对适用于温度传感的双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪进行了研究，并通过将一根单模双芯光纤熔接在两根单模光纤之间，制得了双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪型梳状滤波器。用干涉原理分别分析了该器件传输谱的自由空间谱宽与波长、双芯光纤的长度和两纤芯间的有效折射率差的关系，实验检测了它的温度特性。结果显示，随着温度的升高，该器件的传输谱发生红移。在相同温差下，不同波长处的波长漂移值不同，短波长处波长漂移较小，长波长处波长漂移较大。在固定波长处，该器件的传输谱的波长漂移实验数据与温度变化具有较好的二次曲线关系。该器件的温度灵敏度和波长有关，不同波长处灵敏度不同；固定波长处，灵敏度与温度成正比。另外，通过对单模光纤与双芯光纤熔接处的拉锥处理，可以有效降低所制器件的插入损耗。实验制得了插入损耗约为7 dB的梳状滤波器，其体积小、制作容易、与光纤系统具有良好的匹配性，可应用于光纤温度传感。

提出用弹性球状小磨头以旋进方式加工WolterⅠ型反射镜的柱面内表面，根据Preston方程、Hertz接触理论和掠入射反射镜特殊的柱面结构，推导出基于旋偏动模式的磨头去除函数理论模型。实验结果表明，理论去除函数曲线与实验曲线的均方根距离偏差σ为0.101 22 μm，偏差比值κ为9.8%。分析验证了不同旋偏角对去除函数的影响并与理论模拟结果进行了比较。结果显示, 随着旋偏角的增大，最大去除值位置逐渐向y轴正方向偏移。不同的旋偏角，最大理论去除深度与最大实际去除深度的均方根偏差为0.201 μm；最大理论去除位置与最大实际去除位置的均方根偏差为0.255 mm。旋偏角越大，材料去除量就越多，去除函数也越显对称。实验结果很好地验证了去除函数理论模型的准确性，该模型可指导WolterⅠ型掠入射反射镜的加工，实现确定性材料去除。

针对在微型飞行器上测量空气流速矢量的需要，提出了一种比空速管轻巧、比热线式流速传感器抗干扰能力强的微型热膜式流速传感器及其组合系统。与热线式流速传感器相似，热膜流速传感器仅输出电阻值信息，对流速和流向均敏感。将多个传感器按照一定规律组合，可实现对一定角度范围内的流速矢量的测量，从而拓展其应用。结合试验推导了组合传感器测量流速矢量的原理与实现条件，讨论了传感器布置的优化方式并进行了误差分析。传感器特性的实验结果表明，按照45°间隔角布置的3个热膜式流速传感器联合，可以测量180°范围的流速矢量。结合推导与实验，证明组合测量方法可行有效，所占空间和能耗均低于阵列方案，且可推广至其它同类型流速计。

为了克服传统微波功率传感由于失配和热损耗带来的微波功率测量误差，提出了一种基于MEMS技术的对称式微波功率传感器，对该微波功率传感器的微波损耗、温度分布以及微波功率的精确测量进行了研究。首先，根据提出的损耗模型推导了微波损耗功率和损耗电压的表达式，并建立了该传感器的传热解析模型；接着，设计并制作了该微波功率传感器；最后，对该功率传感器的补偿因子、灵敏度和频率依赖特性进行了测试和分析。测试结果显示：该传感器在5,10，15 GHz频率下的补偿因子分别是1.56，2.12和2.56 dBm,灵敏度可达到0.18 mV/mW，输出电压与微波频率的相对偏差<2%。结果表明，对称式微波功率传感器可通过测量直流功率来实现测量微波功率的目的，且明显地提高了微波功率测量的精确度。

