设计了一个用于远距离监视电视的折反射式步进变焦距透镜。为使微光、白光和近红外三个波段共用一个光学系统,提出一次成像折反射式变焦,并进行了理论分析和给出了设计实例。克服了二次成像折反射式步进变焦方式二级光谱不能校正的缺陷,并且杜绝了像面中心产生黑斑的可能,结构也比较简单。

配准测度的鲁棒性是图像配准过程中经常要考虑的问题之一。本文利用数理统计的方法研究了在图像配准过程中主要的几种配准测度对重叠面积变化的鲁棒性。并进行了定量的分析。结果表明:这几种配准测度和重叠面积的线性相关关系特别显著。其中归一化互信息测度[H(A)+H(B)]/H(A,B)的变化系数最小,绝对差(AD)测度的变化系数最大。用此归一化互信息测度进行图像配准时可以在保证配准精度的情况下有效地减少配准时间从而提高配准速度。本文的配准实验证实了这一结论。

分析了基于局部能量的小波图像融合算法的优缺点,针对该算法存在的对窗口内像素包含独立信息考虑不足的问题,提出了一种改进算法。改进算法利用了窗口中心像索的相位信息,将基于局部能量的选择和加权平均融合规则相结合。当两幅源图像小波分解后的对应高频系数相位相同时,采用局部能量极大值准则选择融合图像对应的高频系数,相位相反时,采用局部能量加权平均方法确定融合图像对应的高频系数。实验证明了改进算法的有效性。

提出了一种用于布里渊光纤陀螺的光纤环形腔设计方法。在分析了布里渊光纤陀螺原理的基础上,利用琼斯矩阵光学的理论以及光纤中的受激布里渊散射理论,详细研究了布里渊光纤环形腔的特性。通过对腔内外光强的细致分析,得出布里渊光纤陀螺环形腔对于腔的耦合系数及输入光强的要求。实验结果表明,该方法用于设置布里渊光纤陀螺工作点,能够保证斯托克斯光的最大传输效率,并有效抑制光路中的散粒噪声。

利用熔石英在冲击作用下发光的特性开发了一种测量冲击到达时间的无源光纤探针技术。当冲击波阵面到达光纤探针端面时会产生一个瞬时光信号,这个光信号经光纤传输到光电探测器,变换为电信号后由示波器记录,通过判读就可以知道冲击波阵面到达光纤探针的时刻。该探针无需外加信号源,响应时间可达亚纳秒,抗电磁干扰,可对非金属材料进行直接测量。目前,该探针在爆轰实验测试中得到了大量的应用,本文给出了利用光纤探针测量LY12样品中的冲击波速度、电炮加载的Mylar膜飞片的平面性以及GI-920炸药的爆轰波形的实验方法和结果。

针对光纤陀螺输出信号的随机漂移,本文提出了变步长符号LMS自适应消噪方法。结合工程实际需要,该方法在常规最小均方算法(LMS)的基础上进行了两方面改进:一方面,从提高滤波精度和稳定性角度引入输入信号的归一化功率;另一方面,从减少计算复杂性、提高算法实时性角度引入误差符号函数;并通过收敛性分析确定了变步长符号LMS算法的步长参数。某型光纤陀螺的静态实验和转动实验结果表明变步长符号LMS算法不仅可以提前确定步长参数,且在滤波稳定性、滤波精度和实时性等综合性能方面具有优越性,适合工程应用。

针对脊波变换域比小波变换域更适合表示图像线状边缘的奇异性的特征,本文设计出一种新的图像水印算法,即将图像分块脊波变换,在脊波变化域上的高频系数中加性地嵌入经零均值互不相关伪随机序列扩频调制后的水印。实验结果表明,本文算法不仅可以抵抗如压缩、加噪、滤波和剪切等各种常见攻击,还能抵抗图像灰度增强和减弱攻击,与小波域水印算法的比较也说明了本文算法的优势。

针对单纯的基于颜色的跟踪方法在复杂背景下会导致跟踪失败的问题,本文提出一种基于粒子滤波的特征融合跟踪算法。颜色直方图是对目标的全局描述,而方向梯度直方图包含了一定的结构信息,二者可以互为补充,因此本文算法同时用颜色直方图和方向梯度直方图来描述目标,在粒子滤波框架下将目标颜色和梯度信息有机结合,并自适应更新。实验表明,本文算法不仅提高了跟踪精度,而且具有较强的鲁棒性。

