针对局部保持投影 (LPP)在构造邻接图时, 基于欧氏距离的近邻选取方式往往不能很好地反映数据间的几何结构关系问题, 提出一种融合相关系数的 LPP人耳识别算法。该算法通过融合图像相关系数和欧氏距离来构建邻接图, 能更好地揭示出数据间的几何结构关系。同时, 在设定权值时, 融入了图像间的相关系数, 能更好地体现高维数据间的相似关系, 提取出更有效的鉴别特征。在 USTB3和西班牙人耳库上的实验结果表明, 本文算法比传统 LPP算法识别率提高了 10%以上, 验证了本文算法的有效性。

由于光照、距离变化以及背景复杂等原因, 传统基于单一特征的车牌定位算法很难获得满意的效果。为完成复杂背景下车牌定位, 提出融合字符纹理特征与 RGB颜色特征的定位算法。利用车牌区域背景底色与字符颜色互补特性, 通过寻找图像车牌区域颜色点对, 结合字符纹理特征反馈校验, 能快速准确定位车牌。对复杂背景下获取的 12 581幅彩色图片进行实验, 结果表明, 定位准确率能够达到 99.4%, 验证了该算法的有效性。

栅格算法作为星图识别算法中的代表, 有着识别速度快、识别率高、导航数据库容量小的优点, 应用较广, 但其在构造恒星特征模式时存在需要选取临近星进行图像旋转的问题。为克服这一缺陷, 提出了一种基于旋转不变特征的星图识别算法。该算法利用模式识别类星图识别算法思想, 为每颗恒星建立一种与旋转无关的特征模式, 采用改进的 Hausdorff距离进行匹配识别。仿真实验结果表明, 基于旋转不变特征的星图识别算法对星点位置噪声与缺失星鲁棒性均优于栅格算法, 具有良好的识别效果, 但其识别速度与存储容量仍需进一步优化。

我国于 2013年 7月发射的天基空间碎片探测技术科学试验卫星, 其在经过南大西洋异常区 (SAA)时, 所获取的图像数据出现异常。本文对星上 CCD相机分别在非 SAA区和 SAA区时所拍摄图像的噪声, 特别是其中的活像素点噪声和热像素点噪声的变化情况进行了统计分析, 并对 CCD相机的探测性能受 SAA影响程度进行了评估。结果表明, 在 SAA区所拍摄的图像噪声值较非 SAA区增加了 5个电子, 噪声中包含大量的活像素点和热像素点噪声, 由于热像素点的长期存在性, 对 CCD相机的探测性能产生永久性的损伤。

针对目前利用天空偏振光信息进行导航, 仅能提供方向信息实现相对路径定位, 而不能获取载体的经纬度信息实现绝对定位的问题, 在前期工作中, 作者提出了一种基于天空偏振光、地球与太阳相对位置关系的自定位方法。本文中, 作者设计搭建了由天空偏振角测量装置、 OCTANS惯导组成的实验平台, 对该方法的可行性进行验证分析。实验结果表明, 该定位方法能够实时的获取相对可靠的地理位置, 且经纬度误差均值分别为 -0.149°和 0.418°。与 GPS定位系统相比, 虽然定位精度有待于进一步提高, 但可作为 GPS失效时的有效补充定位手段。

为了补偿转台伺服系统的非线性扰动以及抑制滑模控制的高频震颤现象, 设计了一种新型滑模控制器。首先, 利用反双曲正弦函数设计一种三阶扩张状态观测器, 通过该扩张状态观测器估计二阶系统的状态变量和未知非线性扰动。然后, 采用反双曲正弦函数构造滑模控制律, 设计了一种利用扩张状态观测器的滑模控制器, 并证明系统渐近稳定。最后, 三轴转台伺服系统的仿真实验结果表明扩张状态观测器能获取系统各状态高精度估计值, 采用该新型滑模控制器的伺服系统具有较高的位置和速度跟踪精度, 有效抑制了滑模控制输入的高频震颤现象。

在光电经纬仪中, 望远镜的口径越大, 对跟踪架的结构刚度要求越高。因此对于跟踪架的结构设计备受关注。本文以地平式 U型跟踪架为例, 对其中的两个关键部件如四通和转台采用方钢管桁架结构进行设计, 结合有限元设计及模态分析, 求解其固有的谐振频率。通过与传统的钢板焊接结构比较, 结果表明方钢管桁架结构刚度更高, 重量更轻。对于口径达到 1 m的地平式经纬仪跟踪架, 重量达到 6 200 kg时, 经过激振试验和扫频测试, 测得机械谐振频率达到了 78 Hz。

X-Y向柔性调节机构应用于光刻投影物镜中光学元件 X-Y方向偏心位置补偿。基于柔性铰链, 设计柔性二级减速机构, 并将之应用到新型的一体式 X-Y向柔性调节机构上。在对机构原理进行分析的基础上, 对 X-Y向柔性调节机构结构参数进行了优化设计。进一步, 运用有限元分析法, 分析了该 X-Y向柔性调节机构的性能。分析结果表明, 该机构调节行程大于 ±20 μm, 机构位移输入.输出关系稳定, 传动比约 11.9, 理论调节精度约 8.4 nm, 机构单方向驱动刚度为 0.473 μm/N; 机构开环单轴运动时, 耦合误差与主运动比值为 7.1%; 机构 1阶模态频率大于 200 Hz。该 X-Y向柔性调节机构能够应用到光刻投影物镜中。

