针对惯性约束聚变(ICF)装置中使用数量较多的大口径反射镜组件结构,在满足物理功能要求的前提下,根据其稳定性及定位、安装、调整和变形等要求,运用运动学原理及模块化设计思想,设计了一个典型的反射镜组件结构,并对组件结构进行了力学分析及实验.计算和实验结果表明,该组件满足稳定性要求,其定位和重复定位精度＜10 μrad,安装调整方便可靠,满足设计要求.

提出了一种实时干涉检测非球面的新方法,该方法无需补偿器、计算全息图等辅助元件就能实现对浅度非球面的测量.对非球面度较小的非球面,直接利用标准球面镜作为参考表面,通过数字干涉仪可以测得全孔径位相分布,将所得的数据剔除参考球面波相对理论非球面的偏差,并运用最小二乘拟合求得机构定位误差,消去此误差,即可获得真实的面形信息.利用该方法对一口径为350 mm的浅度双曲面进行了测量,通过数据分析和处理得到面形误差的PV值和RMS值分别为0.387 λ和 0.048 λ(λ=632.8 nm),将该结果与零位补偿的检测结果相比较,两面形分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为0.033 λ和0.006 λ,说明该技术用于检测浅度非球面是切实可行的.

采用光学调制传递函数(MTF)法对相机整机系统的像质及像面位置的准确标定进行了评价,并给出了详细的结果.由实验室实测均值0.122 1得到的在轨估计值0.074 7与实测均值0.072 5相符,证明了用胶片摄影法拍摄刀口阴影,经傅里叶变换等方法处理得到MTF的方法可以用来评价空间相机的动态成像质量.该方法是用实验室实测的相机动态MTF结果来预估相机在轨动态MTF及在轨摄影分辨率的有益尝试.

以解析各向异性分析理论为基础,研究了在矩形横截面Nd∶YVO4激光晶体受到超高斯分布LD端面抽运时,激光晶体的温度场分布和抽运面热形变分布.通过分析激光晶体工作特点,考虑了激光分布和激光光束半径变化,建立了符合激光晶体工作状态的热模型.利用各向异性介质热传导方程的一种新求解方法,得出了矩形截面Nd∶YVO4晶体的温度场、端面热形变场的通解表达式.研究结果表明:当使用输出功率为15 W的半导体激光器(超高斯阶次为1)从端面中心入射Nd∶YVO4晶体(晶体掺钕离子质量分数为0.5%)时,在抽运端面中心获得了243.8 ℃最高温升和1.99 μm最大热形变量,与实验结果一致.这种方法可以应用到其它激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.

设计了适合于数字X线影像仪的激光扫描光学系统.针对数字X线影像仪的使用特点,论述分析了激光扫描光学系统中的关键部件Fθ镜头、光束扩展器和扫描器,提出并解决了其中一些关键问题,如影响系统扫描光点大小的因素、扫描器的确定等.用ZEMAX光学设计软件对所设计激光光学系统的光学性能进行了模拟,得到扫描光斑直径＜0.1 mm,像高和视场角满足线性关系的设计结果.像质评价分析结果表明:所设计的镜头像质优良,轴上与轴外成像质量相当,像质达到衍射极限.

拼接镜面合成孔径光学系统的出瞳波前是离散的,需要同时引入波象差和衍射光学理论来拟合最佳高斯参考球面,计算出瞳波前和波象差,并通过对像面的衍射积分,评估系统像质.对比了两种像质评估的方法:其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参数拟合Zernike多项式衍射直接积分法计算像面复振幅分布,其二是对子出瞳波面衍射直接积分在像面的复振幅进行叠加.设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPIXP干涉仪对两种方法计算的像质进行了验证和对比.结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大;在衍射极限附近,前者的拟合精度也能满足像质的定性评估要求,且计算量较小.

