为提高LED微型投影机中光学引擎的效率和结构紧凑性，研究了自由曲面LED聚光器结构和工作原理，设计了含有折射和反射自由曲面的LED聚光器。采用非成像理论和同时多表面设计方法，计算并获得了聚光器折射和反射两个自由曲面在子午截面内的各点坐标，利用聚光器的旋转对称性得到了其在三维空间内的面形数据。设计结果的光学建模仿真分析表明: 所得聚光器能够有效地收集大功率LED光源的能量，并将光束发散角控制在12°内，其光能收集率达到71％。与采用反射式聚光器的设计方案相比，光能收集率提高了20％，而体积则下降了70％，有效地提高了光学引擎的效率和紧凑性。本项设计对LED微型投影仪的小型化具有指导和借鉴作用。

研究了与中阶梯光栅光谱仪相关的二维重叠光谱的实时还原与波长自动标定技术。基于分光系统主色散及横向色散规律及它们之间的相互关系，建立了3个变换矩阵M1，M2和M3，由此给出了中阶梯光栅光谱仪面阵CCD上所有接收点处空间坐标与波长关系的谱图矩阵Mλ-XY，利用中心波长与自由光谱区特性获得了理想的无重叠谱图数据模型。提出了信号光斑识别方法，并对信号光斑位置坐标进行准确定位；结合所建立的谱图数据模型，实现了对二维重叠谱图的快速还原与标定。实验结果表明: 该方法在中阶梯光栅光谱仪谱图分析中不仅实时性强，而且波长精度可达0.01 nm，满足中阶梯光栅光谱仪高分辨率、全谱瞬态直读等要求。

设计和搭建用于湍流校正的自适应光学系统时，必须考虑大气湍流波面校正所需的系统带宽。由于通常理论估计与实际的湍流情况相差很大，本文对如何进行带宽的精确测量进行了研究。通过对500 m水平距离湍流波面的大量统计，分析了湍流波面的时间功率谱密度，得出了所需要带宽(Greenwood频率)的大小，并且首次得到了带宽需求的昼夜变化规律。实验发现，所需带宽在晚上变化缓慢，围绕10~15 Hz波动；白天变化剧烈，在20~90 Hz波动。 最后，通过实验确定出了功率谱密度估计所需的采样总时间为70 s，得到的实验结果为设计和搭建更加合理的自适应光学系统提供了实验依据。

为了实现测温红外热像仪的外场精确测温，研究了大气透过率的二次标定。建立了红外热像仪的外场远距离测温标定模型，采用一个标准面源黑体和红外热像仪对大气透过率进行了二次标定。首先，用标准面源黑体的设置温度标定大气透过率的二次修正系数；然后，在已知目标感兴趣区域发射率的情况下，用二次修正系数对未知辐射源测量值进行修正，实现未知辐射源目标辐射温度的准确测量。实验显示，随黑体设置温度从50 ℃不断升高(二次大气透过率近似为1)，大气二次透过率修正系数在50~100 ℃内迅速下降，在100~200 ℃内下降趋势减缓，逐渐接近于约为0.7的常数。实验结果为测温红外热像仪外场精确测温提供了保证。

为提高光交错复用器系统带宽的有效利用率，满足系统中不同传输速率对带宽的要求，针对信道间隔为50 GHz的输入信号提出了新的非对称MZI型不等带宽光学梳状滤波器，研究了该系统的输出谱和制作方法。基于光纤传输理论分析了设计构成，给出了输出谱表达式及设计中所需要的实验参量。当滤波器的两对光纤干涉臂长度差相等，各耦合器的耦合系数选取适当时，该器件实现了奇偶信道上不等带宽输出，可分别用于10 Gb/s和40 Gb/s传输，信道间隔为0.8 nm，信道隔离度>25 dB;分析还发现该器件对3个耦合器的耦合参数不敏感。实验表明: 该器件不仅能实现不等带宽输出功能，在实际制作过程中还由于器件对耦合器的耦合参数要求不是十分严格而降低了器件实际制作难度，因此具有实用价值。

为了实现大口径望远镜系统的装调，提高其光学成像质量，研究了望远镜装调像差和计算机辅助装调技术。首先针对RC式望远镜系统，分析了装调过程中由于次镜偏心和倾斜导致系统模型产生的扰动误差。针对实际调整过程中选择零彗差点和曲率中心作为旋转中心进行调整的特点，分析了这两个旋转点的选择对系统像差和指向精度的影响。然后结合计算机辅助装调原理，研究了关于恒定彗差、线性像散与模型相关的灵敏度矩阵的特殊形式，结合波像差理论与光学软件Code V模型仿真来实现装调技术。最后，针对1 m级望远镜系统进行了安装调整。实验结果表明: 装调后系统的RMS达到了0.144 5λ，大大优于装调前的1.214λ，证实了该方法具有较好的精度、抗干扰能力和实际应用价值。

