为了实现上下不同平面内仪器方位角的快速测量, 基于磁光调制和偏振分束构建了一种角度测量系统。根据偏振光的琼斯矢量描述方法推导出了系统的测角模型, 并采用“差除和”的办法消除光源波动以提高测角精度。分析了渥拉斯顿棱镜的两路光信号透射比与入射角、方位角的关系及其对测量结果的影响, 讨论了由双光路光电器件的光信号衰减、器件漂移和电路性能的不同带来的增益差异与测量结果的相关性。最后, 提出了采用磁光调制的方法来消除两路信号的透射比系数和增益系数的差, 从而提高仪器测量精度。实际系统测量实验表明：系统完成测角时间为15 s, 在+8°～-8°内测角精度优于5″。结果显示该系统具有稳定性高、测角速度快、精度高等特点。

研究了机械加工时由周期分量和随机分量叠加形成的粗糙表面的激光散射特性。基于Helmholtz-Kirchhoff积分定理并结合统计学相关理论, 推导得到了上述粗糙表面的散射场强空间分布理论计算公式。根据推导得到的计算公式, 计算了不同周期振幅和不同随机粗糙度情况下的散射场强空间分布, 并分析了散射场空间分布的特征和形成原因。理论计算结果表明：在随机性粗糙度远小于激光波长时, 周期振幅越大, 散射场空间分布的“衍射条纹”现象越明显; 而在随机性粗糙度和激光波长可比拟时, 周期振幅在波长范围内的变化对散射场空间分布特征影响较小, 不再有“衍射条纹”出现。在这种情况下, 周期振幅的变化所产生的效果相当于是对散射场空间分布进行了调制。

结合环形抛光工艺, 提出了新的球面抛光方法, 以满足环形激光器、同步辐射加速器、光学振荡器等对大曲率半径球面反射镜球面误差的特殊要求。基于Preston抛光方程, 分析了传统工艺在抛光过程中球面区域沿径向不同点的相对运动轨迹, 建立了抛光过程材料去除模型。运用所建立的数学模型对大曲率半径球面反射镜传统抛光过程进行计算机仿真, 揭示了传统抛光方法产生球面误差的两个原因, 即工件无法始终处于抛光盘工作区域内以及工件自转与抛光盘转速不一致。由此提出增大抛光盘面积和驱动工件同步转动两条措施来降低球面误差。应用提出的新工艺加工了半径为6 000 mm的大曲率半径球面反射镜, 测试显示其球面误差ΔR/R<0.02, 粗糙度小于0.25 nm, 表面疵病达到0级, 满足设计要求。

提出了一种一体式双反射结构以解决导引头前视红外系统中R-C双反射系统装调困难以及在导弹飞行过程中次镜支架的稳定性问题。该结构将主次镜集成在一个透镜前后表面,通过对透镜前后表面进行加工并涂敷内反射膜来实现双反射镜一体化。如此配置使系统装调只需针对整个透镜, 从而降低了装调难度, 提高了结构的稳定性。设计了适用于中波红外的紧凑型二次成像光学系统, 该系统像质优良, 各视场光学传递函数均大于0.6, 接近衍射极限, 并可利用二元衍射光学元件在-40~60 ℃实现光学被动消热差。最后进行了公差分析, 并针对该光学系统列举了一些抑制杂散辐射的方法, 实验显示系统满足实际加工和应用需求。

采用四通道凸面光栅成像光谱仪设计了星载大气痕量气体差分吸收光谱仪, 该光谱仪用天底推扫方式探测地球地表或天空散射光信号, 基于痕量气体对不同谱段光信息的“指纹”吸收和差分吸收光谱算法定量获取大气痕量气体分布。针对该光谱仪的大视场、宽谱段、高分辨率(光谱、空间)等特点, 提出了相应的光谱定标和辐射定标方法, 建立了定标系统, 实现了对载荷的光谱定标和辐射定标, 并对其定标的不确定度进行了分析。结果表明, 载荷光谱定标不确定度为0.027 nm, 辐射定标不确定度为2.96%, 满足给定的技术指标要求, 为载荷的定量反演提供了保证。

