本文设计了一种用于交会对接的双 CCD测量系统, 给出了目标航天器上标记点在交会坐标系中的定位算法, 并将这种定位算法推广到三个标记点的情形, 由此导出了目标航天器在交会坐标系中的位置、姿态矩阵以及三个姿态角。与计算机视觉技术的处理算法相比, 本文中提出的算法更加简单, 运算速度更快, 更适合用于交会对接的场合。

常规利用液相色谱法检测土壤中的多环芳烃污染需要复杂的萃取过程, 采用激光诱导荧光法直接检测土壤中的多环芳烃, 有利于实现对土壤污染的监控。文章以多环芳烃中的蒽为研究对象, 根据蒽的荧光特性, 设计了实验光路和样品台, 采用 Nd:YAG激光器 355 nm波长直接激发蒽和土壤混合样本的荧光, 利用光纤光谱仪记录荧光光谱, 实验发现在 375 nm、391 nm、419 nm和 445 nm出现了明显的发射荧光峰, 不同质量分数和其荧光强度呈现出良好的线性, 相关系数达到 0.999; 通过实验研究了实验条件的改变对土壤中蒽的荧光特性的影响。实验结果表明, 利用激光诱导荧光的方法对土壤中蒽进行直接定量检测是可行的。

针对现有零件表面粗糙度测量仪器操作复杂, 现场测量能力差的问题, 提出一种基于激光二维散射的在线测量方法, 该方法不仅可以测量表面粗糙度的统计参数, 而且可以反映出表面纹理的形貌特征。在测量中, 用无衍射激光光束作光源, 用高精度的 CCD摄像机作位移传感器, 利用 Matlab进行表面粗糙度测量数据采集与处理, 使表面粗糙度在线检测成为可能。该方法运用模块化设计, 具有结构简单、实时处理能力强、测试精度高、显示结果直观、不会划伤被测件等优点。

本文提出一种基于声光延迟效应消除脉冲光信号中微弱背景光噪声的方法, 利用两个串联的声光调制器组成的光学开关有效地抑制了与信号光同频率的背景光, 信号背景改善比达 13 dB。其中, 第一个声光调制器的作用是利用其对脉冲光的非线性光学延迟效应实现信号光与背景光在时序上的分离。第二个声光调制器将时域上已经和脉冲信号光分开的背景光消除。这种方法适用于精密测量和信息处理等领域的脉冲光信号的高灵敏检测。

采用雷达高度表的巡航导弹地形匹配导航系统易受电子干扰影响而失效。针对该问题, 提出应用红外 /蓝绿双波长输出的激光高度计代替雷达高度表进行地形探测的方案, 该方案还可解决巡航导弹在跨海攻击时无法制导的难题。根据激光测高和测深方程及探测器输出信噪比计算公式, 采用数字仿真的方法对高度计性能进行了评价。仿真结果表明, 红外和蓝绿激光的峰值功率分别达到 50 kW和 450 kW左右时, 可基本满足测高和测深的要求, 并确定了激光高度计单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲重复频率、光束发散角等参数值。

本文从 Lucovsky方程入手, 根据 rc传输线模型和理想脉冲响应函数, 提出 PSD线性时不变系统 (LTI)的模型近似, 并基于该模型得出一般模式点光源下的 PSD的响应函数。光强随时间变化的点光源可以均匀分割成一系列时域脉冲信号, 并近似认为是方波脉冲信号, 在线性时不变系统情况下, 该光源的电流响应近似等于这些方波脉冲信号的线性叠加。结果表明, PSD的一般响应函数是自身衰减因子和外界响应因子的乘积序列的叠加。此外, 基于 PSD一般响应函数的交流响应表明, PSD的响应电流对高频交变光信号不敏感, 且随光强的变化滞后性震荡。

现有印刷防伪水印算法在原始图像中嵌入水印, 其不可见性有待改进, 而且缺乏对抵抗二次打印 -扫描的研究。针对这些问题, 本文利用范数与范数均值比较提出一种印刷品防伪水印算法。算法对原始图像进行离散小波变换, 将小波低频逼近子带分割成互不重叠的子块, 对每个子块进行奇异值分解, 判断各个子块的奇异值矩阵范数与所有子块奇异值矩阵范数的均值之间的大小关系产生零水印序列。算法实质上没有对原始图像做任何改动, 具有非常好的不可见性。实验结果表明, 算法能够抵抗一次和二次打印 -扫描攻击。

