为了能在用光全散射法测量颗粒粒径时选择对粒径影响较显著的特征波长进行测量,通过在可见及可见-红外波段内对粒径服从单峰R-R分布颗粒系的消光光谱，一阶微分以及二阶微分消光光谱进行主成分变换,提出一种特征波长选择方法。该方法首先对颗粒系的一阶微分消光光谱进行主成分变换，然后将每个波长下的一阶微分消光谱对主成分贡献率的大小作为特征波长选择的主要依据，并将光谱范围的边界波长也作为特征波长。分别对粒径服从单峰及双峰R-R分布的颗粒系进行数值仿真，并采用标准颗粒的实测数据进行验证。验证结果显示,采用基于主成分分析的波长选择方法计算方便、易于实现,得到的标准颗粒粒径反演误差均小于3%，表明采用提出的波长选择方法能够保证选出的光谱消光值具有较高的信息量。

为了对某相机进行热平衡试验，并克服传统太阳模拟器结构复杂、成本较高、光效利用率低的缺点,提出了将太阳模拟灯阵整体放在真空罐内使用的研制方案。首先，对该方案所需解决的各种问题进行了理论分析，计算得出模拟灯阵的辐照度要求为635.2～905.4 W/m2，光学系统效率为0.144 4。分析了真空罐液氮冷却系统的导热能力，结果显示，该冷却系统温度升高ΔT为2.0741 K，小于其过冷度4 K，表明该冷却系统可以将太阳模拟灯阵灯的热量导出。对系统热设计进行了分析和讨论，结果表明，积分器和反射镜的温度在200 ℃左右，氙灯灯极温度在92 ℃左右，满足其长时间正常工作的条件。最后，测试了模拟灯阵的技术参数，结果显示其照度为490.37～1 000.56 W/m2连续可调，辐照不均匀度<±5％，辐照不稳定度<±5％/h，各项指标均满足设计指标要求。

为了在生物膜滴滤塔降解有机废气过程中实现生物量浓度的测量，设计了光纤衰减全反射(ATR) 生物量浓度传感器，给出了传感器组成原理、结构参数、光路分析及其理论解释。根据光波进入光密介质(Si晶体)与光疏介质(生物菌液)的分界面时所产生的隐失波现象，以及生物菌液对隐失波的散射和吸收引起接收光能量变化的物理机理，建立了一种新的生物量浓度测量方法。实验选用可见光源，在25 ℃恒温情况下对生物量浓度测量进行了实验研究。实验结果表明：测量结果的相对误差均值为2.217%，基本上满足生物量浓度在线测量要求。该传感器的设计原理和方法具有一定的普遍意义，可应用于制剂、制酒、生化等行业。

分析了自行研制的磁流变抛光机床KDMRF-1000的拓扑结构以及坐标变换关系，对其进行了运动求解，建立了光学镜面的磁流变抛光后置处理算法模型。针对机床四轴联动的特点，对建立的磁流变抛光后置处理模型进行了近似处理。以球面镜的后置处理为例，推导了具有普适性的以光栅扫描方式加工光学镜面的后置处理算法，同时分析了这种近似处理引入的误差，仿真了其对不同口径和不同相对口径球面镜的影响，得到了这种近似处理算法对球面镜的加工范围。最后，对一块口径为200 mm，相对口径为1∶1.6的K9材料球面镜进行了磁流变抛光实验，在不考虑边缘效应的情况下其面形误差的PV值和RMS值分别达到了65 nm和9 nm以下，有效地验证了后置处理算法模型的准确性以及四轴联动近似处理的可行性。该算法对各类形状和大小的光学镜面加工均有参考意义。

为获得空间目标监视设备上空适合观测的天区以提高设备的使用效率和观测效率，设计了实时监视观测站上空云层位置分布的光电测量系统。该系统采用以扁椭球折反射透镜组为核心的大视场光学设计，结合非制冷红外焦平面列阵探测器用于全天时采集天空云层图像；通过装有图像采集卡的计算机对采集的天空背景图像进行伪彩处理、图像修复等操作后，获得无云、薄云、厚云以及它们之间过渡区域可清晰区分的伪彩云层图像，并根据实验标定建立的空间角位置和像素的函数关系，给出云的分布位置信息。实验结果表明，该测量系统可以每5 s输出一次高度角在20°以上的彩色云图，并计算出天空中云层的方位分布，定位精度约为1°。此系统可以实现云层分布的大视场定位测量，并提高空间目标监视设备的效率。

