在硬件资源有限的情况下，为了支持尽可能多的子孔径进行实时波前斜率处理，提出了一种基于累加器的波前斜率处理器。该处理器的运算核心是子光斑质心计算模块，根据二维图像矩计算的可分解性以及一维矩的递推累加求解方法，用加法运算代替子孔径坐标与像素灰度的乘法运算，获得灰度重心法所需的所有二维低阶矩。该模块仅由5个累加器组成，硬件实现时避免了乘法器的使用，降低了资源消耗。仿真实验结果表明：对于22×22方形排布的哈特曼-夏克波前传感器图像，本文的结构可在FPGA内实现；在100 MHz的工作频率下，完成一帧所有子孔径斜率计算的延迟时间为0.33 μs，计算误差<0.002 pixel；与传统的波前斜率处理器相比，其逻辑资源消耗减小了40%左右。所提出的结构能够在不增加额外资源的情况下，通过对原波前斜率处理器进行升级来完成，其支持的子孔径数目增加1倍左右，实现了波前斜率的高速、高精度提取。

为解决传统头戴式显示器大视场、大出瞳距与小型、轻量化之间的矛盾，设计了折/衍混合自由曲面式头戴显示器的光学系统。利用衍射元件的特殊色散特性校正系统色差；选取最佳的自由曲面面型组合校正系统的像散、彗差和畸变；由光学塑料(PMMA)注塑成型的自由曲面棱镜形成离轴结构，使光学系统结构紧凑、便于装调。设计得到的光学系统出瞳距离为17.4 mm，出瞳直径为4 mm，对角线视场为55°，光学系统的点斑RMS半径小于30 μm，各视场光学调制传递函数在30 lp/mm时大于0.1，系统畸变小于10%。实际分析结果表明，该系统具有良好的成像质量，系统像差特性满足目镜系统的成像要求，可以满足虚拟现实各领域的实际需求。

针对影响激光测量直线度误差的主要因素之一激光光线漂移，提出了一种基于共路光线漂移补偿的直线度误差测量方法，给出了具体的测量原理和系统构成。从产生激光光线漂移的几个因素出发，理论分析了所产生的光线漂移对直线度误差测量的影响，建立了相对应的光线漂移补偿模型。结果表明，进行补偿后激光器出射光线引起的光线漂移在X方向的最大漂移量由28.4 μm减少为5.6 μm，Y方向的最大漂移量由21.6 μm减少到5 μm；由温度梯度引起的光线漂移经补偿后最大漂移量由65.7 μm 减少为8.9μm。实验结果与理论分析均表明，该方法能有效减少各种因素引起的光线漂移对直线度测量结果的影响，提高测量直线度误差的准确性。

研究了利用圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的方法，以实现非零位补偿法对大口径非球面的测量。分析和研究了该技术的基本原理，并基于齐次坐标变换和最小二乘拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型；分别开发了圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的算法软件；设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置，并分别利用圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接实现了对一口径为350 mm的双曲面的检测。对待测非球面进行了零位补偿检测实验，结果显示，圆形子孔径拼接与全口径补偿测量结果的PV值和RMS值的偏差分别为0.031λ和0.004λ；环形子孔径拼接与全口径补偿测量结果的PV值和RMS值的偏差分别为0.028λ和0.006λ；3种方法测量所得的面形分布都是一致的。所提出的方法提供了除零位补偿检测外的另一种定量测试大口径非球面的手段。

为了给燃烧诊断光学系统中机械振动对光学性能的影响提供预测评价方法，对振动干扰下光路失调数值的精确计算进行了研究。利用ANSYS有限元分析软件建立了光学振动失调物理模型，通过瞬态动力学分析得到了反射镜在振动激励下的位移响应。基于矩阵光学、几何光学理论和机械振动理论，分析了反射镜的振动失调光束传输变换矩阵，建立了振动失调光路传输理论模型，推导出了振动激励下光路失调数值计算方法，并通过实验对该计算方法进行了验证。实验结果显示，水平和垂直方向的仿真计算结果与实验测试结果的相对误差分别为4.1%和0.8%，表明该计算方法具有很高的精度。

