考虑不同的激光加工方式对激光功率密度和激光光斑尺寸的要求不同，研究了如何通过调整光路设计实现各种尺寸的聚焦光斑输出，使半导体激光器满足不同激光加工方式的需求。利用ZEMAX光学设计软件模拟半导体激光光路，包括光束整形、准直、聚焦等光束变换方式，实现了多种尺寸的光斑输出。实验中采用16个bar叠加而成的980 nm半导体激光叠阵，阈值电流为6.4 A，最大工作电流为84.8 A，最大输出功率为1 280 W，总的电-光转换效率为589%。准直后快轴的发散角小于4 mrad，慢轴的发散角小于20 mrad。通过实验对该激光叠阵进行光束整形和扩束准直、聚焦，最终实现了功率为1 031 W的激光输出，聚焦镜焦距为300 mm时的聚焦光斑尺寸达1.2 mm×1.5 mm，功率密度达38×104 W/cm2，可以用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热导型焊接。

由于测绘相机的关键几何参数内方位元素和畸变的标定精度决定相机的立体测绘精度，本文提出了一种离轴三反时间延迟积分(TDI)CCD相机内方位元素和畸变的标定方法。介绍了离轴三反TDICCD相机的光学系统和像面拼接方法，明确了该相机内方位元素和畸变的含义。建立了标定系统及相应的数学模型，应用最小二乘回归法求得了内方位元素和畸变的表达式。利用提出的方法标定了相机的内方位元素和畸变，并对标定误差进行了分析。结果表明:该方法对主点的标定精度可达10 μm(1σ)，对主距的标定精度可达20 μm(1σ)，对畸变的标定精度为23 μm(1σ)。结果显示提出的标定方法快捷且有效。

针对偏振衰落现象导致信号关联的二义性使分布式双Mach-Zehnder光纤干涉传感系统难以实现高精度定位的问题，提出了一种控制偏振衰落的方法来保持系统检测信号的稳定性。利用系统的偏振模型分析了偏振衰落的来源，指出传感光纤偏振特性的不一致使系统检测信号对输入偏振态敏感是造成信号相关性恶化的根本原因，据此提出控制输入偏振态、搜索偏振态工作点的抗偏振衰落思想。在此基础上通过分析输入偏振态的两个参量对信号相关系数的作用进一步明确了偏振控制对算法的要求，并利用模拟退火算法进行了验证。现场实验表明，该算法可快速搜索偏振态工作点，持续稳定系统检测信号的相关性；结果证实了提出的偏振衰落控制方法可行且有效。

为了满足高精度加工大口径光学元件的需求，对原有的三轴机械加工中心上进行了一系列技术改造，从而实现了光学元件的五轴数控加工。介绍了三轴系统数控加工中心到五轴数控加工中心的改造过程，并提出了一种标定改造后主轴参数的方法。该方法运用高精度激光跟踪仪建立坐标系、采集数据，计算系统几何参数，由此对主轴的杆长、摆角等参数进行精确标定和精度分析。结果显示，角度量标定精度优于10000″，长度量标定精度优于0.040 mm。实验证实提出的方法对类似的工作具有普适性。

建立了红外探测器件低温背景探测率测试系统，实验研究了红外探测器件在低温背景下的探测特性，用于支持红外探测低温光学系统的合理设计。首先，介绍并分析了红外探测系统的噪声和响应特性，建立了低温光学系统设计与红外探测器件在低温背景下探测性能之间的关系；在热真空环境下搭建了基于变温面源黑体的低温背景探测率测试系统。然后，针对某红外器件在低温背景下的探测率进行了实验测量。最后，通过计算得到了低温背景下极限积分时间及探测特性相对于常温背景下的一般变化规律。实验结果表明：低温背景下极限积分时间及探测率均比常温背景下提高近20倍，提出的测试技术可为低温光学系统的指标设计提供依据与参考。

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差，且表面粗糙度较大、反射率较低，采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题，提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜。研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件。为了验证该方法的可行性，对已经加工完成的350 mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测，测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=6328 nm)；与干涉测量的标准结果进行了对比，得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0014λ和0001λ。对比结果表明， Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠，从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性。

