采用端面泵浦的方式,用尾纤输出波长为976 nm的高亮度多模半导体激光器,包层泵浦的铒镱共掺双包层大模面积光纤,非球面镜组耦合系统,进行了共掺双包层光纤的高功率L-band光纤激光器的研究,泵浦耦合效率达到了62%以上,并在F-P激光振荡腔中实现了高效的连续激光输出.在光纤长度为30 m、入纤功率为13.41 W时,首次报道输出连续功率达到了4.3 W.激光器的斜率效率为44%,激光输出中心波长1 603 nm.

研究了两种曲面复眼成像系统,并首次将曲面场镜阵列引入曲面复眼成像系统,使其边缘视场的成像质量进一步提高,视场角进一步加大.进行了成像系统的建模以及光线追迹,两种结构的视场角分别达到60°和88°,整个系统的体积分别为0.9 mm×0.9 mm×0.5 mm和0.9 mm×0.9 mm×0.75 mm.文中给出了用激光直写设备在曲面基底上进行光刻来制作曲面微透镜阵列的方法.

设计并给出了用于同步辐射光束线波长标定和分辨本领测量的小型气体电离室.研究了厚度约为1μm的聚丙烯膜窗和厚度为0.1μm的Si3N4膜窗的真空隔离性能和透光性能,给出了实验数据.实验结果显示:两种膜窗均能承受100Pa的压力,聚丙烯窗在5 nm波长的透过率约为80%,Si3N4窗在7 nm波长的透过率为15%.此外,给出了用该电离室调试表面物理和磁性圆二色两条光束线的气体谱线.结果表明,该可移动小型气体电离室的性能达到了设计和使用要求.

基于矢量衍射理论,分析和比较了两种等光程的半球形(h-SIL)和超半球形(s-SIL)固体浸没透镜的光场分布,计算了4种材料(玻璃,Si,GaP,金刚石)SIL的焦深和光斑大小.结果表明:当数值孔径相同时,h-SIL的焦深较s-SIL的焦深大,焦深对SIL的折射率比较敏感,而光斑大小对波长照明比较敏感.h-SIL的焦深随透镜数值孔径的增加迅速单调减小,而s-SIL的焦深随透镜数值孔径的增加呈现出只一个周期的振荡行为.s-SIL对透镜的数值孔径要求较低,它更适合应用于高密度光存储和精密光刻.

提出了双层膜系分析方法,该方法采用独立网栅等效薄膜模型,将网栅对衬底干涉的影响引入分析,克服了Kohin方法仅考虑衬底干涉的不精确性,并避免了其分析独立网栅的透波率公式在高频和大入射角时存在的不准确性.用紫外光刻在石英衬底上制备了周期为320 μm,线宽为4.5 μm的网栅,测得S波30°入射时12～18 GHz的屏蔽效率大于16dB,略低于理论值但变化趋势一致,证实了双层膜法的有效性.进而分析衬底影响表明:入射为S波及小于衬底布儒斯特角θB的P波时屏蔽效率降低,而入射为大于θB的P波时屏蔽效率反常增加;屏蔽效率变化最大值随入射角变化;优化衬底厚度可在不影响网栅透光能力的同时获得最佳屏蔽效果.

基于CO2熔拉锥技术,对熔拉锥设备的控制方法进行了改进.利用柱体Mie散射公式计算光纤在加工过程中的光能利用率,结合Grellier的热传导模型,确定了加工过程中激光功率增长与光纤拉伸距离之间的对应关系.利用计算结果,采用分段直线递增的方法对激光功率进行控制,简化了仪器控制的难度.实验得到锥腰直径2～3 μm左右的熔锥光纤,锥腰和过渡区的形状和尺寸都得到了很好的控制.

对纳秒近红外KTP光学参量振荡器(KTP-OPO)进行了全面系统的理论设计.讨论了KTP-OPO的相位匹配,计算了KTP的走离角、允许角和有效非线性系数,数值模拟了角度调谐曲线和增益曲线,从而确定了调谐范围为1.35～2.0 μm,晶体切割角为59.6°.同时,分析了晶体长度、走离角以及输出镜耦合率对OPO阈值的影响,总结了降低参量阈值的几种方法.

