为实现当代大型天文光学望远镜机架伺服系统的高精度控制,利用神经网络预测控制来克服系统中存在的非线性干扰,通过采集机架的输入输出信号训练神经网络来逼近非线性的系统动态,另外,为克服系统外部的风振等非线性干扰,引入了非线性阻尼项来提高伺服系统的跟踪精度.仿真结果表明了该方法的正确性且能获得较高的控制精度.

分析了"日盲"紫外ICCD(增强型电荷耦合装置)探测系统所采集紫外图像中噪声和目标的特点,基于紫外图像的特点,提出了一种紫外序列图像中目标提取的方法.该方法首先采用时域递归低通滤波算法对紫外图像进行降噪处理,有效抑制了图像中的随机噪声,提高了图像的对比度.然后运用自适应阈值分割算法对目标进行了提取.实验结果表明,该方法能较好地检测出紫外序列图像中的目标,具有较强的噪声抑制能力.

提出了一种新的基于多个小波基的图像融合去噪方法.首先利用多个不同的小波基对含噪图像进行阈值去噪,得到多幅恢复图像.然后对这些图像采用小波融合方法进行融合.对于低频系数采用基于边缘的融合算法,在多幅恢复图像中选择最有可能是边缘的点加以保留;对于高频系数,采用了平均的融合算法.最后得到一幅去噪图像.实验结果表明,无论是在视觉效果上还是在峰值信噪比定量指标上该方法去噪效果均明显优于单一小波基去噪.

分析现有图像质量评价方法特点,针对基于失真敏感度的质量评价方法的局限性,提出了一种新的基于结构相似度的图像质量评价方法,从亮度、对比度、结构三个子方面得到一个总的相似性度量作为质量客观评价标准.该方法充分考虑了图像的结构信息和人类视觉的特性,从图像内容的理解功能出发,通过数学建模估算出人眼对图像质量的主观视觉感受,使结构相似性计算模型符合图像处理应用的本质.通过理论推导和算法验证,该方法可以为选择图像压缩算法和评价图像质量提供依据.将采用压缩算法SPIHT编解码后的图像与传统的峰值信噪比方法评价图像相比,实验表明,本文提出的算法是一种更为有效的图像质量评价方法.

提出了基于云模型的音频水印技术.本文利用云模型的随机性和模糊性,设定云模型的参数作为密钥,通过正向云发生器产生水印信息,水印映射到坐标轴上是一幅云图.采用小波域自适应量化的方法,根据嵌入位置的不同选择不同的量化系数,将水印嵌入到载体音频中,提取时既可以对云进行视觉上的判断,又能通过逆向云发生器得到云模型的参数,并且给出了定量判断的方法.实验结果表明,基于云模型的音频水印具有较高的鲁棒性和不可感知性,可有效保护音频作品的版权.

为解决基于频率域的三维网格模型数字水印算法中存在的正交基函数不确定性问题,所提算法按网格对偶图构造出固定化的频谱正交基函数,选择一组相似变换不变量作为水印的实际载体,将其投影到固定正交基中实现频谱分解,水印信号隐藏在几个低频系数的线性关系中,提取水印时无需原始网格数据的参与,实验结果表明算法可抵抗平移、旋转、各向一致缩放处理,对低强度的网格几何数据压缩处理和噪声攻击亦具有一定的鲁棒性.

利用图像处理方法进行自动调焦的关键是提取图像清晰度特征,并建立其评价算法.本文研究了灰度值线性变换、灰度直方图均衡、中值滤波及同态滤波等预处理方法和基于功率谱的清晰度评价函数,并与其它的评价方法进行了比较分析.研究表明,中值滤波和灰度值线性变换相结合的预处理方法,具有效果好、计算量少等优点;基于功率谱的清晰度评价函数比其它的评价方法具有更好的调焦性能和更明确的物理意义.根据基于功率谱的图像调焦算法的特点,设计了图像处理模块的结构框架和算法流程,提出了流水线作业结构、"乒乓"操作模式、双蝶形处理器复用、基-2 FFT算法的FPGA实现方案,提高了图像自动调焦的计算和响应速度.

针对某型飞机机载设备故障多,且具有模糊性、复杂性的特点,本文将模糊逻辑和神经网络相结合,采用模糊隶属函数来描述这些故障的程度,建立了模糊神经网络故障诊断模型.采用图形化编程技术,开发了一种故障诊断推理流程图,方便了用户的开发.该系统依据专家知识和测试数据,可将故障隔离到内场可更换单元(SRU)或某个功能电路.实践证明该诊断系统是有效的,具有推广应用价值.

