飞机姿态测量装置的光学系统设计及算法研究

论文摘要

在新型号飞机试飞实验中,姿态参数测量是十分关键的。这些参量不仅反映飞机的飞行状态,而且对分析飞机的气动参量、试验鉴定以及排除故障隐患等具有实用价值和现实意义。光电测量技术具有非接触、简单方便、精度高等优点,在航空、航天领域中都具有着重要的应用,如无人机自主着舰光电引导系统、舰载直升机助降光电引导系统及航天器空间交会对接过程中的光电导航系统等。但这些系统的测量精度及实时性都有着较高的要求,有时甚至十分苛刻。因此,利用光电测量技术实现飞机三维姿态测量具有重要研究意义。本文利用合作目标的单站姿态测量原理,结合实际大气湍流条件下激光光束的漂移及扩展效应,提出利用补偿和定位后的激光光斑质心确定飞机外部姿态的方法。通过计算单帧激光光斑中心,提取单位时间内激光光斑质心组成的外围轮廓特征点,并将其构成多边形；以多边形图像质心作为参照,建立姿态测量自适应补偿模型。利用得到的自适应补偿模型求解飞机三维姿态信息。论文随后设计了飞机姿态测量装置中的光学系统,根据R-C光学系统,基于三级像差理论,设计了主次镜的基本结构,利用反射系统消除球差及彗差,完成折反系统的设计全视场弥散斑分布均匀。场曲小于0.05mm,全视场畸变小于0.1%。MTF在1161p/mm时接近衍射极限。为了满足实时性的要求,基于透视投影原理,推导求解目标三维姿态的最优化函数。通过统计大量光斑图像实验数据,将大气湍流的影响考虑在目标姿态测量误差中,提高了激光光斑中心的提取精度。采用多边形质心方法计算激光光斑中心,消除某一时刻由外界环境造成的偶然事件,提高了测量过程中每个环节的准确性。计算结果表明,当目标距离为3km时,采用模拟退火算法迭代解算并对结果进行自适应补偿,得到的姿态角误差最大值为0.221°,说明采用自适应补偿技术的姿态测量算法具有较高的姿态测量精度和收敛性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 基于合作目标的飞行姿态测量方法应用
• 1.3.1 合作目标在无人机自主着舰应用
• 1.3.2 飞行器外部姿态测量应用
• 1.3.3 视觉导航（Vide guidance sensor）
• 1.3.4 直升机位姿参数光电测量演示系统
• 1.4 本文主要内容
• 1.5 本文内容安排
• 1.6 本文创新点
• 2 目标姿态测量方法技术的基础理论
• 2.1 摄像机模型
• 2.2 单目摄影测量的变换关系
• 2.3 基于多站交会姿态测量
• 2.3.1 面面交会测量
• 2.3.2 投影矩阵求解空间直线
• 2.4 基于正交投影的姿态测量方法
• 2.5 本章小结
• 3 光学系统设计
• 3.1 设计规格要求
• 3.2 优化设计一般方法
• 3.3 两镜系统的基础理论
• 3.3.1 基本结构形式
• 3.3.2 单色像差表达式
• 3.3.3 常用的两镜系统
• 3.4 轴对称二次非球面表达形式
• 3.5 光学系统优化设计
• 3.5.1 两镜系统的初始结构设计
• 3.5.2 光学系统优化过程
• 3.6 光学系统像质评价
• 3.7 物距变化对光学系统的像质影响
• 3.8 像移补偿
• 3.8.1 像移产生的因素
• 3.8.2 像移补偿的方法
• 3.8.3 补偿系统分析
• 3.9 本章小结
• 4 姿态测量算法的研究
• 4.1 基于合作目标的单站姿态测量方案
• 4.2 姿态测量算法总体方案
• 4.3 求解姿态最优目标函数
• 4.4 模拟退火算法
• 4.5 姿态测量中光束的湍流效应
• 4.6 遮挡问题分析
• 4.7 本章小结
• 5 实验及分析
• 5.1 实验环境及设备
• 5.2 实际激光光斑中心的偏移与理论值比较
• 5.3 自适应补偿模型
• 5.4 姿态角测量结果
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本论文工作的结论
• 6.2 未来工作的展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