为了满足航天器对轻小、价廉，性能可靠的自主导航系统的要求，设计了广角静态红外地平仪系统。该系统选择辐射稳定的14~16.25 μm作为工作波段，并设定全视场角为136°，F数为0.61；采用反远距结构，使系统后工作距达到15 mm;利用f-θ镜头设计原理，并合理地选用非球面对广角系统进行优化设计,使系统的线性特性的相对误差<0.5%；在空间频率为15 lp/mm处，系统的调制传递函数＞0.6，接近衍射极限；在半径为20 μm的圆内，系统径向能量>85%。另外，采用了像方远心光路，提高了像面的照度均匀性，实现了整个像面照度均匀性>99%。设计结果表明，该镜头结构简单、体积小、后工作距大，很好地解决了广角镜头轴外像差平衡问题，实现了地平仪系统的高精度设计。

为了解决全交叉光互连网络中光信号路由的选择和控制问题，提出和设计了基于矩阵运算的路由算法。首先，根据全交叉网络的链路函数和连接规则，得到光信号变换矩阵，将光互连网络对信号的传输与处理等效为对输入信号阵列的矩阵运算，建立输入/输出信号间的关系；接着，根据输入输出信号阵列确定各级节点的开关状态；最终，完成信号光的路由判断和控制。分析和讨论表明：该算法不仅解决了8×8全交叉网络的路由控制问题，而且对全混洗、榕树网等规则互连网络也具有良好的移植性和兼容性，且稳定性高、操作性强、易扩容，能够满足16×16、32×32、64×64等大端口光互连网络的路由确定和控制。

研究了高功率808 nm量子阱脊型波导结构含铝半导体激光器在空气中解理时不同镀膜方法对输出激光功率的影响，讨论了半导体激光器的灾变性光学镜面损伤机理及其腔面钝化薄膜的选择特性。对半导体激光器管芯前后腔面不镀膜，前后腔面镀上反射膜和前后腔面先镀上钝化薄膜再镀腔面反射膜方法进行了对比，测试了半导体激光器的输出功率。结果表明，先镀上钝化薄膜的器件比只镀上腔面反射膜的器件输出的激光功率高36%。只镀腔面反射膜的半导体激光器器件在电流为5 A时就失效了，而镀钝化膜的器件在电流为6 A时仍未失效，说明镀钝化薄膜的器件能有效地防止灾变性光学损伤和灾变性光学镜面损伤。在半导体激光器芯片腔面镀上钝化薄膜是提高大功率半导体激光器输出功率的有效方法。

介绍了一种无损测量透明毛细管管壁折射率的方法。该方法利用平行光经过装有不同已知折射率标准液体的毛细管后会聚焦点位置不同的原理，通过CCD对会聚焦点位置成像后的图像进行判断，计算出毛细管外轮廓位置和焦距，进而计算出毛细管管壁的折射率，其测量精度可达0.005。分析了毛细管内外径对管壁折射率测量的影响，结果表明，管壁越厚，测量精度越高；同时对毛细管管壁折射率灵敏度和成像系统的景深值进行了计算和比较,结果显示，标准液体折射率越低，标定精度越高。该方法使用设备简单，操作方便，便于对图像观察和识别，实现了对毛细管管壁折射率的无损精确测量。

介绍了我国自主研制的用于地外太阳紫外光谱测量的FY-3紫外臭氧垂直探测仪，利用该仪器成功获得了地外太阳紫外光谱数据。该紫外臭氧垂直探测仪是一台结构紧凑，工作波段为160~400 nm的紫外-真空紫外光谱辐射仪。报导了该探测仪的组成和工作原理，描述了它的3种工作模式，即大气模式、太阳模式和标准灯模式。介绍了太阳模式下该探测仪的光谱辐照度定标，受光源性能所限，光谱辐照度定标分160~300 nm 和250~400 nm两个波段进行。最后，给出了利用紫外臭氧垂直探测仪获得的太阳紫外光谱和数据处理结果。结果表明，利用该探测仪在轨获得的160~400 nm太阳连续光谱和250~340 nm间 12个特征波长的太阳分立光谱与美国SBUV/2获得的测量数据的一致性在±5%以内。

