非合作相对位姿测量跟踪研究及设计--《哈尔滨工业大学》2014年硕士论文
非合作相对位姿测量跟踪研究及设计
【摘要】：随着人类对外太空的不断探索，卫星维修、卫星攻防以及空间碎片清理等航天任务的不断开展，非合作目标跟踪和位姿测量技术的重要性越来越明显。本文对基于双目视觉的非合作目标相对位姿测量和非合作目标视觉跟踪进行了深入研究，并设计实现了跟踪和测量系统平台。
首先，本文介绍了非合作测量和跟踪现状，建立双目视觉测量和三维重建模型，并着重研究了极线约束下的三维重建方法，完成了双目立体标定和立体校正实验。
然后，本文提出了基于双目视觉的非合作目标相对位姿测量方案，该方案将航天器典型特征作为识别特征，建立起针对非合作目标的测量模型。为保证姿态测量的实时性和稳定性，本文提出了帆板轮廓和喷管轮廓相结合的策略，该策略有效保证了非合作目标识别的准确性；将噪声抑制函数引入SSD匹配，提高了匹配速度和匹配准确性。
其次，本文为实现非合作目标的动态跟踪，深入研究了MeanShift跟踪算法，提出了基于纹理特征(LBP)、尺度自适应和模板更新的LSMS算法，并利用多组标准图像序列进行仿真验证。改进后的Mean Shift算法(LSMS)在尺度自适应、迭代次数和跟踪误差等方面明显优于原始Mean Shift算法。
最后，利用VC++和OpenCV完成了双目视觉测量和目标跟踪物理实验平台的搭建，并对本文提出的非合作测量方案和基于LSMS的目标跟踪方法进行了物理仿真和误差分析，验证了该物理实验平台的准确性和有效性。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TP391.41【目录】：
摘要4-5Abstract5-6目录6-9第1章 绪论9-17 1.1 课题的背景及研究意义9-10 1.2 国内外研究现状10-15
1.2.1 国内外非合作视觉测量现状10-12
1.2.2 国内外双目视觉研究现状12-14
1.2.3 国内外目标跟踪现状14-15 1.3 主要研究内容15-17第2章 双目视觉测量建模17-33 2.1 引言17 2.2 摄像机模型17-21
2.2.1 小孔成像原理17-18
2.2.2 相关坐标系18-19
2.2.3 摄像机数学模型19-21 2.3 双目测量模型21-23
2.3.1 平视双目测量模型21-22
2.3.2 普通双目测量模型22-23 2.4 相机标定23-26
2.4.1 摄像机标定23-25
2.4.2 立体标定25-26 2.5 立体校正26-30
2.5.1 极线几何26-28
2.5.2 立体校正28-30 2.6 实验结果与分析30-32 2.7 本章小结32-33第3章 非合作测量方案设计33-43 3.1 引言33 3.2 非合作测量方案设计33-34 3.3 边缘检测34-36 3.4 轮廓提取拟合36-38
3.4.1 轮廓提取36
3.4.2 多边形拟合36-37
3.4.3 椭圆拟合37-38 3.5 立体匹配38-41
3.5.1 区域匹配原理39-40
3.5.2 改进的 SSD 区域匹配40-41 3.6 位姿解算41-42
3.6.1 三维重建41
3.6.2 目标体系重构41-42 3.7 本章小结42-43第4章 目标跟踪43-62 4.1 引言43 4.2 CT 跟踪43-45
4.2.1 压缩感知43-44
4.2.2 CT 跟踪算法44-45 4.3 Mean Shift 跟踪45-52
4.3.1 Parzen 核估计45-46
4.3.2 Mean Shift 原理46-48
4.3.3 Mean Shift 跟踪算法48-52 4.4 改进的 Mean Shift 跟踪52-56
4.4.1 局部纹理特征52-53
4.4.2 尺度自适应53-55
4.4.3 改进的 Mean Shift 算法55-56 4.5 实验结果与分析56-60 4.6 本章小结60-62第5章 位姿测量跟踪系统实现62-71 5.1 引言62 5.2 系统硬件组成62-63 5.3 测量系统实现63-67
5.3.1 设计方案63-64
5.3.2 位姿解算64-66
5.3.3 目标跟踪66-67 5.4 测量系统实验分析67-70 5.5 本章小结70-71结论71-72参考文献72-77致谢77
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京公网安备75号光栅衍射测波长的误差分析与测量改进_望远镜_中国百科网
光栅衍射测波长的误差分析与测量改进
    实验项目 光栅衍射测波长
　　选做内容 光栅衍射测波长的误差分析与测量改进
　　一、 务与要求
　　1.观察光栅衍射现象，了解光栅的主要特征，加深对光栅衍射原理的理解；
　　2.进一步熟悉和巩固分光仪的调整使用；
　　3.学习用光栅衍射方法测量光波波长，
　　二、 实验条件
　　分光仪、衍射光栅、钠光灯、被侧光源
　　三、 理论依据