研究了用四象限探测器检测光斑中心位置时，入射光斑的各种特性和外部环境对象限探测器输出产生的影响。通过理论推导得出了入射椭圆高斯光斑时光斑中心位置与探测器输出的关系公式及检测灵敏度公式；搭建实验系统完成了室内及野外测试实验。实验结果表明，室内环境下探测器具有较高的检测精度与细分能力；在极限灵敏度下通过数字滤波可以使器件具有36细分的能力；测量了象限探测器的电压特性，完成了背景光特性、光斑大小特性、信噪比特性测试实验。野外实验表明，光强闪烁对探测器影响很大，当大气折射率结构常数为10－16时，距离在830 m时器件仅具有7细分能力，距离在12.5 km时基本没有细分能力，已经无法进行光斑检测。

为了有效减小多轴光纤陀螺组合的功耗、体积和重量，实现光纤陀螺组合的微小型化，应用分时复用技术，提出了一种基于3×3耦合器，工作在850 nm短波长的光纤陀螺分时复用组合结构。分析了陀螺输出数据处理方法，得到了分时复用光纤陀螺组合的相对极限零偏稳定性。建立了分时复用光纤陀螺切换模型，揭示了分时复用导致光纤陀螺轴向切换必然存在一个过渡过程，分析了过渡过程对陀螺组合静态、动态特性的影响。结果显示，光纤陀螺组合的相对零偏稳定性是传感方法的2.1倍，最大输入信号检测带宽为1.1 kHz,标度因数的不对称性和非线性度均小于50×10-6。最后，通过仿真进行了实验验证，结果表明，该技术可以用于中低精度微小型多轴光纤陀螺组合中。

研究了微机电系统(MEMS)微构件的谐振频率等动态特性在低温环境下的变化规律，从理论上分析了改变环境温度对微悬臂梁谐振频率的影响，并对低温环境下微构件的动态特性测试技术进行了研究。研制了低温环境下MEMS动态特性测试系统，采用半导体冷阱实现低温环境，利用压电陶瓷作为底座激励装置的驱动源，通过底座的冲击激励，使微悬臂梁处于自由衰减振动状态，使用激光多普勒测振仪对微悬臂梁的振动响应进行检测，从而获得微悬臂梁的谐振频率。利用研制的测试系统，在-50 ℃~室温的环境下对单晶硅微悬臂的谐振频率进行了测试，结果表明，随着温度的降低，微悬臂梁的谐振频率略有增大，其谐振频率的温度变化率约为-0.263 Hz/K，与理论分析的结果基本一致。该测试装置能够有效地完成在-50 ℃~室温环境下微构件的动态特性测试。

为进一步提高高通光率网栅的电磁屏蔽性能，满足其环境适应性要求，针对线宽约9 μm、膜厚约0.3 μm、周期为400 μm×400 μm的细薄铜网进行了镀镍工艺实验。首先，经涂胶、直写、显影、镀铜、去胶等工序，在K9基底上制备出细薄铜网栅试件。然后，对试件超声波除油，用10%的HCl溶液浸泡试件10～15 s进行镀前活化处理。接着，将试件放入按成分要求配制好的化学镀镍溶液中，在恒温85℃条件下化学镀镍40～60 min。最后，从化学镀镍溶液中取出试件，放入烘箱烘干，缓慢冷却至室温。实验结果显示: 得到的试件镀层均匀、结合力强；用同轴法测试网栅化学镀镍后的电磁屏蔽效能达到32 dBm，比未镀镍前提高了11 dBm，且试件镀镍工艺导致的在400～800 nm波段的平均透过率下降小于1％。这些结果表明，在细薄铜网上能够镀制较好的镍层，可以在基本不影响光学透过率的前提下显著提高其电磁屏蔽效能和环境适应性。

为了满足精密仪器连接部件的柔度和强度需求，以切口曲线为二次曲面和圆柱面的相贯线的柔性铰为例，研究了一类空间曲线切口式柔性铰的设计方法。推导了此类柔性铰转动柔度的一般设计计算公式，分析了设计参数对柔度特性的影响,在此基础上提出了此类柔性铰的设计方法。依据提出的方法设计了空间曲线切口式柔性铰，并利用有限元分析方法对设计实例进行了柔度和强度校核，同时建立了模态实验系统识别其柔度。结果表明，两种柔度校核结果与设计计算公式结果吻合较好，最大误差不超过5%，验证了设计方法的有效性，为此类柔性铰应用于精密仪器的工程设计提供了参考。此外，文中给出的有限元建模分析方法以及试验测试方法也可用于相同类型的精密构件的力学特性研究与分析。