在对传统的视差测量方法进行充分研究的基础上，提出了基于自动调焦技术的轻**光学瞄具的视差参数测试方法。介绍了自动调焦技术的工作原理及其系统组成框图；根据轻**瞄具性能指标的具体要求，结合自动调焦技术设计了一套轻**瞄具的视差参数测试系统，并介绍了被测瞄具放入该测试系统前后的自动调焦过程；最终通过求取视度之差得到视差。根据轻**瞄具光学系统的实际测试要求进行了5次测试实验，并对这5次实验数据进行了分析。结果表明：视差测试精度为0.029 6 m-1，达到了轻**光学瞄具技术指标＜0.1 m-1的要求，保证了测量精度。

针对电机伺服控制系统利用编码器角位置信息预测角速率的需求，提出并实现了一种基于平稳卡尔曼滤波的编码器信号处理方法。首先，分析了典型电机系统的结构及测量噪声编码器的组成，在此基础上建立了电机系统和编码器的参数化数学模型，并根据电机系统和编码器模型给出了统一的参数化平稳卡尔曼滤波器设计结果。在Matlab/Simulink环境下完成了电机、编码器和卡尔曼滤波器的仿真模型，并利用不同参数对参数化平稳卡尔曼滤波器的普适性和滤波效果进行了预测。最后，搭建了实验平台，对仿真结论进行验证并对滤波性能进行了实测。仿真和实验结果表明：参数化滤波模型对典型电机系统具有普适性，自适应平稳卡尔曼滤波器可以利用编码器信号实现角速率的最优估计，误差标准差为0.021 (°)/s，最大误差可以控制在0.06 (°)/s之内，能够满足一般电机伺服系统对角速率精度的要求。

研究了生物组织的双折射率、质地密度及层次结构等不同特性对单探测器偏振相干层析(PS-OCT)信号傅里叶频谱的影响。探讨了单探测器PS-OCT的成像理论，建立了多层组织模型。以该模型为样品模拟了它的单探测器偏振OCT信号，并分析了不同模型参数对信号傅立叶频谱的影响。以牛软骨、新鲜及干牛腱为样品，利用单探测器PS-OCT系统对它们进行A型扫描，并对获得的数据进行傅里叶变换。获得的傅里叶频谱显示，随着样品双折射率、背散射率、结构层次等特性的改变，频谱中的谱峰形状及所对应的频率也发生变化，结果证实了单探测器PS-OCT系统检测多种生物组织特性的能力。

针对离轴三反光学系统检测和装调的复杂性,提出了一套结合了干涉测量技术的计算机辅助装调方法。采用多视场ZYGO干涉仪自准干涉检验各种失调量产生的残余像差，得到表征系统失调量引起残余像差的一系列Zernike系数,利用Zernike系数与Seidel像差系数之间的相关性将之转化为几何像差作为校正对象。由光学设计软件求得与系统失调量相关的灵敏度矩阵，并确定对残余像差影响最敏感的失调量。当失调量被确定后,将调整后的结果再次代入光学设计软件进行验证。多次迭代后，得到系统的RMS值<0.04λ的良好结果，证明了这种指导装调的方法是行之有效的。

为实现对水平式两轴转台中库德光路的快速高精度装调，建立了自准直平行光管与平面反射镜相组合的自准直装调和检测系统。介绍了水平式两轴转台中库德光路的组成和工作原理，根据光学自准直原理给出了库德光路的装调和检测方法；结合库德光路的特点推导出基于坐标变换的库德镜辅助装调模型，进而实现了库德光路的快速装调。最后，对装调好的库德光路进行了随经轴和纬轴转动的误差检测，得出两轴转台工作过程中库德光路的实际晃动误差。结果表明，通过装调的库德光路晃动误差仅为5.2″，满足设计指标要求的8″。该装调技术不仅适用于库德光路也可对其它的反射镜装调提供一定的借鉴和参考。