提出了一种高精度色度计和彩色CCD相机相结合快速测量发光二极管(LED)显示像素的亮度和色度的方法。首先, 用彩色CCD相机测量LED显示像素, 通过图像处理提取每个LED显示像素点在RGB颜色空间中的亮度值和色度值。然后, 建立RGB颜色空间和CIE1931XYZ颜色空间的多通道自适应矩阵, 并使用色度计对部分LED显示像素点进行精确测量, 基于精确测量值和对应的RGB值计算出自适应矩阵。最后, 通过自适应矩阵计算出所有LED显示像素的亮度和色度值。实验结果表明：自适应矩阵大小合适的情况下, 该方法计算出的数据与色度计测量数据之间的色差值ΔE<1,在人眼视觉中的颜色差异轻微, 可快速、精确地采集LED显示像素的亮度和色度值, 实现LED显示屏的高精度亮度、色度校正, 从而大幅提高LED显示屏的显示效果。

研究了基于单块偏硼酸钡(BBO)晶体的级联二阶非线性效应实现超短激光脉冲脉宽压缩的原理。采用分步傅里叶变换及四阶龙格-库塔算法对描述I类飞秒脉冲倍频过程的耦合波方程组进行了数值计算, 定量分析了基频光与倍频光位相失配量、非线性晶体长度、入射基频光峰值光强和初始脉宽等因素对脉宽压缩效果的影响, 并对实验参数进行了优化。采用单块BBO晶体, 对中心波长为800 nm、脉宽为140 fs的超短激光脉冲开展了脉宽压窄的实验研究, 获得了两倍以上的脉宽压缩倍率。对不同基频光峰值强度和不同初始脉宽下的实验结果与理论模拟结果进行了比较与分析, 结果表明, 倍频过程中的位相失配量、初始基频光峰值光强、脉冲啁啾, 以及初始基频光脉宽等因素对脉冲压缩效果的影响较大。若要获得较高的压缩倍率, 需要综合考虑上述多种因素。

设计并外延生长了具有高温度稳定性的InAlGaAs/AlGaAs应变量子阱激光器, 用于解决852 nm半导体激光器在高温环境下工作时的波长漂移问题。基于理论模型, 计算并模拟对比了InAlGaAs, InGaAsP, InGaAs和GaAs量子阱的增益及其增益峰值波长随温度的漂移, 结果显示,采用In0.15Al0.11Ga0.74As作为852 nm半导体激光器的量子阱可以使器件同时具有较高的增益峰值和良好的波长温漂稳定性。使用金属有机化合物气相淀积(MOCVD)外延生长了In0.15Al0.11Ga0.74As/Al0.3Ga0.7As有源区, 通过反射各向异性谱(RAS)在线监测和PL谱研究了InAlGaAs/AlGaAs界面的外延质量, 实验证明了通过降低生长温度和在InAlGaAs/AlGaAs界面处使用中断时间, 可以有效抑制In析出, 从而获得InAlGaAs/AlGaAs陡峭界面。最后, 采用优化后的外延生长条件, 研制出了InAlGaAs/AlGaAs应变量子阱激光器。实验测试结果显示,其光谱半高宽为1.1 nm, 斜率效率为0.64 W/A, 激射波长随温度漂移为0.256 nm/K。理论计算结果与实验测试结果相吻合, 证明器件性能满足在高温环境下工作的要求。

研究了强场超快激光脉冲在光学介质中传输引起的成丝现象。考虑无序的多丝降低了激光光束的光斑质量, 影响了光丝的能量分布, 限制了超快激光脉冲成丝在实际中的应用, 本文介绍了目前对高功率超快激光脉冲在介质中传输时产生的多丝进行控制的方法, 并对各种方法进行了分析和比较。研究表明, 目前对于多丝的控制主要采用振幅调制或相位调制等方法, 已实现了减弱或消除强度微扰与传输介质折射率扰动, 可避免多丝间相互联系及能量的竞争, 使多丝按照预想的空间图样排布, 达到多丝控制的目的。文章指出, 目前多丝控制存在的主要问题是还不能准确完成对多丝长度及间距位置的精确控制。

