针对目前空间相机主支撑结构设计中难于同时保证重量轻且刚度高的问题,提出了采用拓扑优化方法对空间相机光学系统主支撑结构进行优化设计的方案,并采用有限元分析法对两种空间相机主支撑结构优化设计的结果进行了检验.对卡塞格林光学系统和TMA光学系统主支撑结构进行拓扑优化后做了比较,卡塞格林光学系统主支撑结构一阶固有频率从41 Hz提高到72 Hz,重量降低了15%;TMA光学系统主支撑结构在一阶固有频率不降低的情况下,重量降低了35% .结果表明,采用拓扑优化设计方法缩短了设计周期,提高了空间相机主支撑结构的性能,有效降低了支撑结构重量,满足了系统设计要求.

为保证空间遥感器成功发射,采用有限元法计算了主要承受动力学载荷支撑桁架的模态特性,用锤击法对支撑桁架实物进行了模态测试.对计算结果与试验结果的模态频率进行了对比,用视觉比较、模态置信准则等方法进行了模态振型相关性分析.结果表明,桁架结构的一阶频率为154 Hz,满足了一阶频率＞140 Hz的设计要求;桁架结构的有限元模型平均频率计算误差＜10%,局部存在与试验结果相关性＜0.5的振型,需要进一步的修正,才能满足后续工程的应用要求.

通过对SiC样件加工研磨及反射率等性质的测试,得到了材料的性能数据,分析了用SiC材料制备反射镜毛坯的几种方法的优缺点.采用Lanmda-9分光光度计,对SiC在不同表面镀硅、镀银、以及镀硅后再镀银的条件下进行了反射率测试,得出在镀硅再镀银条件下,反射率最高,达到98%的结果.利用Wyko干涉仪对国产SiC长条形样镜进行研磨分析测试,测得表面粗糙度值为6.27 nm.该材料在某型号离轴三反光学系统中作为反射镜得以应用和验证,测得被加工后,镜面面形PV值达到0.068 λ,RMS值为0.01 λ(λ=632.8 nm).此结果表明,材料的性能达到了可加工可应用的要求.

采用无压浸渗复合新方法和自行研制的专用工艺设备,低成本地制备了用作空间光机结构件的高体份(55%～57%)SiC/Al复合材料大尺寸坯锭,并对其微观结构特征、基本的力学及热物理性能和断裂机制予以表征.此外,还通过线切割、电火花成型等特种加工手段将该种复合材料制造成反射镜背板、焦面板等一系列空间光机结构用典型样件.研究结果表明,该材料既有优异的结构承载功能(弹性模量213 GPa,而比模量则比铝合金、钛合金及钢高出近两倍),又有卓越的热控功能(其热膨胀系数比钛合金还要低,热导率接近纯铝,达到235 W/m·K),若以其替代钛合金用于空间光机结构可望获得显著的轻量化效果并降低热控负荷、改善热控效果.

测试了碳纤维/环氧复合材料的力学性能,设计并测试了热膨胀系数,然后测试了空间辐射后的材料性能,并研究了在空间光学结构中应用碳纤维/环氧复合材料制品的工艺方法.研究表明:碳纤维/环氧复合材料具有高的比强度和比刚度,较铝合金结构可以减重30%以上;碳纤维/环氧复合材料的热膨胀系数可以根据需要进行设计,在需要的方向上可以设计成 "零"或负的热膨胀系数;在空间辐射条件下,碳纤维/环氧复合材料性能良好,其总质量损失为0.15%、可挥发的冷凝物质为7.66×10-5 g/g、24 h水汽回吸率为0.12%.结果表明,碳纤维/环氧复合材料具有优良的性能指标,在空间光学结构中有广泛的应用.

由于受大气背景辐射和自身光电响应特性的影响,对地观测的空间光学遥感器所获取的原始数字图像与景物真实的辐射亮度图像相差甚远[1],为此,通过对光学传感器辐射定标,建立了入射辐射亮度与输出图像灰度间的辐射响应函数,来实现辐射亮度图像的反演和辐射校正.根据光学遥感器辐射传递转换过程,采用泰勒级数和矩阵函数模型描述了"辐射响应函数"的物理概念,并提出了多次回归分析求解矩阵方程获得辐射校正系数的方法.在进一步的实验中,结合积分球扩展辐射源对某型号民用相机进行实验室辐射定标,获得了该相机的辐射响应函数.实验结果表明,该方法可行且实用.最后,对实验获得"辐射响应函数"的物理意义以及辐射定标精度等问题进行了讨论.

