杂散光是光栅的重要技术指标,它直接影响光栅的信噪比,紫外波段的杂散光对光谱分析尤为不利。为了考察平面刻划光栅用于光谱仪器时产生的杂散光,采用标量衍射理论数值分析了杂散光产生的原因。数值模拟结果表明,紫外平面刻划光栅刻槽周期随机误差以及刻槽深度随机误差是杂散光的主要来源,而光栅杂散光对光栅表面小尺度随机粗糙度并不敏感。提出了平面光栅光谱仪出射狭缝相对宽度的概念,数值分析了仪器出射狭缝高度及出射狭缝相对宽度与杂散光强度的关系,从而分别为在光栅制作工艺中从根源上降低光栅杂散光以及在光栅应用过程中从使用方法上降低光栅杂散光提供了理论依据。最后,为了与采用滤光片法测得的光栅杂散光实验值进行比较,给出了理论求解杂散光总强度的求和公式,并对4个不同波长的杂散光进行了多次测量。结果表明,当刻槽周期随机误差、刻槽深度随机误差和表面随机粗糙度分别取0.8 nm、 0.5 nm和1.2 nm时,理论值和实验值的相对误差可控制在13%左右。

为了讨论交叉效应对无源矩阵驱动的光栅光调制器的影响,建立了无源矩阵驱动光栅光调制器的电学模型。介绍了光栅光调制器的工作原理和驱动电压。利用基尔霍夫的电流定理和电压定理,对该无源矩阵驱动阵列的电学模型进行化简分析,得到了交叉效应中半选点像素、非选点像素与全选点像素之间的电压关系。实验测得器件的驱动电压,并对加工的阵列器件进行交叉效应验证,得到这3种像素的±1级衍射光强与全选点像素驱动电压的关系。最后,提出两种抑制交叉效应的方法。实验结果显示:光栅光调制器的工作电压为8 V,吸合电压约8.5 V时;对于加工的16×16阵列,半选点像素电压约为全选点像素电压的1/2,且远大于非选点像素电压,结论与交叉效应理论分析一致。结果表明:交叉效应会降低阵列的光学对比度和光利用率,而器件较低的驱动电压有利于与有源矩阵电路实现单片集成,消除器件的交叉效应。

为了能够测量带有补偿器的液晶相位可变延迟器(LCVR)在不同电压值下的相位延迟,提出了一种基于斯托克斯矢量和穆勒矩阵的测量方法。在可见光范围内6个波长下实验测量了LCVR在2 kHz方波、0~10 V电压下的相位延迟。结果表明,LCVR具有调谐电压低、控制简单、调节范围大、无需转动等优点,相位延迟的测量误差＜0.6%。根据延迟器件的特性,建立了相位延迟的拟合函数公式,采用最小二乘曲线拟合的方法得到了延迟器件工作范围内全部波长、全部电压值下的相位延迟,曲线拟合的标准差＜0.02λ。提出的测量方法、测量结果和拟合函数的建立对偏光器件的研究有一定的参考价值。

运动控制系统是上海光源(SSRF)X射线小角散射(SAXS)实验站建设的重要组成部分,该控制系统通过对实验站运动部件的远程精确控制来实现对光斑的准直调节和寻找最佳的散射实验样品放置位置,以满足不同用户的实验环境要求。该系统采用国际加速器控制界称为“标准模型”的分布式控制体系结构,应用EPICS软件实现了对实验站的23个运动部件的远程运动控制,被控设备包括两个四刀口单色光狭缝及其三维狭缝支撑平台、七维样品台和两个Beam-Stop。运动测试结果表明:系统的运动分辨率最大为20 μm,最小为0.333 33 μm,运动误差约为1%。测试结果满足小角散射实验站运动控制的要求,具有高的稳定性、可重复性和精度。目前该系统已成功应用于SSRF-SAXS实验站的调试运行。

为了实现对TDI CCD空间光学遥感系统的合理设计及应用,提出了高速并行实时检测CCD控制信号的方法和视频图像连续输出的仿真设计方案。利用CCD行读出及转移的200 μs周期,对48路控制CCD驱动信号和31路直流偏置信号进行并行实时逻辑分析及检测。同时,把预制的CCD模拟图像,从磁盘阵列经PCI-X及LVDS总线高速传输到由现场可编程门阵列(FPGA)、D/A、放大和滤波电路组成的视频图像生成系统,实现了连续、实时输出各种模拟测试图像。实验结果表明,提出的信号检测和生成方法可同时输出3路6 MHz频率的彩色图像和8路12 MHz频率的全色图像像素信号波形,像素信号基准电压为8 V,振荡幅值为0～1.7 V;有效采样时间和信号稳定度均满足成像电路的仿真测试要求。

