利用新型材料石墨烯作为可饱和吸收体, 设计了用于光纤通信和材料加工的环形腔结构脉冲光纤激光器, 实验研究了石墨烯可饱和吸收产生脉冲输出的原理以及输出脉冲激光的特性。通过激光诱导沉积法将石墨烯材料转移到光纤端面并将其置于环形激光腔结构中; 采用974 nm半导体激光器作为抽运源, 掺铒光纤作为增益介质, 调节偏振控制器的角度得到了稳定的锁模输出脉冲。获得的锁模脉冲中心波长为1 560.1 nm, 重复频率为7.89 MHz, 脉冲光谱3 dB带宽为0.27 nm, 脉冲宽度为14.7 ps。实验显示, 由于石墨烯具有良好的可饱和吸收性能, 损伤阈值比较高, 有望取代单壁碳纳米管成为一种新型的激光锁模材料。

为了获得高速弹丸在出膛后的瞬时速度以及在不同位置时的速度分布, 提出了一种基于扩展光束的激光多普勒测速系统。该系统对出射的激光束进行两次扩展, 使扩展后的相干光束在空间某一位置相交来形成具有一定延展范围的探测体。该方法有效避免了经典双光束多普勒测速系统由于探测体积小而导致的物体偏离探测区域的情况, 因此, 在实际测量弹丸速度的过程中能够解决传统多普勒系统因弹道偏差而导致的无法测速的问题。该系统也可以采用并联方式来监测弹丸在弹道不同位置上的速度分布。通过实验对激光束进行了不同尺度的径向扩束, 并在此基础上获得了不同散射面积下的多普勒信号。分析结果显示: 在速度为10~25 m/s时, 测量值与实际值的平均误差可以达到1%~2%, 表明这种测量方法是有效且可行的。

研制了一款超低噪声单频可调谐高抗振激光器, 介绍了它的工作原理和设计方案。该激光器工作波长为1 550 nm, 主要由单频激光谐振腔、保偏光纤放大器以及监控反馈光路组成。采用了精密稳定的闭环温控技术, 使得激光器的工作温度极其稳定, 温度控制分辨率达0.001 ℃。使用了鉴频部件及配套闭环系统锁定激光器的输出频率和功率, 由此不仅保证了波长和功率的稳定性能, 而且大大降低了激光器的低频噪声, 同时制备的激光器光学膜也有效地提高了激光损伤阈值。与同类激光器的性能相比, 设计的光纤激光器可保证功率稳定性优于1%, 相对强度噪声优于-130 dBc/Hz; 选择不同类型的种子光源谐振腔, 激光器的线宽可控制在1~400 kHz。另外, 激光器的最大波长调谐范围为3 nm, 输出功率可达1 W。在频率为1 Hz时, 其相位噪声低于10 μrad·Hz-12/m OPD; 抗振动能力可达到0.1g(g为重力加速度)。

分析了相移干涉测量过程中相移误差产生的原因, 研究了基于迭代最小二乘算法的相移误差修正法, 实现了任意两幅干涉图间相对移相量的计算和自适应校正。基于光、机、电、算四系统, 实现任意步长的3幅以上干涉图像的采集, 用迭代最小二乘法计算任意两幅干涉图间的相对移相量, 然后将其闭环反馈至硬件相移系统, 自动修正相移步长为给定量的特征相移值, 从而完成干涉仪相移误差的自修正。 构建了相移误差自校正系统, 通过实际干涉测量验证了算法的正确性和相移误差自修正系统的可行性。结果表明, 自适应修正后相移量相对误差<5％, 面形RMS测量重复性<λ/1 000, 实现了高精度、高效率的相移误差自适应修正。

基于哈特曼波前传感器检测原理, 结合图像清晰度定焦技术, 提出了一种测量微透镜阵列焦距的方法, 介绍了测量系统的组成和原理。首先利用平行光管的出射平面波前在被测微透镜阵列焦面上成像, 利用标准透镜产生的球面波前在微透镜阵列焦面附近成像。然后,根据平面波前和球面波前经过微透镜阵列成像时微透镜阵列焦面上光斑的偏移量, 计算相应的微透镜阵列子单元的焦距。最后, 基于图像清晰度定焦技术, 通过不确定度分析和实验测量验证了该方法检测微透镜阵列焦距的可行性。测量结果表明, 该方法对微透镜阵列焦距检测精度可达到3%; 同时, 一次测量可完成微透镜阵列多个子单元的焦距标定。相对于传统的检测方法, 该方法具有较高的检测精度和效率。