针对空间光学遥感器圆形反射镜在安装过程中会由于采用间隙配合胶接方法在温度变化时产生非对称应力从而引起非对称像差(主要表现为像散)，以及使用的胶层为非线性材料使反射镜面形变化不可逆从而降低结构可靠性等问题，提出了基于过盈配合的无隙支撑方法。该方法依据最小势能原理，使用柔性块以过盈配合的方式固定反射镜。采取线性搜索方法分析得到了适当的过盈量(0.03 mm)，利用有限元方法模拟实际工况，得到镜面面形变化情况。对反射镜组件进行温度循环试验，并利用干涉仪对反射镜进行检测。试验显示，温度变化±4 ℃时，镜面面形RMS值最大为0.018λ，符合设计要求(RMS值≤0.02λ)，干涉图表明反射镜受力均匀、无像散；在温度循环试验中，反射镜面形变化可逆。这些结果表明，对于圆反射镜，采用无隙支撑方法能够很好地解决温度变化对镜面面形的不利影响。

为了预测MEMS器件与电路组成的完整MEMS系统的行为，建立了一个支持MEMS器件与电路共同仿真的原型系统。首先，根据MEMS系统级仿真与模拟电路仿真的共同特性，提出了MEMS器件与电路共同仿真的原理和方法，并依托国产电路仿真平台Zeni VLG建立了共同仿真原型系统的框架结构；然后，分别根据修正节点分析方法和模拟电路行为级建模方法开发了该共同仿真原型系统所必需的两个参数化模型库。通过一个跷跷板式微加速度计分别与其开环电路和闭环带载波电路的共同仿真对原型系统和模型库进行了测试，与国外商业软件Saber对比，开环仿真结果相对误差为2.1%，表明提出的原型系统能够有效进行MEMS器件与电路共同仿真，并且具有较高的精度。

为解决伺服系统在低速状态下其电机力矩波动影响速度稳定性的问题，提出了一种基于自适应补偿的控制策略。从电机结构出发，分析了电机力矩波动产生的机理，建立了力矩波动的数学模型，提出了基于鲁棒自适应的控制策略。系统控制器由两部分组成: 超前-滞后校正用于保证系统的名义稳定性和鲁棒性；自适应补偿控制则采用最小二乘法在线辨识力矩波动，并给予自适应补偿。实验结果显示: 与仅使用超前-滞后方法相比，当采用自适应补偿时，速度波动的峰-峰值由4.21%下降到1.77%，均方根值由0.97%下降为0.39%，得到的结果说明提出的方法能够有效降低电机力矩波动对速度稳定度的不利影响。

为了准确获取火炮身管疵病深度参数，提出了一种新的基于等效多基线立体成像的疵病深度测量方法，并采用单摄像机建立了疵病深度自动测量系统。首先，对摄像机采用Tsai两步法进行标校。接着，采用等效多基线立体成像法获取疵病图像。在此基础上，利用标校数据和图像的位置参数，通过疵病特征提取和疵病图像立体匹配处理，获取疵病深度图像的输出，从而得到准确的疵病深度值，实现对火炮身管疵病深度参数的精确测量。测试结果表明: 该疵病测量系统得到的疵病深度测量绝对误差<0.1 mm,相对误差<5%，完全满足火炮身管疵病深度测量的需要，能够为火炮鉴定试验和伴装保障提供重要的技术支持。

为进一步提高单根电纺丝纳米纤维的定位沉积和形貌控制水平，基于近场静电纺丝技术，研究了单根直写纳米纤维在无图案硅基底的沉积行为；仿真分析了图案化硅基底上方的空间电场分布；采用图案化硅基底作为收集板，实验考察了微图案形状、收集运动速度等因素对单根纳米纤维定位沉积的影响规律。实验结果显示，电纺直写技术具有良好的定位精度，可将直径为100~800 nm的纳米纤维精确定位于直径仅为1.6 μm的圆形微图案阵列上表面；收集板运动速度较小时，受电场力影响纳米纤维沉积轨迹将朝微图案偏移7 μm；收集板运动速度进一步减小时，纳米纤维在基底微图案附近或上表面产生聚集；长条形微图案对纳米纤维沉积过程具有良好的引导与约束作用。得到的结果表明，基于近场静电纺丝的直写技术可较好地实现单根纳米纤维在图案化硅基底的精确定位沉积。

