分析了离子束加工光学镜面的材料去除效率和不同材料之间的相对去除效率与工艺参数的关系。基于Sigmund溅射理论,建立了表征去除效率的指标-法向去除速率、体积去除速率和溅射产额与束能、束流以及入射角度之间的关系模型。以石英、微晶和K4玻璃等为样件,实验分析了去除效率与工艺参数的关系,验证了模型的正确性。分析结果表明,材料去除效率随束流线性增大,与束能平方根约呈线性关系;随着入射角度先缓慢增大,约在60～80°达到最大值,然后迅速降为0。不同材料之间的相对去除效率与束流无关;与束能的关系较弱,可以忽略;随角度变化较为明显。

为优化光纤放大器结构,对980 nm抽运的双包层Yb/Er共掺光纤放大器进行了数值模拟,分析了不同功率下信号光的增益,计算了稳态情况下光纤中的反转粒子数、抽运光功率、信号光功率沿光纤轴向的分布以及放大器的斜率效率。根据数值模拟的结果,采用10 m长的双包层Yb/Er共掺光纤建立了光纤放大器实验装置。最大光纤抽运功率为6 W,初始信号光功率为0.5 W时,获得了1.9 W的最大输出功率,斜率效率为23.4%。

在兼顾胶层的光吸收特性、直写光束的高斯分布特征以及直写光束与胶层相对运动的情况下,建立了直角坐标激光直写的动态曝光模型以有效预测线条的线宽和侧壁角。仿真实验表明:以恒值高斯光强曝光时,该模型与等效仿真条件下的Dill 曝光模型仿真结果完全一致,进一步证明了该模型的有效性和正确性,解决了目前在激光直写中存在的只能预测线宽或在忽略光刻胶吸收作用的情况下粗略估计直写线条轮廓的问题。同时,基于该模型分别分析了直写光功率和直写速度对线条轮廓的影响机理,为优化激光直写工艺的加工参量提供了一种有效的分析途径。

为数字式太阳敏感器设计了一种光学系统。从标量的菲涅尔-基尔霍夫衍射理论出发,建立了圆孔结构数字式太阳敏感器的光学系统成像模型,在计算机上实现光学系统的数值仿真,并根据数值仿真的结果进行了光学系统参数的设计。该光学系统参数为:距离4 mm,圆孔半径50μm,孔间距700μm。针对所设计的光学系统,利用太阳模拟器完成了地面实验。实验结果表明,光学系统设计合理,能满足微小卫星对敏感器小型化、高精度的要求。

研究了采用电化学方法消除精密光学系统4J32合金镜头组件中杂散光的实验。利用正交实验法在重铬酸盐体系中确定了主盐浓度,并研究了电压、电解液温度、时间等因素对镜头组件的消杂散光性能和消光膜层质量的影响,确定了最佳工艺为重铬酸钾:20 g/L、硫酸锰:20 g/L、硫酸铵:20 g/L、添加剂15 g/L,温度:25～35℃,3 V/min升压速率处理20～30 min。经最佳工艺处理后,4J32合金呈黑色,反射率<1.5%、耐蚀性为240 s、膜层附着力为7.9 N、尺寸变化<0.8μm。结果表明,所得到的消光膜能够满足精密光学系统对零件尺寸精度及表面消光膜层的质量要求。

研究了一种新型全光纤可调光衰减器,设计了耦合特性检测装置。基于耦合波理论,分析了衰减量与改变参量之间的关系,讨论了波长微损耗特性。实验结果表明,调节两光纤锥横向间距u可以实现衰减量的大幅度调节,衰减量接近30 dB;调节纵向耦合长度L可以实现衰减量的微调,衰减量可达37 dB;此可调光衰减器可以获得<0.2 dB的波长微损耗。利用此结构的衰减器能够较理想地削弱或控制光信号,在对气体进行浓度测量和组分识别时,利用波长微损耗特性能够确保气体浓度测量的可靠性和单值性。

为了提高自动光学检查(AOI)系统的性能,对AOI光源进行了研究。介绍了AOI光源的结构设计方法,光源由红、绿、蓝3种不同颜色,不同照射角度的LED阵列组成。然后,建立了光源的照度模型以及焊点的反射模型。最后,根据简化的照度模型对光源的几何参数进行优化。仿真和实验结果表明,所设计的光源在检测无铅焊点时同样有效,并能使不同类焊点间的特征距离更大,最大为半球形光源照射下的11.88倍,从而提高了特征在无铅焊点缺陷检测的分辨能力,验证了光源设计的有效性。