应用哈特曼-夏克(H-S)波前检测仪检测大数值孔径(NA)透镜时，需要采用纳米级针孔产生参考球面波前对H-S传感器进行标定。为了制作出满足要求的高质量针孔，本文对影响参考波前质量的各种要素进行了仿真计算和分析，以获得最优针孔加工参数。基于矢量衍射理论，在会聚高斯光束照射下，计算了针孔厚度和直径大小对衍射波前误差的影响，衍射波前中的像差成份、能量透过率、强度均匀性、针孔加工误差及光束相对针孔中心发生平移、离焦、倾斜时衍射波前误差的变化。分析计算显示，在NA为0.6时，为了使相对于理想球面波的波峰波谷值(P-V)偏差不大于0005λ(λ=193 nm)，在实际针孔的加工制作中，应选取材料铬，并取厚度200 nm，直径180 nm为适宜。

设计并搭建了沸腾换热试验台，采用TH5104红外热像仪测量微通道壁面温度来研究混合制冷工质在微通道内的沸腾换热特性。测量试件是一外径为1.22 mm，内径为0.86 mm，长为200 mm的不锈钢单圆管。实验利用红外热像仪测量并记录下质量流量为1 726~8 635 kg/m2·s，热流密度为65~231 kW/m2时壁面温度的变化情况。实验分析和讨论结果显示：微通道壁面的温度分布沿着轴向变化有明显的规律性; 水平微尺度通道内流动沸腾过程中, 试件前后段有较大的温差效应，温差的正负与热流密度的大小有关；壁面温度的变化与热流密度、管内工质的流型和换热形式关系密切，流型越复杂，壁面温度变化越剧烈。

为提高上海光源搭建的国内首条软X射线谱学显微光束线站的整体性能，分析了其分光装置-变包含角平面光栅单色仪在波长扫描过程中影响谱学显微光束线光斑水平漂移的各个因素，推导出了各因素与光斑水平漂移的传递关系，并结合具体要求进行了误差分配。针对光斑水平角漂移重复精度的检测，采用自准直原理，构建了测试系统。利用该系统，完成了谱学显微光束线站光斑水平漂移重复精度的离线检测，其结果为0.67″，满足设计指标1″的要求。对安装调试后的束线进行了总体性能测试，结果均满足谱学显微设计和使用要求。由此表明，提出的对谱学显微光束线光斑水平漂移误差来源的分析及检测方法，有效保证了束线性能的实现。

研究了气溶胶光学特性对天空偏振辐射的影响以获得实际的天空偏振分布模式。采用自主搭建的天空偏振辐射测量系统，于不同日期、同一地点在太阳子午面内进行了若干实验，分别测量了太阳高度角约为60°时，435～465 nm，535～565 nm，685～715 nm 3个波段光在散射角为90°时对应的偏振度和辐射强度。用大气压强、能见度等参数进行理论计算获得了气溶胶光学厚度。当气溶胶光学厚度在0.2～0.55间逐渐增大时，3个波段对应的最大偏振度分别从43%减小到22%、从41%减小到21%、从38%减小到19%，而对应的辐射量不断增大。实验结果表明：随着气溶胶光学厚度的增大，偏振度不断减小，尤其是对长波长，偏振度的衰减更明显，从而不利于偏振光导航。

采用双球面法对立式Fizeau干涉仪的参考球面进行标定以确定由重力、安装夹持力等导致的面形形变量，提高立式光学系统中光学元件的面形检测精度。首先，推导了双球面法标定算法；进而，理论分析和模拟计算了影响检测精度的环境、重力、安装夹持力等因素；最后，利用双球面法对立式Fizeau干涉仪的参考球面进行标定，并利用误差合成理论分析实验结果。实验结果显示，利用双球面法标定F/15的立式Fizeau干涉仪参考面的精度为23 nm。其中，算法本身以及实验操作引起的测量重复性不大于07 nm，包含环境误差时的重复性低于12 nm；重力导致的面形形变约为09 nm，标准镜安装导致的面形形变约为17 nm。结果论证了双球面法具有很高的标定精度；环境对检测精度的影响与干涉腔长度有关，长度增加时影响很明显；立式工作时，重力、安装等因素导致的标准镜参考球面的面形形变很大，在高精度使用前必须进行标定。

