试,解决小范围回转轴系工程测试难题.     

基于非度量校正的大视场图像匹配参数标定法

针对工业环境下拍摄的大视场图像受噪声与畸变影响较大,使用传统匹配参数计算方法的精度无法满足现场测量需求的问题,提出一种基于非度量校正的大视场图像匹配参数标定算法。设计了一种共线特征点布置方案,基于非度量校正完成了特征点坐标的畸变校正,并提出基于该布置方案的特征点识别匹配算法,通过分区域抽样一致性法实现匹配参数的高精度标定。实验结果表明,该算法匹配精度相较于传统方法提高了51%以上,能够满足工业环境下大视场图像匹配参数所需的精度要求。     

大视场星敏感器标定技术研究

大视场星敏感器光学系统,由于畸变量较大,在轨标定过程中,直接采用最小二乘最优估计(LMS)或扩展卡尔曼滤波方法(EKF)无法精确求解其标定参数。在深入分析星敏感器测量误差因素的基础上,对考虑畸变和不考虑畸变两种情况的在轨标定结果进行了仿真对比;指出了标定焦距之前需先标定光学畸变的必要性,并介绍了4种可用于在轨校正光学畸变的方法;提出先标定主点偏差,再标定光学畸变参数,最后标定焦距的标定方法。仿真结果表明,可以采用像面旋转法求取主点偏差,利用高阶多项式方法求取光学畸变参数,畸变校正后,采用LMS和EKF标定算法估计焦距,标定精度达到了3.1μm和2.2μm。对100幅模拟星图处理后,星间角距统计偏差约为传统在轨标定方法的1/10～1/8。     

计算全息法测量长焦透镜面形和焦距

为了同时对长焦透镜的面形和焦距进行高精度检测,提出在Zygo干涉仪的球面光路中加入一个二元衍射元件作为检测件的计算全息法。 首先对计算全息法检测长焦透镜的面形和焦距进行了理论推导,并给出焦距误差公式。在Zemax中使用在平面基底上制作的二元衍射元件对一个长焦透镜的面形和焦距进行了模拟检测,其中对该长焦透镜面形的干涉检测PV值为0.0034λ,对焦距的检测精度为-0.11%。最后详细分析了两类误差对检测结果的影响,其中光学元件的位置误差影响不超过0.1λ;二元衍射元件的制造误差影响约0.01λ,在具体制造过程中,其径向位置误差和台阶误差可分别在2 μm和5 nm之内。在综合考虑各项误差的情况下,该方法的检测精度仍然可控制在2λ/25之内。     

航天CCD相机焦面位置地面标定方法研究

为了在地面试验阶段准确标定出航天CCD相机在轨成像时的像面位置,提出了一种基于自准直干涉测量原理和调制传递函数测量原理的航天CCD相机焦面位置的地面标定方法。介绍了该方法的原理和实施过程,并以口径1 m、焦距20 m的平行光管标定口径600 mm、焦距6 m的航天CCD相机为例,分析并计算了新标定方法和已有标定方法的标定精度。结果表明:新标定方法的标定精度优于0.006 mm,是已有标定方法标定精度的5倍至10倍,能够满足现阶段所有航天CCD相机的焦面位置的标定精度要求。     

Effect of field of view on the accuracy of camera calibration

A long focal length lens can improve the spatial resolution and capture more detailed information, so it has been considered for three-dimensional (3D) vision reconstruction. However, the field of view (FOV) will narrow with a long focal length lens. It is a general concept that it is extremely difficult to achieve high-accuracy calibration of a narrow FOV camera because of paraxial imaging. In this paper an in-depth study on this issue is conducted from the aspect of perspective deformation. First, the perspective deformation of a point is divided into three parts. Then, the noise immunity of each part under different FOVs is discussed to reveal the root cause of the difficulty in the calibration of narrow FOV cameras. It is found that the calibration accuracy could be generally maintained at the same level if the image noise is inversely proportional to the focal length. Simulations verify the correctness of the inferences of this study that are hoped to be helpful in overcoming this disadvantage of narrow FOV cameras.     

多视场定焦距CCD摄像系统结构设计及调校

针对多视场定焦距CCD摄像系统按照传统光机结构设计方法造起各光轴平行性容易偏移和系统占用空间较大等问题,提出多视场定焦距CCD摄像系统的光机结构可以以一个精密铸件为基体,铸造出每个视场的内腔毛坯形状,通过数控机械加工和可靠的装调方法保证各视场光轴的平行性和稳定性。装调完成后进行冲击和振动试验,结果表明:该多视场定焦距CCD摄像系统各视场光轴的平行性误差不大于0.2 mrad;各视场光轴的稳定性误差不大于0.1 mrad。因此,该结构设计方法是可行的,它具有结构紧凑、体积小,各光轴平行性和稳定性容易保证,可靠性高等特点。     

