基于光相干域偏光测试技术,提出了一种高精度的保偏光纤拍长测试方法,实现了不同结构、不同尺寸保偏光纤的拍长测试.阐述了光相干域偏光测试技术原理并推导出测量方程;以迈克尔逊干涉仪为基础建立了测试系统并采用调制解调技术实现了信号的高精度检测.实验结果表明,系统的测量精度为0.01 mm.在此系统上进行了测试精度和重复性研究并对不同结构和尺寸的八种保偏光纤进行了实际测量,拍长测量精度和重复性均优于0.01 mm.

提出了基于棋盘光栅Ronchi检验法的微变表面形貌测量方法,可同时测量被测表面形貌两个正交方向的斜率,因而可通过一幅变形棋盘光栅图重构被测表面形貌.使用取微分极值的方法可简单有效地实现变形棋盘光栅图两个正交方向信息的分离和提取.根据所提出的测量方法和数据提取算法建立了微变表面形貌测量系统并对静态和动态表面形貌进行了测量.结果表明,所建立系统的分辨率＜0.1 μm,测量范围＞50 μm,符合有关研究中对微变液面的测量需求.

在分析聚酰亚胺薄膜反射镜面形成型理论的基础上,结合光学系统对反射镜面形的要求,用有限元法求解了薄膜反射镜在一定预应力存在的条件下,受均布载荷作用产生变形的数值解,通过数据拟和给出了反射镜面形,并计算了理论面形与计算面形的误差;以反射镜镜面不同区域施加的载荷为设计变量,薄膜的屈服强度为状态变量,理想面形与计算面形的误差为目标函数,用ANSYS软件对薄膜反射镜面形进行了优化;最后以Zernike多项式为接口对反射镜面形进行了波前拟合,给出了优化前后反射镜的像差,证明了通过对薄膜反射镜施加适当的力场可以得到面形精度很好的抛物线面形.结果表明:改变力场可以控制薄膜反射镜面形,并得到需要的面形,为实际设计、构建聚酰亚胺薄膜反射镜提供了理论基础、设计依据和方法.

设计了测试能量范围为0.6～6 keV的椭圆弯晶谱仪.此谱仪利用椭圆自聚焦原理,晶体分析器采用氟化锂材料,椭圆焦距为1 350 mm,离心率为0.958 6,布拉格角范围为30～65°.在神光Ⅱ靶室进行了实验,入射激光波长为0.35 μm,激光功率约为1.6×1014 W/cm2,与厚度为100 μm的钛平面靶法线夹角约为45°.实验结果证实,弯曲的氟化锂晶体具有极佳探测效果,弯晶分析器对波长为0.2～0.35 nm的X射线的分辨率可达500～1 000,同时具有等光程而便于空间分辨测量的优点,在同样距离条件下比平晶分析器高一个数量级的收光效率,故适合于激光等离子体X射线的光谱学研究.

在不同束流和能量下对离子光柱体进行了优化设计.给出了用阻尼最小二乘法设计的单个透镜和透镜系统,并研究了像平面处的离子束性能.采用先分解再组合的方法确定单个透镜参数,并以大束流、无限大放大倍数下像差系数与焦距的比为优化目标.选取工作模式时综合考虑了系统的光学性能和可实现性,大束流下采用平行模式,小束流下采用交叉模式,设计的透镜系统在大、小束流下分别选轴上像差和放大倍数为优化目标.计算表明,2 nA束流下像差为16.33 nm,放大倍数为-0.539 095 5,束斑直径为31.52 nm;2.5 pA束流下像差为2.15 nm,放大倍数为0.084 359 9,束斑直径为4.73 nm.此离子光柱体能够获得纳米量级的离子束,并且只需调整第二透镜第二、第三电极之间的距离以及第二电极电位(对源)就能改变样品处的束能,增加了光柱体的应用范围,实现了一套系统内同时具有刻蚀、沉积、注入和离子成像等功能.

从产生高阶贝塞尔光束的典型光路着手, 通过将高阶贝塞尔光束分解为高阶贝塞尔余弦光束和高阶贝塞尔正弦光束, 利用柱坐标下的Collins公式,分析了变形高阶贝塞尔光束的解析表达式和在自聚焦透镜中的传播.得到了变形高阶贝塞尔光束的一般解析表达式,自由空间的自成像过程,和在自聚焦透镜中传播的特点以及它们在高阶贝塞尔余弦光束和高阶贝塞尔正弦光束波数横向分量差异为0.005 K时的数值模拟.结果证实了变形高阶贝塞尔光束具有无衍射特性及自成像效应.