为了提高太阳绝对光谱辐照度仪的波长定标精度, 提出了用线阵CCD作为位置传感器进行波长定标的方案, 完成了0.4~1.0 μm波长的定标。根据仪器的安装结构和Fèry棱镜的参数, 描述了波长与CCD像元的对应关系, 制定了定标与计算方法, 并介绍了器件的选型及线阵CCD的时序驱动和输出信号的处理。在室内波长定标中, 利用可调谐激光器作为光源, 确定了CCD像元与中心波长的对应关系, 并通过光谱扫描进行了验证。在室外开展了太阳观测实验, 并与可见-短波红外光谱仪做了对比。实验结果表明, 波长定位精度优于0.5 nm, 测量的光谱曲线吸收峰与大气典型吸收谱线吻合, 同时验证了波长定标方案的可行性与CCD电子学设计的合理性。

提出了一种简便和精确地计算毛细管管壁折射率的方法, 该计算方法可在实际非近轴情况下减小图像球差和景深对测量结果的影响。用两种已知折射率的标准液体分别注入待测毛细管内, 测量出平行光经其会聚后的焦距差; 结合毛细管管壁折射率与焦距的理论公式, 计算出毛细管的管壁折射率。结果表明：在合适的毛细管内外径范围内, 可以保证管壁折射率在1.51以下时测量准确度优于0.003。对计算方法的分析表明, 选取两种低折射率或高折射率液体作为标准液体进行计算可以提高测量准确度。该方法计算过程简单, 对毛细管管壁折射率的测量精度满足一般科研实验对毛细管管壁折射率的要求。

分析了通常利用可见分光光度计测定高度透明液体透射率易得出错误结果的原因。通过对错误结果的分析, 提出了两种简单易行的测定高透明液体透射率的方法。一种方法是将比色皿的两个透明面紧密贴在一起, 中间加有待测液体形成的液膜, 形成“液膜参比池”。另一种方法是将长为1 cm的比色皿中装入待测样品作为参比池, 而将长为2 cm的比色皿中装有待测样品进行测定。根据这两种方法, 对多种常见液体进行了测定。结果显示, 两种方法的测定结果基本相同, 常见液体如乙醇、水等在可见光波长范围内的透射率均为98%~100%。这两种方法解决了高透明液体透射率测定易出现错误的问题, 为人们比较和选取高透明液体提供了两种可行的方法。

为了提高空间相机对温度的适应能力, 改善相机成像质量, 研究了如何通过调焦放宽相机的热控指标, 降低相机热控难度的问题。推导出了纯反射离轴三反光学系统中后截距及相机受温度影响下焦面离焦的数学公式; 分析证明了相机离焦量与温度变化是线性关系, 并计算得到了常数项K值。计算显示, 当反射镜材料的线胀系数与相机支撑框架材料线胀系数一致时, 焦面不产生离焦; 而两种材料线胀系数差距越大, 离焦量就越大。利用离焦传递函数公式证明了当相机温度水平变化超过±1 ℃时(对应离焦量0.05 mm), 就必须采用机械调焦的方法对其加以补偿; 利用光机热集成仿真的方法, 得出保证相机成像质量的温度范围Δt, 完成了从光学指标到温度指标的转换 。利用离焦公式, 得出了相机的调焦范围。最后, 在热真空环境下试验验证了上述焦面离焦的数学公式及相机温度水平变化±4 ℃时离焦量为±0.184 mm是相机合适的调焦范围。

研究了午夜前后阳光照射对静止轨道三轴稳定对地观测光学系统的系统成像和系统热稳定性的影响。根据光学系统在静止轨道运行时的受照特点, 分析了直射入光学系统的太阳光能量, 推导出由外遮光罩高度, 形状及不同太阳倾斜角确定的无量纲数阳光抑制比K, 用以描述外遮光罩对视场外直射阳光的抑制能力并指导各种形状外遮光罩的高度设计。用Monte-Carlo方法编制通用程序计算了各种轮廓形状在不同太阳倾斜角下的抑制比K。在实例设计中取春秋分K=0.5作为设计依据, 外遮光罩的高度为底部轮廓东西轴长的1.8倍, 此时阳光由遮光罩底部轮廓进入光学系统的时间为3 h, 设计结果满足卫星载荷尺寸要求。

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题, 研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS)。该传感器基于差动共焦原理, 利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位, 并结合物镜微位移驱动技术, 实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量。该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响, 显著提高了系统的抗干扰能力。将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合, 实现了对被测样品的精确瞄准。初步实验与理论分析表明：当测量物镜的数值孔径NA为0.65时, LDCS的轴向分辨力优于5 nm, 信噪比优于1 160, 过零点的标准偏差为10 nm。该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径。