针对使用仪器检测电容型碳纳米管湿度传感器的电容信号不利于传感器的使用与推广问题，提出了一种基于555多谐振荡式电路检测的电容型碳纳米管湿度传感器。首先，分析了传感器工作原理以及检测电路的检测原理，设计并制作了电容型碳纳米管湿度传感器；然后，分别使用仪器及检测电路对传感器进行测试；最后，对传感器响应时间进行了测试与分析。实验结果表明，该传感器在环境相对湿度从11%变化到97%过程中，电容相对灵敏度为905%，输出频率相对灵敏度为889%，两者较为吻合，表明该电路能很好地将电容信号转化为频率信号输出。另外，传感器对湿度的响应时间约为4 s，恢复时间约为18 s，功耗约为12 mW，具有功耗低、响应速度快等优点。

针对热机械式微纳米结构的加工，提出了一种以掺Al多晶硅为材料，集成于微悬臂梁上的加热器。采用Al诱导退火晶化(AIC)方法，在750 K对Al/a-Si∶H复合薄膜低温晶化18 h，制备出掺Al多晶硅。通过低温退火，使复合薄膜的拉曼特征峰由478 cm-1移至520 cm-1，完成由非晶硅向多晶硅的转变；由四探针仪测得室温下样品的电阻率由退火前的1010 Ω·cm降至16.8×10-3Ω·cm，实现了多晶硅的Al掺杂；在扫描电镜下观测到退火后Al与a-Si∶H层的界限消失并形成一层均匀的薄膜；这些结果表明得到了晶化程度很高的Al掺杂多晶硅。继而研究了掺Al多晶硅与氮化硅悬臂梁的集成工艺，采用微加工方法将掺Al多晶硅制成微加热器。使用ANSYS软件仿真加热器的工作过程，在10 V,0.3 μs脉冲驱动下，加热器升温至782.8 K，降温时间约1 μs。仿真分析显示，采用AIC法制得的掺Al多晶硅具有良好的热电特性，符合用于对高分子材料进行热机械微纳加工的微加热器的性能要求。

为了实现对金属材料中微纳米级裂纹的超声检测，建立了非线性超声检测系统，研究了超声波与金属材料中裂纹的相互作用以及超声波的畸变效应。介绍了固体中普遍存在的超声非线性现象；以金属材料中的微纳米级裂纹为例研究了裂纹与超声波相互作用产生的畸变效应；在分析超声波产生畸变的基础上，描述了超声高次谐波振幅的测量方法。最后，以金属材料疲劳裂纹为例，利用常规超声检测和非线性超声检测两种方法，证明了非线性超声检测在微纳米级裂纹检测中的有效性。实验结果表明：疲劳裂纹扩展长度与二次谐波激发效率关系密切；利用二次谐波，非线性超声检测方法检测出的裂纹长度比常规超声检测方法检测出的裂纹长度增加了30%，实现了对金属材料微纳米级裂纹的检测。

为了研究和优化地基大口径望远镜系统的整体性能，对其整系统进行了有限元建模和分析。针对1.23 m口径的光电望远镜，研究了望远镜各部件的结构特点及连接关系，论述了相关部件的简化方法，建立了整系统的有限元模型。计算了当望远镜指向天顶和水平状态时系统的重力变形情况，给出主次镜的变形结果。分析了望远镜在风载和地震波载荷作用下的动态响应情况并给出了响应结果。分析表明：风载作用将引起望远镜主次镜光轴偏心，其偏心误差RMS值为0.025″，满足系统设计要求；地震波引起主次镜在3个方向上的位移较大，但最大应力为16.67 MPa，不会破坏望远镜系统的结构。

为满足高精度寻北的工程需求，针对激光陀螺内部腔体温度变化和锁区不稳定性等因素会使速率偏频激光陀螺标度因数发生缓慢变化的问题，提出了在线估计标定因数的方法，并研究了速率偏频激光陀螺寻北仪及其标度因数测量误差。首先，通过标度因数实验研究其变化规律；然后，仿真分析了激光陀螺标度因数测量误差对寻北精度的影响；最后，根据陀螺测量值周期重复变化规律，提出了一种在线一阶递推估计标度因数变化的算法，通过引入单轴转台的角度测量值，得到了标度因数的变化参数。仿真分析表明，该算法对速率偏频激光陀螺标度因数变化的估计误差优于1×10-6，由标度因数变化引起的寻北标准差减小至2″左右。寻北实验结果表明，该算法能够有效抑制标度因数变化引起的寻北误差，5 min寻北标准差达到24″，基本满足高精度寻北的需求。

