针对一种立柱式二维移动视觉测量系统, 提出了其数学模型的建立和标定方法。分析了测量原理和系统组成, 并通过对运动定位和摄像机成像的独立建模, 构建了符合测量原理的整体数学模型。标定时, 在完成对定位误差等 13项几何误差标定的基础上, 通过移动摄像机使圆孔靶标的像平均分布在摄像机的像面上, 根据靶标的工作台位置、像点坐标、以及测量时对应的运动机构移动量, 利用最小二乘非线性拟合方法实现对摄像机成像模型参数的标定。实验结果表明：经建模和标定后, 测量平均误差为 1.8 μm。利用该方法进行移动视觉测量系统的建模和标定, 可以有效地保证系统的测量精度。

本文针对现有缸盖燃烧室容积滴定法测量中测量精度低、测量速度慢等不足, 提出一种使用线激光三维测量系统扫描缸盖燃烧室的发动机缸盖燃烧室容积的数字化测量方法, 实现了对缸盖燃烧室容积的快速、精确计量, 并应用于工程实际。论文介绍了测量原理和检测方法; 详细阐述了获取缸盖燃烧室点云后通过一系列滤波及容积计算程序, 获得缸盖燃烧室容积的过程, 即点云的滤波处理、孔洞修补、曲面重建、燃烧室有效点云提取及容积计算等; 最后, 基于样机平台, 对上述方法进行了实验验证。

为实现图案布匹瑕疵的在线实时检测, 提出了一种基于机器视觉的实时检测方法。离线训练时, 通过无瑕疵图像的叠加距离函数以及极值权重分析精确求取图案纹理基元周期, 提取标准基元后创建无瑕疵标准基元偏移序列, 提取特征用以构建模糊分类器; 在线检测时, 基于创建的偏移序列求取待检测图像块特征, 采用模糊分类器分类, 若存在瑕疵则继续构建精确分类器分类。实验表明, 所提出的方法对任一批图案不同布匹只需对无瑕疵图案布匹学习一次, 即可实现在线检测, 检测一帧图像平均时间为 200 ms, 准确率达 99%以上, 实时性高且误检率低。

针对环形光刀取样式高能激光光强分布测量系统的要求, 研制了以圆弧反射面环形光刀架构的光取样器, 实现了对激光束的在线取样测量。光取样器的取样光刀外形设计为环形光刀, 可对取样光束进行周向扩展, 满足半数以上探测器接收取样空间光信号的要求; 取样光刀反射面设计为圆弧形, 可对取样光束进行切向扩展, 使其在增大衰减倍率的同时降低系统对光的难度。通过光取样器具体设计参数的计算, 获得了满足探测单元与反射光束耦合孔径角要求的参数设计范围。实验表明, 研制的光取样器可有效用于大面积高能激光束的在线测量。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)为逃逸氨的现场抽取式的检测提供了可靠的技术手段, 现场环境中温度对二次谐波信号影响非常大, 必须要对检测的结果进行温度的修正。当温度从 25℃变化到 250℃时, 在 Herriott样品池中对 100×10-6的 NH3进行检测, 得到二次谐波光谱图, 结果显示二次谐波信号的幅度随温度的升高而减小, 线宽趋于平缓。当压力从 0 kPa变化到 100 kPa时, 二次谐波的信号峰值随着压力增加而减小, 线宽趋于平缓。根据上述实验结果, 给出了温度修正的公式, 通过对不同温度下 50×10-6浓度的 NH3进行修正, 来评价公式的可靠性, 修正后的最高误差为 5.1%, 极大地提高了测量的精度, 使系统能够适应高温环境下在线抽取式监测需求。