基于Zernike多项式拟合的传统干涉绝对检验方法由于平滑了波面和丢失了中频成分, 仅可以实现面形误差的绝对检验。本文提出利用旋转平移法来实现中频波面的干涉绝对检验。将被测波面分解成旋转对称成分和旋转非对称成分, 通过N次旋转被测件, 求解波面中的旋转非对称成分; 通过平移被测件实现伪剪切, 求解波面中的旋转对称成分。与传统绝对检验方法相比, 该方法既能够恢复整个波面, 又不需要对整个波面进行Zernike多项式拟合; 由于仅对旋转对称成分用偶次多项式进行提取, 提升了计算速度, 降低了拟合误差, 保留了中频成分,数值仿真显示其比传统方法优越, 测量精度可达到1 nm rms。在ZYGO干涉仪上完成了平面元件的干涉绝对检验测量。采用改变伪剪切比和更换标准镜两种方案, 分别实现了实验数据的自比对; 将测试结果与经典三面互检法得到的水平和垂直方向的一维轮廓数据进行比对, 验证了旋转平移法的准确性。

为避免常规三坐标测量机(CMM)中的阿贝误差, 同时降低导轨运动误差对测量机测量不确定度的影响, 研制了一种在三维测量方向上同时符合阿贝原则的纳米CMM工作台。该工作台做三维运动, x导轨和y导轨采用共平面结构; 工作台三维测量系统的测量线正交于一点且正交点与测头中心点重合, x向和y向测量系统的测量线与xy导轨面共面。针对本工作台的特点, 在参考常规三坐标测量机误差分析的基础上, 详细分析了该工作台中各项误差的影响, 给出了影响测量机不确定度的主要误差源, 并对这些误差提出了修正方法。在研制的工作台上对一等量块进行了实验测试。结果显示, 一等量块工作面的平面度测量标准差为11 nm, 台阶高度标准差为21 nm, 其中台阶高度测量平均值与检定值相差1 nm。理论分析和实验结果表明, 所研制的工作台从结构上避免了CMM中多项误差源的影响, 尤其是避免了阿贝误差的影响, 可用于高精度的三维测量。

分析了影响相位调制的表面等离子体共振(SPR)传感器灵敏度及动态范围的各种因素。搭建了差分干涉SPR相位检测系统, 使用matlab软件模拟了若干因素对该类传感器的灵敏度和动态范围的影响, 并使用3种厚度的金膜进行了实验验证, 同时实时测量了牛血清白蛋白与其抗体之间的反应过程。结果显示, 入射角度对于灵敏度和动态范围没有影响, 而入射光波长、所选金属的介电常数和金膜厚度这3个因素是起作用的。这3个因素中, 金膜厚度是比较重要且最易调节的一个。选定金膜后, 通过调节入射角和反应物浓度, 将抗原抗体反应导致的相位变化限制在系统的线性范围内进行了实时检测。结果表明, 对于波长为633 nm的光源, 在测量牛血清白蛋白与其抗体之间的反应过程中, 兼顾灵敏度和动态范围的最优金膜厚度为48 nm, 此时动态范围为0.013 6RIU, 灵敏度为6.67×10-7RIU/0.01°。

基于压痕断裂力学理论, 建立了工件表面粗糙度与亚表层损伤深度的理论关系模型, 用于预测磨削加工脆性光学材料引起的亚表层损伤深度。利用磁流变角度抛光技术检测了不同磨削加工工艺条件下亚表层的损伤深度, 验证了理论模型的正确性。分析了加工工艺参数对工件表面粗糙度及亚表层损伤深度的影响规律, 提出了提高材料去除率的磨削加工工艺方案。分析结果表明：脆性材料工件的亚表层损伤深度与工件的表面粗糙度呈非线性单调递增关系。工件亚表层损伤深度及工件表面粗糙度均随着切削深度和进给速度的增加而增加, 随着主轴转速的增加而减小。对比实验结果与理论模型预测结果表明, 提出的模型可以准确、无损伤地的预测磨削加工引起的工件亚表层损伤深度。

