光束指向机构实现光束指向调整时，需要搞清两棱镜的方位与出射光束指向位置之间的关系。本文采用一级近轴近似方法和非近轴光线追迹方法研究了旋转双棱镜指向系统的光束指向机制，由两棱镜的旋转角度推算出了出射光束指向的解析公式。对比分析了两种方法的研究结果并设计旋转双棱镜光束指向实验进行了验证。结果显示，非近轴光线追迹方法能准确地描述系统光束偏转机制，而传统的一级近轴近似方法的分析结果与实验值存在偏差，且光束的偏转角越大，偏转角的一级近轴近似解与实验值的差异越明显。当两棱镜旋转角之差为90°时，光束方位角的一级近轴近似解与实验值的差异最大。实验表明，对于大偏转角度旋转双棱镜光束指向系统，应采用非近轴光线追迹方法来探讨其光束偏转机制。

采用磁控溅射法在Si(100)基底上镀制了膜系结构分别为［Mg/Co］20、［Mg/SiC］20的两组多层膜，以研究Mg基多层膜的稳定性。对放置在室温和80%相对湿度环境下的样品进行显微镜、表面粗糙度和X射线掠入射反射率测试，对比研究了Mg/Co和Mg/SiC两种多层膜结构在相同环境中的损坏状况。对比结果显示：放置4天后，Mg/SiC损坏面积为26.34%，表面粗糙度为10 nm；Mg/Co的损坏面积为2.78%，表面粗糙度为5 nm。6天后，X射线掠入射反射率测量显示Mg/SiC多层膜一级反射峰完全消失，而Mg/Co多层膜的一级反射峰仍有47.63%的反射率。实验表明，Mg/Co多层膜的表面层和内部多层膜结构的损坏速度较Mg/SiC慢，具有较好的环境稳定性。另外，X射线光电子谱(XPS)测试Mg基多层膜损坏后的产物主要为MgCO3、Mg(OH)2和少量的MgO，且内层Mg(OH)2与MgCO3含量的比值显著高于表面层。分析认为，水汽是造成Mg基多层膜损坏的主要原因，今后Mg基多层膜保护层的研究可主要针对如何防止水汽进入膜层。

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理器在输出规模、处理速度和控制带宽方面的要求，研制了千单元级自适应光学系统。设计了一种由主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合，输出规模最大可达1 200单元的自适应光学系统波前处理器。采用大规模逻辑器件作核心处理芯片，用多线并行流水算法缩短波前处理延时，提高系统控制带宽。对设计完成的波前处理器进行了基于961单元变形镜的开环展平实验以及基于137单元变形镜的闭环校正实验。实验结果显示：系统最高采样帧频为2 000 frame/s 时，波前运算延时为20.96 μs,表明文中提出的硬件扩展和多路并行流水算法对于大规模自适应光学系统波前处理可行且有效。

考虑天基照相机观测中小尺寸空间目标时具有能耗低、精度高以及易于小型化实现等优势，研究了利用天基照相机监测空间目标的轨道确定和可观测性计算方法。分析了太阳同步轨道作为天基监视轨道的优点，结合目前国外的几种天基卫星轨道类型，设计了天基卫星轨道，在此基础上仿真分析了对不同轨道类型空间目标的可见观测弧段。根据目前地基光学观测设备的测轨精度和轨道动力学模型误差，添加了不同的测轨系统误差、随机误差及一定的动力学模型误差，仿真分析了对不同轨道高度空间目标的定轨精度。分析结果表明，采用6天7分钟/两天的天基光学测轨数据对近地轨道的空间目标定轨时，若测轨精度优于30″，动力学模型误差小于50%，则定轨精度与美国编目轨道(TLE)精度相当。采用10分钟/天的天基光学测轨数据对地球同步轨道上的空间目标定轨时，若测轨精度优于10″，动力学模型误差小于50%，则定轨精度在美国编目轨道精度范围内。