CCD成像系统中模拟前端对系统信噪比起决定性作用.为了提高成像系统的信噪比,需要对模拟前端以及其PCB布局布线进行合理的设计.在深入分析模拟前端中各部分功能的基础上,针对目前模拟前端一般采用专用CCD视频信号处理器来实现的方案,建立了CCD视频信号处理器这个模拟数字混合器件芯片内部的电源及接地模型,并根据该模型对PCB布局布线进行了分析和设计.工程实践结果表明,在像素时钟为6 MHz时,系统的信噪比可以达到54 dB.

为提高TDI-CCD的工作性能,根据TDI-CCD器件的工作原理,较完整地分析了TDI-CCD图像的噪声组成,给出了其噪声的详细分类.TDI-CCD 的噪声主要来自两个方面,一个是TDI-CCD器件本身所固有的噪声,如霰粒噪声、非均匀性噪声、暗电流噪声、固定图形噪声、转移噪声等,另一个是TDI-CCD工作过程中的各种噪声干扰,如复位噪声和1/f噪声等.根据各种噪声的特点,提出了相应的噪声处理技术,并针对KTC噪声,给出了双相关采样电路处理方式,提高了器件的信噪比,输出信噪比达到53.8 dB.

运用q参数和ABCD定律,推导了高斯光束经望远镜和薄聚焦透镜组合系统的聚焦特性的变化规律,并对其进行了数值模拟计算.利用平凹腔He-Ne激光器对模拟结果进行了验证,在相同距离下,与单一薄透镜的聚焦性能进行了比较.结果表明,随着距离(70～400 mm)的增加,两者的聚焦效果相差增大,最大为30倍;随着距离(70～400 mm)的减小,两者的聚焦效果相差减小;经望远镜和薄聚焦透镜组合系统聚焦的高斯光束束腰处光斑半径随距离(70～400 mm)变化的最大值为0.043 μm.因此,在实际聚焦过程中,应选用望远镜和薄聚焦透镜组合系统,且距离尽可能地小或为零.

光子晶体制备的滤波器件在光通信中有巨大应用潜力,但普通的基于2D光子晶体的多分路滤波器因为抽取效率不够高,无法达到实用化的要求.本文通过给上述滤波器加入新结构,提出了性能更好的分路滤波器模型.具体的改进结构有两种:一种是在主波导末端放置一个反射微腔,另一种是在主波导两侧放置多个反射微腔.通过时域有限差分(FDTD)法对光波在这两种结构中的传播进行了模拟分析,并绘出了光波能量传播示意图.结果表明,该结构可以明显地减少光波损耗,提高抽取效率.这两种结构器件的理论抽取效率达到了60%～90%,大大高于普通结构的30%～40%的水平.这也说明了反射微腔的新颖结构对改进光子晶体滤波器的重要作用.

采用150 W大功率氘灯标定光谱仪器的紫外波段光谱辐照度响应度,解决了大多数光谱辐射计由于在紫外波段响应度低、信噪比小导致的定标困难.在此基础上以氘灯加球面反射镜构建了平行光光谱辐照度定标单元,满足了某些遥感类光谱辐射计辐照度响应度定标要求,该单元通过照度标准传递的方式获得标准光谱辐照度值,避开了球面反射镜光谱反射率的测量难点.与美国NIST 的FEL标准灯标定同一台光谱辐射计,其结果最大偏差为3%,200～300 nm定标误差为4.7%.

研究了一种(3,3,2)矩形CC榕树网.根据(3,3,2) CC矩形榕树网的构造原则,得到其网络拓扑结构.然后,提出了(3,3,2)矩形CC榕树网的路由法则,完成了该网络的路径选择.最后,设计并提出了实现(3,3,2)矩形CC榕树网功能的光学实验模块,各级节点开关单元由位相型空间光调制器和偏振分光棱镜组成,级间互连则由光纤实现.分析了(3,3,2)矩形CC榕树网光学实验模块的功能特点,对基本开关单元性能参数进行了实验检测.结果表明,该实验模块能够完成输入信号光的交换和排序等操作,可应用于光通信和光信息处理中.