由于高光谱图像具有高阶性和背景分布特性复杂的特点, 这使得现有的算法在解决异常检测问题时存在一些不足。通过分析高光谱图像的光谱特性和空间特性, 基于统计学习理论, 利用光谱解混技术和子空间划分方法, 提出了基于光谱解混的选择性波段子集高光谱图像异常检测算法。该算法首先利用光谱解混技术提取出对背景分布特性有严重影响的端元光谱, 由此降低背景干扰突出异常目标信息; 在此基础上, 利用子空间划分方法将整个波段空间划分为大小不等的多个子空间, 并在每个子空间内利用非高斯程度度量准则提取出富含异常目标信息的特征波段; 最后, 采用 KRX算法作为异常检测算子完成异常目标检测。利用真实的高光谱图像对提出的算法进行实验验证, 结果表明该算法是有效和合理的, 具有良好的异常检测性能。

针对离焦波段光学像对准焦波段光学像的干扰, 本文提出将正则化方法应用于衍射透镜成像光谱仪的图像复原中。正则化方法通过引入稳定泛函, 附加经验预知的或假设的条件, 将逆滤波函数正则化, 从而减少系统噪声给图像复原过程带来的扰动, 将图像复原过程转化为适定方程的求解过程。调节正则化参数的取值, 以取得最佳复原效果。用均方误差和绝对误差分布来评价复原效果。计算机模拟实验表明, 正则化方法能够有效地复原衍射透镜成像光谱仪图像, 抑制噪声的干扰, 降低光谱图像的均方误差。

为了提高三轴光电跟踪系统的指向精度, 针对三轴光电跟踪系统的光机结构提出了一种具有明确物理意义的指向误差修正模型。首先, 根据四元数的旋转变化方法详细分析了各轴系误差对空间目标指向误差的映射关系表达式, 然后, 通过这些关系式建立三轴光电跟踪系统的指向误差修正模型。实验结果表明, 该方法可以将有效的修正系统指向误差, 且外符合修正精度高于球谐函数指向误差修正模型, 同时该方法在装配调试阶段对预估指向精度具有一定的参考指导作用。

目标跟踪中, 目标的背景变化、形状改变、遮挡, 往往会导致跟踪失败, 而跟踪的实时性和准确性是必须考虑的问题。本文首先对 Mean Shift算法进行了介绍, 接着对 Mean Shift算法进行了优化：修正 Mean Shift算法迭代权值, 修正后主要信息贡献更加突出, 次要信息受到抑制, 避免了开方的繁琐运算, 降低了运算量。提出了目标模板更新算法, 解决了背景变化和目标形状改变时跟踪失败的问题。然后在水平位置和竖直位置建立 Kalman滤波器, 同时将优化 Mean Shift算法与 Kalman滤波融合, 解决了目标完全遮挡后无法继续跟踪的问题。仿真实验表明, 本文提出的目标跟踪算法在目标遮挡, 目标形状改变, 目标跟踪失败的情况下具有更高的跟踪精度, 更高的实时性和鲁棒性。

为了分析温度对大口径轻质主镜反射面面形的影响, 对大口径轻质主镜建立了三维模型, 利用有限元软件 patran/nastran对其进行了稳态和瞬态的热特性分析。主要分析了均匀温度分布, 径向温差, 轴向温差和外界环境温度变化对主镜面形的影响。结果表明：在径向温差, 轴向温差和外界温度变化情况下, 主镜面形均受到很大的影响, 且面形 PV值和均方根值 RMS随着温度梯度的增大, 呈线性增加的趋势; 环境温度在 15 ℃到 25 ℃以正弦规律变化时, 在 2.8 m主镜内部产生的温度梯度导致的镜面变形的 PV值和 RMS值波动范围为 100 ~500 nm和 25 ~150 nm; 均匀温度分布对主镜面形的影响相对较小。