提出了一种基于弯月镜结构补偿镜的球面折反型望远系统,提出的新结构将传统折反系统中的非球面球面化,将基于弯月镜结构的补偿镜置于主镜与次镜之间代替前置大口径补偿镜,构成了双通光路,起两片透镜的作用.补偿镜直径仅是入瞳的1/3,因此质量比前置大口径补偿镜的R-C望远镜轻巧,支撑结构简单.新型相机镜头的光学性能如下:全视场为2°,相对孔径可作到F#7,遮拦比为0.33,MTF衍射极限为0.40@70 pl/mm,波长为400～1 100 nm,加工和装校后总的MTF＞0.35@70 pl/mm.新型光学系统使光学元件制造容易,装校公差比传统的R-C结构宽松2倍.无前置校正镜的光学结构使机械结构简单,装调容易.

针对外部扰动对光电跟踪伺服系统精度的影响,对稳定回路提出了一种两自由度内模控制,将控制器的设计转化为标准的H∞优化问题,使得系统对模型误差及参数摄动具有较强的鲁棒性.采用jump变换、提升操作等采样控制系统的理论与方法来优化设计相应的鲁棒控制器,综合考虑了系统的多采样率行为及采样点间的动态特性.仿真结果表明,相比于传统的鲁棒控制器设计方法,所设计的多采样率控制器的鲁棒性能指标为1.413 5,能够更真实地反映光电跟踪伺服系统的多采样率特性对系统鲁棒性能的影响,且具有较高的指令跟踪精度及较强的扰动抑制性能.本文的研究为高精度光电跟踪伺服控制系统的设计提供了新方法.

建立了凹球面基底离心式涂胶的数学模型.基于流体力学理论对旋转凹球面上的光刻胶做了受力分析,根据凹球面的面形给出了流体方程的边界条件,并引入和建立了光刻胶蒸发速率对涂胶基底面形的响应关系式,最终得到了一个描述光刻胶厚度随转速、基底面形及光刻胶参数变化的多项式方程,从此方程又简化得到平面上离心式涂胶的数学模型.涂胶实验结果表明,在凹球面上和平面上的光刻胶厚度理论计算值与测量值吻合,精度达到了纳米级.所建立的模型有较好的预见性和实用性.

设计了基于径向基函数(RBF)神经网络的温度误差补偿方案,并对该方案所采用的标度因数误差模型和偏置误差模型进行研究.根据光纤陀螺的温度误差分布情况设计了标度因数误差和偏置误差联合补偿的方案,将基于多尺度分析的噪声和趋势项分离算法应用于建模数据预处理,以提高建模数据的准确性.建立了RBF神经网络模型,并改进模型的学习方法以防止网络的过拟合.最后,讨论模型输入向量对神经网络规模的影响.温度补偿的结果表明:标度因数误差模型的残差均方(RMS)达到0.73(bit/((°)/s))2,偏置误差模型的RMS达到0.051 (bit/((°)/s))2.该建模方法可以消除数字闭环光纤陀螺温度误差,满足中、高精度光纤陀螺实时温度补偿的要求.

从最基本的光电系统成像指标入手,从影响系统分辨率的艾里斑出发,推出光电系统的分辨率.为满足使用要求,对镜头的参数如焦距、相对孔径等各项指标进行逐一确定.从大气、光学系统的影响等方面讨论了整体光电系统对比度的问题.通过分析论证系统的光电指标,对陆-陆光电成像系统的各个性能参数进行匹配计算以确定其中各环节的参数,并对整体的光学系统探测能力进行了详细分析和预估.最后,通过拍摄6 km处1.5 m×1.5 m大小的目标在变倍过程中的清晰效果,证明了这些分析的必要性与正确性.