为了用简单、紧凑的谐振腔获得稳定的激光输出，大的调谐范围和转换效率，设计了信号光单共振V型光学参量振荡(OPO)腔，采用内腔式抽运周期极化掺镁铌酸锂晶体(PPMgLN)的光学参量振荡技术获得了连续中红外宽波段调谐激光的输出。用808 nm半导体激光抽运Nd∶YVO4晶体产生的1 064 nm激光作为光参量振荡的基频光，通过V型腔灵活控制激光光斑并改变PPMgLN的极化周期和控制温度实现了2 249~3 706 nm中红外的连续宽波段调谐激光输出。在半导体激光抽运功率为10.5 W，极化周期为29.98 μm，控制温度为411 K的情况下获得了最高650 mW的中红外激光输出，对应的中心波长为3 466 nm，线宽为2.6 nm，具有较好的单色性。在7.5 W的入射功率下，最高808 nm抽运光到闲频光的转化效率达7.73%，对应输出功率为580 mW。

为了准确探测低温黑体的太赫兹辐射，研究了黑体的红外辐射和太赫兹各波段辐射的差异，构建了低温黑体太赫兹辐射探测装置，提出在该装置中采用窄带光谱滤光法抑制红外辐射和透过窄带太赫兹光谱。根据普朗克公式计算并对比了各波段太赫兹辐射及红外辐射的亮度值，理论数据显示223～323 K的低温黑体的红外辐射亮度是太赫兹辐射亮度的4～10倍。将在某一窄波长带宽范围内具有高透射比的太赫兹窄带光谱滤光片放置在黑体太赫兹辐射装置的探测器前,滤除红外辐射，并对黑体的太赫兹辐射量进行光谱分段探测实验。根据实验结果计算了黑体在不同太赫兹窄波段的辐射探测值的标准偏差，并对实验结果与黑体太赫兹辐射亮度理论计算值进行了比较。结果显示，窄带光谱滤光法可以实现低温黑体的太赫兹窄带辐射亮度探测。

为了准确测量高能激光系统远场到靶总能量和功率密度时空分布等参数，本文提出了量热吸收法和光电探测阵列法相结合的复合式测量方法。该方法由热吸收体测量入射激光的总能量，由光电探测阵列测量光斑的时空分布。研制了用于大面积、长脉冲近红外高能激光测量的复合式光斑时空分布探测器。探测器主要由石墨热吸收体、近红外探测器阵列、测温单元和信号处理单元等组成，有效测量光斑面积达到22 cm×22 cm，光斑测量空间分辨力为1.1 cm，时间分辨力为20 ms。该测量系统同时兼顾了光电探测阵列法的高时空分辨能力和量热吸收法的低测量不确定度等优点，适合于高能量、大面积近红外高能激光光斑参数的综合测量，并已成功应用于外场实验。

针对光刻投影物镜中透镜X-Y调整机构调整量程小、调整精度高的特点，提出了一种基于柔性铰链的X-Y微动调整机构，并将其应用在光刻投影物镜模型中进行了实验验证。首先，基于机构自由度和机构瞬心等概念介绍了该机构的工作原理。然后，用柔性铰链代替传统铰链完成了该机构的结构设计，并对该机构的运动方向刚度、位移输入-输出比以及固有频率和阵型等进行了仿真分析。分析结果表明：该机构X，Y方向的刚度值为1.99 μm/N和1.96 μm/N，X，Y方向的位移输入-输出比值分别为-2.5和-2.56，机构X，Y方向运动的原理误差分别为实际量的8.22％和6.68％。最后，将研制的X-Y微动调整机构用于光刻投影物镜验证模型中，给出了X-Y调整机构补偿前后的系统波像差。结果显示：模型补偿前后的系统波像差RMS分别为50.864 nm和25.933 nm。由此表明，本文设计的柔性微动调整机构补偿效果明显，能够满足光刻投影物镜高精度X-Y调整补偿要求。

纳米压印工艺中的压印胶在固化后会发生聚合物的铰链，生成高分子聚合物，很难被一般有机溶剂清除，从而影响器件的性能。为有效去除压印残胶，提出一种利用多层掩模去除残胶的方法。 该方法首先在基片和压印胶之间沉积一层50 nm的二氧化硅作为硬掩模；接着用纳米压印工艺将光栅图形转移到压印胶上，再用干法刻蚀将光栅图形转移到基片上；最后，放入BOE (buffered oxide etchant)中漂洗数秒以去除残胶。文中总结了刻蚀底胶时间对光栅占空比的影响，对比了经过多层掩模去残胶和传统去残胶的方法处理后的光栅形貌。电镜图片结果显示，采用本文方法经过漂洗的光栅表面残胶去除干净，形貌良好，其周期约为240 nm，深度约为82 nm。实验表明，多层掩模去残胶的方法不仅能够有效地去除刻蚀残胶，同时能够避免光栅形貌的损坏。