为了诊断Z箍缩等离子体电子温度,研究了氩的双电子伴线与类氦共振线的强度比和等离子体电子温度的关系。利用椭圆弯曲晶体谱仪在“阳”加速器上探测X射线光谱,采用X射线胶片接收信号。针对谱仪获取的氩的类氦谱线及类锂伴线,计算了伴线k与共振线w的强度比以及伴线j与禁戒谱线z之和与共振线强度比,利用伴线与共振线强度比值和等离子体电子温度的关系诊断出电子温度为960～1 060 keV,实验结果证明谱线强度比值法是一种探测电子温度很有效的诊断方法。

为了实现固体材料内部声发射信号的检测,提出了一种新型结构的全光纤F-P干涉仪。将2×2光纤耦合器的一个入射端与一个出射端焊接相连,以其代替传统的反射腔面,构成光纤环形传输腔,腔体贴附或埋入待测固体中检测声发射信号。通过理论推导和计算机仿真,确定了此结构光纤传感器的检测特性。实验以大理石板作为待测介质,对利用信号发生器驱动压电陶瓷(PZT)作已知声发射源在大理石板中产生的连续型声发射信号,及冲击波作用下大理石板中产生的突发型声发射信号进行了检测,并利用Fourier变换得到了声发射信号的特征频率。实验结果表明,此种结构传感器能够检测材料结构中使光纤轴向伸缩长度达10-8m量级的声发射信号并识别其特征频率。该结构光纤传感器无需光程的匹配,适用于大尺度构件的监测,是材料结构健康检测与监控的一种新方法。

为了探明分布反馈式(DFB)光纤激光器用于水声探测时,所测得的声压灵敏度高于静压条件下计算所得的声压灵敏度,且动态响应曲线不平坦的原因及其机理,对DFB光纤激光器的动态特性进行了研究。对两端固定并分别置于空气和水介质中的DFB光纤激光器的振动模态进行了数值仿真分析;设计加工了实验夹具,分别对其进行了实验研究。实验测得数据显示,两端固定的裸纤在发生振动时的第一阶固有频率与其夹持长度有关,且随着该长度的增大,固有频率降低;当夹持长度分别为50、55和60 mm时,在空气和水介质中DFB光纤激光器振动的第一阶固有频率分别约为250、200、125 Hz以及200、160、120 Hz,实测数据与仿真分析吻合。结果表明,当DFB光纤激光器受外界激励发生振动时,会引起激光器输出信号幅值的波动,导致其声压灵敏度出现起伏,第一阶固有频率对其具有很大的影响。

为了提高近红外光谱快速检测茶叶游离氨基酸含量的精度和稳定性,利用特征谱区结合偏最小二乘法建立了预测模型。研究了利用联合区间偏最小二乘法和遗传偏最小二乘法等筛选特征谱区的方法,通过交互验证法确定偏最小二乘模型的主成分因子数和筛选区间,并以预测均方根误差(RMSEP)和相关系数R作为模型的评价指标。实验结果表明:两种方法建立模型的预测能力都好于传统PLS模型;利用联合区间偏最小二乘法建立的预测模型最佳,预测的相关系数R和RMSEP分别为0.954 2和0.256 0。研究结果表明,近红外光谱结合特征谱区筛选方法可以快速准确地测定茶叶中游离氨基酸含量。

为获得高功率和高亮度光纤激光输出,设计了利用一块45°半透半反分束镜作为干涉元件,构建迈氏腔结构,使两路光纤激光器在输出端相干相长,从而实现相干合成输出的方案。从理论上分析了此方案的锁相机理,并在实验中成功实现了两路光纤激光器的相位锁定,使合成输出激光在自由空间传播,获得了功率约为360 mW的相干合成激光输出,功率合成效率约为73%,合成输出后的激光束在轴上光强获得了大幅度提高。本方案结构简单,利用了光纤耦合器干涉锁相的原理,但却避免了光纤耦合器承受功率低的缺点,所有元件均可承受高功率,因此可实现更高功率的相干合成激光输出,是一种有前途的高功率光纤激光器相干合成方案。

为了考察星上定标漫射板的光学特性及其在航天环境下的稳定性,对其进行了方向半球反射比(DHR)、双向反射比因子(BRF)、双向反射分布函数(BRDF)等反射特性的测量;同时,进行了系列环境模拟试验。结果显示:星上定标漫射板反射率在可见近红外波段可达0.99,光谱差异＜0.01,在短波红外波段达0.95以上;10~60°BRF变化低于0.1,0~60°BRDF变化＜0.045,其方向特性与光谱、紫外辐照关系不大;漫射板350 nm反射率在120 h等效紫外辐照下的衰变＜3％,其光学特性受原子氧、质子轰击影响甚微,并通过了航天级力学环境试验。试验研究表明:漫射板具备高反射率、光谱平坦性、朗伯性及其在航天环境下的稳定性,能够满足航天应用要求。