分析了非球面补偿检验过程中由补偿器和镜面支撑结构的失调引入的调整量误差,给出了计算机辅助调整方法.建立了离轴二次非球面补偿检验计算机辅助调整系统的物理数学模型,求解了被检非球面镜的失调方位和量值,利用计算机控制调整架实现了系统辅助调整.建立了实验装置,给出了模拟调整和实际调整结果.经过计算机辅助调整后,被检离轴二次非球面的最终检验结果为0.028λ(RMS)(λ=632.8 nm).

根据能量积分法计算了球透镜用于激光二极管(LD)与单模光纤(SMF)之间耦合的耦合效率,并对其进行研究.结果表明:当采用单球透镜时,所带来的轴向偏差为±30μm,横向偏差为±1.0μm,沿着X-Y平面的轴向倾角偏差为±1.2°;当采用双球透镜时,角向偏差最大,横向偏差次之,轴向偏差最小.

对大曲率半径(即长焦距)金属基底凹面光栅的机械刻划技术做了研究.为了刻制长焦距凹面光栅,设计和研制了弹性顶针式光栅刻划刀刀架,它具有适用于刻划平面光栅和长焦距凹面光栅的双重功能.给出了描述光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径与凹面光栅曲率半径、光栅口径、金刚石刀头横向尺寸之间关系的数学表达式,理论分析了光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径的取值范围,研制了10.6μm激光系统用曲率半径为30 m的凹面金属光栅.检验结果表明,光栅的槽形质量较好,光栅的衍射效率可达96.8%以上.

介绍了激光冲击板料变形的机理和冲击波产生的原因,提出了激光冲击板料变形中激光-能量转换体-靶材系统的爆轰波压力估算式.根据此压力估算式和材料的动态屈服强度,对激光冲击板料变形中所需的最小激光能量进行了估算,板料厚度为0.5 mm,约束凹模孔径Ф20 mm,在光斑直径6 mm,脉宽25 ns条件下的不锈钢靶材变形所需的最低脉冲能量大约为11J.实验结果表明估算的最小激光能量与板料变形所需的能量阈值基本一致,且板料变形量随激光能量的增加呈非线性增大.最小激光能量的估算以及能量与板料变形的实验研究为板料变形的精确控制和预测提供了理论依据.

基于三基色激光显示具有亮度高、色彩鲜艳、清晰度高等特点,给出了大屏幕激光显示技术的原理,介绍了本实验室应用波长分别为671 nm、532 nm和473 nm,功率为1.3 W,0.32 W和3.5 W的红、绿、蓝固态激光器制造的大屏幕激光彩色电视.针对激光显示中干涉散斑现象和颜色失真提出的瞬间小视场变波前消干涉方法和颜色扩展方法,在实验中取得了良好效果.

研究开发了一种采用柔性铰链导向的二维光学调整微定位工作台,建立了工作台的简化模型,并利用结构力学理论推导出工作台沿x、y方向刚度及前二阶固有频率解析式.进行了微定位工作台固有频率及沿x、y方向刚度的试验测试,并结合解析方法和有限元方法对微定位工作台设计刚度及动力特性进行分析验证.有限元分析表明:当工作台的直角平板柔性铰链长度较小而铰链宽度较大时,其刚度、频率及驱动力较高,铰链根部应力集中也较严重.通过改变柔性铰链的特征参数,可达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出了一种优选微定位工作台柔性铰链参数的简易方法.

根据大型两轴跟踪测量系统的使用要求,研制了机电式700°转动范围的旋转轴用限位机构,经理论分析和试验验证,该机构工作可靠,很好地解决了旋转轴回转零点的第一次通过和第二次限位问题,机构可适时为设备主控系统提供旋转轴当前位置和到位信息,结构设计巧妙、紧凑,完全可以满足大型高精度光学仪器的使用要求.