提出了基于两步低温阳极键合工艺的碱金属蒸气腔室制作方法，用于实现原子钟、原子磁力计及原子陀螺仪等器件的芯片级集成。由微机电系统(MEMS)体硅工艺制备了腔室结构。首先采用标准工艺将刻蚀有腔室的硅圆片与Pyrex玻璃阳极键合成预成型腔室，然后引入氮缓冲气体和由惰性石蜡包覆的微量碱金属铷或铯。通过两步阳极键合来密封腔室，键合温度低于石蜡燃点198 ℃。第一步键合预封装腔室，键合电压小于缓冲气体的击穿电压。第二步键合在大气氛围中进行，电压增至1 200 V来增强封装质量。通过高功率激光器局部加热释放碱金属，同时在腔壁上形成均匀的石蜡镀层以延长极化原子寿命。本文实现了160 ℃的低温阳极键合封装，键合率达到95%以上。封装的碱金属铷释放后仍具有金属光泽，实现的最小双腔室体积为6.5 mm×4.5 mm×2 mm。铷的吸收光谱表明铷有效地封装在腔室中，证明两步低温阳极键合工艺制作碱金属蒸气腔室是可行的。

为有效提升60 GHz贴片天线及阵列的辐射带宽，提出利用微机械手段加工天线的低温共烧陶瓷(LTCC)基板。通过微切削方法在特定生瓷层上制作贯通结构，充填可挥发牺牲材料，完成基板叠压、烧结，待牺牲层升华排净后最终构成三维微结构。设计、制备了悬臂梁、围框结构和微管道等工艺样品。对天线设计电性能进行全波分析，并测试了微流道散热特性。实验结果表明：提出的方法成功解决了不同轴系各方向收缩率不一致、空腔塌陷等工艺问题，制作出的悬臂梁与围框尺寸高宽比达4∶1，总长为12 mm，总层厚为1.4 mm；内嵌微流道横截面为200 μm×200 μm，长度达25 cm以上；内部光滑，基板表面贴装发热功率密度达2 W/cm2的功率器件时提供40 K以上的冷却能力；基板经过微机械加工后，天线的辐射带宽可从2.7 GHz增加到5.3 GHz，而增益的损失甚微。这些结果显示，用简单、低成本的微机械加工方法可在不显著增加制造成本的情况下有效扩增毫米波贴片天线的辐射带宽，为贴片天线阵中有源发射功率器件的设计和贴片天线的三维高密度集成提供了有效的技术支持。

研究了飞机姿态角速度变化的不确定性扰动对相机反射镜前向像移补偿效果的影响，设计了带有干扰观测器的伺服控制方案来抑制干扰。介绍了一种基于力矩扰动作用的反射镜系统数学模型。采用干扰观测器将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制输入端。然后，在控制中引入等效的补偿来实现对干扰的抑制。最后，应用该方法设计了带有干扰观测器的控制器对相机反射镜组件进行像移补偿控制。与先进的PID方法的比较结果表明：在相同扰动作用下基于干扰观测器的补偿控制算法得到的干扰前向像移残差减小了40%~60%左右。该方法提高了相机反射镜前向像移的补偿精度和补偿控制的鲁棒性。

设计了一种无线倾角传感器来检测地下隧道的结构变形，并研究了该无线倾角传感器所采用的温度补偿和数字滤波算法。首先，根据地下隧道结构特点，结合微机电系统(MEMS)技术和无线传感器网络技术，给出无线倾角传感器的硬件结构，并描述了传感器实现无线通信和可视化上位机界面的软件设计流程。然后，针对地下隧道温度变化大、振动扰动频繁等因素，分析其对传感器精度的影响，实现了对无线倾角传感器的温度补偿。最后，通过对传感器数据噪声频谱分析，选择数字滤波方法，充分抑制振动对传感器的影响，提升了无线倾角传感器的测量精度。实验结果表明：无线倾角传感器在±30°范围内的测量精度为0.05°，符合地下隧道变形检测的功能需求。

