实现高精度跟踪,尤其在外界干扰力矩下,必须增加系统刚度来提高系统的扰动抑制能力。提出将加速度反馈引入常规的跟踪系统控制方式中,实现了由电流环、加速度环、速度环、位置环构成的四闭环控制模式。高增益的加速度反馈为系统提供一个响应更快、带宽更宽的内环,克服了单纯速度反馈带宽窄的特性。首先从理论上分析和证明了该方法的意义,多闭环控制模式可以提高系统的刚度,从而增强系统的抗扰动能力;同时,在加速度反馈的基础上研制前馈控制器,能够进一步提高大速度目标的跟踪性能。在某一实际的系统中对多闭环控制模式进行了实验验证,结果表明:同以往的控制方法相比扰动抑制带宽由15Hz提高到30Hz;并且在10Hz以下频率获得了-30dB抑制能力。

针对传统脉冲激光测距直接计数法精度低的问题,本文介绍用时幅转换插入法来提高脉冲激光测距时间测量分辨率和测距精度的原理和技术途径。提出了时幅转换电路设计中的几个关键问题。在脉冲激光测距实验平台中对设计的时幅转换电路进行了性能测试实验。结果表明,时幅转换插入法将时间测量分辨率由10ns提高到20ps,测距精度由1.5m提高到5cm。最后分析了影响脉冲激光测距精度的误差因素。

通过理论分析和仿真计算,研究利用不同小波基构造的光学小波滤波器的量化误差,分析交换分解和重构滤波器对光学小波滤波器量化误差的影响。实验结果表明不同小波基的量化误差通常是不同的,具有最小空、频域量化误差的小波基是交换分解和重构滤波器后的5/3小波。根据光学小波滤波器的空、频域量化误差最小原则,基于提升算法,构造出空、频域量化误差最小的最优小波。

为满足空间紫外遥感高精度光谱辐射测量工作的要求,设计了一种Ebert-Fastie型双层结构平面全息光栅双单色仪,由球面准直聚光镜、平面和屋脊转向镜、平面全息光栅及入射、出射和中间狭缝组成,扫描波长范围160～400nm。这种双层结构的特点在于两块完全相同的平面全息光栅安装在同一转轴上做到同轴转动,不但把机构基本上简化为一个单色仪的结构,而且确保了两块光栅同步地进行光谱扫描,色散相加,光谱分辨率小于0.15nm。此外,前后两单色系统被隔成基本封闭的腔体,用来割断两单色系统杂散光之间的相互影响,抑制整个系统的杂散光,整个系统的杂散光水平可达10^-6,满足空间紫外遥感高精度光谱辐射测量的要求。

针对视频运动目标定位的需要,本文给出了一种新的视频运动目标定位方法。该方法运用减法聚类算法对视频运动目标进行定位。分析了减法聚类算法的原理,给出了减法聚类算法的公式推导,目标定位的实现步骤及流程框图。研究了本文方法对不同类型视频运动目标的定位效果,并与基于区域生长的定位方法进行了详细比较。结合实验数据说明了本文方法的定位过程、处理时间及抗噪性能。实验结果表明,本文方法适用于待定位视频序列二值图像存在较大噪声斑点或空域连通特性较差的场合。

针对三值光计算机需要直接存储线偏振光束的问题,利用光致各向异性材料吲哚俘精酸酐对偏振态敏感的特性,提出了一种基于吲哚俘精酸酐/PMMA薄膜的三值偏振全息数字存储方法,并建立了相应的光学存储器模型。该存储器系统采用He-Ne激光器为记录和读出光源,以双层液晶和偏振器为核心的编码器作为三值数据的输入部件,以双CCD为核心的解码器作为数据输出器件,采用傅里叶变换全息记录的方法,在吲哚俘精酸酐/PMMA薄膜上实现三值数字光学存储。该存储器系统可望实现直接并行存储用光束的正交线偏振态和无光态表示的三值数字信息,以及以页面为单位的并行寻址和读写操作。

采用溶胶凝胶方法在K9玻璃基片上镀制了SiO₂增透膜,并对其中一些样品进行了氨处理。分别采用原子力显微镜、红外光谱仪、椭偏仪、透射式光热透镜测试了氨处理前后薄膜的微观表面形貌、化学结构、折射率和弱吸收。实验结果表明:经氨处理后薄膜的孔隙率从0.73降低到0.63,其弱吸收从67.88×10^-6增加到74.58×10^-6,薄膜的激光损伤阈值从处理前的18.0J/cm²降低到16.9J/cm²。考虑到氨处理能提高SiO₂增透膜的机械性能,实际应用中应根据需要折中处理。