针对3×3耦合器输出信号的非对称特性,研究并推导了改进型的3×3耦合器解调算法.根据该算法,使用Labview设计了信号处理软件.实现了对非对称3×3耦合器输出信号的软件解调和频谱分析.通过实验,系统的频率测量范围可达10～1000 Hz,相位测量范围为-10～10 rad,相位灵敏度为0.5V/rad.

该研究的目的是实现低成本、高精度的移动机器人对接.利用红外和激光导向的方法检测环境并进行精确定位.首先,利用从对接站发出的垂直激光束使机器人锁定在光束上.即光束从对接站中心位置发出并垂直于墙面,并通过保证激光束位于机器人上的传感器阵列的中心来操纵机器人驶入对接站.然后,红外传感器界测出机器人与对接站的距离,并使机器人进入最后的对接位置.提出了控制马达的相应的算法.实验结果显示:对接精度小于4 mm.

特种泡沫幕干扰实验研究中发现,构成泡沫幕的气泡半径越小,泡沫幕的干扰效果越好.本文通过探讨气泡半径、气泡液层厚度等结构参数对气泡中电磁波全反射发生概率的影响,从理论上解释了上述现象的成因,并建立了气泡结构性能参数指标η;据此提出了优化泡沫幕干扰性能的实用方法,并预测到该方法潜在的干扰性能退化风险,为彻底消除这一风险分析得出了关于η的可行值域.

研究了美国BNS公司生产的Modal P256反射型电寻址液晶空间光调制器的相位调制特性和时间响应特性.采用He-Ne激光作光源,建立迈克尔孙干涉光路观察波前相位变化,给出器件的相位调制特性曲线.分析测量了器件的相位响应不一致性和像素间的相位交连.通过测量液晶器件对方波和正弦控制信号的相位响应延迟,分析了液晶空间光调制器(LC-SLM)的时间响应特性.理论分析与实验结果说明:在特定的入射偏振条件下,LC-SLM实现纯相位调制,可用作高分辨力波前校正器件,然而极慢的响应速度和极低的时间带宽限制了它在动态变化波前相差校正中的应用.

基于CMOS APS的星敏感器是适应航天技术微型化的发展而产生的新一代姿态敏感器.结合星敏感器系统帧频以及探测信噪比阈值的要求,确定了合适的CMOS探测器件以及光学系统的通光孔径、焦距、工作光谱范围和中心波长等主要参数.分别基于球面和非球面,在ZEMAX平台上实现了具有良好像质的大孔径(F/1.198)、大视场(22.6°)、宽光谱范围(0.5～0.8 μm)的两种光学系统的结构设计,满足了对弥散斑、能量集中度、畸变等的特殊要求.

本文研究利用光学超分辨技术提高光盘存储密度.给出了一种可以达到衍射超分辨力的多元环形滤光片的设计结果.介绍了该多元环形滤光片的理论设计方法.之后用遗传算法设计了多组多元环形滤光片的结构参数,模拟结果显示设计的环形滤光片能使横向的半峰全宽半径值减小30%,达到提高信息存储密度的目的.另一方面该环形滤光片能使焦深不变或变长,减小了在记录过程中因为光盘的微小波动而引起的记录信息的错误率.

照明系统作为投影仪的重要组成部分,对于整个系统的亮度和均匀度起着决定性作用.本文提出了一种特殊的复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator,CPC)作为回复反射器微型投影仪照明系统,目的在于利用CPC特殊的几何结构对UHP(Ultra High Performance)光源发出的部分光线进行收集循环利用,以提高整个系统的光能利用率.通过在Tracpro软件中建立整个单片式LCOS微型投影仪照明系统进行光线模拟,结果表明:使用特殊CPC回复反射器以后,投影到屏幕上的能量提高约为单纯利用椭球形反光碗收集光线时的两倍.