为研究闪电特性, 设计了用于闪电实验室场景模拟的大变倍比近红外无焦激光扩束光学系统, 用于模拟不同光斑尺寸的闪电单元。根据高斯光学几何法计算系统外形尺寸, 合理确定了各组份的口径及光焦度; 由ZEMAX软件包优化设计得到系统的光学结构参数, 并对系统整体性能进行了分析评价。该系统变倍比为13, 出射光束光斑均匀、无衍射环, 满足研究闪电信号特性的需求。激光扩束系统的中心工作波长为777.4 nm, 入射光束直径为1.0 mm, 入射激光光束在步进电机驱动下连续可调, 使得出射光束可从φ0.8 mm变化到φ10.6 mm。系统具有镜片少, 结构简单, 变焦轨迹平滑无卡滞等优点, 可用于模拟不同尺寸的闪电单元。

与半导体激光Bar条相比, 单管半导体激光器具有光束质量好, 寿命长等优点, 但由于其输出功率小, 故在激光加工等领域的应用受到限制。为提高单管半导体激光器的输出功率, 提出了基于偏振复用技术对多个单管半导体激光器进行光纤耦合的方法。首先, 将16只808 nm单管半导体激光器分成两个单元, 通过空间合束将每个单元上的激光器发出的光合成一路; 然后, 利用偏振复用技术将两个单元发出的光束再次合束, 通过自行设计的聚焦系统将合束后的光束耦合进光纤实现光纤输出, 从而提高了半导体激光器光纤耦合模块的功率水平。实验显示, 当工作电流为5.8 A时, 通过芯径为200 μm、数值孔径(NA)为0.2的光纤的输出功率为67 W, 耦合效率达到84%。此模块在功率和光束质量方面满足激光塑料焊接等应用的要求。

结合局部曲面拟合和广义二分优化搜索, 提出了用于大尺寸自由曲面形貌测量中多视三维散乱点云自动配准的算法。首先, 对点云微小局部区域进行标准最小二乘曲面拟合, 根据拟合残差提取给定点云的全部非平坦区; 借助图论中“邻接”与“可达”的概念以及非平坦区的空间分布统计特征, 进行相邻点云非平坦区的区域聚类计算以及区域匹配, 进而自动获得配准位姿初值。然后, 计算源点云在目标点云中最靠近点的k邻近, 并向k邻近点的局部移动最小二乘拟合曲面做正交投影, 以提取对应点。最后, 采用广义二分优化搜索进行位姿变换的优化求解。试验结果表明: 该方法稳定、可靠, 无需人工交互, 适用于采样错移情形。在重叠区域内选取150个对应点进行位姿优化时, 平均配准缝隙约为0.02 mm, 可以满足大尺寸自由曲面形貌测量的多视三维散乱点云配准的要求。

为了消除平行平板类光学元件的多表面干涉效应对元件面形测量的影响, 提出了基于波长移相调谐技术与傅里叶变换原理的多表面干涉条纹检测技术。首先, 根据波长移相原理和被测元件的厚度, 按照推算出的被测腔长与元件厚度间的比例关系正确摆放被测元件的测试位置。然后, 通过波长移相技术采集一组干涉图。最后, 对这组多表面干涉图进行离散傅里叶变换, 提取带有被测元件前后表面面形的频率信息以及厚度变化的频率信息, 通过重构算法得到准确的面形信息和厚度信息。实验结果表明: 与传统的13步移相算法相比, 得到的前表面PV值和RMS值分别相差0.003和0.001, 而后表面PV值与RMS值分别相差0和0.001。这些结果基本满足平行平板类光学元件面形的高精度测量与洁净测量的要求。

从景深的基本概念出发,研究了电子目镜显微镜的景深与其物理景深和几何景深之间的关系。提出物理景深与几何景深在数学上满足“相或”而非“求和”关系的观点, 并以此推导出了电子目镜显微镜的景深满足的计算公式。设计了毛细管测量系统, 用其测量了有效数值孔径不同时电子目镜显微镜(横向放大率为20×10)的景深, 以及有效数值孔径等于显微物镜数值孔径时, 不同规格电子目镜显微镜的景深。实验测量结果与理论推导结果基本吻合, 表明电子目镜读数显微镜的景深值等于物理景深与几何景深中的较大值, 而不是两者之和。

