空中目标姿态测量技术及其仿真实验研究

论文摘要

目标的三维姿态是航天测控系统中非常重要的物理量，对导弹、火箭、返回舱等的评估和设计有着重要意义。而光测方法具有非接触、全场测量和高精度三大重要特点，在靶场对目标的测量中有着非常重要的应用。基于光测图像测量空间目标姿态角是通过对目标的两幅投影图像提取、识别、匹配、解释以及重建三维环境信息的过程，主要包括：视频捕获、摄像机标定、图像预处理、特征提取、立体匹配以及三维重建。 本论文的主要目的是研究利用光测，通过对目标图像的处理来获取空中目标三维姿态角：俯仰角、偏航角、滚动角的姿态信息。总结全文，所做的主要工作和得到的主要结果如下：参考了大量文献，总结了姿态测量的研究概况；学习和研究了目标姿态角测量的基本方法，提出了一种基于光电经纬仪交会测量空中目标姿态的方案，建立了经纬仪透视投影模型，以及双经纬仪三维坐标测量模型，给出较为合理的空中目标的俯仰角、偏航角、滚动角测量的数学模型；对建立的数学模型进行误差分析，给出影响系统测量误差的因素。搭建了该测量系统原理仿真实验模型，进行测量系统标定，包括基线长度标定、镜头畸变标定、摄像机标定以及弹模型标定；对仿真实验采集的图像进行实时处理和判读，给出了实时提取目标姿态角的具体算法；分析实验数据，给出提高目标姿态测量精度的经纬仪的最优布站方案。 通过原理仿真实验得到，当电子经纬仪的测角精度为2″，CCD摄像机的焦距为50mm，弹模型的直径为30mm，长度为200mm，目标轴线在两测站投影角的均方值小于90°时，俯仰角和偏航角的静态测量合成误差σ_合＜0.2°；当弹模型对于两测站张角大于80°小于110°时，滚动角的静态测量误差σ_θ＜2°。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 基于数字图像的精密测量技术特点
• 1.3 数字图像处理硬件系统简介
• 1.3.1 光学成像设备
• 1.3.2 数字化设备
• 1.3.3 图像存储设备
• 1.3.4 计算机主机
• 1.3.5 图像显示与输出设备
• 1.4 目标姿态角的单摄像机测量方法
• 1.5 本课题研究的意义与确立依据
• 1.6 可见光电视的作用距离
• 1.7 论文的主要内容
• 1.8 本章小结
• 第2章 姿态测量技术理论基础
• 2.1 光电经纬仪的技术进步
• 2.2 光测图像数字化采集存储与处理的基本方法
• 2.2.1 图像及数字化过程概述
• 2.2.2 高速图像的实时存储技术
• 2.2.2.1 高速电视摄录系统系统简介
• 2.2.2.2 高速电视摄录系统
• 2.2.2.3 高速电视摄录系统工作方式
• 2.3 摄像机的标定技术
• 2.4 立体匹配
• 2.5 姿态测量系统的组成和功能
• 2.5.1 跟踪架
• 2.5.2 高速可见光电视测量记录系统
• 2.5.3 长波红外捕获跟踪系统
• 2.5.4 伺服控制系统
• 2.5.5 操作控制系统
• 2.5.6 半自动跟踪操作系统
• 2.5.7 图像记录系统
• 2.5.8 图像处理系统
• 2.5.9 时统终端
• 2.5.10 通信接口
• 2.5.11 载车
• 2.6 本章小结
• 第3章 空中目标姿态角的测量原理
• 3.1 空间几何变换与摄像机模型
• 3.1.1 齐次坐标
• 3.1.2 欧氏空间的刚体变换
• 3.2 摄影成像模型
• 3.3 常用坐标系及其关系
• 3.3.1 测控系统中的坐标变换及其转换关系
• 3.3.2 仿真实验中的坐标变换
• 3.3.3 仿真实验中摄像机标定模型
• 3.3.4 非线性模型
• 3.4 空间轴对称目标的姿态角测量原理与数学模型
• 3.4.1 姿态角的定义
• 3.4.1.1 基于光测图像的光电经纬仪交会测量的数学模型
• 3.4.2 目标的俯仰角和偏航角测量原理
• 3.4.2.1 目标中轴线的三维重建
• 3.4.2.2 俯仰角和偏航角的数学模型
• 3.4.2.3 俯仰角和偏航角的误差分析
• 3.4.3 滚动角测量原理与精度分析
• 3.4.3.1 交会测量目标滚动角的原理
• 3.4.3.2 同名特征点的匹配
• 3.4.3.3 滚动角测量的精度分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 姿态角测量图像特征信息提取
• 4.1 图像去噪
• 4.2 图像分割
• 4.2.1 图像分割原理
• 4.2.2 最大类间方差法
• 4.3 图像边缘提取
• 4.3.1 梯度
• 4.3.2 边缘算子
• 4.4 边缘细化
• 4.5 Hough变换
• 4.5.1 Hough变换原理
• 4.5.2 直线 Hough变换检测灰度图像中多根直线的方法
• 4.5.3 Hough变换检测结果
• 4.6 实验图像的处理与判读
• 4.6.1 空间定标点判读方法的选用
• 4.6.2 姿态测量系统视频判读软件设计
• 4.7 本章小结
• 第5章 姿态角测量仿真实验
• 5.1 实验设备
• 5.2 实验方案与原理
• 5.3 弹模型的标定
• 5.3.1 弹模型和电经III的装配关系
• 5.3.2 弹模型轴线和电经III的竖直轴重合的标定
• 5.4 测量系统的标定
• 5.4.1 系统基线长的标定
• 5.4.2 摄像机标定方案的选择
• 5.4.3 摄像机镜头畸变的标定
• 5.5 测量系统的标定误差
• 5.5.1 基线长的标定误差
• 5.5.2 俯仰角和偏航角的标定误差
• 5.5.3 滚动角的标定误差
• 5.6 实验结果及数据处理
• 5.7 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 创新性工作
• 6.3 展望
• 参考文献
• 博士期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历