激光核聚变靶标装配的在线测量

论文摘要

激光核聚变是可控核聚变的重要研究领域,是解决当今世界能源危机的重要发展方向。在激光核聚变的实验研究中,需要使用高质量高精度的靶标,因此靶标的制作、装配、测量是激光核聚变实验中的重要环节。本论文对靶标装配过程中各零件空间位置的在线测量进行了研究,以便对装配过程进行监控,保证靶标的高精度装配。针对靶标尺寸小、刚度差、受力易变形等特点,本论文选用了基于机器视觉的测量方法,其基本测量过程是:首先获得靶标的图像,从图像中提取靶标的信息,然后再把靶标的图像信息转化为靶标的实际空间信息,最后得出靶标的空间参数。本论文设计了适合于本课题的图像处理算法,即先中值滤波,再Canny算子边缘检测的算法,能够获得靶标及其零件的比较精确、完整、低噪声的边缘图像。本论文深入研究了靶标图像中直线、圆和椭圆的检测,特别是对于圆和椭圆的检测,本论文提出的方法与以往的方法相比较有了较大的创新和改进,大大减少了圆和椭圆检测的计算量和计算时间。对于摄像机的标定,本文对Tsai方法作了改进,预先标定了主点和纵横比,并且把主点和纵横比也和其它参数一起进行非线性最优化,提高了标定的精度。在三维重建时,本文提出了新的点重建方法和直线的整体重建方法,其中直线的整体重建方法大大地减少了直线重建的计算量和计算时间。最后,本文具体地设计了一套靶球中心位置误差以及观察窗口对齐误差的测量方法,经过实验验证,测量结果的误差都在5μm以下,证明了本文的研究取得了良好的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 靶标的结构
• 1.3 本课题的研究任务
• 1.4 测量方法的确定
• 1.5 本论文的主要工作
• 1.6 本论文的创新点
• 第二章 系统总体介绍
• 2.1 靶标装配系统的结构
• 2.2 装配的过程
• 2.3 机器视觉系统的结构
• 2.3.1 CCD 摄像机和成像镜头
• 2.3.2 照明系统
• 2.3.3 图像采集系统
• 2.3.4 软件系统
• 2.4 本章小结
• 第三章 图像处理算法的设计
• 3.1 图像去噪
• 3.1.1 均值滤波
• 3.1.2 中值滤波
• 3.2 边缘检测
• 3.2.1 梯度与一阶微分算子
• 3.2.2 二阶微分算子
• 3.2.3 Canny 算子
• 3.2.4 各种边缘检测算子的比较
• 3.3 本章小结
• 第四章 靶标图像中形状特征的检测
• 4.1 Hough 变换和随机Hough 变换
• 4.2 Hough 变换检测直线
• 4.3 利用梯度信息的改进随机 Hough 变换的圆检测方法
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 边缘点梯度方向的求取
• 4.3.3 算法分析
• 4.3.4 算法的流程图
• 4.3.5 圆检测实验
• 4.4 随机三点邻域最小二乘拟合法检测椭圆
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 算法分析
• 4.4.3 算法的流程图
• 4.4.4 椭圆检测实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 摄像机标定及三维重建
• 5.1 引言
• 5.2 非线性最小二乘法
• 5.3 摄像机成像的数学模型
• 5.4 摄像机的标定
• x'>5.4.1 标定图像纵横比s_x
• 0,v₀）'>5.4.2 标定主点的坐标（u₀,v₀）
• x、T_y'>5.4.3 求解旋转矩阵R 和平移分量T_x、T_y
• z 的粗略值'>5.4.4 求解焦距f 和平移分量T_z的粗略值
• 5.4.5 非线性最优化
• 5.5 空间点和直线的三维重建
• 5.5.1 空间点的三维重建
• 5.5.2 空间直线的三维重建
• 5.6 摄像机标定和点的重建实验
• 5.7 本章小结
• 第六章 靶标测量方案的设计
• 6.1 靶球中心位置误差的分解
• 6.2 靶球中心径向误差的测量
• 6.3 靶球中心轴向误差的测量
• 6.4 两半观察窗口对齐误差的测量
• 6.5 靶球中心定位实验
• 6.6 靶标轴线定位实验
• 6.7 靶球中心轴向误差测量实验
• 6.8 靶标观察窗口的轴向边缘直线的定位实验
• 6.9 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