从速率方程和薄膜光学理论出发,对垂直腔半导体光放大器(Vertical Cavity Semiconductor Optical Amplifiers,简称VCSOAs)在脉冲工作情况下的动态增益进行了数值模拟.在计算中考虑了载流子和光强沿光轴方向的不均匀性,以及腔内介质折射率的不连续性对光波传输的影响.详细分析了反射模式下VCSOA在脉冲通过时载流子密度和瞬时增益的变化、输出光脉冲的畸变以及抽运光功率、分布布拉格反射镜(Distributed Bragger Reflector,简称DBR)周期数、输入脉冲能量以及脉冲宽度等参量对脉冲放大中的能量增益的影响.结果表明,能量增益随抽运光功率增大而增加;在峰值功率一定时输入脉冲宽度的增加将减小能量增益;输入脉冲能量的增加也会引起能量增益的下降,而适当减少顶部DBR的周期数可以改善这种脉冲放大的能量增益饱和特性.

本文提出采用高浓度掺铒光纤的短腔环形光纤激光器,研制出铋铝共掺和铋镓铝共掺两种石英基高浓度掺铒光纤,这两种掺铒光纤的吸收系数在1530 nm处分别达到了66.3dB/m和59.5dB/m.利用这两种石英基高浓度掺铒光纤,采用环形结构制作出了短腔的光纤激光器,光纤激光器中铒光纤长度分别仅为30 cm和90 cm.对采用这两种高浓度掺铒光纤制作的光纤激光器的输出特性进行了测试和分析.实验结果表明,采用铋镓铝共掺的掺铒光纤制作的光纤激光器具有更高的输出功率和斜率效率,在980 nm泵浦源输出功率330 mW时可以实现15 dBm的激光输出,激光器的斜率效率达到了22%.

结合三轴直角框架结构的光电导引系统消除视线扰动的问题,给出了弹体扰动角速率和框架电机角速率转换到视线坐标系的转换公式,同时采用三轴直接补偿方式消除弹体扰动的影响,构成内回路角速率稳定控制器.进而导出了基于非线性逆动力学和PID控制器组合的外回路角速率跟踪控制器,使得光电导引系统在消除扰动的同时跟踪输入指令角速率信号.最后采用Matlab对稳定回路和跟踪回路进行了仿真,仿真结果表明,系统角速率稳定的解耦精度为1%,角速率跟踪的响应调节时间小于0.1s.

针对衍射光学元件(DOE)的离子束刻蚀工艺,结合掩模套刻过程实例,本文提出了刻蚀误差面形分布的概念.在标量衍射的夫琅和费原理上,进行了误差数值模拟分析及讨论.模拟分析和实验数据结果表明,误差的面形分布在DOE器件的衍射焦斑中心会产生一个明显的光强畸变毛刺亮点,严重破坏了靶场照明的均匀性.

针对工件台制造和装配过程中产生的移动直线性误差,建立了掩模沿曲线移动时曝光量与曲线和移动距离之间关系的数学模型.通过对实测工件台移动直线性误差规律的分析,确定了近似的移动曲线函数.利用MATLAB进行数值模拟的方法,分别模拟了沿理想直线移动、不同幅值和不同移动距离的曲线移动时,所获得元件的面形,并分析了面形误差的影响因素和"竹节"误差产生的原因.最后得出结论:通过控制移动距离为一倍的掩模图形重复周期,并减小工件台移动直线性误差,对控制元件的面形精度和"竹节"误差最为有利.

为了实现大口径长焦距透镜波面精确测量,提出了一种基于朗奇光栅泰伯效应、莫尔条纹技术的子波面斜率测量方法.当子孔径光束照射在朗奇光栅上时,在光栅后周期位置出现光栅的泰伯像,如果将另一朗奇光栅放在光栅泰伯像的位置,在这块光栅后就会形成莫尔条纹,莫尔条纹会因子孔径光束的斜率微小变化而产生移动,通过计数移动的莫尔条纹数就可以得出子孔径光束的波面斜率.文章推导了子波面斜率的计算公式并进行了理论分析,从实验上对理论分析进行了验证.这种方法能够用于大口径波面检测中子孔径波面斜率的精确测量.

提出一种新的摄像机标定方法,该方法基于2D共面参照物摄像机标定方法和相移技术.首先由摄像机记录已知相位分布的平面,通过相移计算出相位分布.对任意标定平面,两个正交相位分布与平面坐标的对应关系已知,由此可以建立像素坐标与2D平面坐标的一一对应关系.将该已知相位分布的平面在空间中放置不同的位置,分别完成上述测量,即可根据2D共面参照物摄像机标定方法完成摄像机的高精度标定.该方法避开了复杂的标定特征点提取,大大增加了2D标定数据量,提高了标定精度.实验和计算机模拟表明,该方法简单、可靠和精度高.

