光电跟踪和测量设备用于测量飞行器在空中的飞行轨迹,作为飞行器飞行性能的评价.随着现代技术的发展,对飞行器性能提出愈来愈高的要求,从而也对跟踪和测量飞行器飞行轨迹的光电跟踪和测量设备提出了相应的技术进步要求,特别是对其测量精度指标.如何做好和完善误差分析、误差分配和误差综合,成为研制更高性能的光电跟踪测量设备总体设计中的一个重要问题,贯穿从可行性论证、方案论证、方案设计、设计、制造、装调、直到试验等整个研制过程.就这一类设备中最为复杂的机载光电跟踪测量设备的目标定位误差(即3轴上的测量误差),通过建立从被测目标到地面中心测量站9个坐标系,进行31次线性变换,构造35个变量的统一测量方程;进行测量误差因素的分析和分配,以及用蒙特卡洛法来分析和计算系统的目标定位误差.

研制了一种基于MEMS(微机电系统)技术的固体化学微推进器.给出了推进器的结构设计、工艺流程,以及推进剂加注方法.建立了推进器点火过程热传导模型,利用该模型分析了不同因素对点火延迟时间的影响.同时,通过建立推进器性能模型,进行了推进单元推力和冲量的预测,给出了仿真结果.结果表明:减小点火电阻衬底材料的密度、热导率和比热可以减小点火延迟时间和点火功率;在一定条件下,增大喷管出口与喉部面积比能够提高推进器真空推力和冲量;MEMS在推进系统中的应用,能够满足微小型卫星对星载推进系统小型化、微推力、高精度的要求.

从提高电磁式聚合物膜微流体动态混合器的混合性能出发,利用结构动力学理论对聚合物膜进行数值模拟,给出了其模态及谐响应分析结果;然后将其数值模拟结果耦合在流体动力学数值模型上,利用计算流体动力学理论对微腔内液体的流动特性进行了分析,得出低阶振动模式下的Re.对以数值模拟为依据制造的混合器进行了水与红墨水的混合试验.仿真与试验获得了相吻合的研究结果:二阶振动时Re最大;当激振力振动频率在二阶自然频率附近时,混合液体振动最剧烈,混合最理想;振动剧烈程度是由振幅、频率共同决定的.

基于能量法对两侧下拉电极控制(SPEC)的MEMS(微机电系统)压控电容进行了分析和优化.使用数值迭代方法计算了压控电容可动极板的挠度试解函数,得到了试解函数形状在不同驱动电压下的曲线.计算结果与有限元仿真所得结果一致.在此基础上,给出了基于铝材料的两侧下拉电极MEMS压控电容的优化过程,得到了优化结果.对于初始应力5 MPa,杨式模量70 GPa,极板厚度1.5 μm,极板间距1 μm,总长度为600 μm的铝材料压控电容,控制电极采用70 μm的优化长度,可以实现变化比率为2:1电容变化比率.结果表明采用(SPEC)结构的压控电容,能有效地减小或避免静电微机械结构特有的"崩塌"效应,获得较大的电容调节范围.

针对红外气体探测器对光源的要求,结合现有MEMS(微机电系统)工艺及与其兼容的IC工艺,研制了一种可用于红外多气体传感器的脉冲式MEMS辐射光源.该光源主要有Si3N4/SiO2的复合支撑层和铂金发热电极组成,可以产生相当于黑体300～800 K的红外辐射,在温度T＝1 106 K时有λ=2.62 μm峰值辐射波长;并且光源有足够强的辐射强度和2～15 μm红外辐射波段,能够满足大部分气体在2～14 μm波长范围内特征的吸收谱线的要求.经过对辐射元的动态测量可知,辐射源的动态调制频率可达到50 Hz,完全能够满足气体测量对所需红外光源调制频率的要求.

利用MEMS(微机电系统)标准光刻、湿法腐蚀以及低温键合技术制作了微流控分析芯片.在自制的紫外吸收微芯片生化分析仪上,利用该芯片对临床妊娠高血压和多发性骨髓瘤患者的尿液样本进行了在线芯片电泳分析,得到了与医院常规诊断方法一致的诊断结果,而此法进行一次分析仅需要2 min,且试剂消耗量少,这是常规方法不能比拟的.也以LDH同工酶标准品为分析对象,对芯片在线同工酶诊断进行了初步研究,初步实现了LDH1和LDH5混合样本的片上分离、孵育反应和产物检测.