为了改善厚屏频率选择表面(FSS)的滤波特性，实现FSS在雷达天线罩上的应用，设计了具有圆孔单元的厚屏FSS结构，并将其单元内填充介质，制备出了相应的实验件。理论分析时，首先建立等效问题；接着用Floquet定理将无限大厚屏FSS上所有阵列单元的场展开为无穷多个平面电磁波；然后在单元边界处强加边界条件；最后用矩量法求解等效的磁场积分方程。在微波暗室测试后，发现测试值与计算值基本一致。结果表明：中心频率的变化主要取决于单元间距、入射角和介电常数等3个参数；其中，当单元间距由30 mm增加到36 mm，电磁波的入射角由10°增加到30°，填充介质的介电常数由2.5增加到7.0时，中心频率分别减小了2.1，1.5，1.9 GHz；另外，单元直径增大使得带宽增加，当单元直径由14 mm增加到17 mm，带宽增加了1.2 GHz。可以看出，改善厚屏FSS的传输特性是多参数优化的问题，如果合理选择填充介质并适当选取其他参数，能够获得理想的传输特性。

提出了一种利用动态靶标实现光电经纬仪跟踪性能等效正弦评价的新方法。分析了动态靶标目标及相应跟踪误差的幅度谱和功率谱特性，提出将动态靶标看作由有限项基频谐波和整数倍基频高次谐波的加权和组成的谐波源。根据被检光电经纬仪跟踪性能设计等效正弦信号，利用动态靶标产生与等效正弦信号同频率的谐波信号完成光电经纬仪跟踪误差系统在该频率下幅频特性函数值的测试。等效正弦的幅值和测得的幅频特性值乘积即为跟踪等效正弦信号的跟踪误差最大值，从而实现了跟踪性能评价。利用该方法测得方位方向的最大跟踪误差为0.65′，远小于4′的指标要求，而利用动态靶标直接检测的值为4.7′。实验表明该方法准确、可行，同时避免了直接利用动态靶标检测时可能使跟踪伺服系统出现过度校正的问题。

为了消除chiral nematic-chiral smectic C (N*-SmC*)相序铁电液晶从N*相降温到SmC*相时形成的两畴织构缺陷，提高液晶的响应速度，选用铁电液晶R-2301以及两种取向剂SE-410和RN-1199制备了5种铁电液晶样品器件。实验后，对5种器件的排列织构的正交偏光显微镜照片进行对比，得出通过非对称边界锚定作用可以得到均匀单畴排列的铁电液晶器件的结论。实验结果表明：经过非对称边界锚定作用可以得到电光曲线为半“V”字型且静态对比度为300∶1的均匀单畴排列铁电液晶器件。这一结论和理论近似计算结果相吻合，为N*-SmC*相序铁电液晶器件实现单畴排列制备提供了新的方法和途径。

讨论了椭圆弯晶谱仪的波长分辨能力。在假设谱线的固有宽度可以忽略的情况下，对两种实际影响椭圆弯晶谱仪波长分辨能力的主要因素，即光源空间尺寸和非理想椭圆分光晶面进行了分析。分别对上述两种情况进行了数学建模和数值模拟仿真。定量地分析了非理想椭圆晶面和光源空间尺寸对椭圆弯晶X射线谱仪波长分辨本领的影响程度，并给出了出射狭缝宽度与椭圆弯晶谱仪波长判读加宽的关系。从理论上论证了光源空间尺寸在限制谱仪的波长分辨能力方面仍然起关键主导作用；结合椭圆分光晶体的结构参数，合理地选择出射狭缝宽度，可使谱仪达到足够好的光谱分辨率和信噪比。用搭建的实验平台进行了实验测试，结果表明，当出射狭缝宽度(2δ)为10 mm时，实测的谱线半高全宽(Δλ)为3.1×10-3 nm；2δ为4 mm时，Δλ为2.3×10-4 nm，实测结果佐证了仿真结果的正确性。