设计了一种能够自动、快速、精确地分离和提取指定细胞群或单个细胞的微操作机器人系统,研制了基于功率超声振动原理的微切割工具(其切割频率在15～50 kHz,振动幅值在0～1μm可调)和真空吸附式微拾取工具(压力可在0～0.5 MPa精确控制),应用人体肝脏组织5μm厚病理石蜡切片进行了显微切割的实验.实验结果证明了超声振动式切割工具对组织无伤害,真空吸附工具收集样品有效且整体系统适应于生物工程中微切割操作的实验需求,具有较高的可靠性、稳定性和准确性.

提出了一种基于神经网络理论的微位移工作台控制方案.该工作台以压电陶瓷作为微位移驱动元件,对伺服电机大位移进行位移补偿.分析了压电陶瓷微位移驱动器的原理,建立了工作台的数学模型.神经网络PID控制器对工作台进行闭环控制,利用BP网络的自学习和自适应能力,实时调整网络加权值,改变PID控制器的控制系数,减小工作台的位移误差.采用专用的压电陶瓷驱动电源对工作台的位移进行了实验,相对于常规PID控制器,微位移为11.41μm时的响应时间从1.5 s缩短到1 s,稳态位移误差从3.13%减小到1.05%,工作台的稳定性和定位精度得以提高,改善了扫描隧道显微镜的工作性能.

研究开发了一种能实现大量程位移和纳米级定位精度的一维位移工作台.工作台采用粗、精两级定位机构,以精密衍射光栅传感器组成工作台位移的闭环检测系统.工作台可以实现o～6 mm的位移及1 nm的定位分辨力.文中建立了由压电陶瓷驱动和柔性铰链导向的精定位机构的机电耦合模型,进行了精定位机构的模态分析和静力学分析,并采用ANSYS软件进行了有限元仿真运算.最后给出了工作台在表面三维微观形貌测量仪中的应用结果.

研制了基于微型压电陶瓷棒结构代替双敏感梁结构及压电陶瓷片的微型角速率陀螺,并设计了相敏检波电路.首先采用易于加工成高精度的微型陶瓷棒作为敏感体,在其上印刷成六个带状电极并予以极化构成三副电极对,然后设计了封装及相敏检波电路,从而有效地减小了敏感结构的尺寸,提高了其加工精度,实现了角速率陀螺微型化.标定结果表明,该角速率陀螺线性度好,相关系数为0.9996;精度高,标准误差为0.0036.

为补偿涡流效应产生的温度与反相磁场对超磁致伸缩微位移驱动体位移输出造成的非线性,从电磁场基本原理出发,推导了超磁致伸缩驱动器内的涡流分布和大小的数学模型.利用伽辽金加权余量法和牛顿-拉夫逊迭代法得到涡流效应数学模型的解析公式.通过解析公式分析超磁致伸缩驱动器内驱动体横截面上的电磁场分布,进而得到驱动体上各部分涡流大小及分布与输入电流频率增加的对应关系.当输入频率大于1 kHz时,涡流有限元模型计算得到的涡流导致磁场损耗量与实测磁场强度相差约4.6 mT,表明此模型可以对超磁致伸缩驱动体内的涡流损耗进行有效的补偿.

以一种新型圆筒直线电机为研究对象,通过建立直线电机的有限元模型及试验验证,获得了直线电机的一种仿真计算方法.在正交试验设计和随机试验设计的基础上,建立了直线电机性能参数的样本空间,采用支持向量机(SVM)回归建模方法,建立了直线电机的非线性数学模型,并将有限元模型和SVM模型进行了比较,证实了SVM模型的可靠性和高效性.

研制了一种新颖的高速高精度柔性机器人机构.采用高速精密直线电机驱动2-DOF平面并联压电智能杆机构,针对柔性机器人机构的振动问题,以直线伺服电机作为机器人的主驱动源实现高速精密点位控制并采用脉冲整形技术减小末端残余振动,以压电陶瓷作为从驱动源采用闭环反馈控制策略抑制末端残余振动.实验研究和测试结果表明:机器人系统的最大加速度为2 g,稳定时间小于150 ms,重复定位精度小于±5μm,实现了高速高精度的点位控制.