考虑应变对量子点结构产生的重要影响，采用六带K·P理论模型计算了耦合量子点系统在不同耦合距离下空穴基态及激发态的能态特性,探讨了应变效应对耦合量子点空穴基态反成键态特性的影响。计算结果表明,单轴应变对量子点的空穴能带有主要影响:首先它使重空穴(HH),轻空穴(LH)能级分裂增加,减少了HH,LH的混合；同时,改变了LH的束缚势垒,使得空穴基态波函数较多局限在底部量子点中。在不考虑应变的情况下,随着量子点之间耦合强度的减小,价带基态能级和激发态能级发生反交叉现象,基态从成键态翻转为反成键态。应变效应使得量子点的重空穴及轻空穴的能带发生改变,轻重空穴耦合减弱,基态和激发态之间发生成键、反成键态翻转的临界距离明显减小。

提出一种基于逆向工程和阻抗力控制的打磨方法来实现形位、刚度不确定回转腔体内壁表面的精确打磨操作。采用准在线激光测量方法对形位不确定回转腔体内壁表面进行粗、精测量，提取纵截线簇数据，处理后重构内壁曲面。联合阻抗力控制和智能控制方法，提出参考轨迹的模糊调节算法；采用激光探测内壁曲面信息计算参考轨迹，根据接触环境刚度变化，建立模糊调节规则；通过调节因子对当前控制周期的参考轨迹变化量进行调整，使机械手打磨头在回转腔体内具有柔顺控制能力，实现对形位、刚度不确定回转腔体内壁表面的精确打磨。搭建了机器人激光测量与打磨开放式试验平台，进行了力控制打磨试验研究。试验结果表明：采用准在线纵截线激光预测与测量，重构曲面模型的相对平均误差小于0.024%; 采用模糊调节力控制算法对固体火箭发动机壳体绝热层内表面进行打磨，目标打磨深度为0.200 mm时，打磨正压力相对误差小于±5%，回转腔体内表面打磨深度的相对平均误差为6.5%。结果显示所提方法可实现对具有复杂回转腔体内壁表面的精确打磨。

针对1 m口径空间相机反射镜的设计要求，提出了一种新的反射镜柔性支撑结构。以材料选择、径厚比、支撑点数量和位置、轻量化结构形式等为设计变量，以自重作用下反射镜面形精度rms值为目标函数，优化设计了一种背部开口、三角形轻量化孔、背部三点支撑的SiC空间反射镜结构，同时提出了一种反射镜柔性支撑结构。对反射镜在光轴水平状态下进行装调检测时影响反射镜面形精度的柔性支撑结构参数进行了灵敏度分析，找到了影响反射镜面形精度的结构参数。对反射镜组件动、静态特性和热特性进行了有限元分析，分析结果表明，光轴水平方向重力载荷作用下反射镜面形精度rms达到 5.6 nm，4 ℃均匀温升工况下反射镜面形rms为2.7 nm，反射镜组件一阶固有频率为192 Hz。最后，进行了反射镜组件的动力学测试试验，测得反射镜组件一阶固有频率为197 Hz，最大响应应力为181 MPa，验证了有限元分析的准确性。得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求。

为了提高超导纳米线单光子探测系统(SNSPD)的探测效率，搭建了超导纳米线单光子探测系统，研究了该系统的光耦合结构及该结构随温度降低而发生的变化。首先，测量了SNSPD在不同电流下的量子效率，确定了器件的性能。然后，提出了两种不同的光纤直接对准的器件封装方法，这些方法可以在室温下自主控制光纤端面与器件表面的距离(gap)。考虑封装材料的热胀冷缩，gap在温度变化时有很明显的变化，研究了温度变化对gap的影响。最后，提出通过改变入射光的波长来观察器件表面反射光光强的周期性波动，从而精确测量不同温度下gap的大小。实验结果表明，对于两种不同的光耦合结构，gap在温度降低270 K以后分别减小了4.1 μm和17 μm。理论计算和实验数据基本吻合，可为未来器件封装和新型封装结构的设计提供参考依据。