系统研究了确定性磁流变抛光高精度光学表面的关键技术及应用。介绍了自行研制的KDMRF-1000F磁流变抛光机床及其基本工作原理,给出了抛光过程中建立材料去除模型的两种方法和如何根据驻留时间完成路经规划的过程。采用KDMRF-1000F磁流变抛光机床和KDMRW-1水基磁流变抛光液对直径80 mm的K4材料平面反射镜和直径145 mm的K9材料球面反射镜进行修形实验。实验显示,样件一面形收敛到PV值55.3 nm,RMS值5.5 nm;样件二面形收敛到PV值40.5 nm,RMS值5 nm;样件的表面粗糙度均有显著改善。结果表明,磁流变修形技术具有高精度、高效率、高表面质量的特点。

为制备高纵横比的纳米硅尖,研究了掩模的偏转方向对硅尖形状的影响。设计了硅尖制备的工艺流程,采用KOH溶液湿法各向异性腐蚀(100)单晶硅的方法制备硅尖,根据实验结果和{411}晶面模型,分析了硅尖侧壁的组成晶面,讨论了掩模偏转方向对硅尖形状的影响,得到了制备高纵横比纳米硅尖的工艺参数。实验结果表明:当腐蚀溶液浓度和温度一定时,正方形掩模的方向并不影响快腐蚀晶面的类型,利用正方形掩模的偏转,可以制备出八面体和四面体的硅尖。当正方形掩模边缘沿〈110〉晶向时,在78 ℃、浓度为40%的KOH溶液中腐蚀硅尖,经980 ℃干氧氧化3 h进行削尖,可制备出纵横比＞2的八面体纳米硅尖阵列,硅尖侧壁由与(100)面夹角为76.37°的{411}晶面组成。

为了进一步提高机器视觉的重建精度,对相机站位和重建精度之间的关系进行了分析,并在此基础上估计权值,将加权的最小二乘算法应用于机器视觉系统的三维重建算法中。利用参数方程描述了机器视觉系统,推导了空间点三维重建的参数方程解法。利用误差传递原理,分析了从相机像平面上协方差到物空间协方差的传递过程,给出了误差传递和相机布局的直接关系。然后,利用得到的物空间协方差估计加权最小二乘算法的权值,最后进行解算。仿真和实验结果表明:加权最小二乘算法总体上优于普通的最小二乘法,当噪声方差比较小时,两种算法的区别不大。但是当噪声方差＞0.5时,拍摄像片数量少于30幅的情况下有更优的精度;对距离为37.031 0,24.970 4,26.015 3 cm的测量中,和普通最小二乘算法比较,加权最小二乘算法提高的精度平均为0.4 cm。

为使夹持器小型集成化且夹持力可控,采用体硅加工技术研制了一种基于单晶硅的、具有微力检测功能的新型四臂式MEMS微夹持器。以压阻检测技术为基础,利用MEMS侧面压阻刻蚀工艺将力传感器集成在微夹持器的夹持臂末端,实现夹持力的微力检测。采用有限元软件分析,微夹持器机构和传感器弹性体,并通过S型柔性梁结构的设计将梳齿驱动的直线运动转化为夹持臂末段的转动,然后结合四臂式的末段结构,有效地扩展夹持器的夹持范围。利用硅玻璃键合技术实现夹持臂的电隔离,通过施加80 V电压,夹持臂的单臂运动范围为25 μm,夹持器的夹持范围为30~130 μm。实验标定出传感器的最大量程在1 mN以上,分辨率为3 μN,可以实现夹持力的有效反馈。

为实现MEMS微结构周期运动过程中各个时刻的旋转角度及其动态特性参数的高分辨力测量,针对频闪成像技术获得的微结构运动图像序列,提出了一种基于相位相关技术与Radon变换技术相结合的旋转角度测量方法。该方法通过Radon变换将图像的空间坐标转换为极坐标的参数空间,使得空间坐标的旋转投影为参数坐标的平移运动,然后通过相位相关技术的亚像素运动估计算法,得到物体旋转角度的高分辨力测量结果。实验结果显示,用该方法测量旋转角度分辨力优于0.01°,表明该方法可以有效地减少由旋转产生的形变对测量结果的影响,提高测量结果的稳定性并减少测量误差。