采用扫描白光干涉法对菲涅耳微透镜芯模表面浮雕结构进行了检测, 并对元件表面微观形貌进行了三维重建。根据其表面形貌数据, 引入幅度参数表征法, 分别计算出横向线宽误差以及样品的系统刻蚀深度误差和随机刻蚀深度误差等纵向加工偏差。通过表面高度分布的偏斜度、表面高度分布的峭度等参数获得了有关微芯模表面误差和缺陷的量化信息。实验研究表明, 扫描白光干涉法能精确定量化表征微芯模表面形貌特征, 这对探索适用于新型微光学器件表面三维形貌误差的无损检测评价方法具有实际意义。

针对星载测风Fabry-Perot(F-P)干涉仪的核心部件F-P标准具的热稳定性对测风精度的影响, 从标准具结构设计角度(材料、形状和固定方式)分析了标准具的热稳定性, 并给出最优设计方案。通过对光学元件结构尺寸的优化设计, 得出了F-P标准具光学元件的最佳形状尺寸, 即平板厚度为25 mm, 间隔元件的角度为40°。采用柔性结构固定方式, 计算了F-P标准具机械结构的形状尺寸。最后基于有限元法, 分析了光学组件和整个标准具的热变形。分析结果显示, 当环境温度变化0.1℃时, 光学组件平板中心间隔变化量为0.64 nm, 整个标准具平板中心间隔变化量为 0.28 nm, 通光口径边缘处间隔变化量为0.2 nm, 相对于波长λ为630 nm的气辉光谱线约为λ/2 250和λ/3 150, 并且平板间隔变化量沿着径向向外逐渐减小。得到的结果显示, 优化设计后的结构参数满足风速为5 m/s时测量精度对热稳定性的要求, 同时满足力学性能要求。

考虑金属橡胶减振材料的优越性, 设计了采用金属橡胶作减震器的减振方案用于空间飞行器仪器安装板的整体减振。建立了金属橡胶减振器的力学模型, 确定了金属橡胶减振垫的结构设计参数及性能参数, 并对采用整体减振设计的仪器安装板进行了数学仿真分析。最后, 设计了仪器安装板的地面振动实验并进行了振动实验考核。实验结果表明, 仿真分析结果与地面实验验证结果基本一致, 刚度满足设计要求。相比于刚性连接形式, 采用金属橡胶减振器进行整体减振后, 在300 Hz以上测量点的振动响应幅值大大衰减; 在300 Hz以下测量点的随机响应均方根值衰减量不低于56.5％, 达到了减振设计效果。

针对微型飞行器的姿态角摄动引起的系统不确定性及外界干扰等问题, 提出了基于区间二型模糊神经网络辨识的增益自适应模糊控制器。首先, 给出了微型飞行器姿态动力学模型。然后, 采用区间二型模糊神经网络对滑模控制器中由于姿态角摄动引起的系统不确定性进行在线辨识, 通过增益自适应滑模控制器中的校正控制项对辨识误差及负载干扰进行补偿。最后, 通过设计李亚普诺夫函数, 得到闭环系统一致稳定条件下的区间二型模糊神经网络参数在线调整的自适应律及滑模增益自适应律。仿真对比表明, 与传统的增益自适应滑模控制器和基于一型模糊神经网络辨识的滑模控制器及相比, 本文提出的控制器不仅对系统的不确定性因素及外界干扰具有较强的鲁棒性, 而且稳定误差小, 跟踪精度高。

提出一种利用地球紫外波段和恒星可见光波段为卫星进行自主导航的方法, 该导航方法利用视场1观测恒星可见光波段, 视场2观测地球紫外波段。在视场1利用星敏感器全天球识别算法识别所有恒星星像, 识别结果的光轴指向作为恒星矢量; 视场2被用来对地球紫外波段轮廓成像, 计算得到地心矢量在卫星本体坐标系中的方向。最后, 利用卫星轨道动力学方程和扩展卡尔曼滤波器来计算卫星轨道参数。对一紫外敏感器进行的实验表明, 与利用红外地平仪和恒星可见光的自主导航方法相比, 该方法的位置误差由1 000 m减小到500 m, 速度误差由100 m/s减小到40 m/s, 而且消除了由于太阳光与地平线夹角带来的周期误差, 因此, 该方法具有很好的鲁棒性。

