光电成像跟踪系统需要保证不同目标的自适应识别, 同时严格按照时间序列执行的图像处理又是一个强实时性过程。实时融合跟踪技术提出并行执行多个算法组以适应不同类型目标的识别, 并通过像素级、特征级和决策级的同时融合处理保证了系统跟踪的稳定性, 最后在嵌入式并行处理硬件平台上有效解决了对运动目标的自适应跟踪。文中详细阐述了实时融合跟踪技术的技术思想和技术路线, 在剖析其并行结构的基础上完成了光电成像跟踪系统的嵌入式硬件并行平台的设计和实现, 取得了显著的工程应用成果。

针对传统 TV 去噪复原算法以梯度模值作为图像的边缘检测算子, 无法清晰地识别边缘和灰度渐变区及去除平坦区内的孤立噪声的问题, 提出了一种基于局部坐标二次微分的边缘检测算子对传统模型进行改进。改进后的模型能根据各像素点的新检测算子信息, 自适应选取复原模型中决定扩散强弱的参数, 并且利用图像局部信息对正则化项和保真项进行加权。同时在数值实现上, 采用一种基于梯度矢量的方向变化的方法来实现散度离散化, 以更加有效地保留图像的局部细节信息。数值试验表明, 该算法在克服灰度渐变区内的阶梯效应和保留图像的细节边缘方面明显优于传统算法。

利用大面积硅片制作 X 射线光栅和硅基微通道板等都涉及硅的热氧化工艺。热氧化使具有高深宽比微结构的大面积硅片产生形变, 严重影响了这些器件的应用。本文以 5 英寸硅片为例, 研究了硅基微结构在热氧化过程中的变形问题, 定性分析了产生形变的力学因素, 提出了减小形变的氧化方法。首先实验制作了具有高深宽比微结构的硅片, 采用不同的氧化方法, 比较了变形的大小。结果表明, 通过控制热氧化过程中的温度来控制热膨胀系数和在热氧化过程中施加外部热塑应力等方法能够有效地减小热氧化变形量。

色散物镜是光谱共焦显微镜的关键组件, 其轴向色散线性度和色散范围会影响光谱共焦显微镜的性能。在线性轴向色散的理论基础上, 研究了优化选择材料组合的方法, 给出了优化模型和求解方法, 得到了具有最大色散的材料组合及其光焦度分配, 并使用光学设计软件对优化结果进行了模拟。模拟结果表明, 使用本文优化方法得到的材料组合, 波长与轴向色散成线性关系, 而且具有最大的轴向色散。使用得到的最大色散材料组合进行色散物镜设计, 得到了较好线性度的色散物镜, 并具有较短的有效焦距。本文给出的优化选择材料组合的方法可以为设计光谱共焦显微镜提供指导, 有效缩短镜筒长度, 提高光谱共焦显微镜的性能。

针对透射式投影物镜中由于不均匀照明产生的像散, 提出了采用平面透镜作为主动光学元件以补偿像散的方法。本文对直径为 Φ140 mm, 通光孔径为 Φ120 mm 的平面透镜的支撑结构进行设计和有限元分析, 分析了支撑结构的各个关键参数、镜片厚度和驱动力大小对面形的影响, 得到了支撑结构的关键参数和驱动力对面形的影响规律为线性曲线, 镜片厚度对面形的影响规律为指数下降曲线和不同驱动力导致的面形图。结果表明, 本支撑结构在补偿像散时, 面形补偿分辨率约为 2 nm, 引入的高阶像差可以忽略, 设计分析结果为投影物镜中主动光学镜片的选择和支撑结构的设计及实验提供依据。

合理的轻量化结构设计是降低大口径反射镜重量的实际而有效的方法, 同时可以有效减少自重等对反射镜面形精度的影响。本文以口径为 Φ1 200 mm 主镜为研究对象, 采用有限元分析作为研究手段, 根据等刚度原则, 结合实际工艺情况, 设计了两种结构形式的主镜轻量化方案。根据有限元分析结果, 确定基于反应烧结碳化硅(RB-SiC)工艺、背部半封闭结构、锥形后表面、采用扇形轻量化孔形式的结构方案为首选方案, 并成功研制出了反射镜镜坯。

动态背光对于液晶显示器降低功耗具有重要意义。考虑到在降低功耗的同时更重要的是保证显示器画面的质量, 本文提出了一种液晶显示器分区域动态背光的新方法。该方法认为峰值信噪比为 30 是图像保质的最低标准, 将失真限制在一定范围内, 采用倒推法得到背光亮度。与此同时, 本文提出了简化运算时间的方法, 就是以区域最大灰阶亮度值的 0.7 倍、0.8 倍和 0.9 倍依次搜索, 直到满足 RPSNR≥30 就停止。为了保证图像不过于昏暗, 以区域最大灰阶亮度值的 0.7 倍最为最小背光亮度值。该方法大幅度节约了运算时间, 便于硬件实现。