为了精确拟合多位置捷联寻北系统采集的数据曲线,计算陀螺初始位置和真北方向的夹角,介绍了多位置捷联寻北系统的工作原理,推导了寻北测量的数学模型,并分析了影响测量精度的因素。分别采用最小二乘法和BP神经网络法,对两种方法的拟合精度和最终计算得到的寻北结果进行了比较。实验结果表明:与最小二乘法相比,BP神经网络拟合精度较高,拟合残差和较小,达到0.23 μV,残差的均方差达到1.3 mV;在计算相位角时,多次寻北结果的均值基本一致,但均方差明显优于最小二乘法,达到8″,满足寻北系统对数据拟合精度的要求。

介绍了用于染色体切割设备可实现微米级高精度定位的新型6-(P-2P-S)并联宏动平台,该平台具有在初始正交位姿部分运动解耦和装配工艺性好等特点。为提高该平台的实际应用理论基础,对其运动的传递性及其在姿态空间的分布规律进行了研究。基于其结构布局特点分析了该并联宏动平台的位置问题,求得机构位置正反解。推导了运动学传递方程,根据雅可比矩阵定义了速度传递性能的评价指标。最后,考虑其结构约束条件,分析了线速度和角速度传递性能评价指标(Kv,Kω)在姿态空间内的分布规律。仿真结果表明,越是靠近姿态空间的边界,Kv和Kω的值越大,其最大值随着初始姿态角增大而增大,Kvmax的变化为0.970 9~1.179 1,Kωmax的变化为8.586 5~10.978 3。根据设计需要选择合适的运动学传递性能指标,可满足该并联宏动平台在不同精密操作领域的应用需求。

为了解决现有的微喷点技术中外接驱动设备过于庞大,MEMS技术制作的微喷头结构复杂,与生物样品的兼容性差等问题,提出了新型脉冲惯性力驱动方式和无热源、无外部加压装置的微喷点系统用于微流体数字化喷点技术。介绍了微流体数字化喷点技术的驱动原理,搭建了微喷点系统的实验平台;然后,实验研究了样品均一性和驱动参数对微喷点的影响,并对实验数据进行分析和总结;最后,用黏度为4.13 mPa·s的点样液制作了密度为4 000点/cm2的中等密度微阵列。实验结果表明:样品点直径＜100 μm,变异系数CV＜8%,完全可以满足微阵列制备技术的密度、样品点尺度和均一性的要求,可供小型实验室使用。

空间相机摄像时对其偏流角进行实时调整,可以减小偏流角姿态变化对成像质量的影响,延长一次性连续摄像时间并使用较多的TDI积分级数进行摄像。本文对偏流角实时调整的需求进行了详细分析并给出了实时调整策略;然后,介绍了偏流角调整系统的构成及实时调整的工作原理;最后,提出了一种间歇式实时调整方案并进行了实验。实验结果表明:摄像过程中偏流角偏差值可以调整在4.2′以内,调整后误差≤72.17″,一次调整时间＜1 s,偏流角调整过程中图像的调制传递函数(MTF)值为99.67％。提出的间歇式实时调整方法可满足摄像过程中对偏流角实时且长时间调整,且对图像无本质影响的要求。

为改进振动环陀螺的模态匹配并提高其品质因数,设计了一种采用全对称结构实现模态匹配的电磁式微机械振动环陀螺。通过理论推导,建立了陀螺灵敏度和机械噪声的数学模型,分析了陀螺参数对灵敏度及分辨力的影响。采用(100)晶向的单晶硅及工艺简单,无需键合的MEMS体硅标准工艺加工了陀螺样片。器件频率响应实验结果表明,所设计的振动环陀螺驱动模态和检测模态频率之差＜0.5 Hz,大气压下品质因数约为500,在1 Pa的低真空下可达14 000。锁相放大器测试结果表明,在-200~200 °/s,陀螺分辨力为0.05 °/s,灵敏度为0.2 μV/(°/s)。测试结果表明该陀螺能够实现模态匹配和较高的品质因数,具有较高的性能指标。

对适用于DC～30 GHz频率的并联接触式RF MEMS开关的设计与制造进行了研究。利用低应力电镀Au桥膜作为上电极,实现了接触电极之间的Au-Au接触。使用BorofloatTM玻璃作为衬底,并用隔离电阻对内置射频信号与驱动电极旁路进行隔离;通过对上电极桥膜与CPW间距的优化设计,使开关具有较低的插入损耗。所设计制造的并联接触式RF MEMS开关的下拉电压为60 V,上下电极的接触电阻为0.1 Ω。插入损耗为-0.03 dB@1GH,-0.13 dB@10 GHz和-0.19 dB@20GHz,在DC～30 GHz的插入损耗都＜-0.5 dB;隔离度为-47 dB@1 GHz,-30 dB@10 GHz和-25 dB@20 GHz,在DC～30 GHz的隔高度都＞-23 dB。测试结果表明,所设计的并联接触式RF MEMS开关适用频率为DC～30 GHz,是一种应用频率范围较宽的RF MEMS开关。

