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圖像進行測量，并且通常是在大氣環(huán)境下進行的。大氣的各種運動會產(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)的驗證實驗，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志點和多相機的成像約束消擾法；最后總結(jié)了論文的主要工作，并對后續(xù)研究提出了幾點建議。
　　通過開展對干擾規(guī)律的驗證實驗，我們發(fā)現(xiàn)湍流強度越強、測量距離越遠、集中干擾距離相機越近，則湍流產(chǎn)生的干擾作用越明顯；相機的鏡頭會對干擾程度產(chǎn)生影響，但這是多個因素的耦合作用。
　　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偽動力學(xué)方程。為了增強模型的普適性，進一步將其改進得到了三階的濾波模型方程。通過對運動標志的像點坐標作濾波處理，我們發(fā)現(xiàn)該模型能夠準確跟隨標志像點的運動；通過對比濾波前后像點的坐標以及位姿解算結(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。
　　利用計算流體力學(xué)的方法，我們模

4、擬了剪切湍流的形成和運動。基于此數(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動而產(chǎn)生的變化。我們用這種方法驗證了成像約束消擾的可行性。為了利用成像約束關(guān)系進行消擾，本文相應(yīng)地建立了單相機-多標志點，以及多相機-多標志點的成像約束方程，并給出了對應(yīng)的求解方法。驗證實驗使用了兩個相機進行同步測量，實驗結(jié)果表明，雙目相機約束消擾的效果明顯好于單目相機。本文分析了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：“長漂”效應(yīng)使得單個相機視場內(nèi)的光線發(fā)