针对热机械光读出非制冷红外成像系统缺乏系统级噪声模型的问题,本文提出了一种光电耦合模型。此模型以光电耦合器件的模式体现了光读出非制冷红外系统的噪声隔离特性。基于此模型,文中将系统噪声划分为由焦平面阵列(FPA)引入的内部噪声和由于光读出系统引入的外部噪声。理论计算显示,系统的内部噪声对应的噪声等效温差(NETD)为5.94mK。实验结果显示,系统的外部噪声对应的NETD与系统的总噪声对应的NETD相当,为98mK。此结果说明,理论模型中对内部噪声影响的推断是合理的,且光读出成像系统的噪声主要源自外部噪声。

针对焦平面阵列上各探测单元光电响应的非均匀性,本文使用了维纳滤波技术来实现红外焦平面阵列非均匀校正。该方法首先根据实际情况确定一个输出延迟,然后采用维纳滤波并借助前后帧信息对当前帧进行多次估计,最后取其均值作为此帧的最终校正结果。文中使用了真实红外图像对算法性能进行验证,由于能够充分利用过去和将来的场景信息,因而本算法可以有效地去除原图像上的固定图案噪声。

在标准CMOS工艺参数基础上,设计了三种(P+/Nwell型,Nwell/Psub型和N+/Psub型)光电探测器。通过对光电转换原理的详细分析以及数学模型的建立,理论上比较了三种探测器在灵敏度,暗电流,峰值响应波长等特性的差异,阐述了掺杂浓度,结深等工艺参数对器件性能的影响,并且采用SMIC0.18μmCMOS工艺进行流片验证。测试结果表明,P+/N_well型结构最大灵敏度为0.08A/W,峰值响应波长460nm,暗电流55nA/cm²;N_well/P_sub型结构最大灵敏度为0.35A/W,峰值响应波长580nm,暗电流64nA/cm²;N+/P_sub型结构最大灵敏度为0.29A/W,峰值响应波长580nm,暗电流600nA/cm²。测试结果表明,所设计的光电探测器性能与理论分析基本一致,在灵敏度,响应波长方面性能突出。

为避免由于系统噪声统计特性不准确所导致的滤波性能下降问题,改进了一种基于新息的系统噪声方差调整方法,并将其与扩展卡尔曼滤波、Unscented卡尔曼滤波和差分滤波相结合,形成自适应非线性卡尔曼滤波。将此方法应用到非线性测量光电跟踪系统中,并与采用基本非线性卡尔曼滤波进行性能对比。仿真实验结果证明该方法可以实时调整系统噪声方差,有效地避免由于系统噪声统计特性不准确所带来的滤波性能下降的问题,而且其性能明显优于基本非线性卡尔曼滤波。

为了提高数字稳像的快速性和鲁棒性,研究了一种基于LMedS估计的图像稳定方法。在图像的运动估计中,提出了预判局部模块的算法:为避免误匹配,在计算运动矢量前对模块的梯度信息进行预分析,具有独特纹理特性的模块才被选用,通过减少参与计算的模块数目提高处理速度;采用改进的快速序贯相似性算法(SSDA)进行块匹配,提高运动矢量的计算速度;采用LMedS估计法去除不精确的运动向量,然后用最小二乘法得到全局运动模型的参数。仿真结果表明该方法在干扰下能保持1/4像素以内的稳像精度,一次稳像时间小于7ms。

根据光波在介质中的传播规律,首先详细分析了全光路像差校正自适应光学系统的工作原理,然后对常规方法标定共模波前传感器后的系统校正残余误差作了分析,并从校正残余误差和操作的简易程度两个方面分析了常规方法标定共模波前传感器存在的缺点,最后针对全光路像差校正自适应光学系统的特点,提出了两种新的共模波前传感器标定方法,详细推导了两种方法标定共模波前传感器后全系统的校正残余误差。结果显示,两种方法标定共模波前传感器后,其校正残余误差只与常规方法标定共模波前传感器后系统的校正残余误差中的一种误差有关。

针对类似柱体的空间目标的视亮度计算模型,从空间目标的等效视星等的一般计算公式出发,利用面元模型,详细推导了类似棱柱的空间目标的光照有效反射面积,基于圆柱可由棱柱近似的思想,直接得到了类圆柱体目标的有效反射面积计算模型;为了使星等亮度模型易于求解,采用卫星工具包(STK)提供模型计算中涉及的太阳、目标和地面三者的时空关系,给出了基于STK的星等计算过程,并进行了实例计算和分析,结果表明本文的星等模型易于利用STK实现,且类圆柱体模型比经验模型具有更高的分辨率。将计算结果与其它计算方法比较,所得结果更为细致。

