由于传统的斯托克斯椭偏仪定标方法中入射光源的偏振效应、定标单元中光学元件的制造与装调误差都会降低仪器矩阵的定标精度, 从而影响偏振态的测量精度, 本文提出了基于非线性最小二乘拟合算法的仪器矩阵偏振定标方法。该方法将描述定标单元的参量和仪器矩阵的所有矩阵元一起作为未知参数, 根据偏振光学传输理论建立探测光强与未知参数的函数关系式; 然后,基于非线性最小二乘拟合方法拟合实际探测光强随定标单元方位角的变化曲线, 进而得到斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵。实验中使用该方法和传统方法在500~700 nm波段分别定标了KD*P型斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵。结果显示, 新方法在500~600 nm波段获得的斯托克斯参数的总均方根(RMS)偏差为1.6%, 较传统定标方法提高约0.5%; 波长大于600 nm时, 由于系统信噪比降低使得新方法的测量精度降为2.4%, 但仍然远高于传统方法的测量精度。结果表明, 提出的方法简单易行, 适用于各种斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵定标。

考虑用质谱法进行同位素分析存在分辨率有限、检出限高、样品预处理过程复杂等缺陷, 提出了采用简并四波混频(DFWM)光谱技术来测量和分析同位素。选择氯化物中的Rb、Cs和K的同位素作为测试样品, 用石墨炉原子化器将化合物原子化为原子蒸汽。通过对Rb、Cs和K的同位素进行分析发现: DFWM 光谱技术的分辨率很高, 能够清楚地分辨3种元素的同位素以及超精细能级跃迁; 对RbCl样品中的Rb同位素的丰度比值进行了测量, 得到的丰度比值为(2.649±0.002), 精度优于传统质谱法的测量结果。此外, DFWM光谱技术测量Rb, Cs和K同位素的检出限分别为 5.4 fg/mL, 0.63 pg/mL和0.09 fg/mL。实验结果表明, 相对于质谱法, DFWM光谱技术的测量精度更高, 检出限更低, 在同位素分析中具有明显的优势。

针对用计算全息图(CGH)对非球面进行检测时出现的非对称畸变, 分析了3种基本的畸变模型, 提出了一种有效的校正非对称畸变的方法。该方法采用较少的拟合参数即可实现对非对称畸变的精确校正, 从而可以较大程度地减少畸变校正所需要的数据点对, 避免过度拟合效应。通过光学仿真模拟分析了整个干涉仪系统的畸变, 并利用以上方法对畸变进行了校正。仿真结果显示, 畸变校正的相对残差小于0.2%。最后, 设计并制作了处于离轴工作状态的CGH, 并用此CGH对非球面进行了检测。利用上述畸变校正方法对测量的非球面面形进行校正, 并用校正之后的结果进行加工迭代, 最终非球面面形的收敛精度达到1.8 nm(RMS), 得到的结果验证了提出的畸变校正方法的可靠性。

为了提高飞秒激光加工的效率和灵活性, 设计了一套飞秒激光全息并行加工系统, 并对该系统中加载计算全息图(CGH)生成的多焦点均一性和空间位置分布的关系进行了研究。首先, 将空间光调制器(SLM)引入飞秒激光加工光路; 然后, 采用GS(Gerchberg-Saxton)算法设计了直线型和三角型分布的三焦点阵列。最后, 通过数值仿真和实验研究比较了用两种不同空间分布的焦点列阵设计的全息图对均一性的影响。 结果表明, 在焦点阵列间距较小的情况下, 直线型分布设计的焦点阵列不易获得好的均一性, 三焦点U仅有79%; 而用三角型分布焦点阵列设计时, 可以获得很好的均一性, 三焦点U约等于100%。实验数据表明, 三角形分布的三焦点可以实现高质量的并行加工, 加工的半球状微结构阵列具有微透镜阵列的功能。