在运动模糊图像盲复原的过程中, 对点扩散函数 (PSF)进行准确识别具有非常重要的意义。当识别出运动模糊方向后, 二维 PSF的识别问题就可以转化成一维 PSF的识别, 进而提出用一阶差分自相关的方法识别运动模糊尺度。给出了差分自相关方法用于尺度识别的理论分析, 重点研究和推证了在该方法下噪声对模糊尺度识别的影响, 提出了改进的差分自相关方法。仿真结果表明, 本文方法识别尺度准确, 且提高了适应噪声环境能力。最后对实际运动模糊图像的模糊尺度进行了识别, 维纳滤波复原结果进一步验证了本文方法的正确性和有效性。

经典 Perona-Malik各向异性扩散去噪模型中仅考虑了图像的梯度信息, 在去除噪声时不能很好的保持图像中的目标边界。针对该问题本文提出了一种基于相关系数的改进各向异性散去噪模型。该模型在考虑图像梯度信息的同时, 增加了灰度相关系数这一图像局部统计信息因子。实验结果表明: 和经典模型相比, 改进模型在噪声去除的同时能够较好地保持图像中的目标边界信息, 且具有一定的通用性和应用价值。

针对视频图像序列的不稳定性, 结合灰度投影算法与块匹配法各自的特点, 提出了一种可以快速消除图像序列间平移和旋转抖动的新型电子稳像算法。该算法首先采用灰度投影法估计与补偿图像序列间的平移运动, 然后用拉普拉斯算子在图像边缘处选取灰度信息比较丰富的小块模板, 利用块匹配法计算模板的平移运动, 再结合模板在图像上的位置估计图像的旋转运动, 最后通过运动补偿得到稳定的视频图像序列。实验结果表明, 该算法可以明显地减轻图像序列间的抖动现象, 对于提高动态图像的稳定性具有很好的效果。

针对激光测高仪中发射的激光脉冲并不是高斯对称的, 并且由于目标物的影响, 使用一系列标准高斯函数的和来拟合回波脉冲并不精确, 本文提出改变回波分解的取模模型, 通过正确模型的选取来改善回波位置的精确度。该方法采用比高斯函数复杂的对数正态函数和广义高斯函数, 采用 LM非线性拟合算法拟合回波波形。实验结果表明, 通过对植被等回波数据的拟合显示出针对不同的地形存在不同的改善效果, 同时新参数的引入可获得波形的额外信息, 使得对目标物表面几何形状、反射率和粗糙度等信息的解算变得更为容易。Waveform Based on Canopy Surface

半导体激光云高仪 APD探测器获取的大气气溶胶后向散射信号信噪比较低, 难以直接用于反演云高、垂直能见度等大气参数。针对后向散射信号的这种特点, 提出了一种半导体激光云高仪时序控制和信号处理实现方案, 在完成后向散射信号的高速采集、分段累积平均的同时实现整个系统发射、接收、维护、数据存储和上传等复杂时序控制。经对比实验验证, 该方案工作情况良好, 能够明显提高后向散射信号信噪比、帮助大气参数的反演。

为了实现星敏感器对航天器当前姿态的准确测量, 如何提高星图识别算法的实时性和鲁棒性成为星敏感器的关键技术。对星图识别过程中应用的模式提取、训练样本集的建立以及神经网络训练方式的改进等算法进行研究。首先, 设计一种基于星图特征的三角形剖分方法, 将视场内的恒星以三角形的方式组合起来, 提取星图模式, 建立完备的训练样本集, 使星图特征具有平移和旋转不变性。然后, 采用 BP神经网络识别星图特征, 以权值矩阵代替导航星库, 一旦网络训练完成, 可以很快获得当前星图信息, 实现星敏感器星图识别算法的实时性和鲁棒性; 为了优化 BP神经网络改进其自身缺点, 采用 PSO(粒子群算法 )训练 BP神经网络, 获取使 BP神经网络趋近全局最优的初始权值和阈值, 使其加快收敛至全局最优。由实验结果表明, 该星图识别算法识别率达 100%。

空间目标虚警主要来自恒星目标、恒星目标拖尾、空间目标的拖尾、背景图像及噪声, 其虚警消除效果直接影响了整个天文光电观测系统的检测概率和虚警概率。在深入分析空间目标虚警来源的基础上, 根据不同类型的虚警在图像中的不同特点, 提出了相应的消除虚警的方法: 1)利用目标的基本特征消除虚警; 2)基于恒星目标拖尾和空间目标拖尾定位的方法消除其拖尾上的虚警; 3) 根据空间目标和恒星目标在差分处理前后的空间灰度分布变化和根据目标所在区域的图像在时域上的变化消除恒星目标产生的虚警; 4) 利用航迹信息确认目标, 消除虚警。最后结合自研的实时信息处理机平台和大量的实测数据, 验证了该方法的有效性及实时性。

