精密光测中气流扰动引起的像点漂移特性及其校正方法研究

When videogammetry (optical measurement) was carried under outdoor or cruel indoor circumstance, the results would be inevitably affected by the atmosphere turbulence. As a result, the precision of surveying was destroyed. This field of air turbulence's impact on optical measurement was neglected by scholars for a long time, the achievements massed about laser optics and optical communications. The mostly adapted method was noise filtration when the pixel wandering could not be rejected in engineering application, which got little improvement on usual conditions. This project is aimed at summarizing the phenomena and discipline of pixel wandering, analyzing the effects on measurement results. The methods to be introduced are referring to scholarship, experimentation, theoretical deviation and numerical simulation. The goal of this project is to advance means of escape and restrain disturb effects, correction arithmetic of pixel wandering and its impact on calculation results. We expect conclusion of engineering methods that can levitate or correct effects brought by atmosphere turbulence after this project, thus, preserve the precision of optical measurement application.

在室外或较严酷的室内环境中进行精密光测时，经常由于光路的气流扰动引起成像像点漂移，对有较高精度要求的测量会造成不可忽视的影响，甚至使测量结果失效。在光测领域通常采取对光路进行防护、对数据进行平滑滤波，以及观测高空目标时对大气折射进行校正等措施规避和修正其影响。但这些措施适用条件有限，而气动光学、激光通信、远距离观测清晰成像等领域中的有关做法并不能直接应用于精密光测。本项目拟借鉴相关学科的研究成果，并主要通过实验设计和实验测试分析，辅以理论分析和数值仿真，对气流扰动引起成像像点漂移的现象及其对精密光测的影响进行系统的分析，揭示其特性和规律，提出在精密光测中有效规避和抑制气流扰动影响的技术手段，并提出对气流扰动引起的像点漂移及其影响进行校正的方法和算法；以期为在实际工程中有效减少和修正气流扰动引起的像点漂移影响，实现更强环境适应性的精密光测提供理论和方法基础。

本项目经过4年研究，已圆满完成了项目计划全部内容，主要包括：揭示了精密光测中气流扰动引起像点漂移的特性、规律；提出了根据气流扰动特点的气流扰动分类；提出了针对不同类别的扰动的消扰方法研究；开展了针对流场特性的光学层析法的研究；搭建了基于高速成像系统的对视成像系统，实现了对基于对视成像系统的消扰方法的实验验证；实现了实际应用条件下，大气扰动影响对精密光测的定量分析，并提出相应的扰动修正方法。取得的主要研究成果和结论有：（1）揭示了大气扰动对于精密光测成像的影响，并总结了不同测量条件下的影响大小，主要包括干扰位置、测量距离、干扰强弱，对存在明显大气扰动的精密光测任务的测量光路设计具有指导性意义；（2）提出了基于卡尔曼滤波的消扰方法，基于卡尔曼滤波的消扰方法能够有效去除大气扰动中高频扰动带来的影响，使精密光测的测量稳定性得到提高；（3）提出了基于对视成像系统的消扰方法，基于对视成像系统的消扰方法能够有效去除大气扰动中低频扰动带来的影响，是精密光测的测量精度得到提高；（4）提出光学层析法对流场进行了研究，通过光学层析法能够实现对流场的三维重构测量，对进一步分析大气扰动的内在机理意义重大；（5）基于高速成像系统搭建了对视成像系统，并在实际情况下进行了实验验证，结果验证了提出方法在实际应用条件下的准确性和稳定性；（6）针对实际应用中的大倾角空对地视觉定位的问题，通过建立对流层大气模型，揭示了对海拔6km、水平距离15km测量条件下，传统视觉定位方法在高度方向上存在超过2m定位偏差的事实，并通过基于模拟退火的修正方法，完全消除了该测量偏差。项目研究期间共发表论文9篇，其中SCI收录1篇，EI收录3篇；获国家发明专利1项；培养了2名硕士研究生，1名本科生。