为修正由轴系误差引起的水平式激光发射系统的指向误差，借鉴经纬仪视轴指向误差的修正方法——单项差法和坐标变换法，建立了激光发射系统指向误差的修正模型，得到了轴系误差在激光发射光路中的传递规律。介绍了系统光机结构及建模理论，导出了反射镜的作用矩阵。通过建立水平式跟踪架笛卡尔坐标系，将激光光束看作空间内一单位矢量，并借助矢量旋转与坐标变换，得到了各单项误差解析式；通过线性叠加得出激光发射系统指向误差的修正模型。结合电视跟踪系统所测量的激光束指向误差，采用最小二乘法拟合得出修正模型中各待定系数。实验结果表明：指向误差经修正后，系统在某两轨道上和天顶区域的指向精度可达到3.1″和9.7″，满足系统设计的精度要求。

针对现有高温高压油井下对温度和压力的实时长期监测要求，设计了温度补偿式光纤光栅温度压力双参量传感系统。根据传感器的使用环境，优选了恒弹性合金。采用优选后的恒弹性合金作为基底材料设计了圆筒与圆形膜片组合式传感器结构，圆形膜片是整体加工成型的。最后，对传感器进行相关实验测试。实验测试与误差分析结果显示，传感器实现了温度和压力的大量程测量，传感特性呈单值线性，温度补偿可一体化封装；温度线性检测区为0~350 ℃，温度灵敏度为0.020 1 nm/℃,温度测量静态误差为0.029%；压力线性检测区为0~60 MPa，压力灵敏度为0.013 6 nm/MPa，压力测量静态误差为0.046%，这些指标能够满足实际工程的要求。

分析了星载成像光谱仪杂散光的来源和危害，研究了杂散光对此类光谱仪光谱测量精度的影响。介绍了用点扩散函数描述成像光谱仪杂散光的原理，推导了杂散光影响矩阵和杂散光修正矩阵的求解，给出了杂散光测量和修正的具体方案，并对测量和修正精度进行了分析。实验表明，基于点扩散函数的矩阵法可实现成像光谱仪杂散光的测量和修正。像元中心波长入射时，修正后有效信号降低不足1%，杂散光信号降低至少99%；像元中心波长和非像元中心波长同时入射时，修正后像元中心波长处有效信号降低7%左右，非像元中心波长处有效信号降低25%左右，杂散光信号降低近50%。最后，从原理上解释了杂散光修正效果受入射光波长影响的原因。

为使大周期下带宽较窄的频率选择表面(FSS)结构透过率较高，以Y环单元为基础提出了一种提高通带透过率的新方法。该方法在周期单元内设置圆形孔径，通过增大占空比来提高透过率。运用谱域Galerkin方法数值分析了这种结构的传输特性，结果显示，确定R=0.5 mm，单元周期内圆孔个数为12时，中心频点10 GHz的透过率提高了0.11 dB。采用镀膜与光刻相结合的技术制备了相应的试验件，并进行了微波测试，测试值与计算值基本一致。开圆孔Y环的中心频点透过率在电磁波垂直入射的情况下为-0.62 dB，比对应Y环提高了0.21 dB，而在30°和45°倾斜入射的情况下，TE波的透过率分别为-0.66 dB和-0.81 dB，比对应Y环分别提高了0.32 dB和0.27 dB；-3 dB带宽分别为1 GHz和0.8 GHz，两种结构的带宽基本一致。得到的结果表明，提出的方法是大周期下提高通带透过率的一种行之有效的方法。

针对微钻头的圆角、外径等的检测，研究了微钻头棱边投影的拟合方法。首先，采用印刷电路板(PCB)微钻头高精度自动化检测系统采集图像。在对微钻头棱边投影的椭圆方程进行拟合时，以采样点坐标的组合矢量坐标到超平面距离的平方和为目标函数。然后，根据求解目标，设计一个有侧向连接的Sanger网络，以采样点坐标组成的矢量坐标为Sanger网络的输入。最后，采用自适应次分量的提取方法，以自相关矩阵的最小特征值所对应的特征向量为超平面的拟合系数，即椭圆方程拟合系数，得到微钻头的圆角、外径等技术指标。这种自适应Sanger网络在工件形状误差检测中的应用方法能满足微钻头检测的精度要求。