基于流体动力学方程和传热方程建立了三维瞬态模型，用于研究脉冲激光焊接0.5 mm厚Hastelloy薄板时熔池的流动行为及传热特性。应用Fluent软件，采用有限容积法(FVM)求解控制方程，用SIMPLE算法处理速度与压力的耦合。引入Pe来衡量焊接熔池中对流传热与传导传热的相对强弱，并以此分析焊接熔池的传热特性。结果表明：沿焊接方向，焊接熔池的流动速度随着离熔池中心距离的增加先增加后减小；在给定试验条件下，熔池流动速度在离熔池中心0.2 mm左右时出现最大值，且沿焊接方向前方稍大于后方，而后迅速减小为零；焊接熔池中对流的存在使得焊接熔池熔深较小而熔宽较大；最终的焊接形貌由对流传热与传导传热相互作用而成。对焊缝形貌的数值模拟结果与实验结果进行了比较，计算结果与实验结果吻合较好。此模型可为脉冲激光焊接Hastelloy C-276薄板时熔池流体流动行为的分析提供理论依据。

提出一种适用于肠道微机器人的柔性运动系统来提高肠道机器人微创诊断的主动运动能力。柔性运动系统采用尺蠖型运动方式，由柔性运动机构和柔性驱动机构组成。柔性运动机构包括径向气囊软足和轴向伸缩推杆，并用万向节连接微机器人前后腔体从而提高运动柔性；柔性驱动机构利用尼龙线绳牵引波纹管泵驱动气囊软足和伸缩推杆激励微机器人伸缩。微机器人样机直径为12.2 mm，长度为78 mm，质量为14.8 g，最大径向钳位外径为20.2 mm，最大轴向行程为16.4 mm。实验结果表明，柔性驱动机构可以为波纹管泵和伸缩推杆分别提供最大为067 N和065 N的驱动力；微机器人样机能够在不同倾斜角度的刚性有机玻璃管中运动，在水平和竖直管道中的平均运行速度为0.38 mm/s和025 mm/s；能通过最小曲率半径为49.3 mm的塑料软管，在离体肠道中也能实现有效运动。本柔性运动系统为肠道微机器人提供了一种安全有效的自主运动方案。

为了消除潮湿、酸碱、静电颗粒等恶劣环境对压力传感器压敏电阻的影响，提出了一种新型结构的压阻式压力传感器。该传感器将压敏电阻置于应力薄膜的下表面并通过阳极键合技术密封在真空压力腔中，从而减少了外界环境对压敏电阻的影响。介绍了此种压力传感器的工作原理，使用ANSYS软件并结合有限元方法模拟了压敏薄膜在压力作用下的应力分布情况。最后，利用微机电系统(MEMS)技术成功制作出了尺寸为1.5 mm×1.5 mm×500 μm的压阻式压力传感器。用压力检测平台对该压力传感器进行了测试，结果表明，在25~125℃，其线性度小于2.73%，灵敏度约为20 mV/V-MPa，满足现代工业使用要求。

根据摄像机所处空间环境和结构特点，设计它的热控系统，同时进行了热平衡试验来验证热设计的合理性。首先，总结了摄像机热设计的准则，分析了摄像机所处的空间热环境。然后，对摄像机的各个部分进行了热设计；采用被动热控措施进行热隔离和热疏导，充分利用了摄像机所搭载的卫星平台的热容；采用主动热控措施将温度控制在热控指标范围之内。最后，根据摄像机的热环境和各种工作模式设计了4种极端试验工况，并进行了热平衡试验。试验结果表明，摄像机在存储工况时，其温度与安装面温度相差3℃左右，满足存储温度指标要求；低温工况和高温工况时，其整机温度为-3.1℃和45.7℃，镜头温度为-4.5℃和46.8℃，均满足热控指标要求。试验结果证实设计的空间摄像机热控系统合理可行。