提出了一种基于马赫-泽德干涉仪的检测法.理论分析表明,该法检测到的物光与参考光的干涉条纹即为晶体径向平面上的等温线.通过热分析软件对均匀和非均匀致冷晶体温度场的模拟表明,当检测到的干涉条纹为以晶体径向平面中心为圆心的圆环时,晶体周边接触良好,致冷均匀;当检测到的干涉条纹向某一方向扭曲时,该方向上致冷块与晶体边界接触不好.对装在铜致冷座里的3 mm×3 mm×5 mm,a切割,0.5% Nd3+掺杂的Nd∶YVO4晶体进行了检测,根据检测到的干涉条纹扭曲方向重新安装了致冷座,获得了以端面中心为圆心的干涉环.实验结果与理论分析相符,证明马赫-泽德干涉法可以检测晶体侧面致冷均匀性.

分析了光电经纬仪的测量误差来源及其影响,采用了星体角度法分离得出各项系统误差,并在此基础上编程实现了对测量结果的实时修正.使用这种方法修正了某型号光电经纬仪的测量数据,并对修正前后的测量精度进行比较,得出的结果表明,该修正方法可以使光电经纬仪的精度从原来的15″左右提高到5″以内,也就是修正效果明显,达到了提高光电经纬仪测量精度的目的.

考虑到转子与驱动机构的连接,给出了一种金属轮毂加复合材料轮缘结构飞轮转子的设计方法.分析了转子材料、结构、连接及制作工艺等因素对储能密度的影响,分析结果表明:复合材料轮缘内外径比值α是影响其储能密度的关键,根据轮缘材料选取合理值,对轮毂进行优化可以进一步提高转子的储能密度.分析中所用复合材料及胶粘剂力学常数的准确性是影响仿真结果的主要因素,通过实验对其理论值进行修正可以进一步提高仿真结果的准确性.对实际应用中一个具体飞轮转子进行了设计并制作出了转子,在20 000 r/min转速范围内进行了旋转应力实验,仿真分析与实验结果取得了较好的一致性,证明了本文设计方法的正确性.

研究了章动交叉反馈校正的参数设计方法.针对大惯量高速磁悬浮转子支承系统,采用双频Bode图进行章动稳定性分析.在此基础上,提出一种基于双频Nyquist曲线的交叉参数保相角裕度设计方法.在给定相位超前角的情况下,通过矢量合成确定章动交叉的比例系数和高通滤波器截止频率,实现了章动交叉反馈的鲁棒稳定设计.设计的交叉控制器使研制的磁悬浮控制力矩陀螺转子临界稳定转速由10 500 r/min提高到20 400 r/min.试验结果表明,保相角裕度方法为交叉反馈校正提供了有效的参数设计手段.

提出了制作高能量密度电磁驱动器的工艺方法.利用微机械(MEMS)工艺在硅片上得到多匝平面线圈和磁芯的掩模图形,接着沉积种子层铜(Cu),然后对种子层进行整体Cu的电铸;当种子层生长到20 μm左右时,剥离硅片表面的镀层并用光刻胶保护磁芯位置的镀层;再用沿线电铸的方法对线圈进行电铸;最后保护制作好的线圈镀层,电铸NiFe合金材料.在10 mm×10 mm×0.38 mm的硅片上,制作出线圈匝数22×2(铜线截面积60 μm×60 μm、总长度达1 164 mm)、NiFe合金磁芯尺寸为3 mm×3 mm×0.2 mm的高能量密度微型电磁驱动器.把这种微型驱动器应用于无阀微泵做驱动实验:通入0.3 A的正弦电流时,微驱动器产生约50 mN的电磁力.实验结果表明:这种型微电磁驱动器在相同的输入功率下,比同类其他微电磁驱动器具有更高的能量密度,能产生更大的电磁驱动力.