以轨道交通轮对参数在线检测中的图像采集为背景, 针对车辆轮对快速运动时曝光时间短曝光量不足的问题, 提出一种具有高精度同步闪光功能的图像采集方法。设计了曝光、闪光同步时序, 采用高亮度闪光光源来保证光通量, 通过光电耦合器和单片机对触发信号进行处理, 利用高精度的延时控制模块来调节曝光、闪光起始时刻。设计并实现了异步图像采集功能, 保证车辆轮对运动到预设位置时能够精确地曝光和闪光。分析了同步误差的影响因素, 通过实验验证, 当运行速度不高于 80 km/h时系统的同步误差小于 25 μs, 运动模糊小于 1 mm。

针对回转对称非球面的抛光工序, 本文提出了一种点接触式的磨抛工艺以及实现等去除量磨抛加工的数控设备运动模型。磨抛工艺基于数控光学表面成形技术及 Preston假设, 采用筒形磨抛轮对回转对称非球面进行点接触式磨抛加工.在加工过程中, 数控设备各轴的运动为变速运动, 即工件的转速及磨抛轮的进给速度随着加工位置的改变而改变。通过对该变速运动模型进行求解, 并由数控加工设备进行精确控制, 从而实现等去除量的磨抛加工。实验结果表明, 该变速运动模型能够很好地实现回转对称非球面的等去除量磨抛加工。

胶粘剂广泛应用于光机结构中, 其对光机结构的动力学特性有不可忽视的影响。本文采用有限元建模的方法对含胶粘剂的透镜镜组进行动力学特性分析。建立忽略胶层、节点耦合以及“粘合单元 ”连接胶合面三种有限元模型, 并分别对两种胶粘剂粘接的透镜镜组进行模态分析。为了验证三种建模方法的有效性, 对不同透镜镜组进行模态测试, 获取一阶模态频率与振型。仿真计算与测试结果对比表明：忽略胶层影响的模型计算结果存在较大误差, 节点耦合以及 “粘合单元 ”连接胶合面所建立的模型的一阶模态频率与实验测试误差小于 5%, 振型也与测试结果一致。这表明节点耦合以及“粘合单元”连接胶合面两种有限元模型是有效的。进一步分析胶粘剂材料属性对透镜模态频率的影响, 胶粘剂的杨氏模量对模态频率影响明显, 泊松比与密度影响较小, 对光机结构中胶粘剂的选用具有参考意义。

用数字全息进行动态观测时, 由于不同物体记录距离不同, 且不断地变化, 再现像不能始终处于清晰状态。本文提出了利用同轴数字全息视频技术实现在三维空间内对运动物体进行连续动态观测的方法, 研究了其中的动态跟踪聚焦算法和视频处理算法。利用上一帧再现像中观测物体的中心位置作为下一帧全息再现中聚焦窗口的中心位置, 使聚焦窗口始终跟随观测目标移动, 从而保证处理全息视频时每一帧再现像都能准确自动聚焦, 使再现视频中要观测的目标始终处于清晰状态。采用上一帧的聚焦距离为下一帧再现距离的搜索中心、避免处理不同全息图时的重复运算等方式来提高数字全息视频的处理速度。实验结果表明, 本文提出的数字全息视频成像技术能实现在三维空间内对某一特定运动物体进行连续动态观测。

基于 gyrator变换数值算法和计算全息理论提出了 gyrator变换计算全息图, 采用罗曼编码方法制作出了在不同变换角度下的 gyrator变换计算全息图并实现了相应的数字再现, 其再现规律与相关文献报道的 gyrator变换全息图的再现规律一致, 表明制作 gyrator变换计算全息图是可行的。在此基础上提出了一种新的计算全息编码方法即梯形等效面积编码方法, 该方法能有效提高在单个抽样单元中进行相位编码时的相位量化级数。应用该编码方法完成了傅里叶变换计算全息图的产生和数字再现的仿真实验,实验表明采用新型编码方法的离轴物体的计算全息图能实现零级衍射成像。采用新型编码方法也实现了 gyrator变换计算全息图的产生和数字再现的仿真实验。上述实验结果表明本文提出的新型编码方法是可行的和有效的。