为提高沿岸、岛礁的潮汐测量及内陆水位监测的机动灵活性, 设计了一种嵌入式、非接触水位自动测量的水尺图像采集与处理系统。该系统包括了成像单元, 数据采集、处理和存储单元, 交互接口单元。基于实际使用情况, 提出了一种水尺自动判读算法。利用传感器的窗口截取特性, 采集含有少量背景信息的水尺图像; 采用 Sobel水平边缘检测算子进行特征提取; 最后采用投影分析的办法来判读水尺信息。水域实验结果表明, 该系统能进行全天候的水位自动测量。在成像距离为 25~100 m范围内, 达到 6 mm以内的判读精度。

针对识别模式下多生物特征融合识别系统的实现问题, 本文基于手背静脉、虹膜和指纹三种生物特征研究了高效的融合识别算法。分别对三种生物特征进行特征提取与匹配, 得到独立的匹配分数, 基于 k近邻(k Nearest Neighbor, kNN)分类器实现手背静脉特征识别, 将用户身份范围缩小到 k个, 实现个人身份的初步识别, 利用支持向量机(Support Vector Machine, SVM)算法实现 k个样本范围内虹膜和指纹的融合识别, 实现最终的个人身份识别。利用构建的三模态生物特征图像数据库进行了实验分析, 实验结果表明该系统具有较高的识别性能, 具有广阔的应用前景。

针对 LPQ算子提取的纹理特征易受光照、噪声影响, 提出了一种在 Shearlet变换幅值域内提取局部相位量化标记直方图的人脸描述方法。首先采用 Shearlet滤波器提取其对应不同方向、不同尺度的多个 Shearlet幅值域图谱, 然后按照平均值融合法将相同尺度不同方向的幅值域图谱融合到一起, 并对融合图谱进行分块, 分别采用 LPQ算子标记幅值域图谱, 最后由这些标记直方图形成的序列来描述人脸。在 ORL、FERET和 YALE人脸库中做了多组实验并分别取得了 98%、95%及 97.33%的识别率, 充分验证了该方法的有效性。

为了获取目标的偏振信息, 设计弹光调制 (Photoelastic Modulator, PEM)互差频调制的新型偏振测量方法。该方法将三个 PEM分别工作于数值略有差异的三个不同的频率上, 对偏振光进行差频调制, 产生载有偏振信息的低频分量, 最后通过锁相放大即可同时实现四个斯托克斯偏振参数测量, 斯托克斯参量可全面描述光束的偏振态。该方法不仅保留了原有弹光调制器偏振测量的优点, 并且克服了现有方法无法用阵列探测器有效采集及调制频率高等缺点, 同时给出利用 MATLAB模拟仿真实现 Stokes参量测量的过程。通过理论分析及仿真结果证明了该方法的可行性。

提出了一种基于双光弹调制差频调制和傅里叶 -贝塞尔 (Fourier-Bessel)变换的光谱偏振测量方法, 该方法将双光弹调制器 (Dual-photoelastic-modulator, Dual-PEM)分别工作在数值略有差异的频率上, 以对光进行差频调制, 并产生载有被测偏振信息的低频 (几十~几千赫兹)调制分量, 普通阵列探测器就可以实现低频分量的探测。通过对调制信号中的低频成分进行傅里叶 -贝塞尔变换, 可得到被测光对应的 Stokes矢量中 Q(σ)和 U(σ)的光谱。该方法降低了偏振光谱测量系统的复杂度。本文介绍了其原理并推导出了偏振光谱反演公式, 并通过仿真和实验验证其可行性。

针对图像融合中不能对未知图像自适应地找到最佳融合规则的问题, 本文以双色中波红外图像为例, 提出了一种差异特征驱动的融合模型。该模型首先在选定最佳融合评价指标的基础上, 找到与融合规则相对应的图像特征, 然后利用可能性理论构造图像特征分布的隶属度函数, 建立差异特征与融合规则的映射关系, 进而构建差异特征驱动的融合模型。实验结果表明, 该模型与传统融合方法相比较, 在主观认知上更能反映真实场景的信息, 在客观评价中约有 95%的指标参数优于其他方法。

本文研究了布里渊回波分布式光纤传感系统的原理, 采用微扰法推导了瞬态受激布里渊散射(SBS)耦合波方程组, 求得了 SBS作用的瞬态解。利用 Matlab仿真研究了不同脉冲调制的布里渊光时域分析(BOTDA)系统中 SBS过程的布里渊增益曲线, 并对传感系统的三维增益谱进行了仿真与分析, 结果表明基于亮脉冲调制、暗脉冲调制、π-相位脉冲调制的 BOTDA系统具有高的布里渊增益和窄的布里渊线宽, 同时能够实现高的空间分辨率, 其中π-相位脉冲调制时可获得最大的布里渊增益。