为了增加大口径望远镜次镜支撑结构的抗扭转刚度, 降低次镜支撑结构对主镜的遮拦, 提出了采用预紧力八翼梁结构来取代原有的四翼梁结构。根据Euler-Bernoulli梁理论将次镜支撑结构简化为一个由质量点和简支梁组成的简化模型, 并进一步将该模型简化为两个更为简单的动力学模型的组合。通过选取恰当的振型函数, 使用Rayleigh和Dunkerley方法推导了简化模型的第一阶模态频率数值解, 得到的计算结果与有限元仿真结果吻合得很好。针对预紧力的作用, 理论推导了预紧力对这种结构第一阶模态值的影响, 并使用有限元法对这种结构进行了模拟, 两者得到的结果趋势相同, 大小一致, 从而证明该简化方法可以用于类似结构的动力学特性计算。仿真结果显示, 当预紧力施加到20 kN时, 结构的第一阶模态值由11.6 Hz上升到23 Hz, 大大提高了结构的抗扭转刚度, 并有效减轻了次镜支撑结构的重量和遮拦比。该结论对于大口径望远镜次镜支撑的设计具有参考价值。

为了补偿压电双晶片驱动器的迟滞非线性, 提出了基于双曲函数的Preisach类迟滞非线性建模方法, 并用该模型设计了压电双晶片驱动器的逆控制器。首先, 用两个双曲函数分别拟合迟滞主环的上升段与下降段, 利用坐标变换描述依附于主环的一阶曲线; 然后, 根据Preisach模型理论的记忆擦除性与次环一致性, 基于一阶上升与下降曲线分别描述了次环的上升段与下降段。由于这种建模方法所需的参数远小于Preisach等经典迟滞模型, 非常适用于压电驱动器等智能材料系统。实验结果显示, 基于这种迟滞非线性模型设计的逆控制器, 控制后的最大误差比控制前减小了44.26%, 有效地提高了压电双晶片驱动器的定位控制精度。

在传统前馈控制的基础上引入了基于参考模型的扰动估计来改善舰载光电设备的动态性能, 提高其扰动隔离能力, 从而提高跟踪精度。分析了传统前馈控制二次扰动问题, 结合扰动估计观测器精确估计系统扰动的优点, 提出了基于参考模型扰动估计的前馈控制器。介绍了常规扰动观测器的工作原理, 分析了观测器应用于舰载光电设备中存在的问题; 引入参考模型, 构建了参考模型扰动估计的前馈控制器, 并给出了相应的结构图和传递函数, 分析了它的输出特性和鲁棒性; 最后, 对本文设计的控制器进行了模型仿真和实验研究并与传统前馈控制方法进行了对比。实验结果表明: 基于参考模型扰动估计的前馈控制方法对摩擦力矩扰动和测量误差有良好的补偿效果, 固定点指向误差均方根由12.36″提高到5.919″; 在靶标以10 s周期转动的动态实验中, 跟踪精度均方根误差从20.615 7″提高到13.744″, 隔离度提高了12 dB, 动态性能显著改善。本文方法结合了前馈控制和扰动估计的优点, 能更好地抑制扰动, 提高系统的动态性能和跟踪精度。

研究了快速、精确制造金属模具的方法, 提出利用激光选区烧结(SLS)技术来快速制造高精度陶瓷型精密铸造用母模。首先, 采用正交试验法研究了激光选区烧结工艺参数对制件精度的影响, 确定了最佳激光烧结工艺。在此基础上利用浸水起模法替代传统的起模喷烧工艺对陶瓷型精密铸造工艺进行改进。结果表明, 选定激光烧结工艺参数为激光功率25 W, 扫描速度2.0 m/s, 扫描间距0.19 mm, 分层厚度0.25 mm时, 试样尺寸收缩率最低可达2%。采用陶瓷型浸水起模法起模容易, 起模后陶瓷型表面光洁, 在200 ℃焙烧温度下抗弯强度较高, 为0.361 MPa。这些结果表明, 利用SLS技术能够快速、准确地制造出陶瓷型精密铸造所需母模。