为了进一步提高光学元件的线条制作精度,建立了极坐标激光直写时线条中心径向漂移的补偿模型。首先推导了极坐标激光直写的曝光量分布模型,分析了径向漂移产生的原因,然后针对数值孔径为0.5的光刻物镜建立了线条展宽模型和径向漂移模型,并分析了线条展宽和径向漂移的耦合关系,在此基础上分别建立了线条展宽补偿模型和径向漂移补偿模型。仿真结果表明,补偿前的径向漂移量是线条展宽量的3倍,对径向漂移进行补偿可以很好地减小系统原理误差,提高极坐标激光直写的制作精度。

建立了偏振光在生物组织中传播的模型,并利用该模型模拟了偏振光在生物组织中传播的过程,重建了多种偏振态输入光的情况下光偏振态在生物组织中的分布及生物组织的偏振特性模型。分析了光偏振度与光被生物组织散射次数的关系,阐明了由于偏振光在组织中传播,其偏振态逐渐改变而造成的偏振OCT干涉计两臂光束失去相干性及偏振OCT图像质量下降现象。通过分析斯托克斯(Stokes)矢量和穆勒(Muller)矩阵在光纤型偏振OCT系统中的应用,说明Muller矩阵不受输入光偏振态的影响,因此它比Stokes矢量更适用于光纤型偏振OCT系统研究。

分析相位载波(PGC)解调中载波相位延迟产生的影响,表明载波相位延迟引起解调输出幅值衰减,严重时导致解调输出恒为零。提出采用载波相位超前技术消除其不利影响。在全数字PGC解调系统中,采用余弦查找表(LUT)方式生成载波数字波形,通过在LUT的地址输入端引入固定偏置,生成相位超前的载波,补偿解调系统中固有的延迟,达到消除不利影响的目的。固定偏置可以通过对解调系统进行分析和测试获得。实验结果表明,载波相位超前技术是有效的。

本文指出了现有二维直方图区域直分法中存在明显的错分,提出了二维直方图区域斜分方法,即通过与主对角线平行的四条斜线将直方图分成内点区、边界点区和噪声点区,并按灰度级与邻域平均灰度级之和的大小进行分割。该方法可以运用于所有的基于二维直方图的阈值分割。文中导出了基于二维直方图区域斜分的Tsallis–Havrda–Charvát熵阈值选取公式及其快速递推算法,给出了分割结果和运行时间。与基于二维直方图直分的Tsallis–Havrda–Charvát熵原始算法相比,本文提出的基于二维直方图斜分的Tsallis–Havrda–Charvát熵阈值分割算法,使分割后的图像内部区域均匀,边界形状准确,更有稳健的抗噪性,其运行时间减少了五个数量级。

图像测量系统中,已有的调焦评价函数当被测工件图像中边缘在高度上不共面时将无法正确调焦定位。研究了一种基于特征边缘跟踪的调焦评价方法,首先确定测量图像中被测边缘,进行跟踪获得边缘点,对每个边缘点在边缘方向上一定范围内进行梯度平方和运算,所有被测边缘点的值求和作为调焦评价值,达到极大值时认为该边缘正焦。采用透射式照明图像测量系统对一种图像中边缘在高度方向上不共面的工件进行了调焦实验,结果表明,该调焦方法能够对图像中各边缘在高度上不共面时对被测边缘对焦。

针对靶场试验中目标三维姿态测量的问题,研究了一种全自动测量轴对称目标三维姿态的新方法。首先对靶场目标成像模型进行分析,其次采用几何主动轮廓模型(GAC)和改进的Hough变换算法高精度提取图像上目标的中轴线,在此基础上利用目标成像的共线方程对传统中轴线法求出的俯仰角和偏航角进行自动修正,消除了传统中轴线法求取目标姿态结果的二义性,得到了符合实际情况的目标三维姿态参数。实验证明,该算法能高精度地提取目标中轴线,并可快速求解真实的三维姿态角。

针对三维模型简化中保留细节特征的要求,提出了一种基于视觉特征保持的三维几何模型简化算法。采用半边折叠操作,综合考虑了网格模型中半边的几何重要性和变化误差,并将其作为各半边的折叠代价来确定模型中边的折叠顺序,在模型简化后又利用顶点"微调"法对简化模型进行了局部视觉效果修正。实验研究结果表明:本文提出的三维几何模型简化算法能有效地保留模型的细节特征,并能显著改善模型因简化产生的形变,是一种简单、有效的模型简化算法。