基于正弦函数和粒子群算法提出了一种误差补偿及参数辨识方法，用于提高圆光栅角度传感器的测量精度。使用光电自准直仪和金属多面体对圆光栅角度传感器的测量误差进行了离散标定，通过对标定数据的频谱分析，发现传感器测量误差主要由几种不同频率的正弦函数信号组成，由此提出了一种基于正弦函数的圆光栅角度传感器误差补偿模型。补偿模型中包含7个待定常量，本文采用粒子群算法求解这7个待定常量以克服最小二乘法无法收敛的问题。以待定常量为粒子位置坐标，以平均误差为适值函数，建立了一种基于粒子群算法的参数辨识模型，并根据参数辨识模型求出最优的待定常量。应用补偿模型对关节臂式坐标测量机的6个圆光栅角度传感器测量误差进行了补偿，结果表明：补偿后各角度传感器的平均测量误差减小了约398~1 102.5倍，大大地提高了传感器的测量精度。

为了减小超光谱成像系统的质量和体积，校正光谱成像的谱线弯曲，提出了一种新型带有Féry曲面棱镜的Offner超光谱成像系统。在该系统中，一对Féry曲面棱镜位于Offner中继系统的两臂，光束两次通过Féry棱镜进行分光，因此当获得指定大小的色散值时该结构具有比传统结构更小的质量和体积。为了减小可见近红外(VNIR)光谱通道的非线性色散，在该结构中还引入一对消色差火石Féry棱镜。设计了应用于VNIR和短波红外(SWIR)两个光谱通道的超光谱成像系统，并给出了设计结果。结果表明，该光谱成像系统在两个光谱通道内的谱线弯曲均小于0.1个像元，色畸变均<0.045个像元，而非线性度小于0.1，可满足机载或星载超光谱成像仪的要求。

研制了一套由压电陶瓷驱动器、压力传感器、环状力施加机构和控制电路组成的反射镜动态热变形补偿系统用于补偿激光反射镜热变形球差。圆形反射镜在两个同轴不同半径的环形力作用下，其内环区域产生曲率可变的抛物面形变，由此补偿反射镜热变形带来的球差项。对镜体进行了有限元数值计算，建立了变形量与沉积热量与受力的关系。采用口径为100 mm，厚度为8 mm平面反射镜进行了受力-变形以及辐照-受力-变形实验，利用干涉仪对面型进行监测。研究表明，在不同推力作用下，有效区域内变形始终保持抛物面形。给出了推力-面型变化曲线，在225 N推力下，中心最大变形超过3 μm。在不同热沉积量下，镜体中心位移和受力保持线性关系，力-变形系数为0.013 μm/N。

为了解决目前计量圆光栅的玻璃基片无法适应振动强度大、冲击力强等恶劣环境的问题，提出了采取新型材料聚碳酸酯(PC)来替代玻璃作为计量圆光栅制作基片的方法。分析了PC光学树脂的透光特性、耐热性和耐化学性能，给出了清洗PC的具体配方；结合现有光刻复制工艺，研制出先胶后铬的新型复制工艺；最后，以PC作为计量圆光栅基片，在蒸镀真空度为1.2×10-3 Pa，蒸发距离为150 mm的条件下，采用蒸发源质量控制膜厚的镀铬工艺参数，制作出了PC光学树脂基片的计量圆光栅。在45×显微镜下观察光栅线条，结果显示，线条陡直，无龟裂，表明该新型工艺可行，工艺参数正确，为进一步研制以PC光学树脂计量圆光栅为核心元件的精密测角仪器等提供了试验基础。

针对制作尺度<10 μm的超小微细阵列网板非常困难的问题，提出了采用过电铸工艺制造超小尺寸微细阵列网板的方法。建立了过电铸工艺过程的电场模型，利用有限元分析技术对过电铸工艺过程进行模拟仿真。选取优化的工艺参数(烘胶 120 ℃/60 min，曝光 3 000 mJ/cm2，显影 2 min等)利用光刻制作了高度为50 μm、直径为50 μm的AZ EXP 125nXT-10A光刻胶群柱结构，以此胶膜结构作为模具进行了过电铸工艺实验，并与仿真结果进行对比，结果证明了有限元仿真的正确性。最后，通过过电铸缩孔2 h获得了厚度达70 μm，孔径为4 μm的微细阵列网板结构。实验表明，过电铸工艺是一种低廉、安全、可批量生产的制作超小阵列网板的方法。