研究了细胞培养器微注塑模具型腔的制作方法。针对微注塑模具型腔的结构特点, 采用UV-LIGA套刻技术, 分别通过两次SU-8胶光刻和Ni的微细电铸制作了以合金钢为基底的微结构; 然后利用掩膜腐蚀方法在铸层上腐蚀出微排气通道。对SU-8厚胶工艺过程中的溶胀现象、匀胶不平整和去除困难等问题进行分析, 提出在掩膜板图形四周增设封闭的宽度为20 μm的隔离带来减少图形四周SU-8厚胶体积, 改善了该处胶模的热溶胀变形, 使铸层的尺寸误差由原来的35 μm降低到10 μm, 300 μm高的微柱体侧壁陡直。隔离带的引入有效地提高了铸层图形的尺寸和形状精度。由于采用了刮胶的匀胶工艺和发烟硫酸去除SU-8胶的方法, 消除了“边缘水珠效应”, 彻底去除了SU-8胶。采用提出的方法可获得铸层质量好, 与基底结合强度高的微注塑模具型腔。

针对摆式陀螺寻北仪存在的限幅效率低的工程实际问题, 提出了一种步进快速限幅方法, 介绍了该方法的实现原理和步骤, 分析了3种主要测量误差对限幅效果的影响, 论证了步进快速限幅法在理论上的可行性, 最后将步进快速限幅法成功应用于摆式陀螺寻北仪上。设计了相应的限幅试验, 利用摆动的平衡位置主动跟踪逆转点, 实现了对摆幅的快速精确限制。理论和试验结果均表明: 提出的步进快速限幅法保留了传统步进法不需要增加系统硬件的优点, 有效克服了采用电磁阻尼法限幅时电磁干扰力矩的问题, 保持了限幅的可靠性。基于步进快速限幅方法的摆式陀螺寻北仪能在一个步进周期(约60 s)内实现对摆幅的快速精确限制, 较传统步进法可以节省2个以上的步进周期, 为缩短寻北时间提供了理论支撑和实践依据。

针对采用焦平面CCD交错拼接方式的测绘相机会由于存在交会角而产生视场拼接漏缝问题, 本文在考虑交会角和相机无侧摆的前提下提出了一种焦平面CCD重叠像元数算法。首先, 根据测绘相机成像原理建立了前视相机成像模型, 分析了产生视场漏缝的原因。接着, 推导出在CCD数量为奇数和偶数两种不同拼接形式下的地面视场重叠及漏缝大小的数学表达式, 进而得到了不产生漏缝时CCD片间最小重叠像元数计算公式, 并对误差进行了分析。最后, 将该算法应用于工程算例, 并对比了地球曲率对计算结果的影响。通过算例得到了各CCD片间视场漏缝及最小重叠像元数, 其最大值分别为1 141.491 μm, 115个。应用本文方法可以近似计算应用交错拼接法的测绘相机焦平面前后排CCD的最小重叠像元数, 误差小于1 pixel。

针对用振动台进行飞行器振动环境试验时存在试验周期长、耗费高及易发生过试验或欠试验等问题, 采用虚拟现实技术建立了飞行器虚拟振动试验平台。采用系统仿真软件LMS AMESim建立了电振动台正弦振动控制仪模型; 通过多学科系统仿真软件LMS Virtual.Lab建立了振动台的多体系统动力学模型, 进行了振动台多体动力学模型与电磁作动系统模型的机电联合仿真; 实现了振动控制系统、电磁作动系统、振动台与试件机械系统的闭环仿真, 构建了飞行器虚拟振动试验平台。利用该虚拟振动试验平台系统进行了盒式试件的正弦振动试验。结果表明, 采用机电耦合建模方法构建的虚拟振动试验平台综合考虑了试件、振动台机械系统、控制系统及电气系统的耦合效应, 可为飞行器的试前分析和虚拟振动试验提供试验环境。

采用单帘式快门配合CCD增益控制曝光量的调光方法, 设计了面阵CCD相机的调光系统, 以使面阵CCD相机在宽照度视场范围和较短的拍照周期内获得正确的曝光量。分析了航空成像传输过程中的影响因素, 结合单帘式快门的曝光原理推导出曝光量的数学表达式。通过确定CCD的最佳曝光量, 建立了快门狭缝速度、CCD增益和目标照度之间的对应关系。然后, 由光电池采集地面目标的照度信号, 根据采集的信号控制狭缝速度和CCD增益。最后, 测试了快门辊轴的稳速精度。结果表明, 对系统分别输入6 300、4 170和1 200 r/min的阶跃输入信号时, 快门的稳速精度达到0.033。根据得到的稳速精度并考虑快门的曝光量误差, 得到快门的曝光精度为0.091。在实验室进行了地面照相试验, 测试系统获得的曝光量为1 833 DN, 计算得到的系统曝光精度为0.066。结果显示利用单帘式快门和CCD增益相结合的方法能够使CCD获得正确的曝光量, 捕获的图像满足使用要求。