考虑利用白光干涉仪进行表面三维形貌测量时压电陶瓷(PZT)的蠕变效应对微位移驱动器位移精度的影响，提出了一种沿参考镜光轴方向提高该驱动器位移精度的方法。系统研究了该驱动器的位移检测回路、PID闭环控制以及蠕变补偿控制；利用光电位置传感器和光学杠杆调节位移检测回路，将压电陶瓷驱动器微位移反馈至控制系统，建立PID闭环控制。充分考虑了PZT蠕变特性对测量过程的影响，建立了"电压蠕变"补偿模型，实现了基于PID闭环控制与蠕变补偿控制相结合的复合控制方法。利用XL-80激光干涉仪测量压电陶瓷驱动器在PID闭环控制和复合控制二种情况下的微位移，实验结果显示前者位移误差为0.007 μm，后者位移误差为0.005 μm。结果表明该方法可有效克服压电陶瓷迟滞非线性和蠕变对测量结果的影响，满足表面三维形貌测量的高精度要求。

针对美国30 m望远镜(TMT)三镜系统在工作时的特殊要求，对三镜系统的Rotator组件轴承进行了设计，提出了在载荷连续变化条件下轴系的设计方法。通过分析该系统独特的运动和受力方式并对比现有大型望远镜结构形式，确定了三排滚柱支撑的轴系方案及轴承结构参数。计算中将天顶角定义为变量，确定了轴承的最恶劣工况及此时的望远镜指向。采用了数值计算和有限元仿真的方法对这一条件下的轴承变形和应力同时进行校核，两种方法得到的结果符合得很好，证明了模型的正确性。结果表明，天顶角为0°~65°时，轴承在x、y、z方向上的变形不超过0.015 mm，轴承倾角不超过1.7×10-5 rad，满足设计要求，并留有很大裕度。

提出了一种有双谐振频率和较宽谐振区域的纳米天线结构。利用有限积分法，计算了由金构成的表面等离子体光学纳米天线的谐振特性，研究了在谐振区域内谐振频率和谐振电场随位置变化的情况。结果表明，在不同谐振频率下存在两个谐振电场，在中间区域，谐振频率为270 THz，在侧边间隙区，谐振频率为390 THz；激励源为1 V/m时，其谐振电场均达700 V/m以上，是普通偶极子天线的18倍；第一谐振区域的谐振场集中在10~25 nm，在此范围内，谐振电场较大、谐振频率几乎不变；加上折射率为1.5 的玻璃衬底后，天线的谐振电场达到800 V/m，与没有衬底时相比，谐振频率变化很小。研究的天线结构在高性能的光学纳米天线、太阳能电池和生物传感器方面有潜在的应用价值。

提出了应用于干涉显微镜焦距调节的直线压电叠堆作动器和微动台。介绍了基于三角位移放大原理的压电作动器结构设计，利用ANSYS的APDL语言实现了对作动器钢架结构的建模，并采用Optimus中自带的差分进化算法(DE)对其结构尺寸进行了优化。制作了实验样机，激光干涉实验表明：当驱动电压信号幅值为40~100 V时，作动器位移放大倍数可以达到7。最后，将设计的直线作动器作为驱动核心安装在自行设计的微动台上，然后将组成的系统用于光学干涉显微镜。实验显示，整个系统在电压为24~40 V，阶梯增量电压为0.8 V时，步进分辨率可达23 nm，满足干涉显微镜细分干涉条纹所需要的直线位移分辨率的要求。

提出了将各向异性湿法腐蚀与各向同性湿法腐蚀相结合的复合工艺，通过控制刻蚀工艺参数进行体硅加工，成功刻蚀了硅基材料三维曲面回转体结构。在各向同性腐蚀过程中，由各向异性刻蚀得到的多面体结构的表面垂直腐蚀速率与刻蚀液浓度呈指数关系，而搅拌使得多面体结构表面峰值与谷底的刻蚀液存在流速差，基于此原理可得到光滑的三维曲面。刻蚀过程中，通过各向异性湿法腐蚀控制结构深度，通过各向同性湿法腐蚀"抛光"结构曲面。最后，采用实验优化湿法腐蚀过程的工艺参数，基于直径为600~1 000 μm的圆形掩模板，在硅材料表面制备得到了高度为100~200 μm的三维曲面回转结构。提出的工艺简单、有效且便于操作，有望用于制作不同曲面形状的三维硅结构及聚合物光学器件模具。