用于Φ1.2 m F/1.5主镜面形检验的补偿器,需要补偿0.087 mm的非球面度,并满足0.033λ(RMS)面形检测要求。介绍了该补偿器的设计、误差分析、加工、标校及最终主镜检测的情况。主镜检测前用计算全息(CGH)对补偿器标校显示:补偿器产生的抛物面面形误差为0.012λ(RMS),二次曲面常数K的误差为0.006 4%;主镜最终补偿检测结果为:面形误差0.027λ(RMS),二次曲面常数K的误差为0.030 6%,与分析的结果相符。结果表明,补偿器设计合理,建立的误差分析原则和方法可行,加工质量可靠,为更大口径高陡度非球面主镜的补偿检验奠定了坚实基础。

为了提高并联机构仿真设计速度,以马鞍型并联跟踪台为研究对象,提出了编写Matlab仿真程序与ADAMS仿真分析相结合的仿真设计方法。通过编写Matlab仿真程序对马鞍型并联跟踪台进行了优化设计,利用得到的优化设计尺寸进行三维造型后,导入ADAMS分析环境下进行仿真分析,依据得到的仿真结果研制出马鞍型并联跟踪台实验样机。通过编写数据监测模块程序对实验样机各驱动杆速度进行监测,并将监测结果与仿真结果进行对比,验证了仿真结果的正确性。研究表明,该仿真设计方法能够避免仿真设计过程中重复进行三维造型的问题,与现有方法相比,仿真设计周期缩短了近一半。

提出了一种三维凸起柔性神经微电极阵列的制作方法。该方法以光敏性聚酰亚胺(Durimide 7510)为基质材料,以各向异性刻蚀的硅为模具,结合微注模、金属微图形化和牺牲层电化学释放技术制作三维凸起柔性微电极,并通过数值模拟、形貌观测和电学性能测试对制备的微电极进行了评价。利用上述方法制备了具有4×4电极位点阵列的三维柔性神经微电极,每个电极位点大小为60μm×60μm,高度约37μm。阻抗测试显示,1 kHz时三维凸起电极位点的阻抗比传统的相同大小的平面微电极阵列约降低63%。结果表明,该电极的凸起特点可以保证电极刺激位点与神经细胞的良好接触,同时凸起结构也增加了电极刺激位点的表面积,改善了电极刺激位点的电荷注入能力,可有效提高刺激效果。

为了提高质谱仪熔样系统的熔样精度、效率和自动化程度,以惰性气体同位素质谱仪为实验对象,对熔样系统的智能化进行研究。完成了激光熔样系统中二维样品台的重新设计,石墨炉进样系统的自动化设计。设计了一系列控制子程序,并对视觉系统进行了标定。标定后的激光熔样系统有很高的精度,重复性误差为0.005 mm。实验结果表明,改造后的熔样系统有很好的稳定性,提高了效率。

根据离散B样条函数的Z域表达式,将B样条空间中对信号的拟合和分解表示成FIR滤波器和IIR滤波器的滤波过程,然后结合变分原则,构建了表面粗糙度测量中用于确定中线的B样条滤波器。将零相移滤波技术应用到B样条滤波器的实现中,得到了相应的差分方程。对一实际工件表面轮廓进行了实验,验证了该方法的可行性。该滤波器同样具有零相移的特性,与高斯滤波器建立中线方法相比,其计算效率提高了3倍。

利用CO₂连续激光对硼硅酸盐玻璃薄片进行了弯曲实验,确定了用CO₂连续激光弯曲厚度150μm的玻璃所需功率密度阈值。研究了激光功率、扫描速度、扫描次数及样品宽度对弯曲效果的影响,并简要分析了弯曲现象产生的原因。给出了弯曲加工时激光功率和扫描速度的范围,获得多组可以成功弯曲玻璃样品的工艺参数。实验结果表明,采用CO₂连续激光可以对硼硅酸盐玻璃薄片进行弯曲加工,弯曲角度可达24°以上。

为了实现对空间直线度误差的精确、快速评定,研究了它的数学模型和逐次二次规划(SQP)算法。根据最小区域定义及数学规划理论,建立了空间直线度评定的非线性规划模型,指出了该模型实质上是多目标优化的问题,并将该优化问题转化成单目标优化问题。由于该非线性规划模型还是凸的、二次的,因此提出了用SQP法来实施。SQP法在评定过程中保留了模型中的非线性信息,对初始参数的要求低,且稳定、可靠、效率高。几个算例的结果均满足凸规划全局最优判别准则,精度达到10^-3mm,耗时在0.4 s左右。结果有力地验证了上述结论。

