针对传统电子经纬仪需要人眼瞄准读数,测量效率低下且测量精度易受瞄准误差影响的问题,本文提出一种新型的自动激光经纬仪系统,无需人眼瞄准即可实现经纬仪系统自动瞄准测量。该方法采用精密二维转台和高分辨率相机代替人眼,利用TM5100A 的马达驱动功能将经纬仪的望远镜指向相机视场范围,实现引导跟踪功能。然后,再进一步识别并瞄准视场内的目标,完成对目标的识别和测量过程。本文主要就该系统中的跟踪引导算法进行了研究和分析。仿真和实验结果表明,该引导方法效率高,实用性强,能够较好地实现相机对经纬仪激光点的准确引导,保证了经纬仪测量系统的引导精度。

为了研究光纤与宽波导光栅的有效耦合,基于高斯光束与波导光栅的光耦合理论,以30 μm 宽波导光栅为研究对象,利用矩阵光学和高斯光束理论分析和设计了一种扩束光纤,并通过分析其耦合损耗,建立了扩束光纤与波导光栅耦合模型。优化所设计扩束光纤的结构参数后,得到束腰半径为10.8 μm 的输出光束。最后分析了扩束光纤的结构容差,并讨论了所设计扩束光纤的输出光束、单模光纤的输出光束以及束腰半径为16 μm 的自由空间高斯光束各自在光栅表面的位置变化对光栅耦合效率的影响。可知扩束光纤输出的光束与单模光纤输出的光束相比具有较大的位置容差,与束腰半径为16 μm 的自由空间高斯光束相比,光耦合效率基本相同。

针对标准PSO 算法后期迭代搜索效率不高,容易陷入局部最优的问题,提出将免疫克隆(IC)原理引入PSO算法中,把抗体视为粒子,根据亲和度的高低进行粒子克隆选择、克隆抑制和高频变异,提高了种群的多样性和全局搜索的能力。并将其应用于40 Gb/s 的传输系统中进行了DOP 优化补偿实验,算法补偿所需时间约为71 ms。通过对比补偿前后的信号眼图可以发现,PMD 补偿后,信号眼图张开度有明显改善,证明了算法的有效性。

构建有模糊特征控制的曲线法向力场集成到测地线主动轮廓模型,使得该模型能包含更多的图像分割信息。当用模糊特征表示图像区域信息时,改进模型保持了原来模型具有边缘指示特性,同时具有区域特征一致性的分割性能。改进模型提高了演化曲线抓取感兴趣目标的范围和提取凹凸区域的能力,可以适应对弱边缘、噪声干涉图像的分割。图像分割的实验说明新的模型对图像分割具有良好的性能。

传统的高斯混合模型在RGB 色彩空间只对孤立像素建模,检测结果不够准确,存在拖影现象,检测到的运动物体内部容易出现空洞。针对这些问题,本文提出了一种改进的高斯混合模型。该方法从更符合人眼视觉特性的HSV 色彩空间对中心像素和周边像素构成的向量进行建模,改善了原算法的性能;利用彩色分割算法提取连通区域,充分地利用了运动物体的彩色信息,并基于Phong 物体光照模型进行了阴影抑制,提高了传统高斯混合模型检测的准确性。实验结果表明,与传统高斯混合模型相比,本算法能更精确地检测出运动物体,对光照变化和阴影具有鲁棒性。

针对在RGB 空间中很难有效区分颜色相似性的问题,选择更加符合颜色视觉特性的HSI 颜色空间进行图像处理,提出一种基于HSI 空间的多结构多尺度自适应彩色图像边缘检测方法。首先对H、S、I 三个分量采用不同结构和不同尺度的结构元素进行形态学边缘检测,然后对三个边缘分量利用信息熵加权得到融合后的彩色边缘信息。实验结果表明,该方法可以充分利用彩色图像的色度、饱和度和亮度信息,有效地抑制噪声,自适应地提取完整的边缘信息。