给出了激光校正的原理和激光测量方法,并用于某型号继电器,具体测试了其簧片气隙的大小和分布情况.利用继电器金属簧片进行了大量的激光校正测试试验,测试结果表明:激光照射后,簧片得到的校正量h与激光测量点到激光校正点的间距x 2成正比例线性关系,可用h=kx2近似表示;而激光功率P和照射时间t与簧片获得的校正量h之间则大致成抛物线关系,起始时功率越大,时间越长,校正量越大,但过了拐点之后情况则相反.测试结果同时表明:在性能指标范围内,激光校正并不会影响继电器簧片的机械寿命.分析和计算证明,选择合适的激光功率P与时间参数t,利用激光对该继电器的簧片气隙进行校正是可行的;结合气隙大小的测试数据分析可知,生产线上绝大多数继电器的簧片气隙调整只需通过静簧片的激光校正就能得以实现,与手工校正相比具有较高的校正效率.

介绍了一个基于图像处理的自动调焦系统,该系统由光学显微镜、CCD、力矩电机和齿轮传动机构等组成.调焦系统中采用粗/精结合的调焦方法,即首先采用基于Krisch边缘检测算子的清晰度评价函数对被测物体进行粗调焦,并在计算机上采集了包含目标的大致轮廓和边缘的显微图像;然后针对全景图像上的某个目标区域采用基于高频分量的清晰度评价函数进行精调焦,使得显微图像显示出更多的纹理细节.实验中清晰度评价函数算法均采用Windows下的Visual C++实现.实验结果表明,该自动调焦的系统精度可达±4.8μm,基本上满足了微装配任务的调焦精度要求.

通过分析人脸正面和侧面图像的特点,建立起一种新的唇形轮廓描述模型,能够提取出嘴唇的突出度信息,同时通过计算部分参数对时间的导数,来获得唇形轮廓的动态信息.通过对小词库试验,对比单纯采用正面图像轮廓的描述方法,该方法能够将识别效果平均提高25%以上,克服了以往对唇形轮廓提取时,通常都采用人脸的正面图像,不能反映出嘴唇的突出度信息的局限.

根据超光谱图像有很强谱间相关性的成像特点,设计了一种预测算法结合变换编码算法的图像分层压缩方法.采用几个相邻波段图像共享同一有损图像作为预测图像,克服了预测算法对传输误差的敏感性.预测图像是通过对原始图像进行局部熵为代价函数的四叉树分割后,再经小波变换得到的.用各个原始图像减去共享预测图像来去除谱间相关性,并得到相应残差图像,再对残差图像采用局部离散余弦基变换方法去除空间相关性,实现近无损压缩.研究结果表明,各波段峰值信噪比(PSNR)为40dB左右时,压缩比(CR)高于7.2,分层压缩方法具有很好的压缩效果.

给出了一种基于遗传优化算法的虚拟立体校准方法.利用红外发光二极管随三坐标测量机的测头做定间距移动构造了一个立体校准模板,通过奇异值分解算法初始估计校准参数,最后,通过遗传算法优化求解所有校准参数.实验中校准点的空间位置反推误差小于0.04 mm,表明该方法能够解决像机内参数精确校准问题,可以满足大尺寸视觉坐标测量技术对摄像机内参数精确校准的要求.

飞机的飞行和姿态变化使航空相机在拍照时产生像移,必须通过像移补偿来提高照相分辨率.为获得飞机姿态角变化时在倾斜航空相机像面上的像移速度大小,首先建立姿态变化过程的数学模型,用坐标系的旋转来等同姿态角的变化,然后根据坐标系旋转前后相同点坐标值之间的矩阵转换关系,推算出单个姿态角变化导致的像移速度,最后将此方法推广到三个姿态角都变化时像移速度的计算.实际应用证明了该方法是一种有效的斜视画幅式航空相机的像移速度计算法,且直观、简单易行,还可以扩展到星载相机上.