设计了一种连续监测胃肠道生理参数的低功耗参数遥测胶囊, 它主要包括传感器模块、低功耗专用集成芯片和无线射频模块。首先, 采用三态时钟管理单元为集成芯片内部的各个模块选择合适的时钟频率, 并在模块闲置时关闭相应模块的时钟来降低集成芯片的功耗。其次, 采用单工通讯、数据暂存和减小发射功率等方法降低射频模块的功耗。最后, 通过软件设计使胶囊间歇工作以降低系统整体功耗。测试结果表明：专用集成芯片工作时电流约为300 μA@2 MHz, 休眠时约为4 μA@28 kHz; 射频模块发射时电流约为12 mA, 单片机采集数据时电流约为300 μA。与第二代参数胶囊相比, 射频模块和单片机的功耗分别降低了约47%和24%, 可连续工作时间达到136 h, 基本满足参数胶囊长时连续监测胃肠道生理参数的要求。

基于微机电系统(MEMS)设计了一种结构新颖的横向电磁式振动能量采集器, 用于把周围环境中振动的机械能转化为电能。该能量采集器主要由两块长方形永磁体、螺旋铜线圈、质量块-弹性梁振动系统及衬底等构成。选用有限元分析软件对器件结构参数进行了仿真分析与优化, 并利用电镀技术制作螺旋铜线圈, KOH湿法腐蚀和深反应离子刻蚀(DRIE)技术制作质量块-弹性梁振动系统, 然后与永磁体一起组成了体积大约为100 mm3 的能量采集器样机。对制作好的电磁式振动能量采集器样机的振动特性测试表明：质量块-弹性梁振动系统的一阶固有频率为241 Hz; 在频率为241 Hz、加速度为2.8 ms-2的外界振动激励下, 负载两端产生的交流电压峰峰值为9.2 mV。另外调节质量块和弹性梁的参数, 还可以得到不同固有频率的能量采集器。该能量采集器实现了从机械能到电能的转化, 对无线传感器件的发展和应用很有意义。

从工程角度系统分析了大型激光驱动惯性约束聚变装置(ICF)—美国的国家点火装置(NIF)和法国在建的兆焦耳激光装置(LMJ)的总体布局和总体结构设计的特点。NIF采用“U”型总体布局, 可以提供优化的激光实验设备布局并允许未来增加第二靶室。LMJ采用“In-line”型总体布局, 可以减小激光实验区输出光束至终端光学系统之间的光程, 并为未来增加第二靶室提供了可能。文中指出, ICF装置的总体布局应满足物理实验以及稳定运行、集成和维护的要求。在此前提下, 还应设计进一步发展所需要的接口。ICF装置总体结构设计中, 光学元器件封装在光机组件内; 在线可更换单元采用运动学支承定位。总体结构设计在结构布局和构型上应与总体光路设计相匹配, 设计时需考虑功能性、稳定性和洁净度, 满足光学元件, 物理设备和光学诊断设备的安装定位、集成调试、运行维护的要求。

基于有限元分析设计了一种利用应变片进行位移反馈的微型精密压电驱动器。该驱动器采用位移放大机构对微小应变进行放大, 通过测量应变电桥的输出间接地测量出驱动器的微小位移。标定实验显示该传感器的精度为80 nm。虽然该应变反馈式压电驱动器是一种含有迟滞特性的复杂受控对象, 但是在准静态条件下PID算法可以对其进行有效的闭环控制。分别进行了准静态的定位实验和跟踪实验, 结果表明, PID控制算法对本驱动器的控制效果比较理想。在定位试验中, 定位效果与开环相比有明显提高, 定位误差不超过0.059 μm; 单频正弦信号跟踪误差不超过0.085 μm; 多频正弦信号跟踪误差不超过0.092 μm。 实验证明了该方法在准静态条件下的有效性。

以一种应用于扫描电镜的4-HSPS/PRPUR并联宏/微驱动操作手为研究对象, 对该并联机构的工作空间进行了分析。4-HSPS/PRPUR并联宏/微驱动操作手的动平台与基座之间通过4个HSPS分支和1个PRPUR分支相连, 机构动平台具有3个方向的移动自由度和绕X轴和Y轴的2个转动自由度。该并联机构同时包含了宏动输入部分和微动输入部分, 本文分别对该机构在宏动输入和微动输入下的定姿态工作空间和灵活姿态角工作空间进行了分析。分析表明该机构具有较大的运动能力, 同时还发现中间分支的连杆尺寸对运动空间形状有较大影响。综合该机构的定姿态工作空间和灵活姿态角工作空间可知, 该并联宏/微驱动机器人能够应用于平台安装空间较小, 工作空间需要较大并且定位精度高的场合。得到的结果对4-HSPS/PRPUR机构的应用有重要的理论指导意义。