建立了基于分子动力学的聚合物粗粒化模型,用于从介观尺度分析聚合物在微纳通道内的流动状态。首先，采用Materials Studio软件构建了全同异构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)全原子模型，并基于该模型建立了不同映射中心的粗粒化初始模型。对全原子模型进行结构优化和动力学分析，获得了体系的势能统计规律，并采用高斯拟合函数与玻尔兹曼变换方程得到粗粒化力场的初始参数。随后，根据键伸缩势、键弯曲势、非键结势等各项势能的相对强度和相互影响关系，依次迭代并修正力场解析式，获得优化后的粗粒化模型。最后，统计了粗粒化模型中的均方末端距和均方回转半径等静态特性，并与全原子模拟进行对比验证，结果显示二者之间的相对偏差分别为0.68%和6.6%。研究结果表明，映射中心的选取对模型参数有较大影响；优化后的粗粒化模型能很好地吻合全原子模拟下的统计规律，能用于分析和解释纳注射成型中的流动传质问题。

针对类金刚石(DLC)薄膜在精密机械零件中的应用，研究了在常温条件下沉积高界面强度的DLC薄膜的技术，以提高DLC薄膜与金属基材之间的结合强度。通过在基材与薄膜之间沉积加入a-Si∶H中间过渡层，研究了在不同金属基材上DLC薄膜的结合强度。采用Ball-on-Disk方法评价了薄膜的摩擦特性并测定其摩擦系数、疲劳破坏寿命和磨耗。实验结果表明：在薄膜与金属基材之间加入a-Si∶H过渡层后，界面的结合(键合)强度得到了明显的改善，在金属基材上沉积的DLC薄膜在磨耗过程中被完全磨穿而没有发生剥离。实验显示，在自制的化学气相沉积RF-DCCVD装置上沉积的DLC薄膜的最大沉积厚度是3.3 μm；在1 μm厚度的薄膜上施加2.94 N的负荷(点载荷)，其疲劳破坏寿命达到了70万循环；DLC薄膜与SiC, Si3N4, SUS304和SUJ2材料之间的摩擦系数为0.1～0.15。得到的结果验证了薄膜与金属间的结合强度和摩擦特性能够满足精密机械零件的使用要求。

由于胶囊内窥镜的有效钳位是实现其在肠道中有效驻停及运动的重要因素， 本文研究并设计了胶囊内窥镜的钳位机构。首先，基于对摩擦力和肠道形变的分析，讨论了影响钳位力的因素。考虑肠道安全性，设计了阿基米德螺线腿机构。然后，通过构建离体肠道测试平台，测试不同直径、宽度、纹理及形状的样本在肠道内的钳位特性；分析实验结果，并建立了可定性描述钳位力的方程。最后，基于电流反馈实现钳位机构的安全控制；通过离体实验测试了钳位机构运动性能，并验证了钳位机构的安全性和可行性。实验结果显示，优化后的螺线腿钳位机构的钳位力达1.486 N；可较好地适应肠道的生理环境，满足扩展肠道、安全钳位的要求。

为了扩大隧道式加速度计(MTA)的动态测量范围并通过降低系统中的主要噪声来提高器件的性能，本文为隧道式加速度计(MTA)设计了线性二次高斯(LQG)控制器。推导了微隧道式加速度计的线性化状态-空间方程；依据分离定理, 设计了卡尔曼滤波器和最优状态反馈控制器；最后，在Matlab/Simulink中构建了由卡尔曼滤波器和最优状态控制器串联的LQG仿真系统并进行了动态和静态测试。仿真结果表明，LQG最优控制系统能够将微隧道式加速度计的带宽从2×103 rad/s扩大到3×106 rad/s。通过LQG最优控制，静态测试结果显示其静态隧道电流的波动从1 nA~2.95 nA降到0.73 nA~1.14 nA；动态实验数据表明其在方波加速度信号的作用下能够将隧道间隙维持在1 nm。