设计了一种采用双蜗轮蜗杆、双滚珠丝杠配合的两点驱动式调焦机构, 弥补了传统调焦机构组件基频低、指向精度差的缺点。依据材料力学理论, 分析了支撑点数量对构件变形的影响; 依据两点支撑的优势设计, 研制了新型调焦机构, 并进行了力学环境试验验证和指向精度的测试。试验和测试结果表明: 该调焦机构三个方向的一阶基频大于 220 Hz, 试验前后焦面指向精度优于 2″。该调焦机构抗力学性能强、指向精度高、运行平稳、可靠性高, 适用于空间遥感相机大尺寸长焦面的支撑与精密调整。

高性能的速度闭环控制是精密伺服控制系统的关键。针对速度换向时存在较大的换向误差的问题, 提出了将自抗扰控制器用于精密伺服系统速度闭环的控制中。自抗扰控制器能对系统所受到的内扰和外扰进行实时估计, 且不依赖于对象模型。本文基于控制对象的频域特性, 设计了线性自抗扰控制器, 找到了对象参数 b与谐振频率的关系, 并给出了其他参数的整定方法, 为实验中参数调试提供了依据。最后, 在带宽相同的情况下, 将设计好的自抗扰控制器和常规的 PI控制器分别用于速度闭环, 进行了对比实验。结果表明在输入信号为 0.5°和 1.0°时, 自抗扰控制器均能明显减小换向误差, 提高系统跟踪精度。

对由 37单元 OKO变形镜和 140单元 BMC变形镜组成的双变形镜系统的联合校正算法做了理论分析, 通过将两个变形镜的影响函数组合, 提出了一种基于影响函数组合及动态修正的校正模型。仿真研究了 37单元 OKO单变形镜系统, 140单元 BMC单变形镜系统, 37单元 OKO变形镜和 140单元 BMC变形镜组成的双变形镜系统的闭环校正。结果表明: 一是基于影响函数动态修正法的校正效果要优于固定修正法, 二是双变形镜系统的校正效果要优于任一单变形镜系统。从而可以在现有技术条件下通过提出的算法提高自适应光学系统的校正能力。

为了使基于数字微镜阵列 (DMD)的电视图像目标模拟器满足不同视场成像系统的测试和评估, 本文介绍了一种变焦准直投影光学系统的设计。此变焦系统采用二次成像结构, 利用透镜组的切换来实现变焦, 为了提高像质并简化结构, 在设计中引入非球面, 光源通过全反射棱镜 (TIR)反射到 DMD上。光学系统工作在近红外波段, 长入瞳距使模拟器变焦系统与导引头光学系统光瞳相匹配, 并为导引头、模拟器提供足够的安装空间。在变焦过程中, 相对孔径保持不变。光学系统像质满足模拟器使用要求。

本文首先运用耦合传热理论与 EFD软件, 对一种 LED灯具的温度场、流场、压强场进行仿真, 再对仿真结果图进行图像处理, 提取热流场分布的边缘曲线, 并以此曲线方程为依据, 在总重量不变的情况下, 设计了一种曲线型散热结构, 可以使热流场分布均匀化, 并且更有效地利用周围空气进行散热。结果表明, 在 20℃环境中, 曲线型散热结构可使最高温升降低 12℃, 最大相对压强减小 0.95 Pa, 流场流速分布更均匀, 且居于较大流速的流体比例有明显提高。为进一步简化模型, 又将曲线形状的翅片优化为逐渐向两边外侧倾斜的角度型翅片, 使优化后的最高温度较曲线型又下降了 7.1℃。最后通过实验对比证明角度型散热结构具有更好的散热效果, 且减少了对生产加工工艺的要求。

稀疏保持投影 (SPP)是最近提出的稀疏子空间学习方法, 该方法的目标是保持数据的稀疏结构关系。然而, SPP是无监督并且不适合分类任务。为了提取判别人脸特征, 提出一种新的判别稀疏保持嵌入 (DSPE)算法。 DSPE在 SPP的目标函数中引入了 Fisher准则, 强调了判别信息; 另一方面, 用施密特正交化获得人脸子空间的正交基向量, 进一步增强了算法的识别性能。在 ORL和 FERET人脸库上的实验结果表明, 本文提出的 DSPE在特征提取和分类识别方面有更好的效果。

离轴三反系统 (TMA)在具有高分辨率、大视场的空间遥感器中被广泛使用, 长条形反射镜作为 TMA系统中的核心元件, 其自身的性能直接影响遥感器的成像质量。本文在传统反射镜轻量化结构的基础上, 为改善反射面局部面形质量, 提出一种变筋厚设计方案; 为了确定各结构参数的最佳取值, 将反射面的面形精度和镜体质量同时作为目标函数, 采用邻域培植多目标遗传算法 (Neighborhood Cultivation Genetic Algorithm, NCGA)对其进行集成优化求解; 结合制造工艺的约束, 调整并确定该反射镜最终的设计方案。在 z向 1 g工况下, 优化后的反射镜 RMS值为 1.278 nm、PV值为 5.642 nm, 分别较初始结构 (RMS=1.947 nm, PV=8.349 nm)降低了 34.4%和 32.4%, 且质量比初始结构略有减轻, 从而兼顾了面形精度和镜体质量。这说明本文所提出的轻量化方案和结构参数确定方法适用于 TMA系统中长条形反射镜轻量化结构的设计, 对今后相关元件的研制具有一定的参考价值。

针对某长焦距大口径光电设备的特殊要求, 基于卡塞格林光学折反系统达到了较好的红外成像质量和紧凑的结构尺寸。首先通过计算对红外光学系统进行了初步焦距分配; 然后对卡塞格林反射组件和红外组件进行了分段优化设计, 特别是为克服温度变化对焦距和像质的影响, 在后组设计三片透镜作为调焦组, 保证了成像质量; 最后, 为了消除杂光的影响, 分别对轴上、轴外光线进行追迹并设计了主、次镜遮光罩。设计结果分析表明主要指标均满足设计要求。