针对视频目标提取的问题,提出了基于标记的多尺度分水岭视频目标分割算法。该算法以帧间变化检测为基础,通过改进的最小Tsallis 交叉熵进行去噪、滤波,经形态学处理后得到运动目标初始二值掩模,并利用初始二值掩模得到用于分水岭算法的前景与背景标记,用该标记修正当前帧的多尺度形态学梯度图像,最后进行分水岭分割,得到具有精确边界的视频对象。实验结果表明,该算法能有效地分割和提取视频序列中的单个、多个以及快速运动的目标,继承了变化检测和分水岭算法速度快的优点,克服了分水岭容易产生过分割的缺点,具有较强的适用性。

“日盲”紫外电晕探测是电力设备检修与维护的主要手段之一。为了提供更为准确和客观的评价依据,需要对“日盲”紫外电晕探测系统进行辐亮度定标,从而确定目标辐亮度与增益控制电压、系统输出灰度值之间的关系。为此构建了由高稳定氘灯光源、积分球、光纤光谱仪等组成的定标装置。采用可溯源美国NIST 的紫外标准氘灯对光纤光谱仪进行光谱辐照度标定,并以光纤光谱仪作为标准探测器对电晕探测系统进行定标。通过实验拟合出ICCD 增益控制电压与系统增益之间的关系曲线,并给出了系统的标定方程。随后进行了三组不同增益的验证实验,实验结果表明在线性区内辐亮度推算值与测量值之间的最大相对误差为6.11%,均方根为3.22%。经分析,文中所采用的系统定标方案的不确定度为9.1%,基本可以满足了“日盲”紫外电晕探测系统的需求。此外,不同增益条件下的系统响应特性可以为“电晕”探测过程中进行自动增益调整算法的设计提供参考依据。

本文从麦克斯韦方程组及电磁场边界条件出发,推导了广泛应用于各类光栅衍射问题的矢量分析方法——严格的耦合波分析方法。针对光栅的衍射特性,编写了基于严格的耦合波分析方法的计算程序,并以TE 模情形为例对光栅的衍射效率和收敛性作了数值计算。结果表明,当谐波数不断增加,即便对于厚光栅(d/λ>10)情形,光栅的衍射效率仍将收敛于某一确定值。

提出了一种基于亚波长金属光学谐振腔的纳米聚焦器件。通过利用亚波长金属结构激发表面等离子体波在谐振腔中发生干涉,形成驻波条纹,并被耦合进相邻的锥形微尖结构中,从而在锥形尖端进行聚焦,焦斑的尺寸达100 nm。研究表明：通过改变亚波长光学谐振腔的长度,可以对聚焦能量进行连续调制。利用电磁仿真软件FDTD 进行了针对性仿真,描绘出该器件的强度分布图,揭示出其内在工作机理,并总结出能量聚焦的规律。

为了解决红外预警系统在受到地物、云层、飞鸟等干扰点的影响下,目标探测虚警率高的问题,提出一种基于目标点角坐标变化的检测算法。该算法是先通过分析系统扫描到的目标点角速度变化情况,将可能的目标点从含有噪声的背景中分离出来;然后利用内点惩罚函数及最速下降法相结合的最优值算法求出每个目标点的航路;最后,对航路的真实性进行判断,从而检测出运动目标。通过实验证明了该算法抗噪声干扰能力强,易于硬件实现,能够有效地降低红外预警系统的虚警率。

漂移扫描技术虽然工作高效,但其观测模式会对成像效果造成不可避免的散焦。本文旨在通过构造模型来定量分析其散焦量,为星像质量的评估和改善提供理论参考。本文首先通过分析漂移扫描的工作机理及空间投影成像原理,建立了相应的目标星像散焦模型,并在此基础上,分别对因电荷移动速度和星像移动速度失配引起的非同步性散焦,以及空间目标曲线运动形成的轨迹投影散焦进行了定量分析。最后通过仿真实验,验证了模型的有效性,并讨论了其适用性。