将位置敏感器件(PSD)和其它元器件相组合,组成了介入式测量装置。通过使测量装置沿管道行进,获得管道内若干个测量点的方位,进而拟合得到地下管线的方位。该探测装置不受地下管线埋藏深度、密集程度和周围环境的影响,适用于内径为80～130 mm、弯曲半径为50～1 000 m的管线。通过探测摆角的实例,得出实际测量值在水平方向上的测量误差为7.45%,竖直方向上的测量误差为1.07%。

为了对不同型号的航空相机进行地面试验,需要设计一套具有负载自适应功能的摇摆台系统,为此研究了摇摆台负载自适应技术。根据相机的重量变化范围,结合已设计好的摇摆台机电结构,通过理论分析及仿真试验研究了负载(航空相机)大小与电位计(位置反馈器件)反馈信号幅值间的关系,结合数值计算法首次提出了一种易于实现的自动测量负载大小的新方法。对于大部分现有的数字控制系统不需要添加任何器件,只需加段程序即可使用。研究结果表明四次多项式拟合的相关系数R²为0.997 3,均方差RMS为0.171 6;五次多项式拟合的相关系数R²为0.99 96,均方差RMS为0.063 8。进一步分析认为,五次多项式拟合可满足研究的负载自适应摇摆台精度要求。

为揭示硅片自旋转磨削加工过程中材料的去除机理,采用显微拉曼光谱仪研究了硅片磨削表面的相变。结果表明:半精磨和精磨硅片表面存在α-Si相、Si-Ⅲ相、Si-Ⅳ相和Si-Ⅻ相,这表明磨削过程中Si-Ⅰ相发生了高压金属相变(Si-Ⅱ相),Si-Ⅱ相容易以塑性方式去除。粗磨硅片表面没有明显的多晶硅,只有少量的非晶硅出现,材料以脆性断裂方式去除。从粗磨到精磨,材料去除方式由脆性断裂去除向塑性去除过渡。粗磨向半精磨过渡时,相变强度越大,材料的塑性去除程度越大;半精磨向精磨过渡时,相变强度越小,材料的塑性去除程度越大。

给出了一种应用于小卫星的集成化单轴姿态控制及储能系统。用同轴反转安装的双飞轮进行必要的解耦控制,能够实现卫星在日阳期及日阴期能量的储存与释放,同时对卫星的姿态进行稳定或按照要求调整。通过仿真分析,证明了集成化单轴姿态控制与储能系统方案的正确性,分析了系统参数对控制精度的影响,给出了参数优化途径。搭建了单轴姿态控制与储能实验演示系统并进行了实验,在0～20 000 r/min转速下进行了储能实验,该过程模拟卫星单自由度旋转气浮转台的控制精度优于1.5°,折算到百公斤量级卫星的姿态角波动量为1.8′;以20 000～10 000 r/min的转速进行了放能实验,该过程转台的控制精度优于1.2′,折算到百公斤量级卫星的角度波动量为1.6″,总线电压24 V,电压波动量<1.8%。实验结果表明:单轴姿态控制与储能系统应用于卫星及其它空间飞行器上能够同时完姿态控制和能量需求。

为了研究在人脸特征选择中用支持向量机(SVM)泛化误差界作特征选择判据的有效性问题,结合过滤(Filter)和封装(Wrapper)模型构造了人脸特征选择及识别的新框架,将小波变换(WT)和核主元分析(KPCA)作为Filter模型,最小化SVM的VC维(VC)留一法(LOO)误差界及支持向量span误差界作为Wrapper模型的特征选择判据;通过递归特征排除法(RFE)在UMIST人脸图像库上进行人脸特征选择及识别实验。实验结果表明:判据为VC维的LOO误差界和支持向量span误差界时,特征维数可以分别降低到80和70,而分类识别率仍然能达到94%以上,表明本文所提出的特征选择判据和特征搜索策略是解决人脸特征选择问题的一种有效方法。

为提高不同光照条件下的人脸识别精度,提出了一种利用多级小波分解和样条插值进行光照补偿的方法。一般认为,光照变化会给图像中混入两种噪声:背景噪声和增益噪声。背景噪声是加性噪声,可以通过直接对图像进行多级小波分解和样条插值来估计并去除;增益噪声是乘性噪声,可以对去除了背景噪声的图像进行对数变换后,再利用多级小波分解和样条插值来估计并去除。在Yale B人脸数据库上的实验结果表明:本方法的识别率比其它方法高2%～11%,可以有效地对不同光照条件下的人脸图像进行调整,提高不同光照条件下人脸识别的精度和稳定性。