细胞自动机(CA)是时间空间均离散的动力学系统,两个单向耦合的特殊CA通过演化过程中的信息复制,能够实现两个CA的同步,相比连续动力学系统具有更简单的同步实现方式.本文依据加法细胞自动机(CA)规则特性,提出了一种新型动力学系统的同步方法,并给出了一维加法90规则在零边界和周期边界的同步应用,分析了此方法的密码学应用价值.由于CA具有级联、并行结构特点,克服了其它动力学系统难于硬件实现的问题,因此本研究对CA在加密等方面的进一步应用具有参考价值.

针对数字信号处理器(DSP)的并行特性,提出了一种二维整型提升小波的并行体系结构.该结构采用乒乓缓存策略,使得数据的传输和小波变换能够同时进行;用基于行的列变换方法使得列变换只需少量行变换结果就能进行列变换;用移位操作代替乘法操作,大大减少了算法的运算量.整个结构采用流水线设计,提高了硬件资源的利用率和降低了算法的中间存储量,实现了图像的实时小波变换.实验证明,该算法与原算法相比,速度提高了15倍,达到了每秒85帧;重构图像的峰值信噪比(PSNR)虽然比离散小波变换要低一些,但仍达到了42 dB以上,因此该算法具有广阔的应用前景.

针对炭素制品X光图像的特点,对其缺陷的提取与识别技术进行了研究,给出了目标边界提取算法和基于小波变换的图像增强算法,实现了图像的背景去除及增强处理.在此基础上,为排除噪声干扰的影响,采用数学形态学和迭代阈值分割相结合的方法从背景去除后的图像中提取出缺陷区域,取得了良好的效果.对缺陷特征选择及识别方法进行了研究,设计了基于遗传策略的特征选择和基于BP神经网络的缺陷识别算法,计算表明:缺陷正确识别率可达95%以上.采用上述技术开发完成了一套炭素制品缺陷X射线自动检测系统.

通过对传统形态学边缘提取方法的分析,提出了基于形态学多结构元边缘提取算子,该算子既有良好的边缘提取特性,又很好地解决了噪声抑制和保持图像边缘细节之间的矛盾,通过灰度加权平均值作为阈值进行二值化,更加突出了边缘效果.针对目标成像特点,在提取图像中边缘的像素数、复杂度和最小外接矩形长宽比等多个特征的基础上,通过计算图像中目标边缘的特征评价函数和隶属度函数,利用模糊综合评判技术进行了目标识别.模拟试验表明:基于形态学的多结构元算子具有较强的噪声抑制能力,可以很好地提取复杂背景下的目标边缘;模糊综合评判技术可准确提取目标,较好地解决了复杂背景下的目标识别的难题.

提出了一种深空光通信扩展信标的跟踪方法.该方法的原理是在航天器上存储一幅信标图像作为参考,把实际信标图像看成参考信标图像和附加高斯白噪声和的形式,基于离散傅里叶变换和相位相关技术对信标的旋转因子和平移因子进行计算.理论分析与仿真结果都表明,该方法可以把跟踪误差控制在0.5个像素以内.针对不同的信噪比对该方法进行仿真,计算误差并没有显著的变化,表明该方法具有良好的抗干扰性,能满足光通信链路实时运行的要求,是一种可行的方案.

为了提高图像复原算法的性能,提出了一种改进的奇异值分解法估计图像的点扩散函数.从图像的退化离散模型出发,对图像进行逐层分块奇异值分解,并自动选取奇异值重组阶数以减少噪声对估计的影响.利用理想图像奇异值向量平均能谱指数模型,估计点扩散函数奇异值向量的频谱,再反傅里叶变换得到其时域结果.实验结果表明,该方法能在不同信噪比情况下估计成像系统的点扩散函数,估计结果比原有估计方法有所提高,有望为图像复原算法的预处理提供一种有效的手段.