为了弥补Maio等人提出的直接灰度提取细节算法(DGMD)在指纹脊线曲率变化较大时不能正确的提取细节点的缺点,本论文提出了一种基于Hessian矩阵的指纹细节点(端点和分叉点)提取算法。该算法结合Hessian矩阵的特征向量和指纹纹线本身的几何方向的特点,提取跟踪曲线的细节点。本算法在FVC2000(国际指纹竞赛数据库)上作了测试,实验结果表明,指纹脊线曲率变化较大时,算法能正确跟踪指纹脊线方向突变的中心线,从而使细节点提取的总的准确率可达95.5%,具有一定的实用价值。与DGMD算法和单独的Hessian矩阵法算法相比,本方法有很好的鲁棒性和较高的准确性。

本文研究了应用于平面光学元件的快速抛光技术,从材料去除率、元件面形和表面粗糙度出发,对快速抛光技术应用于平面大口径元件的加工效果进行了探讨。研究了在快速抛光技术中压力和主轴转速对材料去除率的影响,验证了Preston公式在快速抛光中的适用性,快速抛光技术的去除效率可达10μm/h;其次,研究了聚氨酯抛光元件面形的精度,对于330mm×330mm元件可达～1.0λ(λ=632.8nm);最后,对快速抛光系统中抛光粉颗粒大小及形态随使用时间的变化进行了观测,并测量了使用300目和500目抛光粉时快速抛光元件表面粗糙度以及其随抛光粉使用时间的变化。

为了检测低信噪比下的红外弱小目标，本文将方向中值滤波与分层动态规划算法相结合进行检测前跟踪。利用背景杂波在局部空间上的相关性，提取目标在四个方向的中值进行自适应加权滤波，抑制结构性杂波分量，改善信噪声比。针对分割后的备选目标点，为了减少跟踪检测的计算量，根据真实目标运动轨迹的连续性与光滑性，利用分层动态规划算法进行多帧检测，进而对多层检测结果进行配准并做出决策。仿真实验表明方向中值滤波有效的提高了信噪比，分层动态规划算法进一步降低了虚警概率，同时大大提升了计算速度。

针对衍射光栅分束器,本文提出一种基于平面-浮雕面形调制型光栅实现分束器设计的方法。该方法根据光线追迹原理设计获得光栅相位和面形多项式函数通式,采用遗传算法优化面形多项式函数系数,分别设计了分束比为1:2×2、1:3×3、1:4×4的光栅分束器件;其衍射效率分别为81.83%、81.11%和74.01%;三个器件的光强均匀性分别达到0.02394、0.1838和0.1912,并用Matlab进行了仿真。仿真结果表明,该方法对分束器件设计具有一定的普遍适应性。

基于0.5μmGaAs PHEMT标准工艺研制了850nm单片集成光接收机前端,集成方式为PIN光探测器和跨阻放大器。论文依据已发表的文献数据为基础并借助SILVACO公司的模拟软件建立探测器模型,实验结果表明,模型和实测结果对比有较好的一致性。光接收机最高工作速率5Gb/s,其中,探测器光敏面直径50μm,电容0.51pF,暗电流小于30nA。跨阻放大器-3dB带宽接近10GHz,跨阻增益约43dBΩ,最小等效输入噪声电流密度约为17.6pA/Hz^1/2。

倾斜校正是全自动生物芯片图像处理必不可少的环节。针对以往倾斜校正算法耗时过长,本文提出一种快速倾斜校正算法。算法首先用细胞神经网络(CNN)寻求各个样点的中心,然后进行Hough变换,再计算方差来寻求倾斜角,最后利用CNN灰度图像旋转模板进行倾斜校正。本算法利用了细胞神经网络并行处理的特性,并充分考虑了生物芯片图像的特点。理论分析与试验结果显示本文算法能够准确高速地完成倾斜校正。

本文首先介绍了海水盐度检测的传统方法电导率法,给出了电导率法盐度测量的优缺点和测量特性;详细论述了该领域的最新技术进展,包括微波遥感技术、裸露光纤法、表面等离子共振法、基于PSD的光学法、基于盐度敏感材料的测量法。具体分析了各种技术的原理、发展现状、存在的问题,并对比了它们的优缺点。最后,对海水盐度测量技术的发展进行了展望,并提出了今后有待进一步解决的关键问题。