为实现对亚毫米微小构件稳定夹取及可靠释放等操作,研制了一种复合式微夹持器。采用有限元软件分析了微夹持器的机构及动力特性。应用MEMS体硅工艺将静电梳齿驱动与气动吸放集成构成复合式驱动,气动吸放的引入改善了微夹持器的操作性能,S形柔性梁结构的设计将梳齿驱动的直线运动转化成末端夹爪的转动实现了夹持操作。两种不同尺寸的微夹持器,有效扩展了微夹持器的夹持范围。根据微夹持器的操作控制需求,设计了微夹持器静电驱动控制系统以及气压控制系统。在80 V的驱动电压下,微夹持器末端夹爪位移可达25 μm。针对100～200 μm的小球进行了微操作实验,实验结果表明,静电梳齿驱动结合真空吸附能够使夹取操作更加稳定,基于闭环控制的气路正压力能有效克服小球与夹爪之间的粘附力,实现可靠的释放操作。微夹持器基本满足100～200 μm微小构件的操作需求。

为了精确匹配地物运动在空间相机像面上产生的像移,实现了以WGS-84坐标系下航天器位置向量及速度向量、航天器轨道坐标系下姿态角及姿态角速率作为输入参数的像移速度计算方法。首先,在原有像移速度计算模型的基础上选取惯性坐标系,降低了求解轨道倾角和降交点经度的复杂性。通过球面几何的余弦定理直接求解航天器与降交点相对地心夹角的余弦值,避开了原像移速度计算模型中通过判断卫星飞行方向和星下点纬度来求解航天器与降交点相对地心夹角余弦值这一过程。然后,有机联系星下点的经度和纬度与FLASH的地址,避开访问高程数据时繁琐的查表过程。通过分析像移速度残差对相机MTF的影响,评估了像移速度计算模型的可行性。最后,在TI的DSP上实现了像移速度的整个计算过程。分析及实验结果表明,像移速度计算残差为0.15%,引起相机的MTF下降为1％,像移速度计算时间＜2 ms,满足空间相机对像移速度的计算精度和计算时间等要求。

针对用于大空间运动分析的运动参数光电探测系统中多台高速摄像机的内外参数校准需求,制作了一种两端及中间各安装一个红外反光标志球且两端球距为已知(精确校准)的刚性球杆。将这种特制的刚性球杆在测量空间内多次随意移动,并用多台前端装有红外发光板和滤光片的高速摄像机摄取其图像,即可实现焦距不同的多台摄像机的内外参数校准。假定主点位于像面中心附近的某个位置,通过Hartley改进8点法求出基本矩阵,利用极点和外极线约束线性地求出各台摄像机的焦距。接着,求出本质矩阵,对其进行奇异值分解后得到旋转矩阵和比例因子意义下的平移向量。利用三角法确定刚性球杆两端点的重建坐标和距离,与标准距离对比确定比例因子。最后,通过评价函数将摄像机校准转换成寻找摄像机最佳主点配对的非线性最小化问题,运用改进的模拟退火进化策略迭代求解出最佳主点配对,继而求解出摄像机的其它内外参数。标定实验表明,焦距和主点求解精度达到了0.1 pixel。对比测量实验表明,对长为750.607 mm的刚性杆进行长度测量,标准差达到了0.046 mm。与传统方法相比,本方法扩展到了多台摄像机应用场合并允许摄像机焦距各不相同,不需要对球杆的运动做任何限制,能够同时求解出摄像机内外参数,而改进的模拟退火进化策略改善了算法收敛速度和全局收敛性能。

针对目前商用质谱仪的离子源都为封闭式且工作在真空或者低气压环境中,应用范围十分受限这一问题,提出了一种新型的可在大气环境下工作的离子源。该离子源通过电晕放电产生离子,呈线-筒结构,由内电极和外筒电极组成,电极直径分别为0.16 mm和4 mm。外筒电极上开有对称的4个槽,用于通入样品和牵引离子。实验结果表明,在大气环境下,当载气为N2,内电极电压达到-3 800 V时,内电极和外筒电极之间发生电晕放电,可以很好地电离乙酸等负电性的化学物质。质谱图显示,大气中的N2和O2可能也参与电离,生成了NO－2 (m/z:46)、 NO－3 (m/z:62)和[M+NO-H]－ (m/z:89)。结合COMSOL仿真软件,对该离子源的放电起始电压进行了理论分析,分析结果与实验结果相符。此外,该离子源接口简单,可广泛应用于敞开式质谱仪、离子迁移质谱仪(IMS)和高场非对称波形离子迁移质谱仪(FAIMS)中。

