针对由应变场变化和环境载荷等因素引起的结构变形问题,设计了一种基于光纤光栅传感网络的自由曲面结构状态感知系统,提出了基于布拉格光栅(FBG)阵列测试数据的三维曲面重建算法。 通过ANSYS对曲面结构加载不同状态载荷,仿真分析了其应变场分布规律,在100 N时其最大形变量为0.243 mm,并根据应力场分布特性确立了FBG阵列的位置。搭建了曲面位置偏移及三维应力场分布的测试系统。实验结果表明,Handyscan测量数据与实际测量数据的绝对误差均保持在0.026 mm之内,说明三维重构曲面可以很好地反映实际曲面受应力后的面形变化,其变形曲面重构的FBG各测量点数据与Handyscan测量数据的相对误差均保持在6.67%之内,平均相对误差均小于4.53%。所得结果验证了系统的可行性。该测试技术可用于飞行器结构健康监测中蒙皮面形偏差监测及应力场分析。

以航天器中结构的形态感知与可视化重构为研究背景,提出了一种基于准分布光纤光栅传感器网络的板状结构变形监测系统和坐标转换曲面重构算法。首先利用ABAQUS有限元分析软件对四边固支平板结构中心点加载的变形状态进行仿真分析,确定了光纤光栅传感器的位置;研究并分析了光纤光栅的应变检测原理以及基于坐标变换的三维曲面重构算法;最终搭建了一套变形检测系统并进行了相关实验。结果表明,测量点变形量的均方根误差≤0.04 mm,相对误差≤3.5%,该系统可用于航天器板状结构的变形监测。

对三维虚拟物体的计算全息图算法进行简要分析。基于分析研究结果，将三维物体表面视为形状及位置不同的直角三角形面元的组合，导出一种便于计算的三维物体计算全息图算法，给出光滑表面的三维物体计算全息图实例。基于采样定理，对漫反射三维物体计算全息图的算法进行探索研究，给出漫反射三维物体计算全息图实例。

针对范围在十几米至几十米、法向矢量变化大的复杂曲面测量问题，提出一种无干扰精密测量方法。通过光学投射的方法设置测量点和全局控制点，利用定向相机结合固定于测量相机上的定向靶标，解决测量相机初始位置姿态估计问题，进而利用光束平差优化方法解算被测点精确的空间三维坐标。克服了现有方法中必须在被测表面设置编码特征的局限，快速、有效且不会干扰被测曲面。实验表明：原理方法可靠，测量数据总体均方根误差为0.07 mm，能够高精度、高效率地解决大型空间复杂曲面的无干扰精密测量问题。

由于人机工程和仿生学设计的需要,空间曲面越来越多地出现在产品设计中,对于这些表面起伏比较大的工件的激光标刻,必须采用动态调焦三轴光束控制技术。分析了动态扩束调焦的原理,从离焦量与像场腰斑位置和大小的关系确定了调焦范围,给出了动态扩束聚焦镜的设计方法。将动态聚焦镜与X,Y方向扫描振镜一起搭建了三维激光标刻系统,在自由曲面上的标刻实验验证了系统的可行性,这种标记方式同样适用于其他二维平面的加工。