为了提高航天航空精密零部件加工设备的可靠性、安全性，缩短研制周期，提出了一种实时监测精密零部件加工过程产生裂纹的方法，并根据此方法，研制了一台基于TI公司最新浮点数字信号处理器—TMS320F28335的精密零部件裂纹实时监测仪的样机。考虑在线实时监测的需要，采用了基于声发射(AE)技术的方案。介绍了裂纹实时监测方法的总体方案及其相应系统的硬件组成，描述了数字信号处理算法，并对裂纹实时监测仪样机进行了试验验证。试验结果显示，研制的样机能达到无漏检，误检率为1.2%，验证了本文所提方法的有效性。

针对图像畸变对平面图像几何线度精密测量精度的影响，提出一种直接利用标准网格板作为测量基准的畸变校正方法。根据待测物体与网格板处于相同物面时，其图像畸变与网格板图像畸变相同，待测点在网格板图像中相对网格的几何位置不变这一性质，提出直接使用发生畸变的网格板图像作为校正基准来代替通过建模将外部标准转换为摄像机内部基准的畸变校正思路。首先，确定待测点在网格板畸变图像中的初始位置；然后，根据平行线分线段成比例定理确定待测点在网格板畸变图像网格内的精确位置，对两者求和完成待测物体上任意两点的实际几何线度测量。实验证明，当校正网格板间距为1 mm，精度为0.2 μm时，使用提出方法得到的畸变误差是现有校正方法的20%，校正精度可达4 μm。该方法省去了建模过程，其校正精度仅与网格板精度有关，具有更高的精度和适应性。

为了提高影像测量系统的测量精度，研究了基于微位移错位的多幅图像超分辨重建技术。考虑制作成本和制作难度，提出了一种不苛求精确微位移的超分辨率重建技术。首先，获取随机微位移图像序列；然后，利用被测对象中易于实现高精度提取的特征点或采用模板衬底中的特征点计算出图像序列间的准确位移关系；最后，根据本文提出的数学模型重建出高分辨率图像并用于影像测量。实验结果显示，在图像分辨率提升至原始图像4倍时，对于不同大小的微位移，测量精度提升了29%~64%，表明该方法能够有效地重建出包含被测信息的高分辨率图像，进而提升影像测量系统的精度。

为了精确测量自支撑金属薄膜厚度及其厚度分布，提出了基于白光共焦光谱传感器的金属薄膜厚度测量技术。介绍了该技术的测量原理及系统结构，研究了系统的测量不确定度。利用相向对顶安装的白光共焦传感器组、精密位移平台并结合自制的薄膜厚度校准样品，实现了对厚度为10～100 μm的自支撑金属薄膜的厚度及厚度分布的精确测量；通过研究系统的传感器测量不确定度、薄膜厚度校准样品不确定度、上下传感器安装误差及系统重复性测量误差，获得了系统的测量不确定度数据。试验结果表明，该系统的测量不确定度在0.12 μm左右，基本满足惯性约束聚变(ICF)靶参数测量所需的稳定性好、测量精度高、非破坏性测量等要求。

给出一种上下文自适应的游程编码和扩展指数哥伦布编码。利用游程编码算法对图像小波系数及ROI掩模进行上下文自适应建模并输出三元组样本；然后扩展普通的指数哥伦布编码，使其可以编码由游程编码建模输出的三元组样本，在对小波系数编码的同时可以携带感兴趣区域掩模标记信息。由此得到一种可以区别感兴趣区域和背景区域的高效编码算法，并以此算法为基础提出一种感兴趣区域编码的编解码框架，该框架包括5/3小波变换、小波域掩模标记生成、不均匀最佳量化、游程编码和扩展的指数哥伦布编码。该算法的游程建模过程简单，熵编码算法可用闭合公式表达，具有较高的可实现性。实验结果表明，提出的算法支持多个任意形状的感兴趣区域，感兴趣区域相对于背景区域的编码优先级可调，并且可以获得高于基于BbB-shift的SPIHT算法的压缩性能。