阐述了平面波在无限平面单层频率选择表面(FSS)中的带内损耗机理并区分出失配损耗和介质损耗,基于模态分析法研究了诸多因素对损耗特性的影响。研究表明,介质有耗时,TE波大入射角下损耗最大;阵列分布或单元缝隙影响带宽的条件下,介质损耗与带宽总是呈相反的趋势;单侧介质加载的带内传输损耗主要是失配损耗还是介质损耗取决于介质厚度和加载方式。介质厚度为λ/4时失配损耗最大,λ/2时介质损耗最大;而且相同厚度下介质覆盖比衬底时的失配损耗小。对称加载时则主要为介质损耗,且损耗低于单侧加载。

考虑薄膜反射镜具有质量轻、柔韧性好、可折叠等优点,研究了由静电拉伸法制备薄膜反射镜的新技术。介绍了薄膜反射镜的静电成形机理,计算了单电极模式下薄膜所受力场,设计了单电极式薄膜反射镜的控制实验。给出了控制成型所需的主要参数,设计了薄膜反射镜的夹持结构和控制电路,并利用刀口仪测量了形成的反射面的焦距。实验结果显示,未通电时薄膜反射镜面形的PV值达到11.14λ,RMS值为1.86λ,在10 000 V的高压下可以形成焦距约为2.1 m的反射镜面。通过Zernike拟合验证了数据的可靠性,结果表明,通过改善夹持结构精度和选取性能优良的薄膜材料,反射镜面形精度可进一步提高。

为了测量飞机、流体管腔等气动面上的温度、剪应力等流场参数分布,以镍作为热敏材料,利用MEMS微加工技术在聚酰亚胺衬底上制作出了一种全柔性的热膜微传感器阵列。该传感器阵列的整体厚度薄(100 μm以内)、软性可弯,可以紧贴曲型壁面从边界层底部实现非破坏性的动态流场参数测量。设计了器件阵列结构,研发了基于溅射成型与退火热处理的微加工工艺。结合工艺与测试实验,系统地分析了氩气压强、衬底温度、溅射功率、退火温度等工艺参数对电阻温度系数的影响规律。为了获得更高的器件灵敏度,通过优化工艺参数提高了柔性热膜微传感器的电阻温度系数,使其达到了4.64×10-3/℃,并且保持了好的线性度。

飞行器参数计算平台是飞行器研制过程中的重要支撑技术之一。为了准确计算风场环境下的飞行器参数,研究了风场环境下飞行器参数计算平台的建立方法。分析影响飞行参数的各个分系统,建立了飞行器参数计算平台的理论框架。研究了大气风场,分析其对飞行轨迹的影响。然后,在Simulink环境下进行建模,采用C MEX S-function编程实现了复杂的飞行力学运动方程组。最后,在统一接口参数的基础上,进行子模块的封装,并且将各分系统的子模块通过参数驱动进行连接,建立飞行器参数计算平台。通过对某滑翔飞行器进行性能验证仿真实验以及对某无控飞行器进行的风场干扰仿真实验,证明了平台计算稳定,最小计算步长可达到1 ms,并且可以精确地模拟风场,计算风场环境下的飞行器参数。最后将某无控飞行器仿真轨迹与外场飞行实验结果进行了对比,结果表明射程相对偏差为0.44%;最大高度相对偏差为1.8%。参照航天工业标准QJ 1997-90可以证明,该平台方案建模合理可靠,满足工程应用要求。

为进一步提高MEMS陀螺仪的品质因数及其稳定性,研究了MEMS陀螺仪器件级真空封装的高真空获取技术和真空保持技术。以Z轴MEMS陀螺仪动力学方程为基础,分析了MEMS陀螺仪的误差信号与品质因数之间的关系,并采用稀薄气体动力学分析具有高品质因数陀螺仪的空气阻尼。对早期真空封装陀螺仪品质因数的变化曲线进行了分析,得出了腔体内残余气体是品质因数下降的主要原因。采用程序升温脱附质谱分析法(TPD-MS)分析陶瓷管壳和金属盖板的放气特性,并选用了合适的吸气剂。最后,改进了器件级真空封装流程。测试结果表明,采用改进的器件级真空封装的陀螺仪品质因数最高可达162 660,约为早期真空封装陀螺仪品质因数的14倍,且在一年内的变化＜0.05%。