根据反射镜拼接型 CCD相机拍摄影像时发生渐晕的灰度分布特点, 提出了一种基于最速下降法的曲面拟合方法, 以消除渐晕现象。对反射镜渐晕的物理模型进行分析, 通过仿真提出了一种二维曲面模型来拟合图像灰度补偿算法, 推导 Hesse矩阵的相关系数, 通过 Hesse矩阵逐次迭代收敛, 最终获得二维曲面的相关参数值。仿真结果表明, 上述方法能够有效估计出不规则二维曲面的相关参数。通过对实际影像的处理结果表明, 本文方法能够有效去除影像的渐晕现象, 改善图像质量, 在测试平台上对有效像素为 782×582的单面阵 CCD实验影片进行处理, 程序运行时间为 24 ms, 可见, 本文算法完全满足实际工程需要。由于该方法不需要相关的光学和几何参数, 因此具有广泛的适用性。

位于云南抚仙湖的一米太阳望远镜, 由于其特殊的光机结构和开放式观测模式, 位置控制伺服性能受风的影响较大, 这要求望远镜伺服驱动系统应有较好的抗干扰能力。本文首先从一米太阳望远镜的光机特性以及结构出发, 介绍了该望远镜伺服系统的数学模型及其数值模拟, 重点分析了伺服系统中的速度控制器和位置控制器对风载干扰的改善能力。在保证系统稳定性的前提下, 通过提高系统增益来加大伺服系统的刚度, 可以满足一米太阳望远镜在四级风下正常工作的要求。最后给出该望远镜在实际风载情况下伺服系统的性能和短期跟踪精度的实验结果, 该结果表明望远镜伺服系统能满足科学目标及终端仪器对望远镜跟踪精度的要求。

针对三维光存储串行写入方式存储速度慢、效率低的缺点, 设计了一种飞秒激光并行存储光学系统。该系统以 TI公司的数字微镜器件作为空间光调制器, 对入射飞秒激光进行调制, 并利用微透镜阵列对调制后光束进行分束聚焦, 从而产生可控的多焦点阵列, 实现可控性强、灵活性好的并行加工。本文利用 ZEMAX和 Matlab对 DMD进行了仿真建模, 并根据已有飞秒激光三维光存储系统参数设计出适合本系统的微透镜阵列, 最后对整个系统进行了仿真, 给出了初步的仿真结果。从仿真结果可以看出, 该系统可以实现具有光开关的存储信息的并行写入。

研究了基于数字微镜器件 (DMD)的多路并行共焦显微镜。利用 DMD产生特定的图案对光源进行调制, 形成多路并行共焦检测工作模式, 其作用相当于虚拟针孔阵列, 可以代替现有的并行扫描方式。采用 DMD作为共焦系统的并行横向扫描方式, 在不损失分辨率的前提下, 大大提高了测量速度。系统中虚拟针孔的大小和周期等关键参数具有程序可控制性, 能够根据不同的要求对样品进行测量。解决了分光棱镜内表面反射作用对共焦成像造成的干扰问题。设计了 DMD横向扫描策略。对样机进行了测试实验, 取得了系统的深度响应曲线, 并且成功还原了被测物表面的微结构。

针对传统静态误差分析方法忽略目标运动对测量影响的不足, 本文在分析运动对目标形状影响的基础上建立了灰度质心算法误差与灰度噪声、动态目标尺寸的数学模型, 该模型表明当曝光时间内目标移动量远小于目标静态尺寸时, 动态误差与静态误差接近; 而当目标移动量与目标静态尺寸的比值大于 6%时, 灰度质心算法动态测量误差方差将比静态测量误差方差大 20%以上, 此时必须减小 CCD曝光时间、增加光源出射光功率, 以减小测量误差。