针对复杂场景中包含的摄像机扫描运动、随机抖动和目标运动，提出一种基于帧间可变块差分的运动目标检测算法。首先，利用全局特征点估计运动参数对帧间背景进行补偿，提取图像的全局特征点并匹配，以特征点集的最小位置误差和作为目标进行迭代，获取误差不大于0.5 pixel的全局运动参数，并精确补偿当前帧实现背景校正。然后，利用可变块差分实现运动目标的检测。先用大尺寸对差分图像进行分割，将整幅图像粗略区分为背景区域、运动目标区域和边界区域，通过阈值判定来进一步细分，最后对运动目标区域进行准确标定。这种由粗到细的检测步骤，在保证精度的同时能够提高检测速度。实验结果表明，该算法能够准确检测含摄像机扫描和抖动的复杂运动场景中的前景运动目标，且处理速度达到25 frame/s。

针对激光自混合速度传感应用，采用新型垂直腔面发射激光器作为自混合干涉系统光源，对采用不同散射表面类型和工作电流所获得的自混合测速实验结果进行了研究。研究结果表明，黑色相纸材质的散射表面会对自混合信号产生不利影响；选择激光器的工作电流在阈值电流1~1.4倍时能获得较大且稳定的自混合信号。考虑该测速系统实际应用中存在开机预热时间，讨论了激光自混合系统的开机重复度。结果表明，开机后17 s左右，频率计计量的多普勒频率趋于准确和稳定。此研究结果可为垂直腔面发射半导体激光器自混合测速系统的光源选择和参数优化提供指导。

为了使曝光波长为193 nm的深紫外光刻系统能够制备曝光线宽为90 nm及以下节点的集成电路芯片，设计了采用环形照明模式且部分相干因子σ连续可调，能满足不同曝光线宽要求的光刻照明系统光束整形单元。首先，用几何光学定律和三角函数推导了轴锥镜移动距离与光束放大倍率之间的函数关系；根据对变倍凸轮的合理性和装调公差灵敏度的分析，确定了轴锥镜组参数的变化范围，完成了变倍镜组与轴锥镜组合的光束整形单元的设计。最后，在组合系统后面加入了可连续变倍的缩束系统，实现了σ的连续可调。设计结果显示，在环形照明模式下，归一化的环宽Δσ和外环直径σouter分别在［0.25,1］和［0.4,1］内连续可调,满足设计要求。

采用基于多元性能退化量的评估方法研究了光纤陀螺贮存可靠性。首先,采用协方差矩阵分析了量化多元性能退化量的相关性并利用联合概率密度函数表征产品失效概率密度，由此给出了基于多元性能退化量的产品可靠性评估的一般方法。接着，在对光纤陀螺进行特性分析的基础上选取零偏、零偏稳定性和标度因数作为性能退化参数，开展贮存试验并获取在一定贮存条件下的性能退化数据。最后，采用基于多元性能退化量的可靠性评估方法对光纤陀螺进行可靠性评估，得到了光纤陀螺贮存可靠性指标。贮存条件为60 ℃，考虑性能退化参数相关性时，光纤陀螺贮存寿命为32 800 h；假设性能退化参数间相互独立时，贮存寿命为13 200 h。结果表明，当产品具有多个性能退化参量时，基于多元性能退化量的评估方法得到的可靠性指标更加合理。

介绍了将经典抛光方法与数控加工技术有机结合的多模式组合抛光技术。描述了多模式组合抛光的关键技术之一，材料去除率仿真模型的建立方法。通过设置抛光盘因子和元件因子，多模式组合抛光的材料去除模型不仅包含抛光模式、速度等加工参数，还将抛光模形状、边角效应、元件面形误差等因素对材料去除的影响一并考虑入内，可以根据抛光阶段的不同，选择不同的仿真精度。实验发现，多模式组合抛光可以显著提高加工效率，并且具有较好的对中频误差的抑制和修正能力。多模式组合抛光目前的应用水平大致为球面、平面元件的面形误差达到20 nm(rms)，非球面元件的面形误差达到30~40 nm(rms)左右。结果表明，多模式组合抛光在大口径元件的光学加工方面具有较强的适用性和很大的发展空间。