提出一种混合观测压缩感知多描述编码方案, 用于提升传统的该类编码系统的编码性能并保留其抗丢包能力。该方案采用二维离散余弦变换(DCT)观测矩阵和高斯矩阵分别对图像信号进行观测,并分别使用哥伦布码(Golomb code)及其改进的编码方案对两种观测系数进行熵编码, 得到包含完整码字的二维DCT码流和仅包含部分码字的高斯观测系数码流。在解码端, 利用二维DCT系数和高斯观测系数之间的相关性进行最大后验概率估计解码, 成功估计出高斯观测系数的缺失码字。最后再将两种观测系数合并, 采用1范数优化算法重构出原信号。针对自然图像和遥感图像的实验均表明：不同丢包情况下, 用本文提出的编码方案获得的重构图像的峰值信噪比(PSNR)值比传统高斯观测压缩感知编码方案提高了2~4 dB, 该方案同时还具有鲁棒的抗丢包能力。

针对掌纹识别时非接触信号采集可能出现的离焦状态会导致掌纹模糊, 从而降低识别系统性能的问题, 提出了一种基于稳定特征的模糊掌纹识别方法。建立了掌纹的离焦退化数学模型; 在分析模糊机理的基础上, 使用拉普拉斯平滑变换提取模糊掌纹的低频系数作为稳定特征, 利用特征向量之间的欧式距离进行匹配和判别。文中给出了算法的步骤, 并通过实验确定了需要选取的低频系数的个数。在建立的SUT-D模糊掌纹库上进行了识别测试, 结果表明本文算法的等误率可达17.101 7%, 与传统的DCT变换及Eigen Palm, Palm Code等8种典型识别方法比较, 等误率最高可降低7.908 4%。这些结果显示本文方法不但能够提升识别效果, 而且特征维数较低, 改善了模糊掌纹识别系统的性能。

针对现行的被动(消极)彩色图像质量评价方法存在的问题, 深入研究了人类视觉感知彩色图像特征的质量参数：彩色图像平均对比度、彩色图像平均信息熵、彩色图像平均亮度(平均灰度)、彩色图像平均层次因子和彩色图像平均带宽因子。以上述研究为基础, 构建了基于扰动变换的主动(积极)彩色图像综合质量评价函数(CAF)。研究发现CAF是扰动参数Delta和Theta的函数, 通过对扰动参数进行变换, 可以使CAF达到最大值, 从而实现对单幅彩色图像的质量评价和质量改善。分别对窄带谱、宽带谱和全带谱3种不同色度谱类型的彩色图像进行了积极评价, 结果表明, 纳入平均带宽因子和平均层次因子两个参数的彩色图像质量积极评价方法符合人类视觉主观评价要求, 可使扰动变换获得的彩色图像更加柔和、更富有层次感。该方法不仅能评价单幅彩色图像质量的好坏, 还可以通过扰动变换改善彩色图像质量。

为了在光电跟踪伺服系统中实现共轴跟踪, 采用神经网络极限学习机(ELM)对光电跟踪系统设备的运动状态及脱靶量进行了学习、训练和融合, 得到了目标的速度和加速度信息。通过算法优化减少了ELM系统大约50%的运算量, 使运算周期约为3.5 ms, 满足光电跟踪系统的实时性要求。仿真结果表明, 当目标运动速度为50°/s、加速度为30(°)/s2时, 预测的目标速度在峰值时的误差大约为±3(°)/s。最后, 通过跟踪光学动态靶标进行了共轴跟踪实验验证。结果显示, 系统最大跟踪误差由速度、位置闭环时的11.35′减小到0.88′, 随机误差由8.2″减少到7.6″。与其它控制方法相比, 提出的方法具有更高的实时性和精确度, 能有效提高系统的跟踪精度。