为了实现三维微细电解铣削加工过程的实时监测，建立了基于Labwindows/CVI软件平台的控制与检测系统。对该系统所采用的三维轨迹生成及控制策略，数据采集及抗干扰算法，加工时间误差补偿算法等进行了研究。首先，根据微细电解铣削加工的特点，分析了加工控制与检测系统的需求。接着，搭建了高精度的三维微细铣削加工实验硬件平台。然后，利用虚拟仪器平台建立了基于分层铣削加工方式的三维轨迹进给控制模块，并对刀具轨迹的优化进行了讨论。最后，介绍了数据采集及反馈控制模块以及实时控制的时间补偿函数。基于上述控制与检测系统，实验并成功加工出了单层尺寸为15 μm×55 μm×15 μm的三层阶梯结构，结果表明，本系统可以满足微细电解铣削加工的高精度、快响应、稳定可靠等要求。

为解决反作用飞轮用永磁无刷直流电机的电磁设计问题，提出了一种采用有限元法与磁路法相结合方式进行电机电磁设计的目标设计法。根据飞轮电机有效电磁气隙宽、径长比大的结构特点，推导了电枢尺寸与机械特性、有效电磁气隙、径长比等参数间的关系表达式，得到新的电枢尺寸计算公式；利用磁场逆问题求解策略结合等效气隙磁通密度方法，给出磁钢尺寸的计算模型；最后描述了整个电磁设计过程。与一台最高转速为6 000 r/min、角动量为5 Nms的反作用飞轮驱动电机的对比验证表明，该方法最大设计误差为2.89%，精度较高。该方法不受传统方法取值思想的限制，目标明确，速度快，适用于大的有效电磁气隙，大径长比结构的飞轮电机的电磁设计。

为实现对天文导航设备的实验室检测，设计了一种星模拟装置。对该装置所采用的准直光学系统、数字可调光源进行了研究，并提出了背景光模拟的技术要求。根据天文导航设备的主要技术要求给出星模拟装置的整体结构。介绍了消色差准直光学系统、数字可调光源和确定星点大小及位置的关键技术，并分析了背景光均匀性对星模拟效果的影响。最后，制作了星模拟装置，并进行了相关验证性实验。实验结果表明，该装置能模拟0~5等星，背景光均匀性为94.7%，系统焦距为1 647 mm，视场为28′，准直性优于±2″。该装置可以同时模拟星光和背景光变化，具有准直性好、背景光照度模拟范围宽等优点，能够满足天文导航设备的实验室检测要求。

为了提高空间相机测温电路的测温精度，提出用容差分析法研究测温电路的性能。研究了测温电路原理和影响测温精度的各种因素；讨论了电路容差分析的各种方法，比较了它们的优缺点和适用范围，并确定了本课题采用的分析方法。应用最坏情况分析法对测温电路进行了容差分析。根据分析结果提出了一种提高测温精度的方法，并进行分析验证。验证结果表明：改进后的测温电路在-14 ℃～+50 ℃内的测温精度满足指标要求，测温精度达到±0.3 ℃。与改进前的电路相比，性能提高了30倍。