由于大尺寸焦平面空间相机调焦机构的焦平面两端存在的不可消除的同步运动误差会直接影响相机调焦精度，因此对焦平面两端同步运动精度进行了分析。首先，研究了大尺寸焦平面空间相机调焦机构的特点，提出了焦平面两端同步运动误差是影响其调焦精度的主要因素；其次，分析了影响同步运动精度的主要误差来源，建立了同步运动误差的数学模型，并采用蒙特卡罗仿真算法对数学模型进行了仿真分析；最后，通过测试焦平面两端同步运动精度对仿真结果进行了验证。仿真结果显示，同步运动精度为0.02 mm，与试验数据分析结果0.023 mm一致，说明此方法能够比较准确地确定焦平面两端同步运动精度，为后续在轨调焦策略的确定以及同类产品的研制提供技术支持。

针对材料力学实验中的三维变形测量，提出并实现了一种基于双目立体视觉、摄影测量术和数字图像相关法的便携式三维变形测量系统。研究了该系统涉及的双目摄像机标定，图像相关算法，三维重建，以及三维位移、应变计算等关键技术。提出了一种基于摄影测量术的摄像机标定算法，该算法采用10参数镜头畸变模型，不需要高精度标定板即可实现摄像机的高精度标定。利用最小二乘非线性优化算法实现了数字图像的高精度匹配，针对非线性优化初值难求的问题，提出了一种基于种子点的初值计算方法，为非线性优化提供了可靠的初值。最后，介绍了三维重建以及计算三维位移、三维应变的方法。实验结果表明，标定结果的重投影误差为0.03 pixel，图像匹配的误差约为0.02 pixel，静态外形及位移的测量精度为0.05%，应变的测量精度优于0.5%。与传统的测量方法相比，本文提出的系统可以更准确、全面、直观地实现对位移场、应变场的测量。

针对矿井跟踪视场中由于单一线索对目标特征描述缺乏可分性以及多线索融合策略对场景变化缺乏自适应性导致人员跟踪失效的问题，提出了基于自适应多测量融合粒子滤波的矿井人员跟踪算法。将粒子邻域光流统计信息表征的运动性作为线索建立运动光流直方图模型，并与颜色相融合建立多观测模型。将单观测估计状态粒子区域与融合估计粒子区域的质心距离作为单观测模型贡献率度量因子，定义了观测权值自适应策略，实现了粒子观测模型与跟踪目标状态特征的同步变化；通过建议重采样函数对粒子落入低观测似然时进行有效的采样补偿，增强了跟踪的鲁棒性。实验结果表明，本算法能够有效地解决矿井跟踪视场下(背景复杂)由于场景变换而导致跟踪目标丢失的问题；将本文算法与基于颜色和基于颜色与帧差分融合的粒子滤波算法做状态估计均方误差比较，结果表明，状态估计准确率提高了1.57倍。

提出了一种图形处理器优化编程方法，用于实现运动模糊视频图像的实时恢复处理。根据计算统一设备架构(CUDA)的硬件框架特征对GPU的线程块及线程数量进行优化配置，并引入了一种自动内存接合访问的方法，使得GPU的硬件资源得到充分利用。根据图像频谱的对称性去除冗余信息，减少了图像算法在频谱滤波时的数据量，使得GPU对内存的访问次数下降，从而提升了算法效率。实验表明，本文提出的GPU方案的计算性能比传统的CPU平台方案提升了一个数量级，半频谱滤波设计使总时间开销减少20％以上，实验结果证明了本文方案的可行性及有效性。

针对抗混叠轮廓波变换缺乏平移不变性的缺陷，构造出具有近似移不变性的抗混叠轮廓波变换。在此基础上，在变换域提出一种混合统计模型图像降噪方法。该方法充分利用变换域信号系数层间层内相关性强、噪声系数无层内相关性且在小尺度下存在较强的假层间相关性的特点，采用混合统计模型对小尺度信号系数进行估计，从而避免了非高斯双变量模型放大噪声系数的风险。实验结果表明，提出的去噪法能克服轮廓波变换中的频谱混叠，避免重构图像出现“划痕”和边缘模糊现象，得到的峰值信噪比(PSNR)值分别比轮廓波硬阈值去噪、轮廓波变换域HMT去噪和抗混叠轮廓波变换域硬阈值去噪平均高2.87，1.32和1.36 dB，在有效去噪的同时，具有较好的图像边缘和细节保护能力。