提出了一种基于剪切波的医学图像感兴趣区域(ROI)近无损压缩算法, 用于解决因小波对高维数据表示的局限性使其重构图像与原图像平均结构相似度(MSSIM)较低的问题。首先, 指定感兴趣区域并把其余部分视为背景区域(BG); 对两个区域分别进行剪切波变换, 并选取出能够近似逼近原区域的重要系数进行去噪和初步压缩。然后, 对ROI区域所选取的重要系数进行无损Huffman编码, 对BG区域所选取的重要系数量化并进行Huffman编码实现压缩。最后, 通过Huffman解码和剪切波逆变换实现解压从而获得重构图像。实验结果表明, 与改进多级树集合分裂算法(SPIHT)相比, 在相同压缩比下, 提出的算法所获取的ROI重构图像与原图像ROI的MSSIM提高了4%, 峰值信噪比 (PSNR)是改进SPIHT算法的2.35倍; 而整幅重构图像与原图像的MSSIM提高了3%, PSNR提高了28%。该算法可实现ROI 和BG 的相对质量可调, 适用于图像存档和通信系统(PACS)中的医学图像压缩。

结合多光谱成像仪的成像特点, 提出了一种基于对数功率谱的离焦深度自动对焦方法。以CCD相机为图像传感器, 通过主控计算机进行调焦控制与图像处理来实现多光谱成像仪的快速自动对焦。首先, 将相机探测器依次处于3个等距位置各采集一幅图像, 结合三点判位法判断第二幅图片与准确对焦位置的位置关系。然后, 以第二幅图片为参考图片, 通过对其对数功率谱的相关计算得到准确的对焦位置。最后, 将探测器移动到该计算位置, 完成自动对焦过程。实验结果表明, 系统对焦位置标准差为±0.159 9 mm, 最大偏差值控制在0.4 mm以内, 能够较好地满足系统的实时自动对焦要求。该调焦算法只需3幅图片即可完成自动对焦过程, 具有调焦迅速, 准确度高等特点。

基于具有快速编解码速度的分形编码技术, 提出了新的H.264中P帧预测方法, 用于减少视频压缩编码时间并降低码流输出。首先, 分析了H.264的帧内预测算法、帧间预测算法和P帧预测算法的优缺点, 介绍了本文提出的基于分形编码的新型视频压缩编码方法, 讨论了该方法的优缺点。然后, 结合H.264和分形的优点, 用分形预测的方式对H.264中的P帧进行预测。最后, 给出了在H.264中用分形预测改进P帧编码所产生的分形系数的编码和残差的编码。实验结果表明：与目前国际视频压缩标准H.264的标准测试模型JM15.1相比, 在忽略峰值信噪比的情况下(平均降低0.09 dB), 改进的P帧预测方法的码流和压缩时间分别降低为JM15.1的65%和19%, 并且能够适应各种运动类型的视频序列。研究显示, 改进的P帧预测方法显著提高了H.264的总体编码性能。

提出了基于坐标变换的目标跟踪转台初始标定方法, 用于提高车载光电跟踪系统的跟踪精度。首先, 运用坐标变换理论, 建立了转台精标定的数学模型, 求解了转台标定的变换矩阵; 然后, 根据转台标定的实际需要, 通过合理地分析和近似, 推导了一种转台的粗标定方案; 最后, 将粗标定与精标定方法相结合对跟踪转台进行初始标定实验。实验结果表明, 该标定方法提高了初始标定的效率,对大于等于10 km的远距离目标, 精标定之后的转台跟踪误差小于0.1°, 完全满足车载光电跟踪系统的精度要求。该标定方法已在一批车载光电跟踪系统中得到了成功应用。

针对点特征匹配方法中特征的独特性不高, 在弱纹理区域的影像匹配存在不足等问题, 提出了一种尺度、旋转以及亮度稳健的高分辨率影像直线段特征匹配方法。首先, 对待匹配的影像进行边缘检测和拟合, 提取直线段特征; 然后, 将直线段特征分级, 利用特征的方向关系匹配长直线段特征; 最后, 以同名长直线段特征对作为控制基础, 以角度和距离作为量化特征, 构造关系描述符, 实现短直线段特征的匹配。实验结果表明, 由于在同一幅影像中, 每条特征直线段所在直线都有唯一对应的直线方程, 特征的独特性很高, 所以可以很好地避免误匹配, 得到的正确匹配概率为90%以上, 且均方根误差达到了亚像素级。该匹配方法在弱纹理区域比点特征匹配方法具有明显的优势, 能够较好地满足应用需求。