由于传统的基于干涉原理的测量方法无法对用于太阳X射线成像仪的Wolter I型旋转非球面反射镜进行检测，本文提出了一种在线检测此类反射镜面形的方法。以长程轮廓测量仪的原理为基础，经过改进、整合测量装置并在扫描机构中加入五角棱镜转折光路，搭建了一套Wolter I型旋转非球面反射镜面形检测装置，并对该装置的工作原理、结构参数设定以及数据处理算法等进行了研究。用一块标准平面反射镜作为基准面对该装置定标，并通过实测反射镜样品进行验证实验。实验结果表明：该装置的倾斜度测量误差为RMS 6.7 μrad，重复精度为0.75 μrad，轮廓测量精度约为PV 0.24λ,RMS 0.07λ，基本满足设计要求。

介绍了一种新型大视场、高灵敏度的复眼位标器，用于探测低空飞行目标并快速获取目标物体的运动参数。叙述了复眼模型的结构和制作方法，并利用Zemax对子眼成像通道光线追迹考察其成像特性。介绍了复眼标定与探测方法。采用基于LM算法的神经网络训练，建立各个通道精确的物像对应关系。为了检验神经网络标定算法的效果，采用传统的基于二次多项式拟合的算法进行校正对比。仿真结果表明，神经网络算法可以提供更好的精度，从像点可以准确地预测主光线的方向角(10-3~10-4 rad)，而且具有易于集成，方便快捷的特点。此外，进行了目标定位检测的仿真实验，计算了若干目标点的坐标，结果表明各个坐标相对误差均在3%以内，对于牺牲空间横向分辨率来提升视场角的复眼光学系统，该结果符合目标探测的要求。

针对磁悬浮飞轮用一次性锁紧装置不可重复锁紧/释放的缺点，提出了一种基于电机、碳纤维弹片和钢丝绳的可重复锁紧装置，并给出了锁紧装置的结构和工作原理。根据执行锁紧过程碳纤维变形状况，将其分为弯曲变形和受压变形两个阶段，并在此基础上对锁紧装置进行了受力分析。利用多学科优化软件iSIGHT集成有限元分析软件对碳纤维弹片进行了优化设计，以材料强度、结构反力和共振频率多学科要求同时作为约束条件，采用针对离散变量的全域遍数法嵌套连续变量的序列二次规划法对碳纤维弹片质量进行优化。优化结果显示，碳纤维弹片个数为12时，碳纤维质量达到最小为46 g，比初始质量112 g减少了59%。结果表明，该优化方法提高了锁紧装置设计的可靠性和效率，对飞轮系统整体优化设计有重要意义。

为提高微压印中抗蚀剂的复型精度，利用POLYFLOW，基于流固耦合方法对常温压印过程中抗蚀剂的流动进行了有限元模拟，系统地分析了抗蚀剂的初始厚度，留膜厚度，模具的深宽比，占空比，模具下压速度等因素对抗蚀剂流动填充的影响规律。搭建了压印的可视化实验平台，通过该平台对不同工艺条件(包括抗蚀剂的初始厚度，留膜厚度以及模具的下压速度)及软模具结构(深宽比，占空比)下抗蚀剂的流动填充过程及其填充形貌进行了实时观测，并与数值计算结果进行比较。结果表明，在不影响填充效率的情况下，采用低速下压(≤1 μm/s)方式，在占空比>0.375，深宽比<2时，填充度可达到90%以上。仿真和实验验证了优化的压印工艺条件和模具结构。另外，本文还引入了增加模板特征高度预留量的概念，可进一步提高复型精度。

为降低光学遥感器反射镜在复杂且恶劣的空间环境下的面形误差，设计了一种柔性支撑结构，使反射镜在具有良好的热尺寸稳定性的同时结构刚度满足力学要求。针对某长圆形光学反射镜组件，通过设置柔性铰链的厚度、最薄处厚度和柔性铰链圆弧半径3个特征参数，对柔性铰链进行合理的结构设计。采用有限元法对反射镜组件在力热耦合状态下的面形精度和结构强度及结构的动态刚度进行仿真分析，结果表明，反射镜面形PV值由350.08 nm降至59.03 nm，RMS值由102.67 nm降至9.11 nm，柔性结构保证了反射镜的热尺寸稳定性，同时满足力学要求。最后，对反射镜组件的力热模拟件进行力学试验，得到的结果显示其3个方向的基频分别达到264 Hz,290 Hz和320 Hz。这些结果表明，该柔性支撑结构设计方案是合理可行的。