野外机器人视觉导航是复杂场景理解一个重要的研究领域, 在**和智能交通等都有广泛的应用。本文提出一种利用光的偏振特性的环境积水区域目标检测方法, 利用水体的高偏振度和水体区域具有相似偏振相位的特点, 对图像积水区域进行分割。实验结果表明, 该方法在复杂自然环境下对积水区域和泥泞区域检测具有良好的效果。与传统机器视觉方法相比较, 偏振视觉手段计算简单、准确, 与现有图像处理技术结合使用, 更具普适性。

影响变压器绝缘老化的主要因素之一是运行时铁芯的温度。铁芯温度越高, 绝缘老化越快, 变压器寿命也就越短。研制了一种利用光纤 Bragg光栅测量变压器铁芯温度的传感器, 将套有陶瓷套管的光纤 Bragg光栅温度传感器安装在变压器铁芯中柱上轭表面。当铁芯的温度发生改变时, 与其接触的光纤 Bragg光栅的温度也随之改变, 导致光纤 Bragg光栅中心波长移位, 从而实现对变压器铁芯温度的测量。运行电压为 75 V和 100 V的恒定负载实验表明, 恒定电压下, 环境温度为 15℃时, 0～105 min内光纤 Bragg光栅中心波长分别稳定在 1 552.289 nm和 1 552.299 nm, 变压器铁芯的温升值分别为 17℃和 18℃。

激光测距仪的测距精度是衡量其性能的重要指标。本文设计了测距精度检测系统, 可实现 1 064 nm、1 540 nm、1 570 nm三个波长的测距仪精度检测。该系统由激光距离模拟器和激光辐射模拟器组成, 辐射模拟器可产生脉宽 5～250 ns、最大峰值功率 0.1 W的回波脉冲; 基于 FPGA的距离模拟器可以实现 50 m～990 km的大量程距离模拟。本文提出并实现辐射模拟器和距离模拟器的闭环检测, 以此测量消除系统固定误差。经过检测该系统全量程内距离模拟误差都小于 1 m。

立体目标毫米波辐射特性的研究十分复杂, 本文从规则金属球入手进行建模仿真研究。由于毫米波似光性, 利用射线跟踪思想分析了金属球表面直射和地面二次反射的双射线传播情况, 建立了辐射温度计算模型, 并基于金属球表面三角面元划分的几何模型及探测器与目标交会运动中的空间几何关系, 实现了金属球体目标毫米波辐射特性的 MATLAB仿真平台。在假定的仿真条件下, 给出了金属球体目标和圆形金属板平面目标的天线温度曲线, 验证了本文仿真建模方法的正确性。通过信号波形特征对比分析, 结果表明金属球体目标可等效为线性尺寸增大约 1.3倍的非金属圆形平面目标, 为毫米波被动探测的目标识别与定位提供了更准确有效的数据理论支持。

在绝对距离测量中, 由于大气扰动造成的测量路径上折射率分布不均匀对干涉测量有很大的影响, 针对这一问题, 本文提出了一种补偿大气折射率的多波长干涉测量绝对距离的方法。该方法基于小数重合法的基本原理, 在测量过程中不需要对大气参数进行实时监测, 而是通过 A系数所给出的各波长折射率之间的关系解算距离。文中结合小数重合法的基本原理给出了理论推导与分析, 并采用 594.1 nm、611.9 nm、632.8 nm三种波长在计算机上进行了数值仿真实验, 得到了该算法的小数级次测量精度与非模糊距离 (UMR)的匹配关系。

准确获取光学测量中目标的角度是实现高精度的靶场光学测量的关键之一, 而大气折射是影响最终计算目标角度的重要因素, 需采用适当的方法计算得到目标的准确角度值。本文以分层处理为出发点, 对影响大气折射率的主要因素气压、气温、湿度分别采用气压分层模型, 气温分层模型, 湿度分层模型, 以大气折射率模型和接近靶场实际的大气实测数据为基础, 根据斯涅耳折射定律和大气光路方程, 建立了一种基于分层处理的光波大气折射精密修正方法。利用实际的星体观测实验数据对文中方法和常用的其它方法进行了比较, 将处理得到的数据与星体真值进行比较; 另外利用实际的靶场测量数据进行了对比处理, 两种实验结果都能够说明本文中的分层处理方法可以实现更高精度的修正, 可以最终提高光测设备的测量精度。