为了提高彩色视频流压缩变换的速度, 缩短变换时间, 将基于多维矢量离散余弦变换(DCT)正交矩阵的视频流压缩算法同现有的快速DCT算法相结合, 提出了基于多维矢量矩阵DCT的快速算法。首先, 对一种实用性较强的一维快速DCT算法进行部分校正与补充, 并将两种极具代表性的二维快速DCT算法, 即行列分解法和线性组合法拓展到了多维层面。然后, 结合多维矢量矩阵理论, 推导出了两种DCT快速算法及其蝶形示意图, 并分析了算法的乘法运算次数。最后, 将这两种基于多维矢量矩阵的DCT快速算法应用在标准视频库中测试视频的压缩编码中, 同时做了对比实验。实验结果表明：两种算法在DCT时所需的时间均小于0.25 s, 满足视频实时性的要求。该算法在保证重建视频质量的同时降低了运算时间, 并将DCT快速算法从低维扩展到了多维, 可以处理更多维数的视频。

对自动显微镜的自动聚焦评价函数及聚焦控制策略进行了研究。首先, 介绍了频域聚焦函数提升小波变换及时域聚焦函数Sobel-Tenengrad算子, 通过将提升小波变换和Sobel-Tenengrad算子有机组合提出了一种新型聚焦评价函数。然后, 利用离焦、正焦样本图像对自组织算法进行无监督训练, 使用粒子群优化算法加速训练过程, 并以经过学习的自组织映射算法作为聚焦控制器。最后, 进行了显微视觉自动聚焦实验。实验结果表明：新型组合算子具有单峰性, 峰值处变化陡峭, 对不同样本、不同倍数物镜均可在正焦位置达到最大值, 鲁棒性强; 经过学习控制器后平均仅用7.6步即可完成自动聚焦, 与爬山法相比, 该聚焦算法不仅大大提高了聚焦速度且性能稳定, 对每幅输入图像处理、识别时间约为120 ms; 满足了显微视觉自动聚焦要求, 获得了良好聚焦效果。

星载激光测高仪的回波时间重心和脉冲宽度等系统参数对常见海态条件下的测距和反演精度有重要影响。本文根据菲涅尔衍射理论、海洋表面镜面反射理论、海洋波高和斜率统计特性以及激光测高仪回波误差理论, 推导并更正了激光测高仪海洋回波光子数表达式。首次完整推导出了影响海洋回波重心和脉宽因素的表达式, 证明了回波参数主要受发射脉冲宽度、测量天底角、指向角抖动和海洋表面上方风速的影响。除风速为表面特性影响外, 其余为系统参数影响。结合地球科学激光测高系统(GLAS)参数对其海洋回波的测距和脉宽精度做了定量分析, 得出不同风速GLAS的海洋表面单回波测距误差为2~15 cm, 脉宽标准差为0.5~3.5 ns。推导结果对优化设计用于海洋表面测量的星载激光测高仪系统参数、提高回波反演目标特性精度很有意义。

针对脉冲耦合神经网络(PCNN)在图像分割中需多次人工调整网络参数的问题, 提出了一种基于PCNN模型的图像自动分割方法。分析了图像中影响PCNN参数设置的因素, 提出了一种图像自适应分块策略。将图像划分为内部复杂程度相近的子块, 克服了同一参数无法同时对图像中复杂度差异较大的不同区域准确分割的不足。利用本文提出的局部图像活跃度(ADLA)指标对不同子块自适应地确定PCNN模型参数, 有效解决了传统PCNN图像分割时需要人工确定关键参数的问题。最后, 采用最大二维Tallis熵准则从分割后的二值结果序列中选择最佳结果。实验表明, 本文方法的分割结果轮廓清晰、完整, 即使在对比度低、背景呈大范围内连续变化等复杂情况下, 也具有优异的性能。与传统PCNN分割方法相比, 本文方法能自动、快速、准确地确定PCNN模型参数, 且区域一致性测度(UM), 区域对比度(CR), 形状测度(SM), 综合指标(CI)等客观评价的量化指标均优于传统PCNN分割方法12%以上。