本文提出结合生物组织DNA 提取技术和拉曼光谱技术来系统研究胃癌不同发生过程中的组织DNA 空间结构的方法。实验中,首先提取涉及胃癌发病过程中的胃粘膜正常上皮组织、肠化组织和腺癌组织的基因组DNA,分别对其进行拉曼光谱检测,根据拉曼谱图特征,详细分析了基因组DNA 的结构变化。实验结果表明,胃粘膜正常组织DNA 中有稳定的磷酸骨架;肠化组织基因组DNA 拉曼特征峰在1 090 cm-1 处谱峰强度低于1 050 cm-1处谱峰强度,表明其磷酸骨架变得不稳定,其它位置的谱峰与正常组织相似;腺癌组织基因组DNA 拉曼特征峰在1 090 cm-1 附近出现双峰,其相对于1 050 cm-1 处谱峰强度更强,提示DNA 有可能出现断链并再次形成了稳定的磷酸骨架,在950 cm-1、1 010 cm-1、1 100~1 600 cm-1 波段的特征谱峰与正常组织DNA 相比变化也较大,说明脱氧核糖和碱基可能由于DNA 断链也随之改变。这些结果提示胃癌的发生过程中DNA 结构变化过程可能是：胃粘膜正常组织具有稳定的DNA 磷酸骨架,在致病因素作用下发展为具有不稳定磷酸骨架DNA 的肠化组织,最后组织DNA 磷酸骨架断裂并重新形成稳定的DNA 磷酸骨架,致胃癌发生。

在利用激光测量飞行器姿态参数的实验中,当测量光线穿过飞行器所产生的射流场时,场内气体光折射率不同而使光路发生弯曲,从而对测量结果造成影响。本文根据空气射流动力学原理,对飞行器周围射流场内气体的光折射率分布规律进行分析,建立简化模型,并以此得出影响测量误差的相应因素,估算出测量光束弯曲的角度偏差,从而对测量结果进行修正;同时可以提高系统的测量精确性,对测量系统的设计有所帮助。模拟试验结果表明,该计算方法可以有效的计算出测量结果的误差。

通过对频域干涉原理的深入研究,本文提出了一种超快时间分辨力的脉冲激光频域干涉技术。采用该技术方法可精确同步泵浦－探测实验中泵浦脉冲和探测脉冲的传输时间,其同步精度与脉冲激光器脉宽相当。本文详细论述了频域干涉技术的系统构成和工作原理,数值模拟了飞秒脉冲激光频域干涉仪的输出信号,指出当频域干涉仪输出的条纹数最少时,两脉冲之间的传输时间差即达到最小,最后通过动态实验验证了理论推导结果。

为了准确测量汽轮机末级蒸汽湿度及其空间分布,本文提出用CCD 测量湿蒸汽的散射光强分布,并通过数值拟合得到汽轮机内部的蒸汽湿度和水滴直径。根据CCD 成像规律以及散射光强的分布特点,建立了包括测量系统、汽轮机模拟系统在内的实验平台。用532 nm 的激光照射湿蒸汽,CCD 拍摄得到2.6°~6.6°角度变化范围内的散射光强分布,并通过数值拟合得到蒸汽相对湿度变化范围0.7%~1.2%、水滴平均直径大小为1.4 ~1.6 μm。实验结果表明：该测量方法可以用来测量汽轮机末级蒸汽湿度和水滴直径,并且实现了较大范围内散射光测量。实验结果直观地反映了汽轮机内部蒸汽湿度的变化规律,从而有力地证明CCD 应用在蒸汽湿度测量中的可行性。

针对密集波分复用(DWDM)技术中所使用的梳状滤波器,对固体腔研磨厚度指标要求极高Δν＝200 GHz,Δd≤13.37 nm,本文提出运用法布里－珀罗干涉理论(Fabry-Perot),研究设计了一种针对固体腔厚度的现场检测方法。该方法根据被测元件等效为系统干涉腔的间接测量方法,以通过被测元件后的法珀相邻能量极值特性,作为检测厚度合格的判定依据,实现了对超窄带梳状滤波器组成元件——未镀膜层固体腔(SiO2)的高精度厚度检测。实验结果表明,该测量方法适用于对透光介质的厚度检测。