对激光加工连杆裂解槽工艺进行了研究，根据材料状态、能量平衡和孔形变化，将脉冲激光加工裂解槽孔过程分为起始、准稳定破坏及收尾3个阶段；对脉宽、波形、脉冲频率、切割速度等影响裂解槽槽根半径的因素进行了分析；设计了一种新的激光脉冲波形，以满足槽根尖锐度的要求。分析及实验结果表明：长脉冲宽度与切割速度的合理匹配是获得尖锐裂解槽的关键，当脉宽取1 ms，切割速度为10 mm/s时，获得了根部尖锐的裂解槽。对于要求深且尖锐的裂解槽，可增加频率转化为多个长脉冲加工；当频率增加到40 Hz，脉宽取0.5 ms，得到的裂解槽纵横比大且根部尖锐。裂解槽形貌对比表明，对于脉宽和频率进行优化，可在加工裂解槽孔的各个阶段合理地注入能量，获得高质量的裂解槽。

为了分析车载平台变形对光电经纬仪测角误差的影响，提出了利用倾角传感器来测量车载平台变形的方法。基于平台变形对光电经纬仪测角误差的影响的基本原理，利用固定在垂直轴轴心的倾角传感器测量出因平台变形而导致经纬仪工作基准面中心点与水平面变化的夹角，计算其测量坐标系的变化量，推导出了倾角传感器输出值与测角误差的关系公式。选用双轴倾角传感器实时测量了经纬仪工作时车载平台的变形值，结果表明，车载平台变形量受方位方向速度影响较小，倾角传感器输出值经过滑动加权均值滤波处理后最小相差为0，最大相差为5.1″；受经纬仪视轴位置影响较大，高低角在0°～90°变化时，高低角越小，倾角传感器输出值越大。这种测量方法为进一步提高车载经纬仪的测角精度提供了理论依据。

为了降低弹丸着靶点检测的成本，提出了一种新的弹着点检测原理。采用单列光源，经两面条形表面反射镜反射后，形成“Z”型的三道光幕，用于实现对弹丸等飞行目标的测速及定位。弹丸的速度和着靶点水平方向的坐标可以通过对时间的测量得到，弹丸着靶点竖直方向的坐标可以通过单列光探测器获知。文中对检测原理进行了研究，对光源、探测器、信号特征、有效测试区域、射频测试能力等进行了分析，并在桌面进行了原理性试验。高速摄影机拍摄的小球坐标与“Z”型结构测量出的坐标相对位置误差为0.1~1 mm，传统区截靶法与“Z”型结构测量出的小球速度相对测速误差为0.02%~0.2%，说明基于反射镜的“Z”型结构在定位和测速方面的应用具有可行性，提出的方法具有结构简单、解算方便、节省成本的特点。

分析了显微视觉与计算机宏观视觉的特性，得出显微视觉下模糊效果是由几何光学和波动光学两部分造成的结论，并用标定实验验证了显微视觉下扩散参数与物距呈线性关系这一假设。研究了现有基于聚焦的自动调焦DFD (Depth from Focus)方法，提出了显微视觉下一种新型的基于离焦(Depth from Defocus)的快速自动调焦算法，该算法只要给定两幅模糊图像，就可直接计算出目标聚焦平面位置。实验结果显示，该方法的聚焦速度比传统DFF方法(本文选择SML法)快2~4倍。改进了的DFD算法提高了自动调焦性能，增强了显微光学鲁棒性，调焦精度较高，且具有较好的实用性。

为了保证测绘相机的正常工作和测绘精度，针对测绘相机的特点设计了热控系统，并对该系统进行了热平衡试验验证。首先，对测绘相机所处的热环境进行了分析，对测绘相机窗口的外热流进行了计算。然后，对测绘相机的各个部分进行了热设计；采用被动热控措施控制相机的温度水平，降低测绘相机系统对外部热环境变化的灵敏度；采取主动热控措施进行温差补偿，减小相机的轴向和对径温差。最后，根据测绘相机的热环境和各种工作模式设计了3种极端试验工况，进行了热平衡试验。试验结果表明，在热控系统工作的情况下，测绘相机系统在各种工况下温度波动在(18±2) ℃之内，且轴向温差<4 ℃，径向温差<0.5 ℃，测绘基座的温度在(18±3) ℃之内。得到的结果能够满足测绘相机系统的需求。