针对单一保局投影(LPP)算法分类识别能力弱的问题,提出了一种随机采样子空间保局投影算法(RSSLPP)。该算法在对训练样本的主元子空间进行随机采样的基础上,利用保局投影得到了多个既有差异且又互补的保局投影子空间,测试样本被分别投影到这些保局投影子空间上,然后利用最近邻分类器进行分类识别。最后,根据多数投票原则融合多个子空间上的分类结果来确定样本所属类别。在FERET人脸图像子库上的实验表明:随机采样子空间保局投影算法的性能明显优于Eigenface、Fisherface、保局投影和鉴别保局投影等算法;和保局投影算法相比,本文所提出的方法人脸识别精度提高了10%以上。结果表明,随机采样子空间保局投影算法有效地融合了各LPP投影空间的互补信息,可以显著地提高人脸识别精度。

提出了一种新的有监督核局部线性嵌入算法(SKLLE),并将算法应用于面部表情识别中。该算法通过非线性核映射将人脸图像样本投影到高维核空间,然后将人脸图像局部流形的结构信息和样本的类别信息有效地结合进行维数约简,提取低维鉴别流形特征用于表情分类。SKLLE算法不仅能发现嵌入了高维人脸图像空间的低维表情子流形,增强了局部类间的联系,而且对新样本有较好的泛化性。基于JAFFE面部表情库的实验结果表明,该方法能很好地实现维数约简,达到最高识别率(100%)所需的鉴别维数仅为二维,有效地提高了面部表情识别的性能。

为了实现多目标落点测量,建立了多目标测量方案,并对大视场光电测量设备在像面坐标系下进行多目标分离的方法进行了研究。该方法按目标运动方向、运动速度、运动加速度的变化,建立了相关性评价函数,根据评价函数判断像点与目标轨迹的关联程度,从而实现多目标轨迹分离工作。在分离过程中,考虑了同一目标像点在不同幅图像上的丢失情况,根据已有目标轨迹数据,使用卡尔曼滤波器补充丢失的像点,保证同一目标轨迹的连续性。实验结果表明,该方法可以分离50条目标轨迹,满足多目标落点测量的设计要求。

针对目前的图像加密方法大多只局限于对方形图像进行加密的特点,提出了一种同时适用于方形图像和矩形图像的加密算法。将基于图像分割的新二维映射用于图像位置置乱,将含有混沌映射的扩散函数用于图像灰度置乱,从而得到一种位置置乱和灰度置乱相结合的图像加密算法。实验仿真结果表明,该算法能够很好地实现对任意大小的方形和矩形图像进行加密,且具有密钥空间大(10¹⁵～10³⁰),密钥敏感性强以及能够抵御统计和已知明文攻击等优点,基本满足图像加密的有效性和安全性要求。

提出了Mallat算法的光学实现方法。针对振幅型空间光调制器只能实现非负的实函数,且CCD只能记录光的强度,提出一种应用于光学4f系统的光学小波滤波器的设计方法。根据采样间距,基于张量积方法由一维小波滤波器系数构造二维小波滤波函数。然后通过拆分、傅里叶变换与归一化,得到非负的实函数形式的频域小波滤波器。最后,给出相应的光学小波变换后处理方法。使用该种光学小波滤波器及其相应的后处理方法,利用光学4f系统实现Mallat算法的小波分解部分,并通过数值计算实现Mallat算法的小波重构部分。仿真实验结果表明,通过本文提出的方法在理论上能够高精度地重构输入图像;在引入光学器件量化误差的条件下,平均重构PSNR为54.27 dB。利用实际的光学4f系统进行光学实验,也能以良好的质量重构输入图像。仿真分析和光学实验结果验证了方法的正确性。

为解决目前细胞注射装置普遍采用的在显微镜下手动操作的机构效率低下、响应速度慢等问题,提出了基于DSP和ARM嵌入式系统的细胞注射装置。该装置利用基于TMS320DM642的图像处理子系统完成图像的采集、处理并将处理的结果保存在特定的存储器内;同时,基于S3C2410的控制子系统完成人机交互、宏/微双精度微动台控制等功能,并利用TMS320DM642的HPI接口进行DSP与ARM处理器的数据交互。模拟结果表明,系统控制自动定位精度达到0.1μm,提高了系统运动精度,图像处理速度达到11 frame/s。