由于磁悬浮控制力矩陀螺转子的不平衡振动会造成控制力矩陀螺系统的同频扰动，影响卫星姿态控制精度与卫星载荷精度，本文提出了基于滑模变结构扰动观测器的磁轴承主动振动控制方法。首先，对不平衡扰动力和力矩作用下的磁轴承-转子系统进行建模；接着，设计了滑模变结构扰动观测器观测不平衡扰动力和力矩；然后，利用跟踪微分器估计位移传感器输出信号的微分获取速度信号，降低观测器的阶数；最后，将滑模扰动观测器的输出引入磁轴承控制器，对观测得到的同频不平衡扰动力和力矩进行补偿。仿真和试验结果均表明，设计的滑模变结构观测器实现了对不平衡扰动的观测，通过控制器有效地实现了对不平衡扰动的补偿，减少了72%的同频振动。

针对离轴三反相机光学系统对机身结构的要求，采用碳纤维复合材料制备关键部件，设计了合适的相机机身结构。设计的离轴三反相机采用的复合材料占整机重量的32%。机身结构为非对称形，光学系统中主、次镜间距为850 mm，反射镜接口定位精度要求间隔为0.005 mm、偏心为0.005 mm、倾斜为5″。通过有限元软件对设计结果进行分析、优化和检验，完成了机身结构的优化设计。计算结果表明，该机身结构具有较好的刚度、较轻的重量，能够满足光学设计对间隔，偏心和倾斜的要求。对**完成的相机进行了力学环境试验和热真空试验，结果证明了该相机机身结构在力、热等环境条件下稳定性良好，其一阶谐振频率在120 Hz以上，相机调制传递函数在0.2以上，满足离轴三反空间相机各反射镜对空间位置精度和稳定性的要求。

提出了完全各向同性3自由度平面并联机构型综合的系统方法。首先，根据螺旋理论讨论了完全各向同性平面并联机构的运动学必要条件。然后，基于机构各分支对动平台控制功能的不同，通过互易螺旋理论推导出各分支的驱动螺旋、主动螺旋和可动非主动螺旋，并按照分支连接度的不同列举出所有可行的分支运动链。最后，按照机构各分支相应的装配条件，选取所综合出的3条分支运动链将动平台和静平台连接起来得到预期的机构，共得到新型机构3 167种。由于综合出的并联机器人机构的运动雅可比矩阵均为单位阵，即条件数恒为1，因此这类机构具有良好的运动学和力传递性能，在工业机器人、微操作机器人和医用机器人等领域具有潜在的应用前景。

建立了压电工作台的神经网络在线辨识模型并设计了相应的自适应控制器以抑制压电工作台迟滞特性、蠕变特性及动态特性对其微定位精度的影响。采用双Sigmoid激活函数对神经网络激活函数进行了改进，同时分析了改进激活函数的神经网络模型与PI迟滞模型在迟滞建模上的异同。设计了基于改进激活函数的3层BP神经网络作为压电工作台的在线辨识模型，推导了网络权值、阈值及激活函数阈值修正公式。最后，基于神经网络模型设计了压电工作台的自适应控制方案，该控制方案利用另外一个神经网络来完成对PID控制器参数的自适应调整。实验结果表明：提出的神经网络在线辨识模型平均误差为0.095 μm，最大误差为0.32 μm；自适应控制方案跟踪三角波的平均误差为0.070 μm，最大误差为0.100 μm；跟踪复频波的平均误差为0.80 μm，最大误差为0.105 μm。实验数据显示压电工作台的定位精度得到了有效提高。

