海水水合物富集区的特征分析可作为深海可燃冰勘探的重要依据。为了实时分析海水溶解气体, 采用离轴积分腔输出光谱技术 (ICOS) 对利用膜分离获得的溶解气体进行了实时检测。实验搭建了适合深海走航观测的精密光谱分析仪器, 并进行了理论分析和实验验证, 实验得到 CH4 的浓度 (体积比) 探测范围为 1.073×10-8～1×10-3, CO2 的浓度 (体积比) 探测范围 为 3.39×10-6～1×10-2, CH4 同位素丰度的测量精度为 1.2‰, CO2 同位素丰度的测量精度为 1.74‰ 。实验结果表明, 系统具有良好的灵敏度和稳定性, 可以实现深海连续走航观测。

温度、压强作为影响光谱测量精度的主要因素,是研发高精度光谱测量仪器的研究重点。 针对该问题开发了一套用于光谱测量仪器的高精度温度压强控制系统。该系统从仪器结构、电路设计和控制算法等方面进行了 设计和优化,最终系统长时间温度控制精度可达0.003 °C, 压强控制精度达到5.34 Pa。在控压未控温条件下,该系统对 体积分数为300×10-6 的甲烷气体浓度测量结果波动为12.06×10-6, 标准差σ为 3.26×10-6; 而在温压控制下,浓度测量结果波动为4.03×10-6, 标准差σ为0.57×10-6。 结果表明该高精度温度压强控制系统可以提高光谱测量仪器的测量精度和稳定度,同时也验证了该系统的可靠性和可行性。 所提出的用于光谱测量仪器的温度压强控制系统达到了实验和生产标准,为研发同类高精度光谱测量仪器提供了借鉴和参考。

高速电视测量仪主要用于完成导弹和运载火箭发射试验任务中点火、起飞、飞离塔架过程中横向漂移量测量以及初始段高精度弹道测量、高帧频实况景象记录任务。为适应航天靶场测控任务的需要, 持续提升我国航天靶场的光学测控水平, 设计了一套焦距为25～350 mm的连续变焦光学系统。该系统可以根据不同的任务需要和布站条件, 改变镜头焦距, 调整摄像机的视场, 确保目标在视场中成像占一定比例。另外, 该系统增加了高速电视测量仪的跟踪测量距离, 并有效解决了定焦光学系统相机成像时容易出现倒影、重影以及存储图像上有干扰条纹现象等问题。

大视角、高分辨率、低畸变光学成像系统是全视角高精度三维测量仪中最为关键的核心器件。现有三维测量仪实际使用过程中不可避免会产生各种误差,因此科学合理地评估和降低全视角高精度三维测量仪的测量误差具有十分重要的科学及工程应用意义。通过多角度、全方面分析定量研究了相机内方位元素标定误差对几何定位误差的影响,以及相机光学系统MTF分析、点扩散函数分析、波像差分析和公差分析对匹配误差产生的影响。研究结果表明,在各种影响三维测量仪光学成像系统测量误差的因素当中,相机的传递函数是影响系统三维定位误差最主要的因素,当系统MTFN值大于0.4 lp/mm、系统几何畸变小于1个像素,PSF能量集中在以3 μm为半径的圆环内(小于1个像素),且PSF峰值达到了0.9时,三维测量仪的定位误差可达到秒级精度。

在印刷工业中,人们通过测量网点面积、网点距离、网点角度这三个参数来实现印刷品质量的控制。由于传统测版仪在测量网点面积时是以光学测量为基础,将光强转换成光照密度值,再间接得到网点密度,其中存在一定的测量误差与计算误差,影响印品质量。因此在数字图像处理的基础上设计了基于Blackfin处理器的测版仪,图像识别式测版仪为直接测量,测量精度高、误差小,更利于控制印品质量,提高网点参数测量精度。

从圆柱度误差的测量要求和圆柱度误差评定搜索算法两个方面研究了提高测量精度的方法。为了减小圆柱度误差测量中的工件倾斜误差, 设计并分析了两点垂直布局的调平方法; 根据工件轴线的方向余弦, 计算得到了两点调整的高度值, 克服了手动调整存在的问题, 实现了工件快速精确调平并提高了工件圆柱度的测量精度。由于圆柱度误差评定是对满足最小条件的圆柱轴线的搜索, 文中针对Nelder-Mead单纯形法的收敛精度依赖于初始解和收敛速度较慢, 提出了拟牛顿法和Nelder-Mead单纯形法相结合的联合算法来实现全局最优解的快速准确搜索。对经典测试函数的Matlab仿真及实际测量数据的应用表明, 该联合算法能有效地提高收敛速度和收敛精度, 其收敛速度提高了50%, 收敛精度提高了1倍, 从而提高了工件圆柱度误差的测量精度。

结合惯性导航测试设备精密轴系的技术要求, 研发了滚动轴承综合参数测试仪。该测试仪能检测轴承回转过程中的摩擦力矩、轴承刚度及几何精度, 并能以图表或曲线的形式给出摩擦力矩与轴系预紧载荷、预紧载荷与轴承轴向位移等的关系。该系统集成了压力、位移、力矩等类型的传感器, 在虚拟仪器平台上设计硬件控制、测量系统和软件, 具有可扩展性好, 成本低等特点。该系统将装配中难以控制的最佳预紧力转换为对轴承隔套高度差的控制问题, 较好地解决了轴系装配过程中的最佳预紧问题并保证了轴系具有平稳的摩擦力矩。测量轴系的摩擦力矩特性显示, 在8 r/min转速下, 运行平稳后的转动摩擦力矩为(0.62±0.16) Nm。该实验数据为控制转台的低速率运动和建立准确的补偿干扰力矩模型提供了理论依据。

研制了基于气相可逆比色法的小型水样氨氮自动光学检测装置样机,该装置主要由样品室、测试室、自动进样模块和数据处理与控制电路组成。以不同浓度氯化铵水溶液作为氨氮样品测试了样机性能,建立了样机吸光度与氨氮浓度的线性依赖关系式;通过比较样机对氨氮标样的测试值和样品标准值,验证了样机的可靠性。研究结果表明,该样机能够在室温下对水样氨氮进行连续长时间的自动检测,具有较好的测试重复性,探测极限约为0.04 mg/L(以N计),低于国家标准对一类水的检测上限(0.15 mg/L,以N计)。该装置体积小,重量轻,成本低,功耗小,自动化程度高,无需对水样进行复杂预处理,适合水环境现场的快速检测。

研制了一台用于实时测量天空背景辐亮度的大气辐射测量设备(DTL-1), 该设备具有全天空扫描与给定方向测量两种测量模式, 可完成400~1 000 nm波段积分辐亮度的测量。基于DTL-1系统组成结构原理图,详细说明了各功能部件的研制方案, 给出了仪器的各项主要技术指标。对仪器进行了光谱辐亮度定标与恒定亮度下测量稳定性的测试实验; 选取不同地区的天空辐亮度实测数据与MODTRAN5理论计算值进行了对比分析。结果表明: DTL-1稳定性测试的平均辐亮度示值为36.496 W/m2·sr, 均方根误差为0.463 W/m2·sr, 与MODTRAN软件模拟结果比较其相对误差在20%以内, 能够满足科研与实际应用对天空背景辐亮度测量可靠性和精度的要求。