为研究不同工艺参数对微结构零件复制度的影响,将成型质量作为微结构零件复制度的初步量化衡量指标,研究了不同工艺参数下微结构零件的成型质量.建立了简化的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微圆柱阵列注射成型实验模型,运用单因素实验方法实验研究了注射成型工艺参数对微结构零件成型质量的影响规律.实验结果表明,成型工艺参数对微结构零件成型质量的影响顺序为:保压压力＞熔体温度＞模具温度＞保压时间＞注射时间,增加保压压力,制品质量约增加1%,但浇注系统质量变化幅度不到0.2%,表明在浇口尚未封闭的情况下,增加熔体温度和模具温度能使保压压力更有效地通过浇注系统传递到微型腔,从而增加制品质量;影像测量观测结果表明,成型质量大的制品,微结构的填充要好于质量轻的制品,微结构零件复制度与成型质量存在对应关系.对于具有广泛应用前景的精细微结构零件--微透镜阵列而言,制品质量可初步评价微结构零件的复制度;研究各工艺参数对制品质量的影响规律对提高微结构零件的复制度有重要意义.

针对大型光学望远镜副镜位姿调节机构的优化设计,为了实现不同结构参数的Gough-Stewart平台机构的性能比较,提出了普适工作空间的概念,并给出其几何求解方法.普适工作空间是以杆长为限定条件,动定平台始终保持平行时,动平台在36个特定方向上运动范围的交集.普适工作空间具有无需降维描述,外形为简单规则的旋转体,可采用几何方法直接求解空间边界等优点.经算例验证:不同结构参数的Gough-Stewart平台机构都能求解出形状相似、规则、简单的普适工作空间,使总体评价机构性能的指标具有可比性;与其它工作空间相比,普适工作空间使性能指标的计算量分别降低约10%、11%和14%.

简述了机载光电平台的工作原理与功能,介绍了平台速度环和跟踪位置回路的经典控制方法.从提高系统的跟踪精度出发, 提出了复合控制在机载光电平台数引跟踪中的应用.介绍了前馈控制的原理和局限性以及在光电平台数引跟踪回路中的具体设计方法,并给出了实验结果.结果表明,与没有进行复合控制相比较,对机载光电平台实施前馈复合控制能够在不改变系统闭环稳定特性的前提下,将系统的数引跟踪精度提高10%.

为研究模具结构对聚合物流动形貌的影响,利用Deform-2D对微热压印成型过程进行了有限元模拟.系统地研究了模具占空比、宽厚比、阴模、阳模及不对称结构对聚合物流动形貌的影响.模拟结果显示,随着占空比的减小,聚合物截面流形从单峰过渡到双峰,从陡峭过渡到平坦,当宽厚比＞1.5时,截面流形开始表现为双峰形式,其仿真结果和相关实验结果吻合.和阳模压印时没有明显的高度差相比,使用阴模压印时,微结构之间存在较大的高度差.针对压印过程易出现的填充效率不佳,提出了模具拓扑结构优化策略,通过在模具边缘布置一些流动坝,达到降低边界处聚合物流动率,促进聚合物有效填充的目的.仿真结果表明,该优化策略对促进聚合物填充具有很好的效果.

压电陶瓷执行器物理结构复杂,通过参数化方法辨识经典Preisach模型(CPM)描述其迟滞特性时,难以找到合适的Preisach函数,模型预测误差较大.为了提高建模精度,定义了均值迟滞模型作为CPM的补充,通过将均值迟滞模型与CPM加权叠加,得到混合Preisach模型(MPM),并将权值定义为迟滞度参数,用以描述模型的迟滞非线性强烈程度.证明了MPM具有类似于CPM的擦除特性和一致特性,给出了MPM的表示定理.最后结合神经网络方法完成了MPM的辨识过程.实验结果表明,MPM及其预测误差最大值较CPM降低了1.20 μm,同时MPM的两种特性也得到了验证.

根据航弹和MEMS技术特点设计了基于MIMU/GPS的组合导航系统.MIMU采用模块化设计,提高了可靠性;参考JDAM的性能指标,计算各模块指标;采用一种双频圆极化微带天线改善天线的宽带宽角特性,提高了GPS接收机灵敏度;借助GPS广域差分增强系统得到精密GPS星历和广域差分电离层网格改正数,有效解算定位精度提高了10倍以上.根据需求,合理简化组合导航数学模型并采用改进的模糊自适应Kalman滤波,仿真和实验表明,该设计满足制导精度在5 m以内的要求;并可在国产导航系统成熟的条件下,实现平稳过渡.