为了对跟踪高轨目标无跟踪盲区的水平式经纬仪的指向进行修正，对经纬仪指向修正模型进行了理论分析和实验研究。介绍了球谐函数、支架、水平式3种指向修正模型，并对水平式模型做了修改。利用实测恒星数据进行matlab回归对比分析，最后采用内符合和外符合两种方法对3种模型的回归精度进行符合对比，得出了适合水平式经纬仪指向修正的模型。应用该水平式修正模型对某型水平式经纬仪的实际指向进行了修正，实验结果表明，其经轴L修正精度为0.467 2″，纬轴B修正精度为0.422 7″。对3种模型回归精度的对比分析显示，用支架和水平式模型修正水平式光电经纬仪指向精度时，效果均远优于球谐函数模型，支架模型略优于水平式模型，从而得出球谐函数模型不适合修正水平式经纬仪指向的结论。

从图像处理的角度研究了提高星像坐标定位精度的方法。分析了星像噪声产生的原因，对去噪声前的星像坐标进行了频谱特性分析，根据分析结果，提出了一种基于Parks-McClellan算法的滤波器最优设计方法来设计有限冲击响应滤波器(FIR滤波器)。分析了通过该FIR滤波器后星像坐标的功率谱曲线。结果显示，该FIR滤波器能很好地消除星像噪声。最后，采用某型号卫星星敏感器原理样机的地面观星数据进行实验验证，结果表明，星敏感器输出姿态精度由原来的21.921″提高到了7.823″。

为了定量客观地分析玻璃的体损伤形貌，运用基于改进的分水岭分割算法对其微观图像进行了分析处理，得到了损伤的范围和分类，同时结合激光等离子体冲击波与玻璃的相互作用机理对各个处理后图像的物理含义及其应用进行了分析。研究结果表明,图像的梯度图可以反映图像中裂纹的形状及其分布；滤波后的图像灰度可以反映损伤程度；目标区域的标记图可以标记损伤的区域；最终分割图像可以全面反映以上所有信息。根据图像分析结果可以定量计算出各个区域所占总面积的比例，即等离子通道区、熔蚀区、折射率变化区各约占总面积的15％，55％和30％。这说明激光能量先沉积到很小范围的等离子通道区，高温高压等离子体向外扩展形成大范围熔蚀区，随着距离的增大，冲击波压强迅速减小，形成折射率变化区。

针对导航领域对星相机的性能要求，通过在星相机中应用新型的电子倍增CCD(EMCCD)，设计一种探测能力强、数据更新快的成像系统。说明了EMCCD工作原理，分析了EMCCD信噪比，介绍了基于TC285电子倍增CCD的星相机的设计方案，给出了CCD驱动电路、视频信号处理电路以及时序控制器的设计。用模拟拍星实验和实际拍星实验验证了所设计的相机的性能，同时对相机的应用进行了初步分析。通过分析实验图像的信噪比说明了设计的星相机具备在积分时间8 ms以内探测6等星的能力，且其图像数据更新频率可达10 frame/s，满足用短积分时间进行快速星光成像的要求。

针对MSA(Multi-Scale Autoconvolution)算法对光照变化敏感且在进行目标搜索时计算量大的缺点，提出了一种结合MSA和方向编码的快速景象匹配算法。首先，求待匹配图和模板的方向编码图，以消除光照变化的影响；其次，对方向编码图进行分块处理，分别求取各子块的MSA值，在每个搜索位置，只更新MSA值矩阵的一行(列)，这样使计算量减少到不足原MSA算法的1/8。用cameraman图像和实际卫星拍摄图像进行实验，结果表明，改进后的算法不仅对仿射变换、轻微透视投影变换、噪声及遮挡具有鲁棒性，同时可以抗光照变化的影响，且搜索速度更快，在实际拍摄的图像中能对目标进行准确识别和定位。