在开发了一种专用非球面坐标测量机的基础上,分析了测量系统与工件在空间6个自由度上的相对位姿误差的关系,建立了位姿误差的数学模型.利用模型参数估计的方法,建立了测量数据与名义面形之间基于最小二乘法的优化模型,得到了上述位姿误差的最小二乘估计,并据此对工件面形误差测量结果进行校正,消除了位姿误差的影响,提高了测量结果的可信度与精度,最终使测量系统精度达到0.5 μm,重复精度优于0.3 μm.

针对一台有效口径为300 mm的斐索立式移相干涉仪的参考镜,采用有限元方法对其水平状态不同支承方式下的表面变形进行了分析及优化设计,根据设计结果在对镜坯抛光时留出变形余量,并用液面基准法进一步验证了分析结果,其PV的差值为0.008 λ,RMS的差值为0.005 λ.实验结果表明,此干涉仪参考镜支撑结构的设计满足技术要求.

针对超磁致伸缩执行器(GMA)的非线性迟滞,研究了开环条件下采用Preisach逆模型对参考轨迹实现精密跟踪的补偿方法.简要介绍了经典Preisach迟滞数值模型,详细推导了Preisach逆模型及其数值实现方法.采用FFT数字滤波方法对一阶回转下降曲线(FOD)实验数据进行优化处理,同时结合拉各朗日双线性插值方法,提高了在同等离散水平下Preisach模型对GMA非线性迟滞的预测精度.在精密预测的基础上,通过Preisach逆模型实现了GMA对参考轨迹的精密跟踪.实验结果表明:在0～34μm,跟踪误差由补偿前的-14.7%～+11.2%减小到-2.9%～+2.7%.此外,FFT滤波和双线性插值算法可以明显提高Preisach模型对GMA非线性迟滞的预测精度,基于Preisach数值逆模型的补偿算法可以有效消除由于GMA非线性迟滞造成的跟踪误差.实验同时指出,如果要进一步提高跟踪精度,还须结合反馈实现闭环控制.

提出了基于电磁检测原理的定位方法.该方法在体表布置多个电磁发射线圈,通过胶囊内密封的接收线圈检测所在点的磁感应强度,利用检测值,根据磁感应强度和该点位置坐标之间的函数模型反向求解出位置信息.设计的悬浮式单维接收线圈,能始终保持接收方向的恒定,不仅大大减少了接收线圈和发射线圈维数,也大大降低了求解模型的复杂性,满足了胶囊内严格的空间限制和功耗限制.设计了完整的电磁定位系统,构建了三维实验平台,并开展了38个位置点处的检测,将结果代入定位软件求解后表明,三个坐标方向的定位误差均在4 cm以下,平均定位误差在2 cm以下,小于同类研究的定位误差.

提出了一种基于精度成本控制的系统可靠度优化配置法.该方法采用网络系统的优化原理合理调配系统精度、可靠度与成本的关系,结合精度、可靠度指标,建立了合理有效的系统可靠度优化配置数学模型,并应用混合递阶协调法进行求解.求解结果较好地实现了对精密传输机器人系统的可靠度配置.研究结果表明,本文所提出的可靠度优化配置方法对更加复杂的大系统的可靠度优化配置有一定的参考作用.

在分析了交通场景视频特点的基础上,根据视频流中帧间像素颜色变化情况来确定背景像素值.提出以帧间像素梯度值作为背景像素的判断条件来建立背景模型的方法.在计算中将图像进行分块,通过求子区域颜色梯度变化值来确定其背景,然后根据各子区域的计算结果重建背景模型.实验结果表明:平均经过100帧图像初始化后,即可完成背景建模,初始化帧数比其它方法少,平均每帧图像的处理时间为15.566 ms.该方法背景建模的速度和初始化帧数都满足交通场景视频监控系统的要求.

介绍了一种基于Matlab图像处理工具箱技术的评价硅片表面污染颗粒激光清洗率的新方法.借助Matlab图像处理工具箱,对清洗前后硅片表面光学显微镜照片进行处理,编写硅片表面激光干法清洗率的评价程序,统计清洗前后硅片表面评价区域的污染颗粒个数,对清洗效果进行定量评价.研究结果证明,利用此方法统计的颗粒数准确度达97.6%,得到的激光清洗率准确度达99.2%.结果表明,借助图像处理技术评定清洗效果是一种高效、快速、准确的新方法.