光栅安装或应用过程中光栅传感器指示光栅、标尺光栅相互位置发生改变, 导致莫尔条纹发生畸变, 直接影响着测量精度和后续处理系统的复杂程度。本文采用傅里叶频谱分析方法, 建立包含指示光栅、标尺光栅位置姿态参数的光场输出模型, 给出了两栅不平行时输出光场的数学表达式, 对主要影响因子进行了较详细的分析, 并在 Matlab中进行了仿真, 给出了不同安装偏角下的莫尔条纹误差值及变化趋势, 讨论了接收传感器的结构尺寸对测量结果的影响, 得出了与莫尔条纹同尺度的接收系统有最小的测量误差, 其结果对光栅副的精度设计和结构设计有较好的指导性。

针对传统微分干涉相衬技术对双折射性物体成像会有伪像的问题, 用双频闪耀光栅取代传统微分干涉相衬的分光元件诺曼斯基棱镜, 设计了一种微分干涉相衬方法。对双频闪耀光栅设计, 模拟入射平面波通过它之后的光强分布, 结果表明它能产生两束剪切角很小的光。用双频光栅微分干涉相衬方法对纯相位样品模拟成像, 仿真结果和物体的相位轮廓一致。分析了微分干涉相衬中的相移量和剪切量对成像对比度的影响, 加入相移量会明显提高成像图像的对比度, 而剪切量越小图像对比度越高。

为实现一种新型的 ROADM, 设计了基于四纤光纤头和变曲率球面透镜的四纤光纤准直器。变曲率球面透镜包括斜柱体和变曲率球体两部分; 4根尾纤在同一平面内等距排列, 各尾纤出射光对应曲率不同的球面, 可保证准直器出射光的出射角度满足应用要求。各尾纤出射面位于透镜的物方焦点处, 从而使从光纤出射的光束获得准直。利用矩阵光学理论, 设计出四纤光纤准直器球面半径、透镜长度等结构参数。利用 RSOFT模拟了光场在此器件中的传播, 得到光束的能量集中度大于 90%。

设计了一种低成本, 低噪声, 高精度的光纤压电陶瓷相位调制系统。包括± 100 V线性稳压电源, ± 12 V线性稳压电源以及三极管压电陶瓷驱动电路。 ±100 V电源纹波电压小于 10 mV, 整个电路系统噪声系数小于 2 dB, 3 dB带宽大于 500 Hz, 输出峰峰值超过 160 V, 输出电流大于 100 mA。通过光纤 3dB耦合器形成的迈克尔逊干涉仪和光纤端面反射光干涉信号在线标定, 相位调制度的非线性度小于 5%。

用高温熔融法制备了摩尔组分百分比为 70TeO2-20(ZnO、WO3、AlO1.5)-9NaO0.5-1ErO1.5的碲酸盐玻璃样品。测量了玻璃样品的吸收光谱和荧光光谱, 用差热分析方法(DTA)测试了玻璃的热稳定性。结合 Judd-Ofelt理论和 McCumber理论分别计算得到了三种玻璃样品的强度参数. t (t=2, 4, 6)、Er3+离子的吸收截面和受激发射截面。据此分析了玻璃样品的内部结构, 比较了三种玻璃样品中 Er3+离子的放大带宽品质因子 (σ epeak × FWHM )和增益品质因子 σ(mpeakeτ×)。结果发现, 分别用 WO3、Al2O3组分替换传统碲酸盐玻璃中的 ZnO组分, 可以将放大带宽品质因子提高 1.3倍和 1.6倍, 放大增益品质因子提高 1.2倍和 1.4倍。另外, Al2O3组分的引入也显著提高了玻璃样品的热稳定性。研究表明, 通过有选择性地改变碲酸盐玻璃组分配比, 可以进一步提高掺 Er3+碲酸盐玻璃光谱性质和热稳定性。

为了实现对红外光谱的准确测量, 对切趾、相位校正、波数校正等方法进行研究, 建立了高精度的傅里叶红外光谱仪数据处理系统。在比较各种窗函数的优缺点的情况下选用四阶布莱克曼窗函数对干涉图进行切趾, 根据红外光干涉图相位误差特点采用卷积法对单边干涉图进行相位校正, 深入研究波数校正方法, 采用能量重心法进行波数校正。实验结果表明, 傅里叶红外光谱仪数据处理方法能有效的实现光谱的准确测量, 在波数重叠非常严重的条件下波数精度能提高 5~10倍, 在波数重叠不严重的条件下波数精度能提高 103倍以上。四阶布莱克曼窗函数能有效减少有限截取的能量损失, 卷积法相位校正能很好的校正相位误差, 能量重心法能够对谱峰进行精确定位, 高精度 FTIR数据处理方法能实现对红外光谱的高精度测量。