为了消减压印对准系统焦平面调整过程中由于机构机械不稳定性产生的对准误差, 提出了拟合调整架摆动轨迹来进行软件补偿的方法。通过亚像素模板匹配算法对调焦过程中标记图像的坐标进行定位运算并分析了算法的有效性，结果说明该算法的理论误差<0.1 μm。采用该算法计算随调整架摆动的标记坐标，对调整架的摆动轨迹进行了实验标定。分别考察调整架上升和下降时的摆动特性，结果显示，实验具有较好的重复性。以此为基础，建立了调整架的摆动轨迹模型及误差补偿方法，并对模型的预测补偿精度进行了实验研究。结果表明，通过预测调整架摆动轨迹并进行补偿，调焦系统机械不稳定性误差从2.84 μm减小到1.29 μm，可以满足2 μm的总体对准精度要求。

提出了一种用于电容式微加速度计的低噪声、高线性度全差分接口电路。基于开关电容检测技术，该电路采用一种新的双路反馈结构来提高系统线性度，并采用2 μm n阱CMOS工艺完成芯片设计。仿真结果证明，电路中采用的双路反馈和全差分检测结构使系统的线性度达到0.01%。加入经过优化设计的比例-微分-积分控制器后，有效减小了系统稳态误差，系统响应速度提高了31%，系统线性度提高了66.7%。在±5 V工作电压下，选取64 kHz作为电路采样频率时，其电路等效输入噪声为8 μg·Hz-12，系统灵敏度为1.22 V/g，线性度为0.03%，测量范围为±2 g。测试结果显示，提出的电路达到高精度微加速度计系统设计要求，可以应用到地震监测、石油勘探等领域中。

针对焦面空间尺寸小，两个CCD成像面由于棱镜拼接而成正交垂直分布的航空相机设计了一种焦面帘幕式快门。该快门采用齿形带作为快门帘幕，齿形带上开合适宽度的长条形孔作为曝光帘缝，通过改变帘缝运动速度调整曝光时间。采用两个快门帘幕正交布置、同步驱动的方法实现了两片面阵CCD同时曝光。通过编码器反馈，控制快门驱动电机转速，使CCD曝光时快门帘保持稳速，从而保证CCD曝光均匀性。实际测试显示，快门曝光可实现1/300～1/1 000 s连续可调，CCD曝光均匀性优于10%。另外，通过更换快门帘，改变曝光帘缝宽度，可进一步拓宽曝光时间调节范围。实验结果表明，此种快门能够满足面阵CCD航空相机的成像要求。

研究了静电执行的电容式并联毫米波MEMS开关的S参数在开关过程中的瞬态变化。以一个电容式并联毫米波MEMS开关为实例，采用已有的开关一维力学动态模型，建立了开关过程中开关梁与介质层之间的间隙与时间的关系；通过HFSS电磁仿真软件，得到开关S参数在开关过程中的瞬态变化。结果显示，在开关下拉过程中(用时约9.4 μs)，插入损耗S21先缓慢减小(从Up态稳定值-0.20 dB缓慢减小到-1.02 dB需时9.11 μs，占开关下拉时间的97%)，但在下拉时间末段迅速减小；在开关释放过程中(用时约20 μs)，S21在初段就迅速增大(从Down态的稳定值-20.1 dB迅速增加到-1.16 dB只需1.09 μs，占开关释放时间的5.5%)。结果表明，开关从导通信号到阻隔信号的转换时间约为开关的下拉时间；开关从阻隔信号到导通信号的转换时间要比开关的释放时间小一个数量级。

利用准直激光、单轴倾角仪和CCD摄像机建立了一种俯仰角组合测量系统以提高俯仰角测量的精度和稳定性。首先，给出了俯仰角组合测量模型，基于坐标旋转算法和迭代方法研究了俯仰角的组合测量原理。然后，采用蒙特卡罗法对影响组合测量系统精度的各个因素进行了全局灵敏度分析。结果表明，与目前工程测量中普遍采用的倾角仪直接测量俯仰角法相比，组合测量法能够获得更高的测量精度和稳定性。利用高精度三轴转台进行的俯仰角测量实验表明：±8°测量范围内，组合测量法误差绝对值最大为0.3 mrad，标准差为0.16 mrad。理论分析和实验结果证明，提出的组合测量法有效地提高了俯仰角测量精度和稳定性，适合工程上的测量需要。

