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角秒级小角度测量技术及其在航天器中的应用研究

作　者: 王文亮
导　师: 谭吉春
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学
关键词: 角秒级小角度测量莫尔条纹两平面镜多次反射法法布里-珀罗干涉数字图像处理
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 95次
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内容摘要

小角度是航天测量的重要参数之一。传统的测角方案难以满足航天技术对精度及轻小化等方面的需求。本文针对航天测量中如下所述三方面的需求,提出角秒量级三维角度测量新方法:1.针对测量卫星载荷的变形及安装位置的微小变化的需求,采用莫尔条纹与自准直结合的原理,提出正交组合光栅和数字图像处理技术实现俯仰角与偏航角的角秒级测量方案;采用Talbot自成像原理,利用莫尔条纹实现滚动角的角秒级测量方案;验证实验结果表明:本文的测量方法对俯仰角与偏航角的测量精度为0.3’’,滚动角的测量误差不大于±1 ’’,测量范围为±30’。2.针对测量卫星桁架上有效载荷相对于基准的小角度偏转需求,基于激光在两镜间多次反射角放大原理,利用CCD相机实时监测光斑位置变化,实现俯仰角与偏航角的亚角秒级测量;验证实验结果表明:反射次数为七次时,其测量精度为0.1’’,测量范围为340’’。用菲涅耳双棱镜取代自准直测角中的平面反射镜,采用通过CCD相机探测返回两个光斑的位置变化,实现三维小角度测量。3.针对测量航天器部件之间的相对角位移、微振动以及光束精确瞄准等需求,采用法布里-珀罗干涉原理实现小角度测量;仿真验证了所提方法的可行性和实用性,其测量误差不大于2’’;综述基于光学内反射小角度测量的原理、装置与特点。本文将数字图像处理技术应用于光学测角装置,提高了测量精度。在对激光光斑质心坐标的提取过程中,对比研究了质心法、加权质心法、Hough变换法与圆拟合法。在对莫尔条纹的处理中,重点研究了基于Hough变换的条纹中心线提取算法。本文所采用的测角方案具有装置轻小、可靠性高、精度高等特点,对设计和研制精度优于角秒级的星载角度测量系统具有实用参考价值。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章概述  12-17
  1.1 小角度测量技术  12-14
  1.2 国内外发展概况  14-16
  1.3 课题的研究背景  16
  1.4 研究内容及研究方法  16-17
第二章图像法处理角度测量数据的理论基础  17-28
  2.1 图像法数据处理的基础  17-18
  2.2 激光光斑的提取与质心定位  18-23
    2.2.1 质心法  19-20
    2.2.2 加权质心法  20
    2.2.3 Hough 变换法  20-21
    2.2.4 圆拟合法  21-22
    2.2.5 实例  22-23
  2.3 莫尔条纹图像的处理  23-26
    2.3.1 莫尔条纹的预处理  24-25
    2.3.2 基于Hough 变换的直线提取算法  25
    2.3.3 实例  25-26
  2.4 本章小结  26-28
第三章莫尔条纹测角法  28-37
  3.1 莫尔条纹二维测角法  28-32
    3.1.1 莫尔条纹概述  28-30
    3.1.2 基于莫尔条纹的二维测角原理  30-32
  3.2 莫尔条纹三维测角法  32-34
    3.2.1 基于Talbot 自成像测滚动角原理  32-33
    3.2.2 基于莫尔条纹的三维测角原理  33-34
  3.3 莫尔条纹测角实验  34-36
    3.3.1 验证实验与数据处理  34-35
    3.3.2 误差分析  35-36
  3.4 本章小结  36-37
第四章反射式测角法  37-54
  4.1 两镜多次反射测角原理  37-40
    4.1.1 多次反射的二维测角原理  37-39
    4.1.2 测量动态范围分析  39-40
  4.2 菲涅耳双棱镜自准直三维测角原理  40-44
    4.2.1 坐标旋转变换的矩阵原理  40-41
    4.2.2 双棱镜测角光路图  41-42
    4.2.3 三维角度求解原理  42-44
  4.3 两镜多次反射测角实验  44-53
    4.3.1 测角实验装置与结果处理  44-46
    4.3.2 误差分析  46-48
    4.3.3 光斑位移测量实验  48-51
    4.3.4 改进与应用  51-53
  4.4 本章小结  53-54
第五章透射式测角法  54-63
  5.1 法布里-珀罗干涉度测角法  54-57
    5.1.1 法布里-珀罗干涉原理  54-56
    5.1.2 法布里-珀罗干涉测角方法  56-57
  5.2 法布里-珀罗干涉测角仿真实验  57-58
    5.2.1 原理及光路图  57-58
    5.2.2 仿真数据  58
  5.3 基于光学内反射小角度测量  58-62
    5.3.1 光学内反射测角法原理  59-61
    5.3.2 基于光学内反射的差动法测角装置  61-62
    5.3.3 光学内反射测角法的特点  62
  5.4 本章小结  62-63
结束语  63-65
致谢  65-66
参考文献  66-70
作者在学期间取得的学术成果  70-71
附录Ⅰ 与测量学相关的名词术语解释  71-72
附录Ⅱ CCD47-20 相关参数  72

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