以土壤样品为靶, 提出利用小型碳室对高能量激光诱导等离子体进行空间限制来提高等离子体发射光谱质量。采用高能量脉冲激光烧蚀土壤样品, 利用组合式多功能光栅光谱仪和CCD探测器等组成的光谱分析系统记录光谱信息, 研究了激光诱导等离子体在有或无碳室约束条件下辐射强度的变化; 通过光谱学测量方法求得电子温度和电子密度, 用以解释等离子体辐射增强的机理。实验结果显示, 当利用小型碳室约束激光等离子体时, 土壤样品元素Mn,K,Fe和Ti的光谱线强度比无碳室约束时分别提高了90.77%, 101.71%, 104.27%和60.77%; 光谱信噪比分别提高了54.29%, 55.30%, 59.37%和38.80%; 等离子体的电子温度和电子密度分别提高了1 684 K和1.8×1016 cm-3。得到的结果表明, 利用空间约束方法能够有效地提高激光诱导等离子体的发射光谱强度和信噪比, 为利用激光诱导击穿光谱技术检测物质中低含量成分奠定了基础。

针对在工程研制阶段隐身雷达罩与频率选择表面(FSS)间的空气隙引起的隐身雷达罩传输性能劣化问题, 设计了一种具有低空气隙敏感度的新型雪花环状单元频率选择表面以降低空气隙的影响。采用模式匹配法进行了FSS理论仿真。为了进行对比分析, 针对假定技术指标分别给出新型单元FSS和Y环单元FSS的最优化设计结构, 采用光刻工艺制备出等效FSS平板样件, 在微波暗室中采用自由空间法测试其传输性能以验证设计。仿真和测试结果一致表明: 新型雪花单元FSS在很大的空气隙内(190~6 500 μm)均满足技术指标, 优于Y环FSS的最大空气隙范围(320~1 900 μm)。最后, 简要分析了雪花单元FSS设计的优点。分析结果显示, 新型雪花单元FSS在满足隐身雷达罩常规技术指标的前提下, 具有较低的空气隙敏感度, 可在工程试验阶段用于FSS的研制。

利用手持式激光测距仪和二轴转台, 设计了一种经济型大尺寸激光三维自动测量系统, 用于船舶等大型工件的现场测量。介绍了系统的测量原理和主要组成部分, 系统无需合作目标, 在计算机的控制下自动对目标进行测量来获得相对系统的三维坐标数据。分析了系统的主要误差对测量结果的影响, 完成了主要误差的提取实验。最后, 利用激光跟踪仪对系统测试水平两点间的距离的测量精度进行了评定, 并对船分段模型进行了测量实验。实验表明, 该系统对水平放置物体的两点间距离的测量精度达到了1.73 mm,对船分段模型的平行平面之间的距离测量精度达到了1.5 mm。由于系统构成简单, 硬件成本较低, 测量精度较高, 测量速度大约为1 point/s, 非常适用于船分段的测量。

为了获得光滑的腐蚀光纤表面, 本文从光纤腐蚀的传质及动力学特性出发, 设计了一种流动腐蚀光纤装置。采用质量百分比浓度为12.5%的氢氟酸(HF)溶液, 研究了石英光纤的组成成分、腐蚀剂温度和流速对腐蚀速率以及腐蚀后光纤表面形貌的影响。实验结果及理论分析表明: 光纤腐蚀速率和表面粗糙度受化学反应速率和传质速率控制; 由于光纤纤芯与包层成分不同, 导致纤芯腐蚀速率高于包层腐蚀速率; 在静态腐蚀条件下, 腐蚀速率随温度呈非线性增长, 且腐蚀后光纤表面粗糙; 在流动腐蚀条件下, 光纤腐蚀速率提高, 并与温度呈线性关系, 腐蚀后光纤表面粗糙度随流速的增加呈现出先减小后增大的趋势; 在流速为0.75 L/min时, 获得了光滑的腐蚀光纤表面。

由于采用血流容积差光谱相减法进行近红外无创生化分析得到的样品光谱光程不定, 很难得到高性能的定标模型, 本文提出采用光程校正空间法来消除光程差异, 提升定标模型性能。首先, 介绍了净信号分析的原理和校正空间的获取方法; 根据血流容积差光谱相减法的特点, 提出了采用光程校正空间获取待测组分净信号的方法。然后, 以含葡萄糖的脂肪乳溶液为例, 通过光程校正空间获取葡萄糖净信号, 建立定标模型。实验结果表明: 相比没有处理光程直接建立的定标模型, 采用光程校正空间后所建立的模型相关系数(R)从0.978 1提升到0.997 7, 定标均方根偏差(RMSEC)从77.52 mg/dL下降到25.02 mg/dL, 交叉验证均方根偏差(RMSECV)从93.01 mg/dL下降到68.22 mg/dL。结果显示,采用光程校正空间的净信号分析能够有效抑制光程差异对定标模型的影响, 为血流容积差光谱相减法的实际应用奠定了基础。