设计并实现了基于高阻硅RF-MEMS(射频-微机电系统)共面波导传输线(CWP), 并测量和分析了不同偏压下的特征阻抗值.利用部分电容法和保角变换法得到的分析公式确定了特征阻抗为50 Ω的共面波导的几何结构尺寸,采用MEMS准平面加工工艺在高阻硅衬底上实现了2.5 μm厚的金共面波导结构.在施加不同直流偏压的情况下对所设计的共面波导进行了S参数测量.计算了Winkel多项式中所有系数的具体表达式,运用该多项式获得了共面波导的特征阻抗,并与传统的特征阻抗提取方法进行了结果比较.实验数据表明,在中心信号线上施加的直流偏压对S参数的影响很小,而对共面波导特征阻抗的影响较为明显,当施加的直流偏压从0 V变为38 V时,特征阻抗的实部会增加,变化幅度小于1.2 Ω,虚部会减小,变化幅度小于0.8 Ω.

提出了一种基于四区和八区2种激振方式的新型非接触压电微马达,并进行了振动模态的有限元数值模拟.利用ANSYS有限元软件对定子进行模态分析,并用激光测振仪对四区和八区2种激振方式下的定子进行位移扫频和振型测试,得出:最优驱动频率分别为34.4 kHz和46.3 kHz,相应的模态分别为B21和B22,二者结果吻合较好.对微马达的输出性能进行了实验研究,结果表明:三叶片和六叶片转子在八区最优模态激振下转子的转速约是四区的2倍.说明了增加定子的分区数不仅改变了定子的最优驱动?德识夷芄幻飨蕴岣咦拥淖?而且当A-B间相位差从90°调谐到270°时,行波的传播方向发生了改变,从而实现了转子的换向.实验还表明,转子的正反转的转速基本一致.

提出一种宏微双重驱动精密定位机构,采用高性能直线电机直接驱动宏动平台,实现系统大行程微米级精度定位;安装在宏动平台上的压电陶瓷驱动微动平台,实现纳米级的分辨率和定位精度,以高频响动态补偿系统的定位误差;采用精密光栅尺反馈微动平台输出端的位置信号,实现定位机构的全闭环反馈控制.在分别建立宏动、微动、宏微机构模型的基础上,提出复合型宏动控制和模糊自校正PID微动控制的宏微控制策略.实验研究表明:系统的动态和稳态性能良好,该定位机构的最大工作行程100 mm,稳定时间小于40 ms,重复定位精度10 nm.

提出了一种新型的利用光纤光栅传感器进行管线弯曲变形检测的方法.将两根布拉格光纤光栅成90°粘贴在一种细径弹性基材上,形成直径5 mm的弯曲变形测量传感器.然后将传感器封装在特殊的定心机构里面,初步解决了传感器检测过程中的定心和卸载问题.通过标定,得到两根布拉格光纤光栅中心波长变化值与传感器弯曲曲率的比例系数分别为524.0 733和485.7 432.定心机构带动传感器沿被检测管线间歇式前进,在前进过程中,用光纤光栅解调仪每隔50 mm等间隔点上采样传感器的波长读数,经计算得到相应各点的应变和空间曲率信息.然后运用基于等距离离散点曲率信息的空间曲线重建方法重建出管道的空间位置形状.

根据调制传递函数对比度定义,推导了分析线列光纤传像束调制传递函数(MTF)的数理关系,采用数值计算的方式,分析了线列光纤传像束像元与输入信号之间的位相关系对调制传递函数的影响,并进行了实验研究.结果表明,输入信号与线列光纤传像束的位相匹配对调制传递函数有一定的影响.基于对数值分析结果的考虑,提出线列光纤传像束的调制传递函数及评价方法,理论分析与实验结果相吻合.

设计和制造了一套微位移主动调节机构和支撑系统,用以实现拼接镜面天文光学望远镜的每块平面子镜精密地调节倾斜和轴向平移,并在典型的仰角工况下对该机构进行了实测.设计技术要求子镜主动调节行程须达±1 mm,同时分辨率须达50 nm以下.选用了工作行程为6 mm和分辨率为50 nm的位移促动器,并引入杠杆机构提高位移分辨率和抑制误差;采用平衡配重和预拉弹簧机构使工作中位移促动器上保持恒定负载,以保护位移促动器和保证其输出位移精度.依据拼接镜面的工作原理,建立了子镜微位移调节系统性能测试的数学模型,并在实验室内采用分辨率为5 nm的位移传感器进行了实测.结果表明其位移分辨率可达12 nm,线性良好,与理论值相对误差为5.6%,验证了该机构设计的合理性和在不同工作位置良好的灵敏度.