针对实验过程中转台在每个转位处存在的转位误差对系统寻北精度的影响,介绍了动调陀螺多位置寻北仪的工作过程及真北解算原理,进行了转位误差对寻北精度影响的误差分析。运用误差理论和偏导数原理,推导出转位误差与寻北误差二者之间的关系模型。理论分析及实验结果表明,在相同寻北位置数的情况下,转位误差越小寻北精度越高;同时在一定的转位误差时,寻北位置数越多则寻北精度越高。根据理论分析,提出了两种不同的误差补偿方法。

本文分析了TDI CCD相机的偏流角调整过程和偏流角误差匹配的影响因素,依据偏流角误差导致的姿态稳定度偏差对相机成像质量的影响,建立推扫相机像点与物点一一对应的数学模型,根据TDI CCD成像时超出对应像素的横向与纵向偏移量的累加计算,仿真卫星姿态稳定度改变时相机的成像;同时,利用单轴气浮转台和面阵CCD进行成像实验,将实验条件的像移速度与仿真条件的像移速度匹配,并对面阵CCD成像进行偏移量的累加,模拟推扫CCD成像,最后利用图像对比度和互相关相似性测度分析仿真成像与实验成像质量。仿真成像与实验成像在对比度和互相关相似性测度上相差为0.03左右,能较好满足地面卫星相机连调试验的图像仿真。

以辐射度学为理论基础,推导出了发散光和平行光两种照射方法标定的空间紫外遥感仪器光谱辐照度响应度的结果表达式,分析了影响两种照射方法定标结果的因素。通过相关的测试实验,数值估算了采用发散光照射方法为仪器进行辐照度定标时所引入的定标方法误差。计算结果表明,在假设平行光辐照度值均匀及发散光源为朗伯光源的情况下,采用发散光照射方法定标时所引入的定标方法误差小于1.2%。数值估算结果对于采用发散光照射方法为空间紫外遥感仪器进行光谱辐照度定标具有一定的指导意义。

针对传统CCD测角系统在野外环境下抗干扰能力弱的问题,本文提出了提高野外环境下CCD准直测角精度的一整套方案。该方案从测角系统的各个环节入手,分析了各自技术要求,在不同环节分别采取相应的技术措施,主要包括半导体激光器功率稳恒控制、光谱匹配与窄带滤波、CCD自动变扫描控制和CCD倍频插值细分等。实验结果表明,通过上述技术措施可以很好的加强野外环境下CCD测角系统的干扰能力,有效提高了系统测量精度。

用蒙特卡罗方法对偏振激光在浓雾和弱雾中的传输特性进行建模。当偏振激光波长相同时,分别分析计算了偏振激光在浓雾和弱雾中不同雾气粒子半径下传输的退偏特性。并比较了偏振激光在不同传输距离时,其偏振角的变化情况。仿真结果表明:1)雾粒子半径较小时,偏振角变化最大的主要集中在后向,而前向整体上的偏振角很小,球形粒子的单次前向散射偏振角是不变的;2)随着雾粒子半径的增大偏振角出现了越来越多的复杂旁瓣;3)光散射偏振角随着光传输距离的增加而增大,并且在浓雾中传输比在弱雾中传输的退偏大。

针对激光击穿水介质过程中的微观及宏观特性研究,利用调QNd:YAG激光聚焦击穿水介质形成激光声源,采用高速摄像机、高频测量水听器对激光击穿水介质过程中的等离子腔体闪光、空泡脉动、近/远场声波特性等综合效应进行了实验测量。实验表明:激光空泡的特征与水动力空化空泡相似;激光声信号强度在光击穿条件下与入射激光能量具有一定的线性关系;声脉冲高频段占声能的主要部分。研究结果可为水下激光加工、激光医学、激光声的研究提供一定的理论和实验支持。