分析了尺蠖型压电直线驱动器的结构原理,建立了驱动器系统动力学模型.对驱动器定子进行了模态分析,并对分析结果进行了评价.对设计开发的驱动器样机输出特性进行了试验测试,实验测得驱动器单步输出位移稳定可靠,100 V驱动电压下,单步输出位移为9.8 μm.对驱动器直线动子的速度、加速度特性进行了测试,依据速度、加速度信号进一步分析了驱动器的动态响应特性.实验结果表明,所开发的驱动器具有动态特性好、运动稳定等优点.

基于能量耗散形式下的拉格朗日方程,建立了基于状态观测器的球形机器人的动力学方程,得出这是一个非线性的仿射系统.根据机器人的实际运动情况和理论仿真曲线对方程进行了线性化处理和仿射变换,在新建立的平衡点处应用线性理论进行控制系统的设计.考虑到某些状态变量的不可测量性,构建了状态观测器对系统的全维状态进行实时观测,在此基础上设计了系统的状态反馈控制器.仿真结果表明了所设计控制器的有效性.

提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移放大机构,该机构以压电叠堆(积层式压电微位移器)为驱动元件,通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构,放大压电叠堆的输出位移.同时,设计、研制了实验装置,并在试制样机上对其静、动态特性进行了实验.实验测试结果表明:该机构对压电叠堆输出位移的放大倍数达到5倍,并且该机构具有线性良好、高分辨率、高频响应等特点.由有限元分析得到的固有频率达到了1.8 kHz,实际测量的固有频率为1.5 kHz.

介绍了直线度误差评定的最小二乘法和最小包容区域法的算法模型与实现方法.在三坐标测量机上对八种不同被测直线进行了采样点坐标数据提取,分别用最小二乘法和最小包容区域法的基于搜索逼近-逐次旋转逼近法进行了给定平面内直线度误差的评定.结果表明:最小二乘法的评定结果与最小包容区域法的基于搜索逼近-逐次旋转逼近法的评定结果完全一致,即直线度误差的最小二乘法评定结果符合最小条件.

由于微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)在微小零件加工中存在不足,微细铣削加工作为一项补充技术正在日益受到人们的重视.介绍了研制的微型精密三轴联动立式铣床(300 mm×300 mm×290 mm)的系统构成,开发了中文控制软件并集成了视频采集系统,此设备在薄膜型工件(膜厚65 μm)的微槽加工中取得了满意的效果(膜厚方向上材料去除率90.7%,成品率大于80%).对微径端铣刀进行了力学特性分析,并通过刀具磨损试验分析了微径硬质合金TiA1N涂层及非涂层铣刀的磨损机理.最后通过槽铣硬铝2A12的试验研究了切削用量(主轴转速、背吃刀量和每齿进给量)对微细铣削力的影响,为微细铣削切削机理的深入研究奠定了基础.

设计了一种新型的差动式压电加速度传感器.介绍了传感器的结构和工作原理,推导了传感器的数学模型,并分析了传感器惯性质量块和压电元件的质量对其输出特性的影响.然后,分析了传感器处理电路的结构,推导了该电路的设计指标.实验结果表明,该传感器采用单个惯性质量块实现了对加速度信号的差动式测量,其结构简单、重量轻、易于加工制造、抗干扰能力强;线性度为0.1%,是普通加速度计的1/2;频率响应误差为1%;重复性为1.27%;测量灵敏度是普通加速度计的2倍,基本达到了设计的目的.

采用放大器反馈控制法克服了传感器电桥的非线性误差,通过解析的方法找到了克服非线性误差的放大器反馈控制条件.在忽略放大器输入偏置电流和输入噪声电压的情况下,给出了四种校正电路中放大器失调电压对测量系统影响的输出表达式,并分析比较了每一种校正方法的特点,得到最佳的测量线路,使失调电压及其漂移的影响减小了5倍.本研究为传感器电桥测量系统设计中的放大器选择和测量方案的确定提供了理论指导.

基于BP神经网络平台,建立了铝合金板快速加热弯曲的角度预测BP网络模型,实现了脉冲激光加工工艺的参数控制与优化.通过试验获得样本数据,将试验样本数据用于BP网络的训练,利用训练好的BP网络对非线性的样本数据规律进行拟合,对脉冲激光弯曲角度和工艺参数进行准确的预测,预测误差范围可控制在＜5～8%,研究结果为实际生产中精密成形提供了有效的理论与试验依据.