在压弯聚焦镜的工程分析中，采用接触非线性分析方法分析某些关键部位可提高分析精度，比以往只用线性分析得出的结果更接近实际情况。针对用线性分析方法分析所研究的对象求解误差较大，本文分析了系统产生非线性的主要因素。对某压弯聚焦镜组件进行了有限元建模，采用接触非线性分析方法对拉杆被拉弯时聚焦镜的响应进行了分析。对比非线性分析和检测结果可知，当压弯的矢高相等时，检测结果和非线性分析的斜率和半径误差在0.4 μrad和5 km范围内，基本满足要求。对比线性分析、非线性分析的结果和实验数据表明：采用非线性分析的结果更接近实际情况，完全可在误差允许的范围内模拟压弯机构的实际压弯情况。

研究了用于扩展目标成像的相位差异技术。该技术利用焦面和离焦面上的两幅图像之间的相位差异来估算波前相位畸变，同时对采集的图像进行恢复。设计了白光目标成像实验系统，用宽带白光作光源，在实验室搭建实验平台，模拟无穷远处目标和波前相位畸变。采用直角梯形分光棱镜将光路分为两个通道，在一台相机上同时采集两个通道像面上的图像，消除了相机不同产生的差异，极大地抑制了噪声对图像恢复的影响，分光后系统抗两个通道独立的高斯白噪声的能力为10%。实验结果显示恢复后的图像分辨率提高了19%，表明该技术是适合光电成像系统的图像恢复技术。

为了给光电跟踪系统提供高性能的伺服控制，基于传统的PI控制器原理，结合变结构的思想，设计了一种变结构PI控制器(VSPI)。介绍了该控制器的工作原理并讨论了设计参数的选择。基于某型号光电跟踪系统，分别对采用了VSPI、抗积分饱和PI控制器(AWPI)和积分分离PI控制器(ISPI)作为位置回路控制器的伺服控制系统进行了仿真和实验。实验结果表明，采用了VSPI的光电跟踪系统基本无超调，上升时间为0.378 s，稳定时间为0.488 s，跟踪精度为1.26″。该系统结构简单，能实现嵌入式实时控制；与其他两种控制器相比综合性能更好，完全满足光电跟踪系统精度高、响应快的要求。

研究了在雷达/红外复合制导中如何将雷达的距离信息应用于红外图像序列的目标跟踪。针对目标渐进的图像序列，通过分析图像放大对相关性的影响，制定了一种根据弹目距离确定模板更新周期的模板更新策略。将距离更新、定时更新和基于目标模板缓冲区的模板更新相结合，提出了一种融合距离信息的自适应模板更新算法。以一座大楼为目标，验证了该方法的有效性。结果表明，该方法对目标渐进的图像序列有较强的自适应性，比传统方法大大提高了跟踪精度和跟踪稳定性，对实验中各类图像的跟踪正确率达90%以上。

为了提高路面病害检测系统的精度和自适应能力，研究了自动路面裂缝图像增强技术。针对图像每个像素建立由邻域一致性模糊熵测度、邻域模糊方差以及全局模糊隶属度组成的模糊特征模式对所有像素进行分类，实现对像素灰度渡越点位置的准确估计；在模糊隶属度函数设计上，利用修改控制顶点和权因子可局部地修改曲线形状的功能，通过非均匀有理B样条函数设计出一种双“S”形模糊隶属度函数作为灰度变换函数。提出的路面裂缝图像增强技术中的灰度变换函数不仅能和渡越点的位置很好地结合，而且其形状调节因子具备良好的灰度集中能力，仅需很少次数迭代增强就能达到突出路面裂纹的效果。实验结果显示，利用提出的图像增强技术可使路面裂缝病害像素正确检测率达到95%，该技术很大程度地提高了路面裂缝自动检测系统的可靠性和检测精度。