为了改善压电陶瓷驱动电源在高电压输出下的动态特性以及高频下的带载能力，提高频率响应范围，设计了一种基于多单元级联的压电陶瓷执行器高压驱动电源。首先，基于分立元件构建直流放大式高精度驱动单元，并针对每个独立的驱动单元进行建模仿真，分析其在压电陶瓷等容性负载下的稳定性并采取了有效的双通道隔离反馈补偿策略。然后，利用多单元隔离浮地级联的方法，将多个独立的高精度驱动电源模块进行浮地级联，构成了一种组合式压电陶瓷高压驱动电源。实验结果表明，该级联驱动电源的输出幅值达0~1 000 V，最大输出功率为1 kW，满信号带宽为1 kHz/03 μF，纹波小于100 mV。根据实验结果，该级联驱动电源满足低纹波，高精度，大带宽，响应时间短，带载能力强等特性。

提出了一种新的径推一体式静压主轴支撑方式来优化机床主轴系统性能，以满足超精密飞切机床对气体静压轴承高刚度的要求。采用计算流体力学和有限体积法对气体静压轴承气膜内部的流场与压力场进行仿真，并研究其静态特性。为提高计算精度，完成了轴承宏观尺寸与气膜厚度相差几个数量级时气膜厚度方向2 μm间距的网格划分。仿真结果表明，在偏心状态下由于气膜压力的变化使节流孔气体流速在1 ~200 m/s内变化，机床所采用径推一体式轴承静态刚度达到3 508 N/μm。研究表明，通过增大轴承的供气压强和减小节流孔的直径可改善轴承的静态性能进而提升机床性能。

对随钻测井系统中井下涡轮发电机的关键部件进行了研究。首先，建立了一种水力性能较高的涡轮模型；然后，基于计算流体力学(CFD)理论，采用Fluent软件对不同叶片参数的涡轮模型进行了紊流流场研究，并分析了流量、转速对涡轮流场的影响；最后，通过涡轮发电机地面单向水利实验验证了流量、转速、负载与涡轮发电机输出电压的关系。仿真结果表明：15叶片、叶片进口角30°以上、出口角45°以下、中弧线圆弧半径40 mm以内对应的涡轮模型水力性能较好，但水力效率过高也会降低涡轮的工作寿命，因此，在一定范围内增大流量、转速对提高涡轮水力效率具有积极影响。所建立的涡轮模型能够提高涡轮的输出功率并保证其工作寿命。

为了实现对太阳能电池可靠性的筛选分类，建立了一套低频噪声自动测试系统。首先，根据太阳能电池1/f噪声的来源，确定了在大电流密度情况下以1/f噪声功率谱作为太阳能电池可靠性指示的可行性。然后，由测试得到的功率谱曲线明确了通过比较在f为1 Hz频点处的1/f噪声功率谱值大小可以区分太阳能电池的可靠性。最后，根据半导体器件可靠性试验验证的分类标准，给出了确定筛选阈值的方法。实验结果表明：该方法可以在短时间内无损地完成一批太阳能电池3个等级的可靠性分类，平均每个太阳能电池的测试时间只需5 min。采用该筛选方法，能精确检测单一器件，解决了传统方法花费大、周期长，易引起器件的损伤，且只能得到一批器件可靠性的统计规律的问题。该方法适用于对太阳能电池可靠性要求高的应用场合。

提出了差错控制编码方法来解决LED大屏幕远程通信系统显示信息高速率串行传输数据可靠性降低的问题。考虑到显示信息发送端和接收端的硬件基础及实现要求不同，提出在发送端采用并行算法结构，并构造了生成矩阵进行编码运算来提高算法的实时性；在接收端采用双时钟串行循环译码电路结构，在伴随式计算后采用高速时钟进行纠错，使得码字较长的编码仍旧能够获得较低的硬件开销并具备较好的实时译码能力。实验及理论分析表明，提出的方案能够实现高效率的编解码运算，编码效率达到98.2%。该方案也有效地降低了误码率，实际应用中误码率至少降低了1个数量级。使用提出的方案实现了显示信息的高速率、高效率串行传输。