为了改善风载荷干扰对深空探测天线跟踪精度和寿命的影响，设计了位置环线性自抗扰控制器。由于扰动观测器可以改善系统性能，本文基于电机动力学机理，将电流与速度的反馈与负载的影响作为总扰动的一部分，通过静态增益对前向通道的惯性环节进行近似，极大地降低了扩张状态观测器的阶次；采用在线估计和补偿策略，抑制了风载荷干扰对控制系统的不利影响；利用描述函数法分析了包含摩擦特性的非线性系统闭环特性，说明这种控制策略可以避免极限环的产生。最后，开展了数学仿真和现场试验。在一深空探测系统上的应用结果显示，提出的控制策略超调比原产品减少了34%，抗击阵风干扰能力提高了60%，跟踪精度提高显著。得到的结果表明设计的控制策略提高了系统抗风干扰的能力。

由于传统的超分辨率重构无法在工程应用中对含有局部运动图像进行有效的运动估计及重构，本文提出一种采用非局部均值(NLM)的超分辨率重构方案。简要介绍了具有较好去噪特性的非局部均值滤波器，分析了超分辨率重构的代价函数，根据构造出的非局部均值超分辨率重构算法的代价函数及其求解，对提出的方案进行进一步的优化和化简，最后得到一种易于工程实现的重构算法。实验结果表明，提出的算法不仅具有NLM算法的优点，即不需进行显式的运动估计就能得到更清晰、细节更丰富的重构图像；而且重构速度比简化前的NLM算法提高将近30%，有望应用于具有复杂运动的图像的超分辨率重构。

提出了一种可快速、高精度提取不规则光点图像中心的多尺度光点图像中心定位方法。首先，结合图像形态学处理和阈值分割确定光点图像区域，初步确定光点图像大小；然后，计算不同尺度空间下各光点图像区域的Hessain矩阵，由Hessain矩阵特征值确定的判决系数确定最佳尺度，并确定光点图像中心像素级坐标；最后，根据光点区域周边图像二阶泰勒展开式求解光点图像中心亚像素坐标。仿真和实物实验表明，本文算法抗噪声能力强、可实现不同大小光点图像中心的快速高精度定位。在实物试验中，该方法提取光点图像中心的精度优于0.1 pixel。目前，该方法已在多套视觉测量系统中得到应用。

由于自然图像先验模型的概率密度函数的非高斯性(稀疏性的)会导致图像复原的最优化函数不再是凸的，传统意义上的最大后验估计已不能很好地求得最优估计解，因此本文提出利用自适应权值矩阵来解决这一问题。进行图像复原时，首先利用自然图像先验模型有效地抑制振铃效应，然后利用基于自适应权值矩阵的共轭梯度算法来解决由于稀疏先验模型导致的最优化函数非凸的问题。权值矩阵可根据上一次的迭代结果进行更新，并能够纠正图像在上一次迭代过程中局部区域导数估计的错误。实验结果显示，利用本文方法得到复原图像的峰值信噪比(PSNR)为36.131 6，优于其它算法。最后，用本文方法对全景图像进行复原，得到了很好的复原效果，证明了本文方法的实用性和有效性。

对特征参数和高斯混合模型进行改进，提出了一种特征域和模型域混合补偿的方法用于解决说话人识别特征受噪声影响较大以及高斯混合模型随训练样本长度减小而性能下降的问题。通过模拟人耳听觉，给出了基于伽马通滤波器的伽马通滤波倒谱系数；考虑其只反映了语音的静态特征，提取了能够反映语音动态特征的伽马通滑动差分倒谱系数。基于因子分析技术，利用移动因子表示高斯混合模型的自适应过程，通过训练语料较充分的说话人模型中的均值向量补偿受训练语料长度影响较大的分量的均值向量。仿真实验表明：在纯净背景下，本文方法的识别率达到了98.46%；在不同噪声环境下，本文提出的混合补偿方法能有效提高说话人识别系统的性能。