为了满足对小型跟踪架低成本、短周期和高互换性的要求，提出了采用标准轴承轴系代替现有研磨轴系的轴系改造方法。分析了采用标准轴承后的轴系误差源，根据跟踪架的使用多为远距离探测跟踪等特点，给出变轴线晃动为轴线平移的消差方法。设计了水平轴系实验模型，采用p5级深沟球轴承进行实验测量，并用傅里叶谐波分析方法对数据进行了分析。实验结果表明：水平轴左右轴承安装时，轴承内圈径向跳动最大方向安装在同一方向时，轴系晃动最大误差为2.430″；轴承内圈径向跳动最大方向相差180°安装时，轴系晃动最大误差为6.126″，说明第一种安装方法会使跳动误差同步同周期变化，从而较大地减少轴系晃动。实验结果验证了消差方法的可行性，采用高精度等级轴承并采用提出的消差方法可以满足一般中小型跟踪架的精度要求。

为了研究微加热膜下方的结构与微加热器性能的关系，利用数值计算与有限元仿真，研究了微加热膜下方空气隙厚度的变化对加热器性能的影响。首先，通过微加热器试验确定了对流换热系数等关键热学计算参数，建立了一维Fourier导热微分方程组，计算了Biot数并以此为依据对模型进行了薄壁简化，使用有限差分法对微分方程进行了数值计算。然后，使用ANSYS有限元分析软件对模型进行了电热耦合仿真，并对在对流换热边界下硅衬底(无空气隙)，100，200，300，400 μm气隙以及加热膜(完全贯通)6种模型的瞬态温度响应及稳态热分布的结果进行了对比。计算结果表明，相比硅衬底，目前的微加热膜结构在同样边界条件下可以将最高温度提高约17%。空气隙为200 μm时，在+5 V驱动电压和空气对流边界条件下，微加热器可以达到390 K，稳态功耗为134 mW，起到了改善最高温度性能，降低功耗的作用。

针对低gn值微惯性开关对微弹簧系统刚度的要求(0.1~1 N/m数量级)，设计了一种基于平面矩形螺旋梁结构的平面微弹簧。假设材料均匀、连续且具各向同性，根据材料力学的卡氏定理和线弹性理论，推导得到了微弹簧的弹性系数计算公式，并根据ANSYS有限元仿真分析结果对其进行了修正。基于多层高深宽比硅台阶刻蚀方法，采用MEMS体硅加工工艺，完成了微弹簧的制备，划片后微弹簧芯片尺寸为7 mm×7 mm×0.3 mm。分析结果表明，完善后的弹性系数计算公式与ANSYS仿真结果更为接近，可直接应用于微弹簧的结构优化设计以简化设计过程。纳米压痕法的测试结果表明，微弹簧样品的弹性系数约为0.554 N/m，满足设计要求。该微弹簧具有体积小、结构简单、加工容易实现等特点，其成功研制为实现低gn值微惯性开关的工程实用化奠定了基础。

为了快速、精确地测量薄膜与小组件太阳电池的光电特性参数,建立了太阳电池测试系统，研究了测试系统的控制模式与测试精度。选取DSP芯片TMS320LF2407为主控芯片，采用模块化与总线结构的设计思路，使系统具有较快的响应性与扩展性。运用高精度运算放大器等电子元件，研制了程控电子负载，可精确测量太阳电池的短路电流与开路电压。采用多路电子开关、多路继电器与精密电阻组合设计，实现了太阳电池光电参数的分挡测试，使系统可适用于多规格、多品种薄膜与小组件太阳电池的特性参数测量。实验结果表明：系统能在短路电流3 mA~5.6 A，开路电压0.5~20 V内实现自动分档测试，开路电压的最大相对误差<0.4%，短路电流的最大相对误差<0.8%，很好地满足了薄膜与小组件太阳电池精确测量的需要。