角扰动隔离是导引头的一个重要功能,通常用隔离度来评价导引头的扰动隔离性能。为了实现对导引头隔离度的快速测试,本文分析了导引头直接稳定和间接稳定的扰动隔离原理,建立了导引头的隔离度模型,最后通过分析导引头的稳定回路结构,提出了一种适用于导引头伺服系统调试阶段的,基于dSPACE半实物仿真系统的隔离度测试方法。该方法通过在稳定回路中施加干扰信号实现隔离度的快速测试,不需要使用飞行仿真转台模拟载体运动。与传统测试方法相比,具有系统组成简单、测试速度快的特点。采用该方法对某红外成像导引头稳定回路进行了隔离度测试,测试结果接近于传统测试方法的测试结果,其误差＜2 dB,表明使用该方法测量导引头或其他动载体光电平台的隔离度是可行的。

针对随机纹理图像在实际生产环境下的色差检测问题,提出了基于CIELAB均匀颜色空间的色差检测算法。首先在HSV颜色空间中计算聚类数目,在CIELAB颜色空间中确定初始聚类中心,然后进行模糊C均值聚类,最后进行颜色特征的提取。以雨花石墙地砖为例,分别在光照、粉尘、振动3种典型干扰环境下进行了实验。实验结果表明,本文提出的色差检测算法检测结果受粉尘、振动干扰影响较小,色差值＜1.5,认为无色差,而受光照干扰影响较大,色差值＞1.5,认为有色差。这一结果与人眼的视觉判断相一致。建议在实际应用中应对光照条件、光源稳定性进行合理的控制。本算法对其它随机纹理产品的颜色检测也有实用价值。

正交子空间投影是一种需要已知待分类目标特征信息监督分类算法。为了扩展该算法的应用,本文提出了局部正交子空间投影算法,并将其成功应用于高光谱图像异常检测中。异常检测常用于自然背景下的人工目标提取,在小范围邻域内地物类型相对单一。基于此,以被检测点作为感兴趣目标,被检测点邻域内样本的均值作为不感兴趣目标,构造局部投影算子。实验结果显示:本算法能够检测出含量高于30％的亚像元目标;通过适当增大滑动窗尺寸,可检测像元面积较大的目标且不受Hughes效应影响;当波段数为80时,运算时间不足RX算法的1/10。得到的数据表明,局部正交子空间投影算法检测精度高、运算速度快,适用于实时高光谱图像异常检测。

为了便于调试CCD成像系统以及检测系统接口的可靠性,基于CCD扫描成像原理设计了功能特点各异的几种自校图形来模拟CCD图像数据。作为数据模拟源,自校图形具有类似线阵CCD推扫成像的动态滚动特性,同时图形灰度等级变化明显,且在x和y方向上均有灰度梯度。以鉴别率图形为例,阐述了自校图形的设计思想、代码实现及仿真验证过程。设计选用VHDL编程通过现场可编程逻辑阵列(FPGA)来实现,应用TEXTIO功能通过Modelsim仿真将自校图形数据导出到文本,然后调用MATLAB读取文本并显示图形以验证设计的正确性。几个自校图形在CCD遥感相机成像系统中得到了应用,共占用了约5%的逻辑资源。应用结果显示,自校图形能及时检测出通讯和数传模块所出现的异常并能判断分析问题根源。

结合CMOS图像传感器研究了CMOS图像传感器卷帘式快门的具体应用。介绍了卷帘式快门的特点和工作原理,分析了具有卷帘式快门的CMOS图像传感器的成像特性,并对其进行了成像实验。探讨了一种利用卷帘式快门相机拍摄的单精度视图来计算高速物体在三维空间中的位姿和速度的新方法。最后,提出了一个运动目标的透视投影模型,讨论了估计目标位姿和速度的方法。实验结果表明:具有卷帘式快门的CMOS图像传感器对运动物体成像时会产生一定程度的畸变,畸变的程度与积分时间等传感器参数的设置有关。在误差最小化的情况下得到了运动物体的位姿和速度参数,计算误差在2.5%以内,测量精度为0.01 rad/s。对实验结果的分析证明了方法的可行性。这种计算方法能够使得低价格、低耗能的CMOS相机转化为一种新的速度传感器。