提出了一种基于Hough变换的航空摄像机外参数估计新方法.该方法使用共线条件方程描述摄像机成像关系,用图像与物方特征点之间的组合对外参数空间离散点进行投票,将得票最多的离散参数点确定为参数估计值.为解决共线条件方程的非线性以及外参数之间的相关性问题,采用迭代方式进行参数估计.与基于最小二乘原理的传统外参数估计方法不同,该方法不需要事先对图像与物方空间特征点进行配对,解决了传统最小二乘法的特征匹配难题,避免了最小二乘法对错误匹配的鲁棒性较差的缺点.分别使用仿真和真实航拍图像对算法的有效性进行了检验,结果表明:摄像机坐标估计误差小于15 m,姿态角误差小于1°.参数估计结果能够满足舰炮作战中对侦察摄像机外参数估计精度的要求.

建立了一套掠海红外动态点目标图像仿真系统.根据红外搜索与跟踪(IRST)系统的图像数据量大、目标数量多的情况,采用软件和硬件相结合的方法解决实时仿真的问题.针对远距离动态红外点目标的特点,以仿真红外点目标、小目标为主,建立了既简洁又符合实际情况的基于高斯分布的背景灰度模型和动态红外点目标灰度生成与运动轨迹生成模型.通过人为调整均值和方差使所产生的仿真背景灰度信号可接近于实际观测到的真实红外图像信号,能用于检测IRST系统对极限背景噪声条件下的信号处理和目标提取能力.该系统的研制确保了测试IRST系统性能指标的有效性,降低了测试成本,缩短了IRST系统的研制周期.

介绍了一种电子稳像技术,解决了航空平台光电成像系统视频图像帧内运动模糊和帧间不稳定问题.通过建立运动模糊的数学模型,构建二维运动模糊点扩散函数,采用维纳滤波方法,消除图像帧内运动模糊;通过灰度投影算法,检测序列图像当前帧和参考帧之间的运动矢量,采用图像补偿方法,实现序列图像稳定输出.实验结果表明,本文方法能提高信噪比,实现1 pixel的稳定精度,有效改善图像质量,输出清晰稳定的视频图像, 具有精确、快速、实用的特点.

基于复数离散傅里叶变换(CDFT)频谱的共轭对称性,对传统的实数离散傅里叶变换(RDFT)做了改进,将改进后的RDFT算法用于维纳滤波器中来实现对运动模糊图像的恢复处理.一幅水平方向运动模糊,大小为512×512的8 bit灰度图像被用作测试图像,可以在19 ms内在Intel Pentium 4 3.0 GHz主频的PC机上用一维维纳滤波及改进的RDFT算法完成模糊恢复,满足实时处理的需要.实验结果显示,改进的RDFT能对CDFT的频谱数据实现有效压缩,节省一半的存储空间,使得维纳滤波等图像恢复频域算法的运算速度提高将近一倍;与CDFT相比,改进的RDFT算法没有丢失数据,能达到相同恢复精度.

研究了角速率陀螺稳定平台在目标跟踪时瞄准线始终围绕视场中心做约2 Hz晃动的现象,理论推导及数值分析认为引起这一现象的原因与光电稳定平台的静态力矩刚度为0、隔离度仅为71.4 dB有关.采用基于角位置陀螺的光电稳定平台,其静态力矩刚度为1 732 Nm,隔离度提高到126 dB,可以有效地消除这种晃动.

介绍了消旋电视摄像系统的工作原理,通过对系统的分析,得出了消旋系统保证像质所允许的最大旋转角速度.根据消旋速度要求,设计了消旋系统的电视数字控制器.该控制器以DSP为核心微处理器;以测速机为速度敏感元件,作为系统速度环的反馈;速率陀螺测得飞行器的扰动速率,用作速度环的前馈.系统采用了传统的超前滞后补偿方法,并加入了积分环节以减小稳态时的漂移角速度.实验结果表明,在消旋拍摄过程中,消旋速度满足设计要求,拍摄图片清晰,消旋速率精度为14.3(°)/s.理论分析和实验结果都证明了该消旋摄像系统的可行性.

为了提高航空光电成像系统对地面目标的定位精度,提出了平台目标自主定位的方法,并给出了实现的方法和途径,即将GPS系统和航空姿态测量系统直接固联在航空光电成像平台上,与光电成像平台系统结合直接实现目标定位.分析了影响目标定位精度的因素,分析结果表明,目标自主定位的方法可以消除传统方法中减振器带来的误差.一般情况下,平台自主定位比飞机系统定位的精度至少高25%.