针对视频车流量检测容易受车辆阴影和车辆变道影响的问题,笔者提出了一种基于边缘信息的背景差车流量检测方法.该方法利用边缘信息作为车辆的检测特征,实时自动提取和更新背景边缘并采用动态开窗的方式来进行车辆计数.实验结果表明,与传统背景差法相比,该方法受车辆阴影和车辆变道影响较小,检测准确率达97.3%,是一种实用有效的车流量检测方法.

为提高船体扭转角变形的测量精度,依据条纹宽度变化求测量扭转角的原理,研究莫尔条纹宽度变化与测量精度的关系,得出增大莫尔条纹宽度可提高测量精度的规律;为克服增大条纹宽度受限于CCD感光面积的不足,采用莫尔条纹图像亚像素细分方法,使条纹宽度测量的最大误差达到0.036pixel,扭转角测量精度提高到1.2″.

偏振遥感图像通常都采用强度、偏振度、偏振角来表征目标偏振特性.本文提出的基于边缘信息的偏振图像融合算法是将三幅偏振图像利用离散小波变换把图像分解成不同尺度的低频和高频部分,采用小波区域窗口和子区域窗口统计把小波系数分类成边缘和非边缘系数,通过这些方法进行有效的边缘细节信息提取.在融合处理中,低频图像的小波系数平均值作为融合后的低频系数,高频细节系数根据不同区域特征选择方法以及对应输入图像小波系数的窗口区域方差来确定融合后高频小波系数.仿真实验结果表明,这样使得融合后的图像细节更真实更丰富,图像的偏振特性体现更为充分,同时减少对源图像的预处理要求,使图像在整体上有较好的视觉效果.从而证明这种方法能够在保留图像微小细节方面获得满意的结果,且算法有效性优于其他的图像融合方法.

针对具有回射特性的合作目标在图像上所呈光斑的外接矩形区域总是图像中对比度较强的区域这一特性,本文提出了一种全新的基于空间对比度的光斑自动定位方法.鉴于空间对比度作为一种归一化的显著度度量可用于描述人眼对局部图像对比度的感知程度,新方法采用空间对比度作为待识别光斑外接矩形区域的基本特征对其进行定位,通过设定显著阈值及非显著阈值作为提取光斑外接矩形的条件,在计算得到光斑区域的灰度重心的基础上确定光斑的亚像素形心.数字仿真实验结果证明本文方法在各种噪声情况下均能够得到较好的光斑形心提取效果,可以达到与传统相关法相当的精度水平.实物仿真试验表明,由本文方法得到的光斑图像坐标进行双目像机交会计算得到的光斑三维位置的精度较高,且不受光斑位置突变的影响,从拍摄图像到计算得到光斑三维位置整个过程的数据输出率为15～20 Hz,可以稳定得到高精度的结果.与传统的检测方法相比,本文算法概念新颖,易于实现,能够在满足精度要求的基础上同时满足实时性要求,具有较高的工程应用价值.

图像的运动模糊是摄像机在曝光期间与场景间相对运动而造成的图像退化,但现有算法对运动模糊的恢复精度有限.本文分析了图像运动模糊的退化模型,提出了运动模糊不变量的概念,证明了图像零阶矩、第一个Hu不变矩和SIFT为运动模糊不变量,并给出了测试和应用.结果表明运动模糊不变量是存在的,而且可以用于不确定性运动模糊图像的匹配和识别领域.

利用拓扑理论中的单形定义,本文提出了一种针对人脸图像本征维数的估计方法.首先给出一个简单的几何模型,说明在不同的姿态和光照条件下人脸图像可看成一个弯曲流形;然后把人脸流形模型近似为一个单纯复形,获得相应的单形数目;最后,利用单纯复形中单形的最大维数是单纯复形的维数的性质,从而估计出人脸图像的本征维数.实验结果表明,本文方法跟经典方法,如分形方法、熵估计方法及k-近邻图方法等相比较,在人脸图像本征维数估计方面是有效的和准确的.

针对灰度图像的二维提取以及运动图像的跟踪问题,本文提出一种强约束拓扑自适应snake模型.该方法采用正交网格对图像和snake曲线进行离散化,约束snake节点只能沿网格线从一个网格点运动到下一个网格点,从而简化了计算过程.通过节点拆分获得拓扑变换能力,自动检测和处理拓扑冲突.通过对模拟图像和临床医学图像进行目标边缘提取的实验,结果表明模型具有较强的目标捕捉能力、拓扑结构变换能力和较快的运算速度.