平视显示器是一种大视场大出瞳的光学系统, 常用的测视差的方法是摆头法, 但测量精度较低, 并且有人眼读数误差。为了提高平视显示器视差的调校精度及效率, 消除人眼读数误差, 介绍了一种基于CCD 视频图像处理的视差自动测量系统。用CCD 像机对平视显示器图像画面进行采集, 在出瞳的范围内进行平移, 比较在出瞳边缘采集的图像, 计算两幅图像的偏移量, 自动得出平视显示器的视差。详细论述了该方法的测量原理, 并对该视差测量仪的光机结构进行了详细说明, 对各技术参数的选择进行了分析, 对测量精度进行了分析, 最后对几种视差测试精度进行了对比分析。

固态体积式真三维立体显示系统主要由数据传输, 图像处理模块, 高速彩色投影光路模块, 显示模块(显示体)以及外围控制电路组成。显示模块由多层液晶光阀组成, 光线透过显示体后能量衰减严重, 造成显示画面黯淡, 模糊, 此外, 由于光阀响应时间慢, 系统刷新频率低, 屏幕存在严重的闪烁问题。本文通过在液晶中添加少量聚合物和手性物添加剂制备出快速响应的聚合物稳定胆甾相液晶光阀, 其开态透过率达到88%, 响应时间小于1 ms。将其应用于真三维立体显示系统, 显示画面清晰稳定, 无闪烁。

二维平板光子晶体微腔在垂直于平板方向上存在辐射损耗, 使得微腔品质因数不够大, 限制了其应用。结合光子晶体微腔损耗的傅里叶分析, 采用调整腔模空间分布的方法, 减少了波矢在辐射泄漏区域的分布, 进而降低了腔损耗, 实现了微腔品质因数的优化。针对L3 型二维光晶体微腔的结构设计, 对具体的L3 型光子晶体微腔优化进行了数值仿真, 仿真结果表明微腔品质因数得到了极大的提高, 验证了光子晶体微腔品质因数优化方法的有效性。

本文提出一种新的图像显著区域提取方法, 分别提取原始图像的亮度、颜色、方向三个特征, 并将三个特征的多尺度图像特征合并成一幅总的显著图；其中, 在图像颜色特征提取中融入图像的频域特征, 简化了算法的复杂度及实现难度, 在图像方向特征提取中应用新的特征函数, 使得方向特征图更加完善。实验结果显示本文方法相比较 Itti 算法显著图更为明显且易于实现, 在图像目标重定位应用中图像形变少, 效果更好。

多源传感器成像原理的差异给图像配准带来了很大困难, 本文针对红外与可见光图像配准提出了一种具有SIFT 描述特征的 Harris 角点多源图像配准算法。首先建立多尺度空间, 以多尺度空间检测尺度不变的 Harris 角点作为特征点；然后通过改进 SIFT 对特征点的描述方法, 采用圆环结构算子对 Harris 角点进行类 SIFT 的特征描述；最后利用双向最近邻方法进行匹配, 通过最小二乘法实现图像的配准。实验证实了算法配准的精确性、快速性和稳定性, 具有较好的配准效果。

传统的视频运动目标图切检测算法基于低阶马尔科夫随机场, 能量函数的低阶近似无法准确描述图像像素的空间相关性, 导致图切检测结果过度平滑。本文提出一种基于高阶欧拉弹力模型的图切检测算法, 利用欧拉弹性模型优化目标边界曲线和修正能量函数的低阶近似。算法通过利用前一帧图像的检测结果, 对当前帧图像运动目标像素点数和前景背景邻接像素对数进行卡尔曼预测, 并不断自适应调整当前帧的图像模型参数, 实现了视频运动目标的连续全局优化检测。实验结果验证了欧拉弹力模型在视频运动目标检测中的有效性, 其检测结果能够更好地满足人的视觉效果。

针对基于点特征的遥感图像自动配准算法中存在特征点分布不均匀的问题, 提出了一种基于 SIFT(尺度不变特征变换 )、Harris-Laplace(多尺度角点 )、MSER(最大稳定极值区域 )特征提取算法的多特征遥感影像配准方法。通过多特征与二次匹配, 极大的提高了匹配点数目；通过基于距离的筛选, 保证匹配点分布均匀合理；通过局部互信息精校正, 使匹配点精度更高, 最终达到高质量 (空间分布均衡, 匹配精度高 )自动配准目的。

对红外图像进行非下采样 Contourlet 变换, 分析其系数的统计特征, 采用广义高斯分布来模拟系数的概率分布。根据非下采样 Contourlet 变换的带通子带各方向能量不同的特点, 提出修正的贝叶斯阈值公式, 为了克服软、硬阈值函数的缺点, 又提出一种具有可调节自适应性的新阈值函数, 最后利用新阈值函数估计出不含噪声的变换系数, 并通过非下采样 Contourlet 逆变换得到去噪后的红外图像。仿真实验表明, 文中方法在峰值信噪比及视觉效果上均优于经典的小波阈值去噪算法。