基于自主设计研制的FSGJ-3型非球面数控加工中心,针对口径φ108 mm凸非球面透镜(曲率半径R＝318 mm,k=-3),研究了非球面粗抛光工艺、精抛光工艺、抛光设备、磨料以及相关工艺参数,提出了规范的中小口径非球面加工的工艺方法和新型轮式抛光技术,实现了中小口径非球面元件的数控快速精密铣磨成型,且保证了光学零件具有较高的面形精度.抛光后元件面形精度达到0.306 λ(PV)、0.028 λ(RMS) (λ=0.632 8 μm).满足了在光学系统中使用非球面零件,明显改善像质,提高光学特性,减少光学零件??从而简化系统结构,减小系统体积,减轻系统质量的目的.

研究并设计了一种用3 dB宽带耦合器制作的光纤环形镜作为反射镜的双级双程单管抽运高平坦度高功率C+L波段ASE光源.用2个980 nm激光二极管调试两级抽运光功率的分配,两级采用掺铒浓度不同的光纤并优化光纤长度,获得了功率高达15.28 mW(11.84 dB/m)的C+L波段ASE光输出,平均波长为1 559.31 nm,在未采用任何外加滤波器的情况下,其平坦区域3 dB带宽66.72 nm(从1 533.12 nm至1 599.84 nm).之后采用一个激光二极管实现两级双向同时抽运得到了同样的效果.通过光纤环形镜的使用,不仅提高了抽运源利用效率,且改善了光源的平坦度,在实验过程中,在平坦度相度相对要差一些的条件下,还通过调整两级抽运光的功率及分配比例得到了功率达到30.11 mW的C+L 波段ASE输出.

提出了一种新的探测和测量激光等离子体软X射线源光谱强度的方法.此方法使用通道电子倍增器和定标过的硅光电二极管为探测器,前者是非标准探测器,后者为标准探测器.应用电荷灵敏前置放大器和峰值探测器测量探测器产生的电量,并以高分辨率的光谱仪为分光元件,在已知光栅效率、通道电子倍增器增益、硅光电二极管能量响应的条件下,给出了计算激光等离子体软X射线源在某一波长光谱强度的公式.

采用镀膜和光刻技术设计并制备出了2种衬底厚度不同的Y孔单元和Y环孔单元的FSS,在0°和45°入射角下分不同的极化波进行了测试,经对比研究发现,在大角度入射下Y环单元FSS比Y孔单元FSS有更为稳定的中心频率,更窄的带宽;Y环单元FSS对垂直和水平极化波的适应性更强,滤波特性较Y孔单元FSS更明显;介质厚度的变化对Y孔中心频率、带宽的影响要比Y环单元FSS的大得多.所以,从中心频率、带宽随介质衬底厚度、入射角度、不同极化方式的变化情况看,Y环单元比Y孔有更稳定的性能.

设计了17.1 nm波段光电成像系统,用于对波长为17.1 nm的极紫外光进行成像.该成像系统分为三大部分:光源、单色仪和探测系统.一个调Q的Nd:YAG激光器(Continuum 9000)用来产生激光等离子体,掠入射单色仪由2块球面聚焦镜和1块600 L/mm的球面掠入射光栅组成,经单色仪分光后得到波长为17.1 nm的单色光,探测器是微通道板(MCP)和荧光屏组件共同组成,Kodak400型胶卷被用于记录狭缝的像.结果获得了一宽度为3 mm的狭缝的像,实验测得130 μm的成像系统的空间分辨率,好于相同条件下文献[6]的结果.

生物组织微阵列芯片的制备过程中,需要从包埋有生物组织的蜡块中挖取一块直径为0.5～1.5 mm的组织蜡柱.为了实现自动化作业,研究了基于数字图像处理的组织蜡柱最佳挖取点计算机寻优策略.确定了问题的数学描述为在选定组织图像区域中寻找最大内切圆的圆心,提出了基于遗传算法的寻优算法.重点探讨了坐标点编码,参数选取和遗传操作方法等.研究了个体适应度快速计算方法,初始种群选择等算法改进方案.经过实际编程反复数次实验,结果表明迭代60次算法完全收敛,证明其搜索速?群臀榷ㄐ远急冉虾?完全满足自动化作业的在线计算要求.

提出一种可预测搜索起点的自适应交叉-准菱形搜索算法.根据序列图像中运动矢量的交叉-中心偏置分布特性和矢量间的时空相关性,设计了一种交叉-准菱形搜索模板,并融合搜索起点预测、半途中止准则和自适应搜索模式等技术,在保证搜索准确性的同时,大幅度提高了运动估计的速度.实验结果表明,算法对各种类型的运动序列都有很强的自适应性,其平均搜索速度是新三步法的3.56倍、四步法的3.26倍、菱形法的2.71倍,搜索准确性也优于经典的快速运动估计算法,尤其对于大运动序列,具有更明显的优势,提高了视频压缩中现有的运动估计算法的性能.