中文摘要：

本项目围绕大量程、高精度动态姿态角测量，提出一种基于光电准直和针孔成像原理，采用单CMOS图像传感器实现三维姿态角测量的新模式。在这种模式下，双基准平行光源的两路平行光线经针孔光阑，成像在CMOS图像传感器件上，通过针孔光斑图像中心在成像面上的位置，计算出入射的平行光线与探测器基准轴线之间的夹角，基于双矢量定姿原理，完成三维姿态角的测量。本项目设计了基于针孔光阑的光学系统，并对光学系统进行建模、数值仿真及优化设计；设计了反射镜组复用成像探测面，实现虚拟扩展成像，增大测量范围，提高测量分辨率；提出了基于几何坐标关系的光斑质心模式识别；提出ROI自适应动态预测窗的光斑区域跟踪成像算法，实现高速图像采集；采用FPGA实现实时并行流水的光斑质心处理从而实现高动态测量。提出改进的双矢量定姿方法，提高双矢量定姿精度。实现相关软件算法和硬件系统研制出姿态敏感器及三维姿态角测量系统样机；建立测量数学模型，提出内外参数分离的标定方法，对测量系统进行了标定并对误差进行了分析。本项目取得的成果将为大量程、高精度和动态三维姿态角测量提供有效手段，进一步推动光电准直技术的广泛应用和迅速。