为了进一步增强硅微机械陀螺仪驱动模态的控制精度与稳定性，提出了一种基于自激振荡原理，以现场可编程门阵列(FPGA)为主要数字信号处理平台的驱动电路。以陀螺仪驱动模态特性为出发点，分析了自激振荡原理对驱动电路的要求。分析并建立了驱动相位控制与驱动幅度控制模型，实现了频率测量-补偿算法控制驱动环路相位，PID控制算法控制环路幅度。实验结果表明，常温下驱动幅度控制精度达到1.5×10-5，并且能跟踪驱动模态谐振频率。由于采用了数字电路使得驱动幅度温度系数由原来模拟电路方案的7.69×10-5/℃降低到1.183×10-5/℃。相比传统模拟电路控制方案，本方案具有驱动精度高，温度适应性好的优点。

基于高精度卫星姿态控制仿真三轴气浮台，研制了高精度卫星姿态控制仿真子系统，用于为地面TDI CCD动态成像仿真系统提供真实的仿真环境。根据TDI CCD实际成像原理，采用软件模拟替代实际线阵相机的TDI电荷转移迭加过程，研制了基于面阵CCD的星载TDI CCD动态成像仿真系统。利用该系统，实现了最高指向控制精度为0.1°，姿态稳定度为0.01(°)/s的卫星姿态控制仿真实验，模拟了积分时间为0.1 s的TDI CCD相机4~16级动态成像过程。研究了卫星姿态对TDI CCD相机拍照的影响，分析了实际航天高性能TDI CCD相机成像建模理论。像移速度匹配误差为0，姿态稳定度大于0.01(°)/s的实验显示了物理仿真与数学仿真结果与理论分析基本一致，不仅验证了该平台物理仿真方案的正确性，也初步验证了航天CCD成像建模理论的正确性。

为了在连续血糖监测中实现微量组织液的透皮抽取和收集，采用微流体技术，利用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)设计加工了组织液透皮抽取装置。首先，采用模塑法加工得到组成装置的4层PDMS。接着，采用氧等离子体键合方法键合PDMS获得能够产生真空负压的文氏管，用于注入生理盐水、抽取组织液和收集组织液的腔体，控制流体传输的气动阀以及连接各部分的微管路4部分装置。然后，测量文氏管的输出负压和气动阀的关闭压强。最后，检验了装置抽取和收集组织液的功能实现情况。结果显示，将220 kPa(绝对压强)的氮气通入文氏管的输入端口，在文氏管的喉部端口获得了92 kPa(绝对压强)的真空负压。另外，只需低于65 kPa(相对压强)的压强就可以关闭采用PDMS薄膜加工的常开型气动阀。该装置可在气动阀的控制下，利用文氏管产生的真空负压，自动完成生理盐水的注入、组织液的抽取和收集。

为了实现红外与可见光图像的自动配准，提出了基于似然函数EM迭代的图像配准算法。该算法以图像边缘作为配准点特征，将异源图像配准转化为边缘点集配准。通过点集的高斯混合建模建立了点集配准似然函数，以该函数作为目标函数，仿射变换参数作为优化变量，利用EM迭代优化方法进行最优变换参数求解。迭代过程中，引入基于概率密度自适应阈值分割的外点剔除机制，解决了外点对目标函数的干扰问题，实现了边缘点集的精确配准。利用实测的可见光和红外图像进行了算法验证，证明了该算法的有效性。

为精确得到模型的动静态参数，提出了以稳态误差分析为基础的模型参数辨识方法。首先，确立了伺服系统的稳态误差与其输入信号、干扰信号的关系，并以此为基础消除了转矩纹波对摩擦模型参数辨识的干扰；然后，利用稳态误差推导摩擦力矩，采用遗传算法辨识动静态参数；最后，利用辨识后的模型进行摩擦补偿，分析其补偿效果。实验结果表明,补偿后的稳态误差明显减小，匀速运动时由36 μm减小到±3 μm，匀加速运动时由34 μm减小到±3 μm，正弦运动时由±35 μm减小到±7 μm。本文提出的辨识方法能够精确地得到LuGre摩擦模型的动静态参数。基于辨识后的模型可有效地提高伺服系统的跟踪精度。

