基于泰伯莫尔效应的滚转角检测方法的研究

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1、基于泰伯莫尔效应的滚转角检测方法的研究Talbot-MoiréEffectMethodforRollAngleMeasurement学科专业：仪器科学与技术研究生：于雪指导教师：刘庆纲教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一五年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文

2、版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要角度是基本的几何量之一，现有的角度测量方法有很多，并且广泛的应用于工业生产、科研、国防等领域。空间物体相对于大地坐标系的三维姿态测量、物体不同结构或系统之间的三维相对转角的测量都是角度测量的重要组成部分。在同一物体不同结构或系统之

3、间的三维相对转角的测量中，相对俯仰角和偏摆角的测量技术已较成熟，如可利用光学自准直法进行测量；对于相对滚转角，因其滚转矢量所在平面的法线与两系统连线方向重合，所以滚转角的测量相对复杂。本文介绍了一些关于角度测量的基本方法，分析总结了光学非接触滚转角测量的常用方法。重点围绕泰伯莫尔效应的滚转角测量方法展开本文的研究工作，即透射光栅在单色平面波的照射下会在其泰伯距离处产生泰伯像，置于该泰伯像处的反射光栅与该泰伯像产生莫尔条纹，当反射光栅与透射光栅有相对角度变化时，产生的莫尔条纹宽度与夹角也将随之改变。本文在分析论述基于泰伯莫尔效应的滚转角测量方法的基础上，对泰伯效应进行了计算仿真分析

4、，按照设计要求确定了泰伯效应结合光电自准直仪的三维转角检测系统的方案；重点介绍了该系统的光路设计，基于该设计进行了滚转角检测系统的光路的搭建与调试；通过实验获得莫尔条纹图像；对所得莫尔条纹进行图像处理得到其倾角和宽度变化量，进而计算出滚转角的变化量。图像处理过程中依次使用图像预处理、Otus阈值分割、细化、直线拟合等多种处理方法。根据仿真模拟分析了三维角度的耦合情况对测量的影响。计算仿真结果和实验结果表明，论文提出的基于泰伯莫尔效应进行物体滚转角测量的方案是可行的，且能达到较高的测量精度和分辨力；结合光电自准直仪可有效地实现物体空间姿态的测量。关键词：滚转角、泰伯效应、莫尔条纹、

5、图像处理、衍射光栅ABSTRACTAngleisoneofthebasicphysicalquantities.Ithasoccupiedanimportantpositioninindustrialdesign,scientificresearchandproduction.Fromthethree-dimensionalattitudesmeasurementofspaceobjectrelativetogeodeticcoordinatesystem,tothethree-dimensionalangulardisplacementmeasurementbetweenthe

6、differentpartsoftheobject,forexample,arealltheimportantcompositionoftheanglemeasurements.Yawandpitchanglecanbedetectedeasilybyopticalautocollimationmethodwhiletherollangleismoredifficulttomeasuresinceitsrollplanenormalvectorcoincideswiththeincidentlightpropagationdirection.Inthispaper,somebas

7、icmethodsofangulardisplacementmeasurementandsomecommonlyusedmethodsofopticalnon-contactrollanglemeasurementareintroducedanalyzedandsummarized.TheTalbotMoiréeffectrollanglemeasurementmethodsisfocusedontocarryouttheresearchwork.Transmissiongrat