针对传统方法经常将运动阴影也检测为前景的问题,本文将检测问题表示为能量函数,通过最小化能量函数来检测运动阴影。这种方法先用传统的背景对消方法分别得到静态背景和含有真实前景和运动阴影的运动目标,然后在运动目标中,利用阴影的颜色不变性和纹理不变性,以及阴影和前景的时空一致性,构造出能量函数,最后通过最小化能量函数,将真实前景从运动目标中准确地分割出来,从而达到消除运动阴影的目的。我们在包含运动阴影的视频中,对本文方法进行测试,并和其它方法比较。实验结果表明,本文的方法无论在室内场景,还是在室外场景都可以很好地分割前景和阴影。

针对大比例尺测图的精度要求,研究低空数码影像多视摄影测量的方法。根据计算机视觉的多视几何原理建立匹配的约束条件,实现多视匹配;利用低空数码影像的重叠度大的特点,建立多基线立体,进行多片空间前方交会。不同重叠度的立体像对空间前方交会和多片空间前方交会的实验结果证明,多视摄影测量能够提高有效低空数码影像的摄影测量精度。

非亚采样Contourlet变换是在非亚采样塔型滤波器及非亚采样方向滤波器组的基础上建立起来的,它是一种移不变多方向多尺度图像表示方法。介绍了该变换的结构特点与系数分布特性,并研究了基于非亚采样Contourlet变换的图像融合算法。该算法利用非亚采样Contourlet的平移不变性以及NSCT系数特点,有效准确地提取图像边缘与细节区域,并分别在高、低频域针对不同区域采用不同的融合方法,有效挖掘了待融合图像中的有效信息。这种具有多分辨率分析和多方向滤波特点的处理方法,提高了融合后遥感图像中的信息量和清晰度,对不同分辨率不同方向上的信息进行挖掘及融合,解决了传统小波融合算法中方向数目受限的不足。通过仿真实验与传统融合方法进行比较,验证了该方法的有效性和优越性。

根据光学干涉显微法原理,设计开发了一套微纳结构表面形貌测量系统。该系统采用林尼克干涉显微镜,通过参考镜扫描的方法将扫描器与相移器集为一体,分别采用五步相移算法和基于采样定理的包络均方函数(SEST)算法实现相移干涉法(PSI)和垂直扫描干涉法(VSI)两种模式对微纳结构的表面形貌测量。为验证该系统性能,采用标准多刻线样板和标准台阶作为样件对VSI和PSI两种模式分别进行了测量实验。结果证明,该系统能够完成微纳结构表面形貌的快速精确测量,可以满足微电子、微机电系统中微纳结构的表面形貌测量要求。

针对带钢表面缺陷的识别和分类技术,本文采用一种将不变矩与主成分分析法相结合的特征提取方法。首先,对每幅缺陷图像提取22维不变矩特征向量,满足对图像平移、尺度及旋转变化都不敏感;然后,为了提高分类器的效率,应用主成分分析法对特征向量进行空间降维处理,得到4维特征向量;最后,将特征向量作为BP神经网络的输入,对网络进行权值和阈值训练,达到缺陷分类的目的。实验结果表明,该方法对带钢表面缺陷的平均正确识别率可达到85%以上。

为了解决单相机坐标测量模型中轴向定位重复性差的问题,研究正交双相机视觉坐标测量系统;系统由一支特制光靶标、两台正交放置的CCD摄像机和一台电脑组成。在单相机测量模型的基础上引入冗余算法,使得两个正交单相机系统相互补偿对方轴向测量误差,从而实现高精度的空间三维坐标测量;实验采用最简的共线三点测头模式搭建测试装置,在测量距离1500mm处各个方向分辨率优于0.2mm,与坐标测量机移动对比测量精度达到±0.15mm。

针对大数值孔径旋转抛物面反射镜对倾斜入射光线较大的散焦和离焦问题,本文设计一种用于大数值孔径旋转抛物面反射镜光轴偏角测量的系统,用于对大数值孔径旋转抛物面反射镜光轴与结构轴的校准。该方法根据旋转抛物面反射镜成像原理,采用CCD作为成像器件,分析轴偏所带来的光斑偏移量。实验结果表明,系统达到偏角角度分辨率0.06′,最大可测角度3.65′,该参数可以满足抛物面反射镜用作接收光学系统的应用。