介绍了基于DDSOG(Deep Dry Silicon On Glass) 工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构, 封装, 及信号与性能检测。利用结构解耦的方法和DDSOG工艺设计和制备了双质量线振动式陀螺结构。为了提高它的机械灵敏度、可靠性和长期稳定性, 采取真空封装技术实现了器件级真空封装, 并消除了轴向加速度等共模干扰的影响。陀螺电路采用自激闭环驱动、开环检测的方式, 简化了电路。为了降低环境温度对陀螺零偏的影响, 研究了既定范围内陀螺的输出特性, 建立了陀螺输出与温度之间的关系模型, 设计了温度补偿电路, 降低了陀螺整表的功耗和体积。对采用上述技术的硅微陀螺仪进行了性能测试, 测试结果表明, 陀螺Q值>100 000, 量程为±500(°)/s, 标度为21.453 mV·(°)-1s-1, 非线性和对称性分别为36.905×10-6和184.125×10-6。常温下陀螺零偏稳定性为7714 3(°)/h, 带宽为100 Hz, 整表体积为31mm×31mm×12mm, 功耗为288 mW。该陀螺仪性能好、体积小、功耗低, 在中等精度的惯性导航系统中有较好的应用前景。

提出了凸轮驱动的线阵CCD像面动态扫描拼接方法以扩大遥感仪器的覆盖宽度, 并对系统负载非平衡特性及其多模控制算法进行了分析。讨论了现有拼接方法的优缺点, 进而引入凸轮驱动的动态扫描拼接方法。该方法采用电机和凸轮作执行机构, 电机做匀速旋转运动, 通过凸轮带动多个线阵CCD做往复直线运动, 实现动态扫描拼接。为了提高CCD成像质量, 从理论上对凸轮结构的特殊性、平台姿态角及相机方位角造成的系统负载非平衡特性进行了分析, 结果表明: 平台俯仰角对负载非平衡特性影响较小, 可以忽略; 当平台横滚角和相机位角之和非零时, 负载力矩在凸轮升程段和回程段表现出不同的特性。针对凸轮升程段和回程段采用相同控制器时凸轮转速在两阶段存在转速降的情况, 提出了变输入的多模控制方法, 并进行了相关实验。结果表明: 变输入的多模控制方法可有效消除凸轮转速在升程段和回程段存在的转速降, 且在从动件匀速段的凸轮稳速精度达到0.48%。该方法简单、方便, 易于工程实现。

考虑声光可调谐滤波(AOTF)成像光谱仪的需求, 设计了它的CCD成像电子学系统。选用e2v公司的CCD芯片CCD57-10作为图像传感器, 提出了DC/DC+LDO的架构实现各偏置电压; 基于现场可编程门阵列(FPGA)等器件产生驱动时钟, AD9826完成CCD输出模拟信号到数字信号的转换, 并通过USB及CameraLink接口与计算机通信。设计了CCD保护电路, 并优化了数模混合电路的印刷电路板(PCB)布局结构。对各功能单元的实际测试表明: 各偏置电压纹波噪声峰峰值小于10 mV; AD转换精度达12 bit; 系统能够正确成像, 图像传输速率可达10 frame/s, 图像信噪比优于54 dB, 系统总功耗不足5 W。设计结果满足AOTF成像光谱仪对CCD成像电子学系统的要求。

提出了一种用于扫描型红外预警系统的目标检测与识别算法来实现对空中威胁的预警,该算法在对目标进行检测和识别的过程中分别运用了降维技术。首先对拉普拉斯-高斯(Laplacian of Gaussian, LOG)算子降维, 改变经典LOG算子各向同性的特点, 从而减少了信息的丢失; 然后通过设置相关参数设计8邻域方位滤波器对图像不同方向进行尺度优化的滤波以完成目标增强与背景抑制; 最后对滤波结果进行目标提取, 通过支持向量机算法对目标进行识别。为使识别过程更加简捷而不失准确性, 在识别前采用基于协方差算子的充分降维方法对样本特征和目标特征进行降维, 从而在简化经典滤波算法与目标识别算法的同时提升了算法效率。实验结果表明, 与经典高维算法相比, 本文提出的算法在对红外目标进行检测识别时能够获得更好的效果, 应用于工程时能实现低于7%的虚警率和低于5%的漏警率, 且算法能够满足系统实时性要求。