选择路灯时，需基于恰当的光度测量模型对不同类型路灯的发光效率进行比较。以两种常用路灯光源和两种LED路灯光源为研究对象，对道路照明环境中人眼处于的视觉状态进行了分析，进而通过MOVE模型求得这4种路灯在中间视觉状态下的发光效率。与明视觉状态下的发光效率比较，LED路灯和金属卤素路灯在中间视觉状态下的发光效率大大提高，而高压钠灯有所降低。中间视觉状态下，当环境照明亮度从0.03 cd/m2变化到0.1 cd/m2再变化到0.3 cd/m2时，标准LED路灯的发光效率首先从131.2 lm/W 降到122.7 lm/W，然后又上升到140.5 lm/W。结果表明，由于人眼视觉响应是随环境照明变化的，在中间视觉状态下LED路灯比常用路灯的发光效率高，通过光谱加强等优化方法可以得到发光效果令人满意的LED光源。

设计和制作具有较高波前平面度和结构稳定的干涉曝光系统是研制高质量平面全息光栅的首要条件。对离轴抛物镜/洛埃镜系统、单透镜/洛埃镜系统、球面反射镜/洛埃镜系统和双分离透镜/洛埃镜系统等4种单反射镜干涉曝光系统产生的干涉条纹直线度进行了光线追迹。在干涉场中放置标准光栅，使用于曝光的两束平行光入射到光栅上，从而衍射光相干叠加产生莫尔条纹；并对上述4个系统产生的莫尔条纹做了模拟。利用Zernike多项式对莫尔条纹进行拟合得到干涉曝光系统的波前像差，比较了4个系统的差异。结果表明，采用离轴抛物镜/洛埃镜系统制作中、小口径平面全息光栅是最为合适的。在此基础上，研制了用于制作最大尺寸为110 mm×110 mm，刻线密度>1 200 l/mm的平面全息光栅的离轴抛物镜/洛埃镜干涉曝光系统，在洛埃镜和离轴抛物镜面形精度为λ/8(λ=632.8 nm)的前提下，平面全息光栅的衍射波前像差为0.239 6λ(λ=550 nm)。此系统经过消除外界扰动和精细装调后，可用于制作衍射波前像差达λ/6~λ/7(λ=550 nm)以上的平面全息光栅。

针对车载跟瞄设备对低轨卫星进行跟踪时，采用传统的卫星轨道双行根数预报数据精度较低，而且在跟踪过程中遇到云雾遮蔽或天顶跟踪盲区时易发生目标丢失现象，提出利用单站车载跟瞄设备获得的实测数据，基于改进的拉普拉斯轨道预测方法对卫星轨道进行预测。考虑预测模型、测量轴系和坐标变换等多种原因造成的预测误差，讨论了减少误差的方法，并采用插值方法对预测偏差进行了误差修正，获得了较高精度的引导值。实验数据表明，对轨道数据进行7 s外推后，方位和俯仰预测精度可由双行根数预报的3′左右提高到10″量级，解决了卫星穿云或过天顶盲区时的稳定捕获跟踪问题。

设计了高分辨率空间相机的电控箱，以解决其散热问题。首先，概述了电控箱热设计的基本流程。然后，采用了加导热片、表面发黑处理、填充导热填料等高可靠性的导热和辐射方式对需要散热的电子元器件、印制电路板以及设备机箱进行散热。通过真空条件下的热试验对热分析模型进行了修正，根据热试验和热分析的结果对热设计提出了增加机外热管的改进措施。最后，根据改进后的措施，利用修正后的模型对热控系统进行了热分析计算。结果表明，改进热控措施后电子元器件的结温温度为40.2～62.7 ℃，表明增加机外热管后器件散热效果明显。改进热控措施后热设计合理，所采取的热控措施能够满足设计要求。

