基于準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)的艦船三維變形測量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、艦船三維變形的實(shí)時、高精度測量對于建立全艦統(tǒng)一基準(zhǔn)、提高艦船作戰(zhàn)效能和艦船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。然而，由于艦船結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和變形因素的多樣性，艦船三維變形測量一直是困擾各國海軍和造船業(yè)的難題。本文以艦船三維變形的高精度測量為研究背景，提出了一種基于準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)的高精度三維變形測量方法。研究了采用準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)測量三維變形的基本原理，在此基礎(chǔ)上，圍繞準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)中的高精度橫扭角測量、準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中的測量誤差、光

2、學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)校方法和外部基準(zhǔn)引射方法、針對實(shí)際需求的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化配置方法等關(guān)鍵問題展開研究。論文的主要研究工作和創(chuàng)新如下：
　　(1)針對艦船遠(yuǎn)距離、高精度三維變形測量需求，提出了基于準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)的三維變形測量方法。根據(jù)準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)分析了光學(xué)系統(tǒng)的成像過程，從理論上推導(dǎo)了準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)中三維變形與成像變化規(guī)律之間的關(guān)系，提出了根據(jù)圖像特征變化計算三維變形的方法，為基于準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)的三維變形測量奠定了理論

3、基礎(chǔ)。
　　(2)根據(jù)基于準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)的三維變形測量原理，研究了準(zhǔn)直共軛光學(xué)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)參數(shù)與測量性能之間的交叉約束關(guān)系，提出了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化配置方法。論文從準(zhǔn)直共軛光學(xué)變形測量原理出發(fā)，分析總結(jié)了測量精度、測量范圍和測量距離三項性能指標(biāo)與物鏡焦距、物鏡通光孔徑、投影目標(biāo)尺寸、光敏面尺寸等光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)實(shí)際測量需求優(yōu)化配置光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，為準(zhǔn)直共軛光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供了

4、理論指導(dǎo)。
　　(3)針對實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中元器件微小失調(diào)的情況，建立了準(zhǔn)光學(xué)準(zhǔn)直共軛成像模型，分析了考慮元器件微小失調(diào)時的光學(xué)系統(tǒng)成像過程和三維變形角測量誤差，提出了相應(yīng)的誤差標(biāo)校方法。光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的各個元器件的位置和姿態(tài)在加工裝配過程中的微小失調(diào)將令光學(xué)系統(tǒng)工作于一種近似的準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)中。針對這種實(shí)際應(yīng)用中的測量誤差，論文建立了準(zhǔn)光學(xué)準(zhǔn)直共軛成像模型，并對元器件失調(diào)參數(shù)與變形測量誤差之間的關(guān)系進(jìn)行了深入分析和總結(jié)，提出了針對相

5、對變形測量的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)校方法和針對絕對變形測量的外部基準(zhǔn)引射方法，有效提高了準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的三維變形測量精度。
　　(4)針對準(zhǔn)直共軛光學(xué)結(jié)構(gòu)中的高精度橫扭角測量問題，提出了基于線目標(biāo)和點(diǎn)陣目標(biāo)的高精度變形測量方法。根據(jù)線目標(biāo)和點(diǎn)陣目標(biāo)的灰度分布特征，提出相應(yīng)的高精度提取橫扭角的辦法，對線和點(diǎn)陣的特征參數(shù)與橫扭角測量精度之間的關(guān)系進(jìn)行了建模分析和仿真計算。分別以十字線目標(biāo)和20×20點(diǎn)陣目標(biāo)為例，對線目標(biāo)和點(diǎn)陣目標(biāo)所能實(shí)現(xiàn)的三維變形

6、測量精度進(jìn)行了實(shí)驗驗證，實(shí)驗結(jié)果表明，采用線目標(biāo)和點(diǎn)陣目標(biāo)分別能夠?qū)崿F(xiàn)角秒級和亞角秒級三維變形測量。
　　(5)研制了艦船三維變形實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)并進(jìn)行了大量實(shí)驗研究，檢驗所研究理論的正確性。根據(jù)實(shí)船測量需求提出了系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)和總體方案，對系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了設(shè)計分析，并對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化配置。結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際情況，研究分析了圖像處理誤差、大氣湍流誤差、機(jī)械裝配誤差等誤差因素對系統(tǒng)測量精度的影響。開展了實(shí)驗室靜態(tài)測試實(shí)驗和海上實(shí)船變形測