研究了保局投影中近邻图的构造及更新问题，提出了一种有监督图优化保局投影(SGoLPP)特征提取方法，并应用于人脸识别。不同于传统的保局投影(LPP)算法预先设定权值矩阵并通过一次优化求解投影矩阵，SGoLPP将权值矩阵作为学习项引入到目标函数，通过交替迭代更新逐步获得最优权值矩阵和最优投影矩阵。同时，通过引入类别信息，始终对同类样本点对的权值进行更新，有效地抑制了异类样本的干扰。在UCI模拟数据集上，SGoLPP在较少的迭代次数下获得了更好的聚类和分类效果。在Yale，UMIST和CMU PIE人脸库上，SGoLPP的平均识别率比LPP、有监督保局投影(SLPP)和图优化保局投影(GoLPP)分别高出26.6%、4.8%和8.8%。实验显示本文提出的SGoLPP算法在样本可分性与鲁棒性方面具有优势，可有效地提取人脸特征。

针对传统DSP+FPGA设计方案结构复杂、功耗高、体积大、抗干扰性差等问题，应用可编程片上(SOPC)技术建立了多目标实时跟踪系统并提出了基于NIOS II核及其数据链路特征的软件优化方法，对系统采用的迭代投影跟踪算法和通信制导控制算法进行了优化。研究了算法结构优化，链路配置优化，代码优化，自定义指令和C2H技术，并将这些技术应用于多目标跟踪SOPC系统来优化算法结构，减少代码量，去除程序相关性并进行链路层硬件转换，提升软件并行流水性能。实验结果表明，该优化方法可使软件效率提升9~18倍。在图像序列100 frame/s，分辨率256 pixel×256 pixel的条件下，在1.3 ms内完成了单帧图像的多目标跟踪处理，470 μs内完成了单周期导航运算处理，使系统运算满足了实时处理的要求并在节约硬件成本的同时了简化结构，提高了运行稳定性。

针对钢轨磨耗动态测量中激光光条中心快速精确提取的问题，提出一种卡尔曼滤波和Hessian矩阵相结合的激光光条中心快速提取方法。首先，利用卡尔曼滤波实时预测钢轨磨耗动态测量中激光光条在图像中所在区域；然后，在预测的激光光条区域内，逐行搜索图像灰度最大点，将该灰度最大点作为激光光条图像中心的初始位置，在激光光条图像中心初始位置处利用Hessian矩阵计算得到光条中心的亚像素图像坐标；最终实现在激光光条区域内光条亚像素图像中心的快速提取。该方法显著减少了搜索区域及高斯卷积的数目，提高了激光光条中心提取的鲁棒性及速度。实验结果表明，在保证激光光条提取精度的前提下，每帧提取时间可达到1.6 ms。

通过分析由三色LED环形结构光源和3-CCD彩色相机获取的印刷电路板(PCB)焊点图像特征，设计了一种PCB无铅焊点假焊的检测方法，以提高自动光学检测系统检测焊点质量的准确率,降低误判。该方法通过对焊点及其元器件的定位，采用重心法检测假焊；根据焊点及元器件的边缘确定焊点区域及元器件区域，采用面积法二次检测假焊；最后，采用提出的色彩梯度法，检测剩余的假焊焊点。基于以上三步骤，实现对整张PCB焊点假焊的检测。实验结果表明，采用重心法、面积法及色彩梯度法相结合的方法，可检测出PCB焊点的假焊，检测准确率为99.2%。

针对传统的分块跟踪算法计算量大，难以实时地对运动目标进行跟踪这一问题，提出了一种改进的分块跟踪算法。首先，为降低背景噪声对跟踪性能产生的不利影响，提出的算法对目标所在矩形窗口进行了更细致的划分；然后，根据目标运动信息确定搜索范围和搜索中心，采用分层次的自适应搜索算法，在每一层采用不同的搜索策略逐步逼近与目标模板最相似的位置，避免算法将时间过多地浪费在无效位置的运算上；最后，给出了改进算法在DSP上的实现和优化方法。实验结果显示，该改进算法能够在DM642上以30 frame/s的速度处理768 pixel×576 pixel的图像，与传统的分块跟踪算法相比，提高了跟踪精度，运算时间减小了约47.5%。该改进算法较好地解决了传统分块算法的缺陷，实现了在嵌入式系统上对运动目标的实时跟踪。