讨论了照明强度对自动聚焦的影响。开发了照明自动调控系统,为显微视觉照明问题的研究提供了物质前提。利用快速傅里叶变换对离焦图像序列以及不同照明强度图像序列进行频谱分析,证明照明强度条件对图像高频能量影响显著。提出了对图像特征高频能量有效度量的评价函数。自动聚焦实验表明,照明强度对于聚焦曲线的特性产生很大影响,经照度优化后的自动聚焦具有更高的聚焦精度,可达0.857μm,证明照明强度优化对于提高自动聚焦精度具有实用价值。

以某遮拦比为22.3%的共轴三反系统的Φ600 mm主镜为例,分析了主镜、次镜和三镜面形不规则对高斯焦点波前差的影响,并拟合了数学表达式。使用环域修正Zernike多项式作为光机接口,分析了环境对反射镜面形的影响以及传递函数下降的情况,并将分析结果作为参考对主镜支撑进行了改进。根据像差容限和系统的环境耐受力,分解出主镜加工所需的精度应优于λ/36.5。

以太阳同步轨道为例,讨论了星载光学遥感器地面幅宽与轨道参数(特别是轨道高度)的关系,提出了满足星载光学遥感器地面幅宽要求的太阳同步轨道高度的选取方法。从地球非球形摄动理论的讨论开始,引出了太阳同步轨道的定义。通过引入假想交点的概念,推导出了交点周期、基本交点距与轨道高度的关系。基于上述讨论,得出了满足幅宽要求的轨道高度的约束条件。首次提出了假想交点这个概念,该概念的提出对太阳同步轨道相关理论的理解以及一些重要公式的推导有很大的帮助。推导出的太阳同步轨道交点周期与轨道半长轴的关系式已成功应用于某课题的太阳同步轨道设计中。

以刚体小卫星作为研究对象,提出了一种切换控制算法对小卫星机动进行控制,并对控制力矩陀螺的力矩进行合理调节以避免饱和奇异。描述了敏捷小卫星模型,介绍了单框架控制力矩陀螺(SGCMG)的框架组成,讨论了小卫星切换控制并法。利用添加零运动的伪逆操纵律对单框架控制力矩陀螺系统进行操控,仿真结果指出,小卫星俯仰轴在14 s内机动45°,平均速度可达3.2°/s。结果表明这种切换算法可满足小卫星敏捷性需要。

从空间反射镜主反射镜组件的轻质化设计入手,从结构材料的选择、主镜轻量化形式的确定以及支撑结构的合理设计三个角度系统地进行了一体化结构-热设计。针对某型卡塞格林系统Φ650 mm口径主镜进行了轻质化设计,三点为主多点为辅的支撑方案可在保持组件结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性。综合考虑加工和工作状态后,最终确定了一种满足设计要求的整体优选方案。分析计算确认,主镜组件镜面综合面形误差PV值均<λ/10,各项指标完全满足光学系统对主反射镜的设计要求。

介绍了一种新型卫星姿态控制全物理仿真系统,此仿真系统以长春光机所最新研制的高精度三轴气浮转台为平台,采用变速控制力矩陀螺(VSCMG)为主要控制执行机构,并结合喷气推力机构作为系统的辅助执行机构给控制力矩陀螺进行卸载。此系统应用高精度光纤陀螺、高精度倾角传感器和磁强计等姿态确定器件构成一套完整的姿态控制全物理仿真系统。介绍了整个仿真系统的软硬件构成,并结合传感器和执行机构参数进行建模和误差分析。本仿真系统可以为一般卫星姿态控制,尤其是以VSCMG为主要执行机构的敏捷型小卫星的姿态控制策略和算法提供良好的仿真验证平台。

选择以碳纤维复合材料和钛合金为主要材料设计了某空间相机外遮光罩,介绍了遮光罩的结构特点,探讨了基于有限元法的结构优化设计理论和方法并对该外遮光罩进行了优化。以外遮光罩质量最轻为优化目标,选择遮光罩的径向厚度和光阑厚度为设计变量,以基频和自重变形为约束条件,进行最优化分析。优化结果表明,在保证外遮光罩基频基本不变的情况下,相机外遮光罩的质量由7.2 kg减少到4.4 kg,较优化前减少了38.9%。最后用有限元法对优化结果进行了静力学和动力学校核,结果比较理想,可满足设计要求。