针对目前大型平行光管成像质量监测的现状,本文提出了一种对平行光管进行实时监测的新方法,验证了这种监测方法的可行性。该方法根据光管自准检测原理,采用小平面镜对光管像质进行实时监测,计算了在一个焦深范围内小平面镜转角误差大小。实验结果证明在一个焦深范围内用精度0.02″的自准直仪,可将小平面镜转角误差控制在0.2″以内,对大型平行光管起到了进行实时监测的作用。大型平行光管在空间遥感设备中运用广泛,此检测光管像质的方法在工程上将起到积极的作用。

为了提高系统的集成度,同时兼顾精度,介绍用FPGA 延迟线插入法来实现较高精度的脉冲激光测时、测距的原理和技术途径。FPGA 延迟线插入法是在直接计数法的基础上,采用FPGA 内部延时单元将时间间隔转化为数字量,经高速锁存器锁存后得到代表延时信息的温度计编码值来实现高分辨率的时间测量。提出了一种实用的高速时钟下(400 MHz)延迟线延时信息的锁存方法,并设计了FPGA 时间数字转换电路及其延迟单元时间测量电路。测试结果表明,FPGA 延迟线插入法可以将单点时间分辨率提高到80 ps,多次测量可达40 ps,对应距离分辨率为毫米级。将其应用于脉冲激光测距系统,进行了测距实验研究,给出了实验数据和测量误差分析,最终得到±10 cm 的测距精度。

本文提出一种基于反向条纹投影原理的数字地球仪。在数字地球仪中,显示屏是一个球面的漫反射屏,通过投影的方法可以实现数字地球仪任意方向的旋转显示。首先通过投影正弦条纹到球面显示屏上,从观察数字地球仪的方向用CCD 相机获取变形条纹图像,通过相移算法,建立投影器和摄像机像素之间的几何传递关系。基于地球三维图形信息数据库,根据期望图像为投影器产生投影图像。本文建立了地球三维信息提取模型,可快速获取从任意角度观察地球的图形信息。实验使用一半径为25 cm 的漫反射球体作为显示屏,将计算得到反向地图投影其上,得到相当好的实验结果。

本文提出了一种基于背景拟合及小波多尺度分析的TFT-LCD 云纹自动检测方法,大大减少了液晶显示器背景总体不均匀给检测结果带来的影响,同时综合了小波小尺度和大尺度变换的优点,成功地将云纹区域提取出来。国际相关组织已经制定了云纹量化的标准,但是仅仅考虑到云纹的对比度、面积这两个因素,本文根据人类视觉空间性质,提出了云纹的位置参数,开展了相关的人因试验,对云纹量化标准做了适当的补充。最后,通过对13 片LCD 样板的检测,实验结果和人眼观测的结果完全一致。

为解决图像中的目标检测问题,本文给出了一种基于共形几何代数与Radon 变换的圆检测识别方法,从新的角度出发,讨论了运用共形几何代数概念来解决圆检测问题的可行性和简便性。该方法主要是通过共形几何代数理论,将欧氏空间中的圆用共形几何代数中的矢量表示,进而可以等效为平面,最后利用三维Radon 变换,对空间中的平面进行检测,可以有效地检测识别图像中的圆形目标。实验结果表明该算法简洁明确,可以对图像中的多圆进行同时检测识别,对于算法的集成,提高效率有着很重要的意义。