　　1.光栅是根据多缝衍射原理制成的一种分光元件，它能产生谱线间距离较宽的匀排光谱。所得光谱线的亮度比棱镜分光时要小一些，但光栅的分辨本领比棱镜大。
　　光栅不仅适用于可见光，还能用于红外和紫外光波，常用于光谱仪上。光栅在结构上有平面光栅，阶梯光栅和凹面光栅等几种、同时又分为透射式和反射式两类。本实验选用透射式平面刻痕光栅或全息光栅。
　　透射式平面刻痕光栅是在光学玻璃片上刻划大量互相平行，宽度和间距相等的刻痕制成的。当光照射在光栅面上时，刻痕处由于散射不易透光，光线只能在刻痕间的狭缝中通过。因此，光栅实际上是一排密集均匀而又平行的狭缝。
　　若以单色平行光垂直照射在光栅面上，则透过各狭缝的光线因衍射将向各个方向传播，经透镜会聚后相互干涉，并在透镜焦平面上形成一系列被相当宽的暗区隔开的间距不同的明条纹。
　　2.当单色平行光垂直入射到光栅上时，在每一个狭缝发生衍射而想各个方向传播。这些光是相干的，用透镜会聚后叠加，在焦平面上形成被相当宽的暗区隔开、细锐明亮的各级明纹。光栅上相邻两缝发出的光（衍射角为φ的光）会聚到屏幕上时的光程差为δ=dsinφ在此点发生相长干涉产生明纹的条件是dsin=k(k=0,±1，±2，……)式中，k为主极大的级次；d为光栅常数；为入射光的波长；表示波长为的第k级衍射光谱的衍射角。&&
　　因为光栅有N条缝，各缝的a、b都相同，故满足上述两缝发生相长干涉的φ角同时也能使所有的缝都发生相长干涉。N束光干涉与双光束干涉，明纹的位置相同，其不同点在于双光束干涉明纹与暗纹宽度相同，而多束干涉明纹的宽度远小于暗纹宽度。所以与双缝相比，光栅所形成的明条纹极其细锐和明亮。如果入射光不是单色光，可以看出，光的波长不同其衍射角φk也各不相同，于是复色光将被分解。而在中央k=0，φk=0处，各色光仍重叠在一起，组成中央明条纹，在中央明条纹两侧对称分布着k=1、2……级光谱，各级光谱线都按波长大小的顺序依次排列成一组彩色谱线，这样就把复色光分解为单色光.
　　四、 实验方案
　　1.调整分光计：
　　（1）目镜的调焦：
　　先将目镜视度调手轮旋出，然后一边旋进，一边从目镜中观察直至分划板刻线成象清晰。
　　（2）物镜调焦：
　　在载物台中央放上平行平板双面反射镜，转动载物台使镜面与望远镜光轴基本垂直。从目镜中观察，此时可以看到一亮斑，旋转调焦车轮对望远镜进行调焦，使反射十字叉丝像清晰，并调到无视差。（3）调整望远镜的光轴与仪器转轴垂直。
　　调整望远镜光轴上下位置调节螺钉使反射回来的亮十字像和调节叉丝重合。将载物台转动180°望远镜中观察到平面镜的另一面的反射十字像也与调节叉丝重合。
　　但一般情况下，望远镜中观察到的亮十字像与十字丝有一个垂直方向的位移，就是亮十字像可能偏高或偏低。则需调整。先调节载物台调平螺钉使位移减少一半，再调整望远镜光轴上下位置调节螺钉，使垂直方向的位移完全消除。
　　转动载物台垂复以上步骤数次，使平面镜两个面的反射十字象严格与调节叉丝重合。此时再也不要调动望远镜的倾斜度和载物台的调节螺钉。
　　（4）平行光管调节
　　第一，调节平行光管使其产生平行光。点燃汞灯，照亮狭缝。转动望远镜对准平行光管找到狭缝，旋转调焦手轮实现前后移动狭缝机构，使从望远镜中看到清晰的狭缝象，并调到无视差。
　　第二，调节平行光管光轴与仪器转轴垂直。将狭缝转为水平状态，调节平行光管俯仰螺钉、使狭缝的像和测量用叉丝的横线重合，再将狭缝转为竖直状态。然后将狭缝套筒紧固螺钉旋紧。
　　2.观察光栅衍射现象
　　将光栅正确放置在载物平台上，要求光栅平面平行光管的轴，转动望远镜，观察衍射光谱的分布情况。调节对应的载物台螺钉，使谱线分布基本一样高。
　　3.测量汞灯中蓝紫光的波长
　　在望远镜中，找到衍射光谱中蓝紫光对应的衍射光方位，然后计算对应的衍射角φk，最后由公式计算波长。
　　4.测量光栅常数
　　以汞灯中绿光波长（λ=546.07nm）为已知，测出光谱中绿光对应的衍角φk，再由公式计算出光栅常数（a+b）。
　　（1）由于衍射光谱对中央明条纹是对称的，为了提高测量准确度，测量第k级光谱时，应测出+k级和－k级光谱线的位置，两位置的差值之半即为φk。
　　（2）测量时，可将望远镜移至最左端，从－2，－1到+1，+2级依次测量，以免漏测数据。
　　（3）为使叉丝精确对准光谱线，必须使用望远镜微调螺钉来对准。
　　注意事项：
　　（1）对光学仪器及光学元件表面，不能用手模，以及光学元件（如光栅）小心使用勿打破，尤其在暗室内使用之后一定放在安全的位置。
　　（2）使用分光计时，一切紧固用的螺钉，该紧固时应紧固该松开时应松开。如当止动螺钉未紧固时，调微动螺钉则不起作用。转动望远镜时，若没有松开紧固螺钉而用力转动，将使分光计的中心轴产生伤痕，而这种损伤在外表都看不到。
　　（3）使用分光计时，注意角游标的读数，游标经过360°（即0℃）时，读数应加360°。因此当望远镜对准平行光管时，可把刻度盘的读数调在90°及270°左右。
收录时间:日 05:42:11 来源:中国废旧物资网 作者:匿名
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