根据人眼对彩色图像不同颜色通道的敏感度不同，利用掩蔽效应对人眼感知立体图像质量产生的影响，提出了一种基于视觉阈值分析和通道融合的彩色图像客观质量评价方法。利用人眼视觉阈值确定立体图像的失真是否在人眼可察觉的范围，若失真程度小于视觉掩蔽阈值，则认为没有失真。利用原始和失真彩色图像RGB三通道各自左视点差值图和右视点差值图的奇异值与人眼视觉掩蔽阈值图的奇异值距离来衡量失真图像左右视点图像的质量。原始和失真图像对的绝对差图之差值图像和原始图像对的双目恰可察觉失真阈值图之间的奇异值距离被用于评价失真立体图像的深度感知好坏。不同失真类型下，左右视点质量融合以及左右视点评价和深度感知评价的融合其加权权值不同。对JPEG压缩、JPEG2000压缩、高斯白噪声、高斯模糊和H.264编码5种不同程度失真的312幅退化图像进行了测试，结果显示本文方法与主观感知有较好的一致性，总体CC (Pearson Linear Correlation Coefficient)达到0.94，总体SROCC (Spearman Rank Order Correlation Coefficient)达到0.94，整体均方根误差(RMSE)控制在5.9以内。

提出了一种基于图像测量技术的电机转子位置检测方法。利用高速面阵CCD相机连续拍摄转动状态的电机转子的端面图像帧序列，然后对采集的相邻两幅灰度图像进行极坐标变换和相位相关运算，得出转子的旋转角度值。由于所拍摄端面图像的纹理信息与相位相关运算的准确性有关，故对图像的纹理信息进行了逆行重构，以得出可使运算准确的图像，保证检测的准确性。为了提高检测效率，采用自适应方法完成图像的极坐标变换，即根据测量精度的要求确定图像的采样范围，从而减少了运算量。实验结果显示，运算结果的准确率为100%，并且测量可适应一定范围内的光照强弱变化。与直接进行极坐标变换的运算相比，运算耗时降低了50%以上，结果为电机转子的位置检测提供了可靠保障。

将激光准直及图像检测技术应用于无砟轨道表面沉降监测之中，建立了图像式表面沉降在线监测系统。首先，介绍了图像式沉降监测方法的工作原理，给出了表面沉降在线监测系统的构成及工作方式。分析了沉降监测靶面激光光斑图像特征，并采用背景差分法来提高监测系统的环境适应度。然后，采用变结构元多尺度广义形态滤波法对光斑图像进行了预处理。最后，依据采集图像灰度呈高斯分布的特性，提出了基于重心的灰度分布曲线拟合法来精确定位光斑中心。实验结果表明：沉降实验室测试的合成不确定度最大为0.198 mm；现场测试的10个月累积最大误差小于1 mm。这些数据显示提出的系统可满足无砟轨道表面沉降在线监测对稳定性、精度和抗干扰能力的要求。

介绍了100 km量子纠缠分发实验中的捕获跟踪瞄准(ATP)技术。以Alice接收端的700 mm望远镜为例分析了ATP系统的技术指标、光路布局和高带宽跟踪精度的实现方法。为了抑制近地面水平大气湍流引起的量子信息传输光束和信标光束的到达角起伏， 在经典复合轴跟踪模式的基础上，设计了具有粗跟踪、精跟踪和超精跟踪功能的双重复合轴跟踪系统和双快速控制反射镜融合的跟踪算法，用高帧频CMOS探测器和压电快速控制反射镜构建了超精跟踪回路。采用这些方法有效解决了跟踪动态范围和跟踪精度之间的矛盾，更好地发挥了高帧频探测器的性能，提高了抑制带宽和跟踪精度。将该双重复合轴跟踪系统成功应用于100 km量子纠缠分发实验，结果显示捕获跟踪系统的跟踪精度为4 μrad，抑制带宽达到了70 Hz。

为了精确测量悬浮试验场内姿态快速变换的空间物体的姿态角参数，提出了一种采用3个线阵CCD相机同时测量多个点合作目标的姿态测量方法，以解决传统的线阵CCD姿态测量系统中相机位置间的约束条件过多造成的非线性系统误差及校准参数多的问题。该方法采用柱面透镜和线阵CCD组成的3个一维相机，对被测物体上的多个点合作目标同时进行测量；并针对测量原理对姿态角限制的问题，采用模拟计算的方法进行姿态角测量范围的计算。由神经网络校准线阵CCD相机，直接给出点合作目标的空间三维坐标，并通过建立基于Rodrigues参数姿态解算模型求解被测物体的姿态角。实验结果表明，本文方法得到的空间点位置测量精度及空间姿态解算精度高于原线阵CCD姿态测量方法，验证了该姿态测量方法进行姿态测量的可行性和有效性。