介绍了复值独立分量分析(Complex ICA)的基本原理和算法,提出了基于复值独立分量分析的目标识别方法并将其应用于多传感器融合的目标识别中。该方法首先利用快速独立分量分析算法(FICA)对目标训练集图像进行ICA分解,然后分别提取基于独立分量的训练集和测试集目标特征,采用线性判据对训练集目标特征进行分类训练,找到合理的分类阈值,最后对测试集图像进行分类识别。在本文的实验条件下,提出的方法获得了92.1%的识别准确率,远优于传统ICA方法的78.1%和PCA方法的76.2%。

针对空中红外小目标难以识别且可信度低的问题,本文结合已有的识别算法,利用非平等D-S证据融合设计了一种小目标识别方法。将小目标的灰度和速度信息作为主要识别证据,并在此基础上加入小目标的轨迹信息作为补充证据,以提高识别置信度。首先利用灰度和速度信息进行小目标识别,如果无法完成识别则将轨迹信息加入到证据当中,进行非平等的D-S证据融合。当增加的轨迹信息强烈支持速度或灰度信息的判决倾向时,本算法能显著提高空中红外小目标的识别能力。仿真结果表明,所研究的算法在不增加传感器数目的情况下能将识别置信度平均提高125%。

传统的Boles小波过零点方法在进行特征匹配时需将不等长编码化为等长,由于造成编码不等长的原因十分复杂,将不等长编码强行化为等长编码十分困难,从而影响识别效果。针对此问题,提出了一种基于小波过零点位置不等长编码匹配的虹膜识别方法。首先,在小波变换第4~8分解级的每级分别计算出小波过零点的位置,并以此作为编码;然后,使用一种移位匹配方法直接对不等长编码求取距离,即将待匹配的两样本数据每进行一次相对移位就计算一次距离;最后,取最小距离作为两样本距离。在包含800张图片的虹膜图库上进行了实验,识别率可达到97.70％,与Boles的小波过零点方法相比识别率提高了5.16％,一次完整的特征提取及匹配时间＜0.2 s,能够很好地满足虹膜识别系统对实时应用的要求。

为寻找一种通用便捷的高速通讯卡设计方法,研究了CompactPCI总线特点、总线延时与通讯带宽的关系,提出了一种利用双端口RAM实现PCI总线与本地端总线这两种不同协议、不同工作频率总线隔离的硬件结构。利用该方法可简化硬件设计和驱动程序的编写,并将接口芯片与驱动程序封装成模块,有利于后续功能板卡的开发。同时,制作出实验板,验证了该方法的可行性,实际测量了各种通讯方式下的通讯速率,得到的最高传输速率为117.97 MB/s。实验表明,利用此方案制作的通讯卡通讯速率可满足高速通讯要求,且方法简便易行。

针对无线传感网负载均衡问题并考虑在数据收集流量模式下节点的负载与距离数据收集节点Sink的跳数相关的特点,提出了一种基于梯度的非均匀分簇算法。通过构建符合实际流量模式的分簇拓扑结构,寻求网络的负载均衡,在一定程度上缓解近Sink的网络拥塞(“热区”)问题。分析此种数据汇集模式的数据流量特性,给出了节点至Sink跳数(梯度)与其负载流量的关系;从不同梯度的簇头负载与相同梯度的负载两方面着手,设计了负载平衡的非均匀分簇调整算法(WUC),依据节点自身的梯度确定分簇的规模,以多权值优化的方式成簇。仿真结果表明,网络中不同梯度的簇头流量负载标准差降低了9倍左右,网络的负载平衡有了显著的改善。

为突破医学影像诊断学依据医学征象进行定性诊断准确度不高的瓶颈,针对胸部CT图像中孤立性肺结节(SPN)定性诊断问题,提出了能够用图像特征有效表示SPN病理特性,快速准确诊断SPN良恶性的计算机辅助诊断系统。采取交互式分割方法从胸部CT图像中提取出SPN;直接计算SPN图像的多分辨率直方图得到768维空间信息特征样本集;然后,充分利用具有处理高维数据集优势的支持向量机(SVM)构造SPN良恶性分类器;最后,通过测试样本集对经训练后的SVM分类器进行测试以评价分类性能。对214例病例进行实验,结果表明:240个SPN图像的768维特征计算所用时间为4.83 s,SVM分类器训练测试所用时间为2.24 s,敏感性为73.33%,特异性为70%,准确度达71.67%,接受者操作特性曲线(ROC)下面积(AUC)为0.786 4。该系统提取的高维图像空间信息特征能够有效表示SPN特性;没有考虑医学征象进行SPN定性诊断的准确度即可达到71.67%,同时分类速度比传统纹理算法提高了近50倍,为医学影像学解决SPN定性诊断问题提供了便捷、客观的辅助手段。