建立了基于高速摄像技术、显微技术与数字图像处理技术的光学测试系统.配有光学显微镜的高速摄像设备(32 000 frame/s)记录并保存被测物瞬时序列图像,根据被测物的角振动特性设计相应的图像处理方法以获得振子各时刻的运动位移,并通过位移时间曲线分析振子的固有频率、阻尼系数及品质因子等动态特性参数.实验结果显示,频率测量误差＜0.01%.高精度地测量了振动轮式微机械陀螺的动态特性,为微结构动态特性的研究提供了一个有效方法.

为提高椭圆参考轨道编队的精度,研究了一种无摄动椭圆参考轨道的卫星编队飞行设计方法.本方法是在RAC坐标系下研究两星相对运动问题.利用RAC坐标系下的敏感矩阵,将轨道根数差与从星的RAC坐标建立联系,从而推导出椭圆轨道编队设计算法.利用此算法设计出3种主从形式的编队队形,分别是沿轨编队、穿轨编队和同轨迹编队.仿真验证表明,沿轨编队的位置、速度误差均为0;穿轨编队被证明为不符合实际的编队队形;而同轨迹编队的位置误差控制在毫米量级,速度误差控制在毫米/秒量级.利用本方法设计的编队轨道精度很高,可以满足当前编队飞行任务的要求.

提出了一种新颖的图像多目标面积同时测量的方法,用于精确测量多个不同形状的图像目标面积.该方法应用了短程线主动轮廓线模型,分2个步骤进行.首先利用水平集函数φ的迭代使主动轮廓线由初始位置向各个目标的轮廓边缘收敛.其次,对于收敛后的主动轮廓线,分别计算出各目标边界的亚像素面积和图像目标的内部像素个数,从而同时求出各个图像目标的面积.实验结果表明,该方法的测量重复性误差＜±0.5%;和传统的面积测量方法相比,具有测量效率高(同时测量多个目标面积)和测量精度高的优点.

分析了造成CCD像素灰度不均匀的原因,提出了一种基于最小二乘法的CCD非均匀校正算法.在不同辐照度下,采集每个像素的灰度值.用最小二乘法估计出辐照度和期望灰度值的对应关系.计算出每个像素的校正参数,形成CCD的校正矩阵.最后,对每个像素的实际灰度值进行校正,实现了在同一辐照度下,各像素灰度响应的一致性.校正前,各像素灰度值的最大偏差为76.5;采用该方法校正后,像素的灰度值最大偏差只有0.001 08.实验结果表明:该方法有效地校正了CCD像素响应的非均匀性.

根据主动成像系统的成像过程,通过分析目标与背景的辐射特性、大气的后向散射特性、距离选通特性以及激光发射器和接收器的性能,建立了激光主动成像系统的信噪比模型.利用工作波长为0.532 μm的固体激光器、ICCD相机以及基于CPLD技术设计的距离选通同步控制板,进行了距离选通激光主动成像实验.实验结果表明:理论模型与实际图像的信噪比平均误差为2.58 dB,证实了该模型的合理性.

给出了支持扩频环境下多用户接入的简单的节点实现方案.对异步扩频通信系统中的载波侦听多址接入(CSMA)碰撞机制进行了改进,通过建立协议层和物理层的联系减小碰撞概率,实现了多用户基本同时的信息交互.其基本思想是:根据侦听到的信号的扩频码相位,调整自身扩频码的移位相位,使不同信息发送节点到达同一接收节点的扩频码相位不同,从而使接收节点可基于同一扩频码来实现多用户分辨接收.该方案使系统在复杂程度增加不大的情况下,具有多用户接入能力.