为了减轻平板显示器 (FPD)中运动图像的拖尾现象，提出了一种模拟阴极射线管 (CRT)灰度复现过程的灰度控制算法。首先，介绍了FPD的基本概念，阐述了目前减轻拖尾现象的主要技术——插黑技术；在阐明运动图像产生拖尾现象原因的基础上，分析了FPD和CRT显示运动图像时人眼的工作过程以及某一像素的灰度复现过程。然后，根据算法推导，说明了算法的实现步骤，对比了采用传统的灰度控制算法和文中提出的灰度控制算法的显示效果。最后，介绍了VHDL语言编写的执行主程序和详细的复现过程。实验结果表明，当FPD显示运动图像时，其成像质量得到了明显改善，拖尾现象减轻约90%，符合人眼反射机理，且没有亮度损失。另外，该算法运算量少，不占储存空间，易于硬件实现。

为了有效地进行纹理分析，提出一种基于局部Walsh谱的纹理特征旋转不变性描述方法。首先，比较每个像素点与其邻近点的灰度值生成局部二值序列，并计算序列离散Walsh变换的功率谱；然后，采用功率谱的各谱点值构成特征直方图描述纹理特征；最后，从序列的列率特性出发，构造了新的两族局部Walsh谱，揭示了局部Walsh谱与局部二值模式之间的联系。因为离散Walsh变换功率谱具有循环移位不变性，所以局部Walsh谱具有先天的旋转不变性。实验结果显示，与灰度共生矩阵和Gabor滤波器组相比，局部Walsh谱的纹理分类准确率较高；与局部二值模式相比，在相同尺度下局部Walsh谱的分类准确率比其高出3%以上，对两幅旋转纹理图像分割的错误率比其低11%和3%，表明提出的方法具有较好的纹理鉴别能力和旋转不变性。

为使面阵CMOS图像传感器具有TDI成像功能，研究了TDICCD的工作原理,提出了一种基于数字域的TDI算法，并讨论了如何利用FPGA实现该算法。该算法可在不改变CMOS器件构造的前提下，使其具有时间延迟积分功能。通过举例法推导出面阵CMOS图像传感器数字域TDI计算公式，并在此基础上优化了算法结构，优化后可以节省(m-1)(m-2)/2行内存空间。最后以航天相机为背景，讨论了地面像元分辨力、行转移时间与CMOS帧频的关系，通过一个算例计算出不同分辨力和积分级数条件下对CMOS帧频的要求。计算结果表明，帧频大于648 frame/s的1 280×1 024CMOS，可以满足600 km轨道高度下地面像元分辨力为1 m的96级积分成像要求。

提出了应用弦切变换(CTT)来提取目标几何形状特征的方法，并基于对提取形状特征的匹配实现了对二维目标的检测。介绍了弦切变换的理论依据和算法的实现过程，同时进行了误差及可靠性分析。分析和实验表明，由于CTT可基于边缘点信息提取出更有意义的几何形状特征，这种几何特征不但具有平移、旋转和缩放的不变性，同时还可以输出目标相对于模板的旋转角度、缩放尺度等运动参数信息，因此，该方法在一定程度上克服了传统方法中灰度特征易受复杂环境和光照变化等影响的缺点，同时该特征对于目标边缘的部分失真或缺损也具有一定的鲁棒性。最后，对多组复杂环境下的图像序列进行了仿真实验，实验结果显示，检测的平均成功率达90%以上，而且在目标缺失或变形达到40%时，仍能得到比较准确的检测结果，这些结论验证了该方法的有效性。

为提高网络化智能传感器的互操作性，在分析IEEE 1451标准传感器的定义和功能需求的基础上，利用统一建模语言(UML)，分别从静态用例建模、动态顺序描述和系统部署3个层面构建了一系列面向网络化测控的通用型智能传感器系统模型，搭建了一款可用于在线检测绝缘子污秽状况的网络化智能传感器。相对于从传感器原型开始开发，该方法减少了60%以上的开发时间。实验结果表明，利用UML统一建模方法可以有效描述基于IEEE 1451标准的网络化智能传感器的简化模型，为后续研制及优化高性能的智能传感器提供理论参考和模型基础。建立的传感器模型具有通用性和可扩展性，能关联不同的物理接口；结合实际需求，可在该模型的基础上快速扩展构建所需的网络化智能传感器，能实现传感器的“即插即用”和实现良好的网络互操作性。