为了增大机器人肩关节的工作空间和承载能力，改善机器人肩关节的通用性与适应性，提出一种基于3-RRR正交球面并联机构的新型机器人肩关节，并对机器人肩关节进行了静力学分析和结构参数设计。首先，应用虚功原理建立机器人肩关节的静力学传递方程；其次，利用矩阵理论中的范数知识，将力雅克比矩阵引入静力学性能评价指标中，定义了机器人肩关节的静力学性能评价指标和全域力矩性能评价指标，并绘制了静力学性能评价指标在工作空间内的性能图谱。建立了基于机器人肩关节全域力矩性能评价指标的目标优化函数，分析了目标优化函数与全域力矩性能评价指标的关系，并利用全域搜索法，得到了机器人肩关节的优化结构参数：中间杆WB的杆长为49.8~60 mm，连架杆AU的杆长为90~112 mm。分析结果表明，机器人肩关节在初始位置附近具有良好的静力学传递性，且其随着转角的增大而降低。最后，根据优化的结构参数设计了新型的机器人肩关节。

为减小振动对机载光电侦察平台成像质量和稳定精度的影响，对光电平台进行了复合减振设计。分析了复合减振原理，针对以往单级隔振系统存在的缺点在平台内框架和外框架之间设计了二级减振系统，更加有效地隔离了外框架传递到内框架上的振动。采用二维参数优化方法计算出了复合减振系统的最优固有频率比fopt为1.43，最优阻尼比ζopt为0.243。最后，通过振动试验验证了光电平台复合减振效果。与以往单级隔振系统相比，复合减振系统的最大振动传递率降低了50%，振动传递率小于1的频率范围更宽，高频时传递率的衰减程度也大大优于单级隔振系统。得到的结果表明了光电平台复合减振设计的合理性和有效性。

研究了微细切削条件下，刀具前刀面上的积屑瘤状态对切削表面轮廓特征的影响，为合理选择和控制微细切削刀具的切削条件，以及评价微细切削的表面形貌特征提供实验依据。利用表面粗糙度仪分别提取了无积屑瘤、积屑瘤生长、稳定和脱落等4种积屑瘤状态下的切削表面轮廓，选取幅值密度函数(ADF)、自相关函数(ACF)和功率谱密度函数(PSD)等数理统计函数，以及时间序列模型参数和自回归(AR)谱分析了聚晶金刚石(PCD)刀具表面积屑瘤状态对微细切削表面轮廓特征的影响规律。结果表明，无积屑瘤和积屑瘤稳定阶段，AR谱的谱峰分别出现在91.7 c/mm和93.7 c/mm处，与进给量的倒数比较接近；积屑瘤生长和脱落状态阶段，谱峰出现的空间频率明显偏低，与进给量之间的对应关系不再显著。积屑瘤与切屑之间的不规则接触将破坏微细切削表面轮廓空间结构的一致性；积屑瘤生长和脱落阶段获得的表面轮廓的AR谱中存在明显的空间低频谱峰。

设计并制作了一种基于静电力驱动的数字微流控芯片,用于构建芯片实验室。介绍了静电力驱动原理和芯片制作工艺流程，搭建了驱动检测实验平台。该芯片采用硅作衬底，氧化硅作绝缘层，TiW/Au为驱动电极阵列，氮化硅作介质层，碳氟聚合物为疏水层。由于采用开放式的结构，只需单层共平面控制电极，简化了工艺流程，优化了器件结构；而驱动电极阵列嵌入在氧化硅中，改善了减小介质层厚度时介质层对金属的台阶覆盖性，减少了电极边沿突起引起的边界击穿。另外，采用较薄的高质量介质层和疏水性能好的疏水膜层，大大降低了液滴驱动电压。实验显示，在20 V驱动电压下，该工艺可实现液滴按程序设定方式在二维平面内流畅运动，最大运动速度达96 mm/s。提出的芯片制作工艺简单，与IC工艺兼容，可应用于生化分析芯片实验室系统。