针对以太网测控网络存在数据冲突导致系统实时性、可靠性降低问题，提出了基于偏最小二乘回归(PLSR)SBR的双层压缩方法。第一层建立主参量与所有辅助参量的确定模型，利用压缩有效性指标确定主成分，完成主参量的信息压缩。第二层基于改进的SBR，通过选取辅助参量中的基础序列，建立基础信号；在满足拟合误差条件下，逐步将每一个辅助参量序列映射到基础信号上，完成对辅助参量的数据压缩。该方法重点解决辅助参量和主参量中的解释潜变量和反映潜变量相关程度最大、基础信号由最少基础序列组成、辅助参量实现最小变长分解个数及基础信号独立更新原则等关键问题。最后将该方法应用于IP模式乙醇浓度测控系统。实验结果表明，在IP模式测控系统同时具有主参量和辅助参量，且不同参量间存在相关性时，该方法可在允许拟合相对误差为5％的情况下，使压缩率达到68％以上，从而有效地降低以太网测控网络数据冲突程度。

为了校正强反射表面图像的亮度不均匀性，抑制局部强亮度现象，同时使其保留足够多的原始图像信息，研究了强反射表面缺陷图像的预处理方法。分析了强反射表面的光学特性，研究了偏微分方程理论及同态滤波算法，在此基础上提出了一种基于偏微分方程的同态滤波算法，即采用热传导方程滤波算子对同态分解的图像进行处理。引入信息熵对不同尺度参数下的处理效果进行评价，从而确定热传导同态滤波的尺度参数，并将该算法与背景去除法、基于小波的同态滤波算法进行了比较。对比实验表明,采用提出的算法处理后得到的图像其灰度级均匀分布在1～6之间，信息熵值均在91%以上。该方法校正了图像亮度的不均匀性，提高了图像质量，同时能保留足够多的原始图像信息。

为了解决传统均值迁移(Mean shift)目标跟踪算法中跟踪窗口容易收敛至局部概率模式的问题，提出一种基于组合带宽Mean Shift的目标跟踪策略，并建立了一种自适应学习率的over-relaxed优化策略以加速收敛过程。根据目标尺度设定了一组从大到小排列的带宽序列，并依次根据每个带宽进行Mean Shift迭代收敛运算，利用大带宽的平滑作用避开局部概率模式的干扰；依靠小带宽进行精确定位，最终使其收敛到真实目标区域。由于组合带宽Mean Shift会造成一定的额外运算量，为此引入over-relaxed优化策略加速迭代过程。在边界优化算法的收敛条件约束下，根据采用over-relaxed策略前后相关系数的变化，自适应地调整学习率。实验结果表明，组合带宽Mean Shift能够有效地跟踪快速运动的目标，并且当目标短暂丢失时也有一定的恢复能力；实验采用over-relaxed策略后，收敛次数减少了30%~70%。

针对虹膜定位易受噪声影响、速度慢、自适应性差等问题，提出了基于迭代圆环像素率法的快速虹膜定位算法。提出的定位算法包括切割虹膜图像、Hough圆检测粗定位、微积分算子精定位3个部分，从切割虹膜图像、图像抽样、迭代圆环像素率法、快速Hough圆检测以及分层定位思想5方面提高算法的速度。提出了缩小半径范围的迭代圆环像素率法以及消除瞳孔光斑的形态学方法，瞳孔分割阈值以及小范围的圆心、半径候选集等参数都是通过计算得到，自适应性好。使用4个虹膜数据库进行实验，并与相近算法进行了对比。实验结果表明，该算法的定位准确率为97.75%～99.07%，定位时间为52.847～158.502 ms，是一种鲁棒、快速、自适应的虹膜定位算法。

为了对金相组织的多项组织含量进行定量分析，提出应用Canny算法和灰度等高线相结合的方法来产生封闭金相组织边缘。首先，采用高斯函数对金相组织的灰度图像进行模糊处理，然后，用Canny算法对模糊后的图像获取具有单边缘效应的原始边缘。通过最大类间方差法对原始边缘进行自动计算，获得抑制虚假边缘的阈值，并通过该阈值获取基础边缘。由于基础边缘具有不连续性，因此需根据基础边缘端点的邻域灰度中值计算所需的灰度等高线，同时根据设定的等高线和基础边缘融合的条件，以基础边缘的端点为起点生成封闭边缘。实验结果表明，该算法可有效地生成符合要求的封闭边缘，采用该算法产生的封闭边缘进行金相组织含量测定可使测量误差降低到±1%，可测组织含量范围达到5% ~95%。该算法能满足多项金相组织含量测定的定量分析要求且具有普适性。