针对大气质量检测的多组分定量分析,本文提出利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术与光谱差减相结合的气体定量方法。该方法是根据迈克尔逊干涉原理与朗伯-比尔定律,采用怀特型长光程气体池与FTIR光谱仪相结合的方式来测得痕量气体的红外光谱,最后利用光谱差减法反演出气体浓度。为了避免背景环境的干扰(主要是避免水和CO₂吸收峰的干扰),选择了在某些特殊波段内的待测气体吸收峰进行分析。本文分别对CO,SO₂,NO₂,NO和CO₂气体进行了定量分析,相应的最佳观测波段依次为:2250～2020cm^-1,1230～1070cm^-1,2940～2840cm^-1,1965～1775cm^-1,668.24cm^-1。实验结果表明,经浓度反演相对误差可达到10%以内。

要使航空相机获得高质量的图像,必须保证镜头的焦距和实际成像面的位置符合技术要求。提出了一种自动检测航空相机焦距和是否离焦(实际成像面的位置是否在焦深范围内)的系统,论述了系统的工作原理、硬件组成和软件设计。该系统采用平行光管产生检焦信息,利用CCD摄像头作光电转换器件接收图像,采用重心法处理数据,由光电线位移传感器和光栅数显表共同作用实现摄像头轴向的精确平移,从而能够确定相机的最佳成像位置和图像尺寸。最佳图像位置用来判断是否离焦,最佳图像尺寸用来计算焦距。使用该系统对航空相机镜头焦距的检测准确率达到99.87%、是否离焦的判断与试飞结果完全相同。

介绍了保证车载光电跟踪设备高精度工作的一种数学方法,在光电跟踪设备基座上安放双轴倾角传感器,实时检测基座的水平度,通过传感器显示的数值,把基座的水平度变化量解算到光电跟踪设备的水平轴和垂直轴上去。构建所需的数学模型,分析工作原理,求出了光电跟踪设备水平轴和垂直轴所需转动角度的公式。建立CAD模型,并结合有虚拟样机技术对模型进行仿真分析。有限元分析表明:这种数学方法可以保证车载光电跟踪设备的工作精度。

采用光线追迹的方法研究了半导体激光二极管阵列(Laser Diode Array,LDA)抽运的耦合导光管的效率特性。分析了耦合导光管在理想情况下的反射率,并对不同参量的耦合导光管进行了模拟,得到了耦合导光管的反射率与结构参量之间的变化关系。提出了耦合导光管侧壁等效反射次数的概念,并通过光线追迹和数值拟合得到了等效反射次数与耦合导光管结构参量之间的近似数学表达式,最后通过实际工程设计实验对上述模拟进行了验证。

设计了一种三轴紫外敏感器,解决了近地轨道大视场观测问题。通过非常规光学系统,即反射阵列组合式光学系统,将一圆型大视场分成八个子视场成像、叠加后经图像处理,为卫星提供三轴姿态信息和自主导航数据。三轴紫外敏感器标定精度为偏航小于0.05°,俯仰小于0.05°,滚动小于0.05°。研制成的工程样机,通过观星试验和利用星模拟器测试,三轴紫外敏感器可以观测到5等星;紫外波段敏感器可以作为是深空探测航天器重要敏感器之一。

针对现存电子稳像算法估计图像旋转角度矢量的不足,提出了一种基于行灰度投影相关的快速图像旋转角度矢量估计算法。通过在当前帧图像中心位置选取灰度投影区域和参考帧图像相应区域作行灰度投影相关计算,估算出当前帧图像相对于参考帧图像的角度运动矢量。论述了灰度投影区域选取原则;分析了行、列灰度投影相关曲线的差异,得出行灰度投影相关曲线具有单峰性的结论;阐述了快速搜索算法的原理及其在本算法中的应用。实验表明,算法实现了对旋转图像序列角度运动矢量的快速估计(在PⅣ2.67GHZ,内存512M的PC机上,估算速度为37.7ms),可对任意角度的角度矢量进行高精度的估计。

根据铜转炉内壁蚀损趋势分析的需要,提出了一种基于等温线轮廓特征的红外系列图像配准算法。使用了质心距离函数和傅里叶描述寻找相似度最高的等温线轮廓,在相似轮廓线对的点集合上建立对应关系,经匹配将图像配准问题转换为标准的参数矩阵最小二乘估计问题,由仿射变换建立图像的配准空间。测试结果表明,算法具有简单、运算速度快的特点,能满足分析精度要求。