湍流中光束漂移引起光測成像畸變的分析及其修正.pdf

1、精密光測通過拍攝目標(biāo)圖像進(jìn)行測量，并且通常是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的。大氣的各種運(yùn)動會產(chǎn)生湍流，大氣湍流往往制約著攝像測量的精度上限。測量會受大氣湍流影響的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)得較早，但是在攝像測量領(lǐng)域中關(guān)于它的系統(tǒng)性的研究還比較少。本文首先總結(jié)了在其它研究領(lǐng)域里，關(guān)于大氣湍流與光傳播之間相互作用的研究成果，以及湍流干擾的修正辦法；然后介紹了湍流的一些基本物理特性，以及大氣湍流與光相互作用的氣動光學(xué)效應(yīng)；本文開展了相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，用于研究幾種常見因素對干

2、擾程度的影響；在消除干擾的具體方法上，本文提出了Kalman濾波消擾法和基于多標(biāo)志點(diǎn)和多相機(jī)的成像約束消擾法；最后總結(jié)了論文的主要工作，并對后續(xù)研究提出了幾點(diǎn)建議。
　　通過開展對干擾規(guī)律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)湍流強(qiáng)度越強(qiáng)、測量距離越遠(yuǎn)、集中干擾距離相機(jī)越近，則湍流產(chǎn)生的干擾作用越明顯；相機(jī)的鏡頭會對干擾程度產(chǎn)生影響，但這是多個(gè)因素的耦合作用。
　　根據(jù)湍流的固有頻譜特性，及其所造成干擾的部分分量的無偏特性，本文提出了使用Ka

3、lman濾波進(jìn)行消擾的辦法。受力學(xué)一般方法的啟示，并結(jié)合中心透視投影模型，我們建立了二階的像點(diǎn)偽動力學(xué)方程。為了增強(qiáng)模型的普適性，進(jìn)一步將其改進(jìn)得到了三階的濾波模型方程。通過對運(yùn)動標(biāo)志的像點(diǎn)坐標(biāo)作濾波處理，我們發(fā)現(xiàn)該模型能夠準(zhǔn)確跟隨標(biāo)志像點(diǎn)的運(yùn)動；通過對比濾波前后像點(diǎn)的坐標(biāo)以及位姿解算結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)Kalman濾波消擾法可以明顯地消除較高頻率部分的湍流干擾，但是對于較低頻率的部分則幾乎沒有作用。
　　利用計(jì)算流體力學(xué)的方法，我們模

4、擬了剪切湍流的形成和運(yùn)動?；诖藬?shù)據(jù)，本文分析了湍流渦旋附近光線的偏折，以及入射光線的偏折隨流場運(yùn)動而產(chǎn)生的變化。我們用這種方法驗(yàn)證了成像約束消擾的可行性。為了利用成像約束關(guān)系進(jìn)行消擾，本文相應(yīng)地建立了單相機(jī)-多標(biāo)志點(diǎn)，以及多相機(jī)-多標(biāo)志點(diǎn)的成像約束方程，并給出了對應(yīng)的求解方法。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)使用了兩個(gè)相機(jī)進(jìn)行同步測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙目相機(jī)約束消擾的效果明顯好于單目相機(jī)。本文分析了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：“長漂”效應(yīng)使得單個(gè)相機(jī)視場內(nèi)的光線發(fā)