针对在使用干涉、Moiré偏折等方法进行流场高速动态测量时条纹图中大量无效数据对计算结果的影响，提出了一种基于连续小波变换的条纹图相位分析方法。利用小波变换的瞬时条纹频率分析能力，选用复Morlet小波及合适的小波参数，使得条纹图的小波变换模极大值与其调制度系数成正比,将其作为加权最小二乘法相位展开算法的权值，保证了相位有效展开。使用曲线拟合进行小波变换脊定位，缩短了定位时间并消除了噪声干扰。仿真实验显示，使用该方法得到的分析结果与实际相位值的相对误差小于0.01%；内波流场测量实验显示，使用该方法进行条纹图分析，密度梯度测量精度达到了5×10-6 g/cm4。结果表明，用该方法进行条纹图相位分析可以有效消除无效数据对结果的不利影响，相位展开有效可靠，分析结果精度高。

考虑航拍视频配准中Harris检测的角点位置易发生偏移和产生伪角点以及匹配点精度不一致等问题，提出一种基于优化梯度滤波和投影不变的航拍视频配准算法。首先，提出一种基于优化梯度滤波的Harris检测器来实现角点的精确定位，并选择在尺度变化下局部区域最稳定的角点作为待配准点。然后，利用Delaunay三角网对待配准点进行初始匹配。最后，提出利用交比不变性方法提取精确度最高的少数匹配点，并对模型参数进行估计，完成视频帧间的配准。实验结果表明，利用提出的方法可实现帧间的精确配准，对分辨率为320 pixel×240 pixel的8组航拍序列的平均几何保真度误差仅为0.869，并能有效提取地面运动目标。

针对超光谱成像遥感存在的光谱仪图像间失配变形，影响地物目标光谱信息纯度的问题，提出了一种结合超光谱图像特点的亚像素配准方法来校正图像间的失配变形。首先，对待配准的可见光近红外(VNIR)和短波红外(SWIR)光谱仪图像分别进行波段选择和主成分变换，将变换后的第一主分量图像作为待配准图像。然后，将待配准图像均匀划分为具有一定重叠率的图像块，利用相位相关方法估计对应图像块的亚像素平移参数，通过相位相关系数剔除错误的平移参数估计生成图像的光流场。最后，通过光流场来实现光谱仪图像的配准。实验结果显示，该方法配准精度优于0.1 pixel，满足超光谱图像后续处理对配准精度的要求。

提出了一种基于内容的高光谱图像无损压缩算法。采用自适应波段选择算法对高光谱图像进行降维，引入C-means算法对降维后的光谱矢量进行无监督分类。利用单调后向排序算法确定波段的预测顺序，并根据相邻波段的相关系数大小进行自适应波段分组。针对每一类地物，选取类内部分像素进行最优预测系数的训练，采用多波段线性预测的方案去除同类像素的谱间相关性，预测残差进行JPEG-LS无损压缩。对机载可见光/红外成像光谱仪(AVIRIS)与实用型模块化成像光谱仪(OMIS)获取的高光谱图像分别进行实验，并与未进行分类预测的算法比较。结果显示，提出的算法的平均压缩比分别提高约0.11和0.7，验证了该算法在无损压缩方面的有效性。

设计了基于预搜索的高效双目分形视频编码，并成功应用于立体视频编码之中。对基本分形双目视频编码进行了改进。利用了树状划分准则，起始帧采用块离散余弦变换(DCT)编码，简化了块搜索范围并提前减少了重复运算。在双目立体视频编码中，以左通道为基本层，采用单独的运动补偿预测(MCP)方式进行编码，充分利用了预搜索限制条件、改进的非对称十字形多层次六边形格点搜索算法、去方块环路滤波和分数像素块匹配算法；以右通道为增强层，采用MCP加视差补偿预测(DCP)方式进行编码，选择误差最小的匹配块作为预测结果。在进行DCP编码时，充分利用视差分布约束条件，提出了快速的视差估计算法。实验结果表明，提出的编码方法在保证一定的峰值信噪比(PSNR)前提下，平均压缩时间是基本分形双目视频编码的18%~23%，压缩比提高了15.13~47.49，显著地改善了基本分形视频压缩算法的性能，使分形视频压缩的应用具有更大的灵活性和实用性。