为了自动确定图像分割的最佳阈值,提出了一种改进的自适应遗传算法,并利用该算法对二维Fisher准则图像分割评价函数进行了全局优化,提高了分割阈值的求解速度.该算法能够根据个体适应度大小和群体的分散程度自动调整遗传控制参数,从而能够在保持群体多样性的同时加快收敛速度,克服基本遗传算法的收敛性差、易早熟问题.实验结果表明,该算法具有良好的收敛速度和稳定性,阈值范围稳定在3个像素以内,阈值计算时间比二维Fisher准则法缩短了18 ms(约63%左右),比基本遗传算法缩短了大约30%左右,能够满足实时性要求,可以应用于各种图像的实时处理与分析中,具有较高的实用性.

由于三维离散数据具有分布稠密、不均匀,空间拓扑结构未知等特点,突出了大规模散乱数据预处理的重要性.针对空间散乱数据,提出了一种基于径向基函数(RBF)隐式模型的快速曲面重建方法,并实现了隐式曲面的可视化.基于空间法向量约束和主元分析两种方法进行数据简化和特征提取,采用K-D Tree数据结构进行空间数据分割,将全局模型转化为局部的RBF模型,从而通过求解线性方程组得到模型的权值系数.最后,在局部交叠空间光滑拼接,得到一个代数表达形式的光滑曲面.实验结果表明,该方法适用于任意复杂物体的三维曲面重建,而且具有较高的重建精度.

提出了一种用于数字图像中CCD噪声处理的小波神经网络滤波器.分析了CCD噪声模型,找出了导致CCD噪声模型复杂的原因:CCD相机响应功能的非线性.在对自适应噪声平滑(ANS)滤波器分析的基础上,考虑了影响滤波效果的两大问题:滤波窗口和图像强度.将小波神经网络非线性逼近CCD噪声曲线,按照噪声参数对图像进行区域划分并分配相应的权值.然后,结合相应的非线性滤波器进行针对性滤波,综合输出.实验结果表明:本文改进的滤波器滤波效果明显,信噪比得到进一步提高(24.65).利用小波神经网络良好的非线性函数逼近性,结合ANS滤波器,构造出了小波神经网络非线性ANS(WNN-NANS)滤波器,该滤波器在去除噪声的同时很好地保留了边缘细节,同时提高了信噪比.

针对电气设备特殊的内部环境,将紫外放电检测和视频内窥技术相结合,研制了具有紫外放电检测和图像采集功能的紫外内窥检测系统.介绍了紫外脉冲放电信号的检测原理、检测系统硬件平台的构建、嵌入式Linux操作系统和Qtopia文件系统的启动与运行以及USB摄像头的视频图像采集,并给出了该新型电气设备内窥系统的应用程序流程图.实验结果表明:该系统能够准确探测出电气设备内2 m以内的局部放电现象,并以图像的方式显示出故障点.通过实验,验证了该紫外内窥系统在电气设备检测方面的实用性.

为了实时调整高帧频CCD相机,获得高质量图像,提出了一种基于分档电子快门控制和增益控制相结合的复合控制方法,实现了快速、高精度调光.其算法主要由三部分构成:二次均值灰度权值的累加, 基于分段二次函数的自动快门控制和基于数据分析的自动增益控制.采用共享的乒乓缓存策略来保证算法在自行设计的硬件平台得到有效验证并连续显示.实验结果表明,该算法具有良好的图像质量,捕获的视频图像在各种条件下,均具有快速的收敛性和适应性.

研究了基于序列局部图像的视觉测量方法.分析了机械零件图像边缘的过渡分布特征,提出用边缘像素补偿法来消除实际边缘不能精确定位对测量精度的影响.以直线边缘距离测量为原型,提出了基于序列局部图像尺寸特征的测量方法:对零件进行微小区域成像,生成在空间上连续的序列局部图像;应用相关系数法和双线性插值法获得相邻序列图像的亚像素级尺寸特征线,从而得到各局部图像的尺寸特征;对这些尺寸进行求和与补偿,得到零件的总体尺寸.实验结果表明,对常规尺寸零件的单幅图像运用边缘像素补偿法,相对测量误差在0.008%以内;对大尺寸零件应用序列图像测量法,相对测量误差在0.01%以内,并具有误差积累小的优点.本文算法可基本满足板类零件的精密自动化测量要求.