为实现光具座上各种光学测量的自动化和数字化, 将硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)微显示器作为目标发生器, 加入到光具座测量系统, 取代传统的分划板, 并以CMOS相机作为图像接收器, 构建了数字光具座光学测量系统, 提高了系统的灵活性和适应性。针对数字光具座系统的特点, 研究了数字图像目标的自动生成方法; 基于数字相关原理, 运用正弦分布的周期目标, 研究了数字图像目标的高精度自动提取算法, 实验数据表明该方法的重复性误差为8×10-5。采用数字拟合求周期的方式, 研究小视场光学系统的焦距测量, 实验结果表明, 该方法相对误差为0.24%, 可用于小视场光学系统焦距测量。

静刚度是起重机械的一项重要安全指标，其主要测量参数为起重机大梁在空载与加指定载荷情况下大梁跨中挠度数值。在加载前后，大梁底部边界灰度特征保持稳定，利用数字散斑相关算法可以准确计算像平面中大梁边界移动量。在已知光学成像系统参数的情况下，由像平面中位移可精确计算大梁物面实际移动量。结合斜轴成像特点搭建了静刚度测量系统，并对斜轴光路系统测量误差进行分析，优化了子区位置与子区大小的选择。利用该系统对模拟大梁移动量进行测量，误差在0.2 mm以内。在30 m远处对起重机大梁进行静刚度实测，测量结果与对照方法一致，表明该方法能够满足现场起重机大梁静刚度测量要求。

为了能够大范围准确获取井下环境参量并有效抑制噪声, 研究了基于新型光纤光栅（FBG）封装的光纤传感物联网系统。设计了一种可同时测试应变与温度的传感模块, 试制了新型FBG封装结构, 搭建了符合巷道结构的光纤应力监测分布网络。采用基于互相关差分计算的方法实现了对振动噪声的消除, 并对井下巷道的应力和温度进行了连续监测。结果表明, 拱段45°与60°的FBG可以准确记录应力、温度变化数据。该系统在大范围井下环境参量监测中具有更高的稳定性、更好的适应性。

提出了一种基于相关计算的激光雷达三光束二维风场反演方法。三束激光从同一平面发射,通过计算三束激光时间序列上的回波信号相关性反演二维风场信息。详细阐述了三光束二维风场反演方法的原理和计算过程,基于此方法搭建了相关二维测风激光雷达系统,实现了30 m距离分辨率和1 s时间分辨率的二维风场探测。分析了系统中激光雷达夹角对测量结果的影响和相关计算时不同时间序列长度下相关系数曲线的变化,给出了合适的激光雷达夹角和时间序列长度。用该系统进行了水平测风实验,对比了系统探测数据和探测路径上风塔的风速、风向传感器数据,结果表明系统和传感器的数据具有较好的一致性。

为解决基于PC机平台、高达1 GHz采样率下的相关函数计算的实时性需求, 针对中子脉冲序列核信号本身所具有的结构特点, 设计了高速、实时的相关函数计算方法, 实现了采样率为1 GHz的中子脉冲序列核信号的实时相关函数计算。性能测试结果表明, 算法达到了对中子脉冲序列核信号进行相关计算的时间在1 h以内的实时性要求, 使得铀部件质量丰度的实时检测成为可能。

详细介绍了基于数字散斑相关技术的三维重建方法, 包括双目立体视觉基本原理以及散斑三维重建基本流程。重点分析了整像素对应点查找方法以及基于牛顿-拉弗逊迭代的亚像素插值算法, 实现了散斑亚像素级三维重建。针对数字散斑相关计算模型, 分析了影响相关系数的因素, 并围绕相关系数计算和亚像素同名点插值精度两方面重点分析了二值随机散斑和灰度随机散斑的三维重建效果。通过设计不同尺寸颗粒的散斑图案和采用不同大小的相关计算窗口, 分别对平面陶瓷板和陶瓷标准球进行了三维重建精度分析。实验结果表明, 二值散斑能获得更高的重建精度。

非固定相机数字散斑相关方法拍摄待测物体表面的目标图像时, 所拍摄的目标散斑图像相对于参考散斑图像可能产生位置移动及图像旋转。通过辅助定位的相机标定方法可以计算出被测物体表面与相机的相对位置, 但无法获得散斑图像在平面内的旋转角度。数字散斑相关方法对图像旋转较为敏感, 随着旋转角度的增加, 目标子窗口与参考子窗口的相关性迅速降低。研究图像旋转角度对数字散斑相关方法计算精度的影响, 分析相关性随旋转角度降低的原因。对相关搜索方法进行相应的改进, 在搜索目标子窗口时增加对子窗口旋转角度搜索, 在计算参考图像中子窗口位移量的过程中, 同时计算了其旋转角度, 从而降低图像旋转的影响, 提高数字散斑相关方法的计算精度。

针对产品表面正确性的快速自动无损检测问题，提出了利用垂直投影法确定旋转步长来获取序列图像的方法，并将一种针对尺度旋转不变性（ SIFT）改进的 SURF算法应用到此方面，该算法通过计算积分图像和 Hessian矩阵大大提高了特征点检测的速度，节省了图像匹配时所用的时间，并提高了算法的实时性。首先通过确定旋转步长来获取标准序列图库，其次通过 SURF算法寻找最优匹配位置，最后通过相关度的计算来判别各区域是否有缺陷。实验表明，在对待检测图像和标准序列图像库中的 5幅图像匹配时 SURF算法比 SIFT算法大约节省了 2.6 s，显然，把 SURF算法应用于序列图像中匹配可以大大节省缺陷检测时所用的时间。

为解决基于PC机平台、高达1 GHz采样率下之相关计算和频谱分析对实时性要求的关键技术问题,针对中子脉冲序列核信号本身所具有的特殊的“0,1”结构特点,采用快速移动的方法,借助于内存管理及SSE优化设计,创建了优化频谱分析的流程,构造了高速、实时的相关计算和功率谱分析算法,实现了1 GHz采样率下的中子脉冲序列核信号的实时相关计算和频谱分析。性能测试结果表明,在计数率为3×106 s-1,单个块(长度为1 024)时,研究的相关算法的计算时间为0.29 μs,相应的英特尔数学内核库的相关计算时间为129.95 μs。现场实际试验表明,该算法达到了对中子脉冲序列核信号进行相关计算和频谱分析的实时性要求。