精密离心机测控与加速度计标校自动化系统设计

惯导加速度计在精密离心机上的标校应用试验,涉及精密离心机动态半径和静态半径的精密测量、转速的精确测控以及被校加速度计信号的正确采集与实时传输等操作,需严格控制各类测控仪器的动作时序逻辑实现精密离心机精密测控与加速度计标校应用试验的自动化操作。介绍一种精密离心机测控与加速度计标校应用试验自动化系统设计,硬件上基于LAN总线组网集成精密离心机各类测控仪器,构建分布式测控系统,并应用外部光栅编码器脉冲信号作为触发信号控制测控仪器的硬件时序同步逻辑;软件上应用共享变量技术实现各类测控参数的有序传输,针对动态波形类大数据测试信号的共享变量传输可靠性差问题,提出一种基于文件动态拷贝的网络数据传输方案,设计严格的共享变量传输逻辑机制,实现了各类测控参数正确有序采集与传输。应用试验表明,设计的精密测控与加速度标校应用试验自动化系统满足加速度计在精密离心机上的标校自动化需求,显著提高了加速度计标校应用试验效率。     

用于校准能见度仪的标准散射体定标系统中光学系统的误差分析

为了实现用于校准能见度仪的标准散射体的快速高精度定标,依据标准散射体校准前向散射式能见度仪的校准原理,建立定标系统中光学系统的误差分析方法.分析标准散射体定标系统的工作原理,结合其光学系统、机械结构的加工及装调偏差,建立了标准散射体定标系统的光学系统模型并设计实验证明其正确性.分析影响定标系统中光学系统精度的主要误差,得到标准散射体定标系统中光学系统的误差传递模型.通过对畸变偏差、像面位置偏差、主点位置偏差、像面倾斜偏差和焦距偏差的分析,提出了一种系统综合误差分析的方法并建立了综合偏差模型,对每个偏差单独分析,得出畸变偏差、像面位置偏差、主点位置偏差、像面倾斜偏差和焦距偏差的偏差范围依次为0.024 mm,0.399 mm,0.02 mm,0.28 rad和0.392 mm.该研究为提高用于校准能见度仪的标准散射体定标系统的精度以及校准时误差的来源分析与补偿提供理论依据.     

弱光紫外星模拟器的研制

为了解决月基紫外深空观测相机地面定标的难题,研制了一种动态范围大、星等模拟精度高的紫外星模拟器。该模拟器采用5 m离轴光管作为准直光学系统,用双积分球系统作为均匀光源,可模拟3～16等星的弱目标,其星等最小分辨率为0.2等星,星等不确定度为5.48%。通过试验证明,该星模拟器完全满足月基紫外弱光星等深空观测相机地面定标的试验要求,不仅可以在实验室内标定紫外观测相机的探测能力和灵敏度,还可用于测试观测相机的其它参数指标,为发展深空高轨探测相机提供了地面定标基础。     

基于双朗奇光栅的焦距测量技术研究

随着中长焦距光学元件在光学遥感、高功率激光器和天文望远镜等系统中的广泛应用,对这类光学元件焦距的高精度测量提出要求。在双光栅干涉焦距测量技术的基础上,提出了一种新的改进算法。该算法通过Moiré条纹倾斜角度与待测元件焦距之间的函数关系得到焦距计算公式,并利用入射平面波时Moiré条纹的理想状态优化了该计算公式,解决了Moiré条纹倾角基准线的确定问题,提高了Moiré条纹角度求解精度。采用2块周期为20 μm的朗奇光栅搭建了长焦距测量装置。实验测得的透镜焦距为36.690 m,测量重复精度达0.382‰。     

一种成像式亮度计校正方法北大核心CSCD

采用图像传感器的成像式亮度计可通过短焦距成像物镜实现大视场和空间分辨的亮度测量,但仍存在图像传感器像素非线性响应,短焦物镜产生的强烈渐晕效应及图像边缘畸变等问题。因此提出了一种成像式亮度计校正方法,利用标准辐射源法进行线性校正与平场校正,以获得线性修正系数和平场校正矩阵,通过几何坐标标定法获得畸变校正矩阵。采用焦距为12 mm的物镜及200万pixel的图像传感器搭建了成像式亮度计,经校正后完成了液晶显示屏发光亮度测量,与商用分光辐射亮度计进行了对比测试,测量相对误差不超过±2%,实现了大视场高精度空间分辨亮度测量。     

弱光紫外星模拟器的研制

为了解决月基紫外深空观测相机地面定标的难题,研制了一种动态范围大、星等模拟精度高的紫外星模拟器。该模拟器采用5 m离轴光管作为准直光学系统,用双积分球系统作为均匀光源,可模拟3～16等星的弱目标,其星等最小分辨率为0.2等星,星等不确定度为5.48%。通过试验证明,该星模拟器完全满足月基紫外弱光星等深空观测相机地面定标的试验要求,不仅可以在实验室内标定紫外观测相机的探测能力和灵敏度,还可用于测试观测相机的其它参数指标,为发展深空高轨探测相机提供了地面定标基础。