运动平台上的光学系统不可避免的产生镜面失调, 如何描述失调光学系统的光路传输是一个非常迫切的问题。本文利用 Matlab符号运算, 通过两次坐标旋转和坐标平移得出了失调镜面方程, 随后用矢量形式反射定律求出光线经过失调镜面后的方向矢量, 通过光线追迹法, 建立了失调光路传输模型。实例计算中, 以某仪器的望远镜结构为光学模型, 用 Patran_Nastran的瞬态求解功能, 求得在 xyz方向同时加载相应正弦振动时镜面的失调位移, 随后利用光路传输模型, 得出了过主镜中心的光线 (视轴)经主镜、次镜和反射镜反射后的最大抖动角度分别为0.003 4°, 0.016 1°, 0.017 7°, 并且得出了光斑在靶面及空间运动轨迹。

本文将介绍高速旋转平面反射镜镜面变形测量。平面反射镜在高速旋转时由于镜体倾斜引起的惯性力矩会使镜体产生弯曲变形, 影响成像质量。利用应变电测法, 通过导电滑环把镜体旋转时镜面应变片电阻变化信号连接到应变仪。从变形与应变之间的关系, 用仿真方法估计镜体等效厚度, 数值积分重构镜体弯曲变形。并与有限元计算结果进行对比, 验证测量的正确性。研究表明: 该方法有效可行, 为旋转镜面变形测量提供一种新的思路。

随着航天相机任务的增加、功能的增强、集成化及复杂程度越来越高, 应用系统对相机控制器提出了更高的长期在轨自治性和可靠性要求。本文以某实际项目应用为背景提出了一种以 TSC695F为核心处理器的新型高可靠航天相机控制器在轨软件重注指令序列设计方法和引导程序接收、缓存、校验以及存储重注数据的处理流程, 最后结合相机控制器软件重注专用检测模块验证了该软件重注方法设计的正确性, 并给出了地面生成上注数据包的参考代码。

针对船用星敏感器的仿真测试, 提出一种高精度实时星图模拟方法。建立了星图模拟计算模型, 并对非恒星要素的模拟方法进行分析。采用 Visual C++ 编程实现相关算法。给出典型星图模拟实例, 并与 Starry Night软件产生的星图进行比对。结果表明, 本文提出的方法能够对船用星敏感器各种运行场景下的星图进行模拟, 模拟要素完整、正确, 模拟精度与 Starry Night接近至亚像素级别, 每帧模拟星图生成时间约 24.8 ms。能够满足船用星敏感器高精度实时仿真测试要求。

提出了一种基于显微图像拼接技术的视觉坐标测量方法, 也就是利用图像自身的空间坐标信息实现坐标测量的方法。针对测量显微镜获取微小零件图像所具有较精细的纹理特征, 提出了一种基于点映射互相关配准算法, 对局部重叠的序列图像进行拼接。借助于玻璃标准尺对系统进行了严格的标定, 重点对不同放大倍数下的拼接误差进行了计算与分析。并通过微小零件尺寸测量的实例说明了该算法的有效性。多种实验研究表明, 该测量方法的相对误差可优于 1%, 分辨力可小于 1 μm。

针对超小型无人机有效载荷种类有限, 利用系统集成的方法, 设计了一套实用的超小型无人机相机系统。分析了系统的性能指标, 解决了商业级数码相机应用于航空机载设备的关键技术。利用系统减振技术, 图像不存在模糊现象; 相机系统在曝光期间的像移不超过 0.5像元, 不存在拖影问题。通过相机系统热设计, 解决了相机低温不启动的问题。相机系统在超小型无人机上进行了搭载飞行试验, 图像清晰, 表明方案设计合理。

针对卫星通信中射频载波信号光学传输问题, 建立了星间微波光子链路, 利用两个并联双电极马赫 -曾德尔电光调制器, 以光载波抑制调制方式实现了星间微波信号的光域传输和下变频。利用贝赛尔函数展开推导了多载波输入情况下接收信号任意谐波和交调分量表达式, 得到了输出信号噪声失真比与输入载波数关系, 利用曲面投影法求得了不同载波数时电光调制器最佳调制系数, 分析了载波数对最佳调制系数、光发射功率和最优信号噪声失真比的影响。结果表明, 射频本振调制器的最佳调制系数在载波数变化时可以保持不变, 射频信号调制器的最佳调制系数和最优信号噪声失真比随载波数增大而减小, 光发射功率随载波数增大而增大。

针对遥感图像中的港口目标识别问题, 本文提出了一种基于海岸线不变线矩特征与港口海岸线封闭特征结合的识别算法。首先采用边界寻找和阈值分割的方法进行海陆分割和海岸线的提取, 然后通过封闭性检测确定港口区域和属于港口区域部分的海岸线, 将封闭度和线不变矩特征组成的特征谱作为识别港口的依据, 最终实现了对港口的识别。实验结果表明, 该算法能够准确地识别遥感图像中的港口目标。