为了用同一台仪器获得不同口径的激光准直光束,设计了一个连续变倍激光扩束系统,系统扩束比可在55~155 之间连续变化,可以得到比传统扩束系统更大的激光光斑,满足对大口径激光束应用的要求。该系统由两级扩束子系统构成,一级折射式无焦变倍扩束系统实现激光光束口径连续变化,变焦系统选用仅有4 片透镜的三组元结构,并采用“正－负－正”的形式,有利于减小系统整体结构尺寸。考虑到可能产生的热形变,对入射光斑较小的变倍移动组的材料进行了分析选择。二级折反射系统实现激光束的高倍率扩束,由球面反射镜取代离轴抛物面镜,用一片弯月透镜补偿像差。由于单透镜折射元件对系统性能影响很大,对其结构形式和材料进行了分析,确定了透镜的厚度与材料。应用光学设计软件CODEV 给出了系统的优化设计,设计结果显示该系统像差得到了很好地校正,成像质量达到衍射极限。最后用Light tools 软件进行三维建模分析,系统准直度与理论设计值相符。

本文提出了一种基于马尔可夫随机场的运动目标检测算法。针对传统时间分割使用主观固定阈值的缺点,使用马尔可夫随机场模型对差分图像建模,并提出了一种新的模型阶次选择算法,以及一种可以加速收敛过程的随机场迭代算法。采用期望最大算法获取高斯分布参数并检测运动变化区域,利用形态学运算修正时间分割模板;空间分割部分提出了基于人眼视觉特征的改进分水岭算法,有效地解决了过分割问题;最后对时、空间分割结果进行信息融合处理,从而得到完整的运动目标。仿真实验结果证明了本文算法可以有效地分割视频运动目标。

针对TMC(三镜卡塞格林)光学系统凹椭球面主镜的检验,本文提出了一种平板补偿的自准检验方法。该方法克服了OFFENER 零位补偿器本身性能难以检验,只能靠加工和装调保证精度的问题。针对TMC 主镜面形与抛物面接近的特点,对平板补偿的自准检验方案进行了理论分析,利用二次非球面的法线像差性质推导了检验光路中球差的表达式,并利用最小剩余球差进行补偿平板参数的确定。对某TMC 系统顶点曲率1589 mm,二次系数-0.983,口径Φ500 mm 的主镜检验,设计了尺寸仅为Φ34.2 mm×9.126 5 mm 的补偿平板。在ZEMAX 中计算的结果表明,经平板补偿后的检验光路波像差RMS 值为0.003λ,可满足TMC 主镜的高精度检验要求。对补偿平板的检验方法,以及加工和使用中应当采取的措施也进行了考虑。与常用检验方法相比,本文方法具有容易对平板性能进行检验,成本低、研制周期短等优点。

传统光子筛在大口径成像领域具有衍射效率低和制造数据量巨大的缺陷,这导致它们很难在实际应用中被采用。本文提出了一种复合型光子筛,该复合型光子筛将普通光子筛半径的中间1/3 部分用波带环来替代。仿真结果显示,采用这种设计的光子筛不仅可以有效减小制造数据量,还能提高衍射效率。我们在成像试验中对比了具有相同特征尺寸的普通光子筛和复合型光子筛,结果显示复合型光子筛能够减少38%的设计数据量并且具有更高的成像对比度。因此,这种复合型光子筛在大口径X 射线成像领域中具有很好的应用前景。

提出了基于可调光纤环形激光器结构,并采用F-P 标准具解调的光纤布拉格光栅(FBG)动态应变传感系统,具有高达60 dB 的光学信噪比。F-P 标准具用来作为一个边缘滤波器探测FBG 波长的漂移,这样的解调方式具有稳定性高的优点。为了提高动态应变测量系统的分辨率,采用了Music 算法进行频谱分析。实验结果显示,在700Hz 时的动态应变分辨率达到了0.1 με/Hz1/2,是传统FFT 算法的10 倍。

采用后向泵浦的方案,对新型双程放大分立式光纤拉曼放大器(D-DFRA)的增益特性进行了理论计算,并在双程泵浦放大条件下对增益和噪声特性及受激布里渊散射(SBS)效应进行了实验测量,计算与测量结果较好符合。本文的研究表明：对分立式拉曼放大器通过反射机制实现泵浦光的双程泵浦,可在泵浦功率不变和保持较好噪声特性的同时,大大提升放大器的增益和功率转换效率。增益的提升上限取决于系统受激布里渊散射的阈值,在双程泵浦下增益的上限可得到提高。