为了解决医疗、卫生、保健领域进行细胞或高分子等输送工作的需要,研制了一种新型的压电泵--"Y"形流管无阀压电泵,并对其压电振子振动特性及泵流量计算进行了研究.介绍了"Y"形流管无阀压电泵及其流管的结构和特点;基于圆形薄板弯曲振动理论对压电振子振动进行了理论分析;然后讨论了泵及其流管内流体的流动特性,建立了泵流量方程.最后,基于有限元法对流管内流体流动状态进行了模拟,得到了正反流压强变化规律及正反流流阻.实验结果表明:理论泵流量与实验泵流量变化趋势一致,且两者最小相对误差为12%,证明了理论分析与数值模拟的有效性和正确性.

设计了一套用于传送视频信号的低功耗红外无线传输系统.该系统以反熔丝工艺的FPGA器件作为编解码核心,高速串行红外收发器作为收发模组.FPGA内部配置了游程长度受限码作为红外信道编解码逻辑,并与缓冲、串并/并串转换、循环冗余校验、扰码/解扰等模块一起构成编解码核心.配合辅助的AD/DA接口电路,可实现对复合视频信号从采集缓冲、编码发射到解码回放的完整功能演示.该传输系统的位速率高达16 Mbit/s,而发射模块的功耗低于500 mW,适合应用于大型视频处理系统中作视频采集设备与视频处理设备间的无线接口.

基于电源模块、外部存储器和FPGA器件等具体分析了融合系统的低功耗设计.FPGA器件选择了Xilinx公司针对高性能信号处理的Virtex-4 SX35三百万门级芯片,电源模块采用TI公司的两片TPS54310和一片TPS54610,具有低功耗特性,电压调节范围为0.9～3.3 V,调节精度可达1%.外部存储器使用高速、低功耗的ZBT SRAM存储器,消除了标准SRAM器件存在的读和写周期间的等待状态和空闲周期,该功能可极大地改善存储器性能,在存在频繁的读/写操作变换时效果更佳.结合图像融合算法的特点和Virtex-4 SX系列FPGA的资源与技术优势,讨论了在总线编码、流水线设计和并行处理等方面的低功耗设计方法.结果显示:采用此技术设计的融合系统有效降低了系统的实际功耗,其动态功耗降幅可达50%,为提高融合系统的可靠性提供了有力支持.

介绍了红外弱小目标实时检测跟踪系统的硬件设计.重点介绍了系统中信号处理模块部分的设计,该部分采用Analog Device公司的600 MHz高性能数字信号处理器ADSP-TS201,四片ADSP-TS201以松耦方式互联,构成并行信号处理模块.该模块定点运算的峰值速度可达到19.2 GMAC(16Bit),浮点运算的峰值速度可达到14.4 GFLOPS.为完成对序列红外图像中弱小目标的实时检测跟踪处理提供了硬件平台.

为保证在基于点特征的三维运动分析中运动物体不同时刻任意物方特征点的对应,对该过程中存在的图像运动-立体匹配问题进行了研究.提出了运动-立体匹配相结合,分阶段的运动-立体双匹配约束的方法.即采用松弛法点特征匹配算法完成图像间的基本匹配,通过运动-立体双匹配约束完成运动物体特征点的对应.给出了一组真实的实验数据,结果表明:该算法总的正确率达76.5%,基本达到了三维运动物体定位跟踪中特征点对应的要求.

采用数字图像处理技术实现了对玉米种子表面裂纹的识别和检测.选择冷阴极荧光灯(CCFL)设计了图像采集的光照环境,建立了玉米种子图像的采集系统,然后针对玉米种子图像提出了一种基于籽粒形态学特征的表面裂纹检测方法.该方法采用水平和垂直边缘检测算子处理得到裂纹、种子边界和噪声等边缘信息;然后通过玉米籽粒的形态特征寻找其尖端位置,并使用图像代数运算的方法去除大部分非裂纹信息;最后根据裂纹的长度和位置特征提取得到裂纹,并计算裂纹的绝对长度和相对长度.对农大4967和农大3138两个品种的玉米分别选取裂纹粒和无裂纹粒各50粒进行图像识别,试验结果表明:识别准确率分别为94%和90%,基本满足玉米种子表面裂纹检测的精度要求.