针对传统Mean Shift跟踪算法在目标发生遮挡时容易跟偏甚至跟丢的缺陷，提出了一种新的抗遮挡跟踪算法。首先，对跟踪窗口内的目标进行分块；然后，对外围子块分别实施Mean Shift跟踪算法并检测遮挡的发生，当遮挡发生后即对所有子块实施Mean Shift跟踪算法；最后，引入一种子块置信度机制并仅用置信度最高的子块来确定目标的最终位置，从而在目标发生遮挡时能有效剔除被遮挡子块对目标定位的影响。对不同的视频序列测试的结果显示，本算法能对发生遮挡的目标进行准确跟踪。当遮挡目标尺寸为70 pixel×100 pixel时，平均处理时间为38.6 ms/frame。结果表明，改进算法能够满足目标跟踪系统稳定性和实时性的要求。

研究了时间延时积分(TDICCD)成像产生非均匀性的原因，基于两点校正算法探讨了星上图像非均匀性实时校正的可行性方案。鉴于工程一体化设计的要求，在常用的CCD时序处理器FPGA上实现了硬件实时校正。通过对相机均匀辐射定标，利用FPGA读取前32行TDICCD图像数据进行非均匀性等效灰度值(NUEDN)计算，根据工程经验，设定当NUEDN>2时对数字图像进行非均匀性实时校正。硬件实时校正结果表明，均匀辐照下NUEDN可降至0.29。实验室动态目标滚筒成像试验表明，实时校正后TDICCD推扫成像均匀光滑，满足工程需要。

为了解决在大量的胶囊内窥图像中寻找出血或相关病理特征这一难题，提出了一种智能自动识别胶囊内窥图像出血的方法。首先分析了胶囊内窥图像出血的颜色特征分布，然后利用差异演化算法(DE)对概率神经网络(PNN)进行了改进，使每个神经元传递函数具有不同的平滑参数。在此基础上提出了一种胶囊内窥图像出血智能识别的方法，并通过软件编程实现了该方法。实验结果表明，该软件能正确地识别出内窥图像中的出血区域并清晰地标示，用该方法测得的出血检测灵敏度和特异度分别为94%和87%，节省了图像识别时间，基本实现了胶囊内窥图像出血智能识别，可代替临床医生应用于胶囊内窥图像的初步检测。

为实现空间相机地面集成测试系统中各专用设备精确时钟同步的要求，提出了一种以GPS卫星同步时钟为时钟源，将时间报文和脉冲信号相结合的综合对时方法。采用FPGA和VHDL设计了时间报文接收、脉冲对时、内部守时时钟及PCI本地控制逻辑等模块。利用Windows 2000/XP下的WDM框架开发了PCI总线驱动程序，实现时统卡与专用设备之间时间信息的实时传输。设计了微秒级延时的秒脉冲作备用秒输入，解决了系统工作时因GPS卫星同步时钟意外断电引起时间信息中断的技术问题。示波器测试结果表明，专用设备之间的同步时间精度≤10 μs；时间准确度≤10 μs。半年运行测试验证表明，精确时钟同步系统稳定、可靠，满足空间相机集成测试系统的实时对时需要。

为了突破成像极限，经济可行地获取高质量的卫星图像，提出了一种基于径向基神经网络的超分辨率图像重建算法。以径向基神经网络为基础，依据卫星图像退化模型获取网络训练所需的学习样本图像，采用向量映射的方式加速网络收敛。其中，径向基函数的中心、宽度及网络的隐含层数、连接权值是决定径向基神经网络的关键参数，直接关系到网络的重建性能。采用最近邻聚类算法，动态地建立起基函数的中心及宽度，自适应地确定网络的隐含层数及连接权值。建立起的径向基函数神经网络显著地提高了图像重建性能和网络收敛速度(221 s即可收敛)。仿真实验和泛化实验表明,训练好的径向基神经网络可以有效地进行卫星图像的超分辨率重建，效率高，误差小。