根据高精度靶场测角要求, 设计了一套以IRIG-B码终端为时间基准, 基于数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)的CCD曝光中心测量系统。首先给出了CCD曝光中心的测量原理及硬件组成, 利用共源的两台IRIG-B码终端控制发光二极管和CCD探测器, 通过调整B码终端输出信号时延控制发光二极管, 得到了1 Hz脉冲前后沿和曝光脉冲前后沿对齐的2个关键时刻。针对人工图像判读精度低的问题, 提出了利用图像重心的提取算法和改进的Krisch边缘算法, 自动计算得到CCD曝光中心, 其精度优于17 μs。在外场对多套光电经纬仪CCD曝光中心进行了测量, 并将测量结果应用到外场校飞数据处理中, 结果表明, 在飞机过航捷时光电经纬仪的测角误差平均减少了55%。该系统稳定、可靠, 在靶场测量中有着广泛的应用前景。

为了快速准确地评定机械零件的平面度误差, 提出了基于几何搜索逼近的平面度误差最小区域评定算法。阐述了利用几何优化搜索算法求解平面度误差的过程和步骤, 给出了数学计算公式。首先选择被测平面的3个边缘点为参考点构造辅助点、参考平面和辅助平面, 然后以参考平面和辅助平面为假定理想平面, 计算测量点至这些理想平面的距离极差; 通过比较判断及改变参考点, 构造新的辅助点、参考平面和辅助平面, 最终实现平面度误差的最小区域评定。用提出的方法对一组测量数据进行了处理。结果表明, 在终止搜索的条件为0.000 01 mm时, 几何搜索逼近评定算法的结果分别比凸包法、计算几何法、最小二乘法、遗传算法和进化策略计算的结果减小了17.1、7.3、18.03、6.13和0.3 μm。得到的数据显示该算法不仅能准确地得到最小区域解, 而且计算结果有良好的稳定性, 适合在平面度误差测量仪器和三坐标测量机上使用。

提出了一种有效的图像修正方法, 用于修正用彩色CCD相机采集的LED显示屏图像。首先, 利用均匀标准白板逐像素点法对制造工艺使彩色CCD相机产生的曲面进行渐晕修正; 然后, 利用LED管芯配光曲线的分布规律修正由于相机采集位置的影响产生的偏差, 并给出了修正原理和修正的过程; 最后, 给出了实验数据及结论。修正后, 红、绿、蓝基色的均匀性均方差分别从4.0%减少到1.48%, 从3.1%减少到1.36%, 和从3.5%减少到1.39%。利用该方法修正过的LED图像既消除了相机本身的曲面产生的渐晕, 又消除了由于相机采集角度的影响产生的偏差, 是一种非常有效的LED显示屏CCD图像的修正方法, 实验结果基本符合修正的要求。

为了使三坐标测量机快速准确地识别出被测零件的位姿, 提出了一种基于三坐标测量机平动的单目立体视觉识别方法, 并对该方法的原理、位姿参数的求解和识别过程进行了研究。根据双目立体视觉原理, 以三坐标测量机带动摄像机沿X轴或Y轴平移, 在两个不同位置分别拍摄被测零件的一幅图像; 利用本文提出的基于边缘图像质心偏移的同名像点匹配方法, 实现单摄像机立体视觉测量, 得到被测零件上各特征点在摄像机坐标系中的三维坐标; 由摄像机标定参数, 进一步计算出各特征点在机器坐标系中的三维坐标; 再结合各特征点在零件CAD坐标系中的对应坐标, 求解出被测零件的位姿参数。组建了识别系统, 进行了识别实验, 结果显示, 识别出的实验件位姿的平移量分别为: txl=32.65 mm,tyl=-90.23 mm,tzl=13.27 mm,旋转角分别为AX=38°,AY=4°,AZ=-5°,整个识别过程用时1.818 s。得到的实验数据表明该识别方法是可行的, 可满足实时测量要求。