构建了一个以无人飞行器为载体的基于视觉的低空跟踪系统.该系统由地面站和机载模块两部分组成,构建了机载自动跟踪与地面人工干预两个并联的控制回路;采用了基于灰度直方图的自适应容忍度多阈值分割算法,并在此基础上采用了基于双重子窗口的动态聚类目标提取方法;用目标的形心脱靶量作为云台的控制参数,根据目标的运动趋势对速度参数进行调整.系统通过用鼠标对监控视野中心的坐标替换目标的形心脱靶量实现机载自动跟踪和地面人工干预的平滑切换;保留不同照度下目标的灰度阈值,使得运动区域在阴影下也能被分割.经过2～3次的聚类迭代,较精确地计算出目标的形心位置,排除了干扰目标的影响,系统的处理速度达到15 frame/s.结果表明,上述算法和方法是可行的,系统具有较大的实用性.

分析了视线跟踪系统中光源、摄像机、眼睛角膜及光斑的几何位置关系,提出了眼睛跟踪策略和一种调光、变焦、聚焦相结合的CCD物镜自动调节方法.对捕获图像进行处理,依据图像灰度均值控制光圈,以适应外部环境光强变化;利用SMD算子大步幅快速粗聚焦,提取图像中光斑信息控制云台瞄准、跟踪眼睛,并进行变焦控制,可在用户头肩图像中自动定位眼睛,适应用户头部位置变化;在眼睛区域自动确定检测窗,在检测窗内使用FSWM聚焦算子判断图像清晰度,实现自动聚焦.若图像中能提取瞳孔信息,则依据瞳孔边缘梯度均值实时调整聚焦.实验表明,在不同外部环境光强及用户在不同使用位置情况下,CCD摄像机通过自适应调节,可实时跟踪眼睛并捕获到清晰眼睛图像.

提出了一种在人脸识别中解决小样本问题的新算法.通过把人脸图像经过Gabor小波变换后得到的每个图像都看成是独立的样本,大大增加了每一类人脸样本的样本数,解决了人脸识别中的小样本问题.专门针对人脸特征向量组,设计了使用白化变换后余弦距离测度的最近邻分类器来进行分类判决.在FERET人脸库中,对该方法与直接PCA方法进行了实验比较,结果表明,新方法的平均正确识别率可以达到97%,比直接PCA方法具有更好的识别性能.

以Y孔为基本图形单元,通过改变传统的单元排列方式,设计了一种极化稳定的频率选择表面(FSS).利用模式匹配法进行了理论分析,得出频率与传输系数曲线.采用镀膜和光刻技术分别制备了Y孔单元传统和改进排列方式的FSS实验样件,在微波暗室中,对不同极化方式的电磁波在30°入射时进行测试,得到的实验曲线与理论仿真曲线基本一致.数值分析和实验结果均表明:当入射波的极化方式改变时,传统排列方式的FSS频率响应特性会发生明显改变,中心频率处的传输损耗增加-1.09 dB;但改进排列方式的FSS仅增大-0.25 dB.改进的FSS结构能在单一频率下产生谐振并具有很好的极化稳定性,为入射波源极化方式未知情况下的应用提供了设计思路.

为了提高航空相机的飞行分辨率,提出了一种基于模型参考自适应的滑模控制方法.用模型参考自适应算法对时变系统参数进行在线辨识,并改变滑模控制器的控制参数.采用基于衰减控制的变速趋近律作切换函数,加快系统收敛速度,减小切换过程中的抖动.实验结果表明,同PID控制方法相比较,模型参考自适应滑模控制方法将速度补偿误差降低了60%,相应地将航空相机的飞行分辨率提高了2倍.因此,基于此方法的前向像移补偿系统可提高速度跟踪精度和鲁棒性,对时变干扰力矩具有较强的抑制能力.

介绍一种在图像频域应用相关系数分析方法来识别模糊参数的方法.该方法用一系列同一类型但不同参数的模糊模型来第二次模糊图像,然后在频域中分析两次模糊图像之间的相关系数.实验结果表明,这种方法既适合于散焦模糊模型也适合于运动模糊模型的参数识别,有一定的准确性和计算上的简便性.