前视红外图像质量对于目标检测与跟踪算法能否准确定位目标具有十分重要的作用。目前对自动目标识别领域前视红外图像质量的研究大都与场景内容相关, 而忽视了成像降质效应对图像质量的影响。本文通过分析噪声和模糊两种降质效应的成因, 结合前人的模拟方法, 得到了高性能前视红外成像设备获取的图像中噪声和模糊模拟的新方法。将该方法用于分析不同程度噪声和模糊对图像质量的影响, 结果显示, 噪声对于图像质量有害, 而模糊对于图像质量并不一定有害。基于这一结论, 采用去噪方法对前视红外图像进行预处理。对比实验结果表明, 该方法比去模糊方法能更有效地提高匹配概率。

本文对安装于非固定平台上红外前视设备的像移产生的机理进行了详细分析, 在此基础上提出了采用微机械加速度传感器获取像移矢量的方法及算法, 并研制了可安装于红外前视设备上的像移矢量测量系统, 利用三维摇摆台进行了像移测量和稳像试验, 并与纯软件化稳像效果进行了比较, 验证了本文提出的理论和方法的正确性, 以及试验装置的有效性。

提出一种基于弱反射布拉格光栅的新型分布式温度传感网络, 将 WDM 与 OTDR 相结合, 采用 WDM 技术提高光栅的复用容量, 利用 OTDR 对各个弱光栅进行实时检测, 以实现光栅的密集串行复用, 并提高空间分辨率。使用可调谐脉冲激光为光源, 多组不同中心波长弱光栅等间距刻制在一根光纤上。利用一根光纤刻制的三组反射率为 3%, 中心波长分别为 1 544.660 nm、1 545.802 nm 和 1 546.900 nm 的 9 个 FBG 进行了温度实验。实验结果表明, 在 5~80℃的温度范围内, FBG 的中心波长随温度变化呈良好的线性, 线性度达到 99.6%以上, 温度测量的分辨率最高达到 0.11℃, 空间分辨率可达 2 m。

以有机聚合物非对称脊波导为研究对象, 采用有效折射率法, 系统地分析了不同脊宽、芯层高度和芯层平板短边宽度条件下, 非对称脊形波导有效折射率与脊高的变化规律, 并与对称脊波导进行比较。研究表明：两种脊波导结构具有相同的特性, 即在芯层高度一定时, 有效折射率随脊高、脊宽的增加而增加；在脊宽一定时, 有效折射率随芯层高度的增加而增加。而非对称脊波导在其他条件一定时, 有效折射率随短边芯层宽度的减小而减小。该结果对有机聚合物非对称脊波导的应用具有一定的参考价值。

基于相干后向瑞利散射原理搭建了一套分布式光纤传感系统, 并设计了一种优化的掺铒光纤放大器。以此为基础进行实验, 分析了消光比、传感距离和传感光纤前后端反射等几个关键因素对相干后向瑞利散射波形的影响。实验结果表明：适当地设计电光调制器偏置电压与掺铒光纤放大器, 可明显改善注入脉冲信号峰值功率和消光比；由于注入信号光消光比的限制, 短距离传感比长距离传感更容易获得优良的散射信号；消除传感光纤前后端的菲涅耳反射也能显著提升散射信号的质量与稳定性。

通过改变种子光栅中相邻子光栅的折射率调制量, 提出一种新型交错型采样光纤 Bragg 光栅(ISFBG)设计, 并利用传输矩阵法分析 ISFBG 的反射谱特性。结果表明：对种子光栅中相邻子光栅的折射率设计不同的调制量, ISFBG 的反射谱信道数增加, 主反射峰的反射率主要由折射率调制量大的子光栅决定, 并且其反射率的大小随着折射率调制量差值的增大下降, 次反射峰均匀地分布于每两个主反射峰之间, 其反射率的大小随着折射率调制量差值的增大而增大。同时, 在设计中采用多相移技术可以进一步压缩 ISFG 信道间隔, 增加信道数量。

目前国内外对高温、高湿、强腐蚀、强冲击等极端恶劣环境下的扭矩测量仍无有效检测方法, 针对该现状, 在提出的一种由环形球栅与磁电式检测器组成的新型非接触式扭矩传感器的原理基础上, 重点从传感器的结构特点出发, 结合磁路理论对环形球栅检测器的原理进行了较为深入的研究, 并利用 ANSYS 软件对设计的球感检测器进行电磁分布特性分析与实验。经初步实验验证, 该环形球栅检测器能满足极端环境下的扭矩动态测量。

为降低硅片台在曝光扫描过程中的加减速时间以及提高扫描速度的平稳性, 设计了 5 阶对称 S 曲线。设定加速度三阶导数为恒定值, 通过向上积分的方法确定了 5 阶 S 曲线的位置和速度表达式。以时间最优和冲击最小设计优化指标, 对步进过程的 5 阶轨迹进行优化, 设计了改进 5 阶 S 曲线。仿真结果表明, 5 阶 S 曲线可以使硅片台在短时间内加速到扫描速度, 并且可以快速稳定。改进 5 阶 S 曲线大幅度缩短步进时间, 硅片台步进曲线平滑无突变。