考虑硬件资源与运算速度的需求, 设计了一种基于数字信号处理(DSP)的具有自然彩色效果的红外与可见光图像融合系统。该系统采用软硬件结合的方法进行双通道图像配准, 基于YCbCr空间实现伪彩色融合, 然后利用自然真彩色参考图像对融合结果进行颜色传递。系统采用基于统计特性的颜色查找表技术, 利用参考图像与伪彩色融合图像的统计特性修正颜色查找表, 提高了计算效率。在系统的硬件平台上进行了实验, 结果表明, 系统融合图像接近自然色彩, 在保留可见光图像细节的前提下, 有效地突出了红外图像中的热目标。该系统融合速率达到25 frame/s, 能够实现红外与可见光图像的实时融合与自然彩色化, 有助于观察人员快速地发现目标, 弥补了单一图像传感器的不足。

基于变分方法提出了一种运动模糊退化图像的盲复原算法。考虑自然场景的图像梯度符合长拖尾概率分布, 提出的方法采用归一化的超拉普拉斯先验项作为变分能量方程中的光滑项, 从而有利于图像在去模糊的求解过程中正确解收敛。由于建立的能量方程不是严格凸的函数, 故引入了分裂方法进行求解。整个运动模糊退化图像的盲复原过程在多尺度框架下由粗到细尺度渐进执行。最后利用估计出的点扩展函数计算清晰图像。相对于传统的盲复原算法, 本文提出的算法不需要预测图像的梯度信息和对梯度进行筛选, 直接求解能量方程就能够得到相应的正确解。得到的结果验证了本文算法的有效性。

空间高分辨率遥感仪器的发射过程和在轨复杂的温度环境条件会使其光学焦平面发生偏离, 从而影响相机的成像质量。为补偿相机焦平面位置的变化, 本文根据高分辨红外相机的在轨应用环境以及光学设计要求, 对相机的调焦机构进行了方案设计和误差分析。计算了结构误差对系统精度的影响, 对不同类型结构的精度进行了归类, 并利用齐次坐标变换矩阵建立了误差分析模型。同时, 详细分析了误差源的特性、概率分布和变换矩阵参量间的关系。利用Monte Carlo法进行了仿真, 结果表明该机构设计合理, 满足仪器的使用要求。样机测试表明, 该机构行程内轴向位置误差为(-0.01±0.003 6) mm, 透镜最大倾斜角为25″, 最大离轴量为0.005 mm。目前, 该机构已成功在轨使用。

针对传统的正则化盲复原方法中图像和点扩散函数( PSF)的保真项和正则项分别采用同范数约束致使复原图像的质量下降, 估计出的PSF准确性降低的问题, 提出了多范数混合约束的正则化图像盲复原方法。首先, 复原图像的保真项和正则项分别采用L1范数和全变分(TV)范数来消除复原图像中的阶梯效应并较好地保护复原图像的边缘。其次, PSF的保真项和正则项分别采用L2范数和H1范数以降低估计PSF时参数调节的难度。最后, 通过分裂布雷格曼迭代方法对提出的模型进行最优化求解。在人造模糊图像和真实模糊图像上进行了实验, 结果表明: 提出的方法能够对运动、散焦等多种模糊类型的图像进行有效复原, 并准确地估计出相应的PSF。与近年来一些较好的模糊图像盲复原方法相比, 不仅在主观视觉效果上有较为明显的改进, 而且在客观的改善信噪比(ISNR)上也提高了0.36 dB到14.66 dB。

对CCD相机在激光辐照下的暂时性失真问题进行了研究。用532 nm连续激光辐照以线阵CCD为图像传感器的Piranha HS-41-02K30相机进行了实验, 实验发现, 激光光斑和3个与其大小、形状皆相似的暗斑同时、等间距地出现于感光阵列方向上。这些暗斑即为CCD相机在激光辐照下的一种暂时性失真现象, 本文称这3个暗斑为光斑阴影。根据实验数据分析了这一现象的规律和产生机理。分析认为, CCD图像传感器4个并行读出电路因共用同一偏置源而相互影响是产生光斑阴影现象的内在机制。推导了共偏置并行电路信号之间相互影响的关系式, 由得到的关系式可知, 降低公共偏置源与并行读出电路公共节点之间的电阻可减弱上述阴影失真现象; 而用4个电压源分别为并行读出电路提供偏置, 可以消除这种光斑阴影现象。本文推导的共偏置并行电路影响关系式不仅可解释阴影现象, 也可为设计CCD器件时减弱或消除阴影失真提供借鉴。