提出将电阻层析成像(ERT)技术应用于冰水两相流相含率、相分布等特征参数的测量, 并设计了ERT测量系统, 研究了基于图像的相含率计算方法。阐述了ERT系统的工作原理, 提出了16电极ERT系统的设计方案。介绍了线性反投影图像重构算法(LBP); 并结合数字图像处理技术, 提出了截面相含率的计算方法。最后, 通过一组实验验证了电阻层析成像技术应用于冰水两相流检测的可行性。实验结果表明: 通过ERT系统可以获得管道内冰柱在水中的位置以及实时运动结果, 直观反映冰水两相介质的相分布; 另外, 通过ERT系统可以近似地真实反映冰柱的相对大小, 两次截面相含率测量误差分别为6%与2.8%。研究表明,ERT技术可以实现冰水两相流的实时在线监测, 而且具有良好的测量准确度。

考虑完全开放的微管道中液体输运不稳定, 不利于生物气溶胶采样和监测的自动化集成, 本文提出了用覆盖有疏水网的开放微管道来实现液体的可靠输运。通过理论分析得到了该微管道液体输运特性的估计公式, 并用水作为试验介质对其输运特性进行了实验分析。分析实验显示, 开放微管道中液体输运的稳定性依赖于栅网特性、液体性质和流动速度、管道尺寸和表面特性。栅网表面疏水性越好, 孔径越小, 微管道中液体的最大许可压强就越大, 液体输运就会越稳定。对于孔径50 μm、表面涂覆有Teflon的栅网, 最大许可压强可达2 000 Pa。管道中的最大许可流速取决于管道尺寸和最大许可压强; 对于较浅、较长的管道, 最大许可流速较小。当液体流过干的疏水管道时, 液体的表面张力会阻碍流动, 管道截面尺寸越小, 表面张力的阻碍效果越明显。

合金钢变形过程中奥氏体区域内的位错演变行为与析出行为有着密切的关系。为了验证贝氏体细化结构与室温模拟的Fe-40Ni合金纳米级析出相钉扎位错网络结构的关联, 本文采用热模拟、金相显微技术和透射电镜(TEM)显微术研究了低碳微合金钢变形后850℃弛豫过程中的析出行为及其对随后冷却过程中形成的贝氏体组织的影响。结果表明, 实验用钢的微观组织结构(超细晶贝氏体及马氏体的混合物)在弛豫过程中可以得到有效细化, 变形后在850 ℃弛豫60~200 s可以得到最佳的组织细化结果。同时, 应变诱导析出的小于10 nm的析出相可以有效地钉扎住位错。实验结果与Fe-40Ni合金模拟结果一致。

根据高精度投影光刻物镜的特点, 提出了一种运动学支撑结构, 并采用实验结合有限元分析的方法研究了该支撑结构引起的透镜光学表面变形以及重复装配过程中透镜光学表面面形的复现性。首先, 介绍了运动学支撑结构的原理及镜面变形分析的方法。然后, 应用Zernike多项式拟合实测和有限元分析得到的面形, 并用两种方法对运动学支撑结构夹持力引起的透镜光学表面面形进行对比, 以验证有限元分析模型的正确性。同时, 分析了考虑重力情况下运动学支撑结构导致的透镜光学表面变形。最后, 用实验的方法测量了运动学支撑结构在重复装配过程中透镜光学表面面形的复现性。实验和分析结果显示, 由运动学支撑结构夹持力引起的透镜光学表面面形均方根(RMS)值的实测值为1.004 nm, 分析值为0.974 nm, 夹持力及重力综合作用下导致的透镜表面Fringe Zernike拟合面形RMS值为2.538 nm, 产生的主要像差为离焦、初级三叶像差和二级三叶像差, 重复装配过程中引起的透镜光学表面面形的复现性标准差为0.645 nm。得到的结果表明, 所设计的运动学支撑结构能够保证透镜光学表面面形在重复装配过程中有良好的复现性。

为了在硬件有限的条件下测试微纳卫星姿态控制软件的实时控制性能, 建立了微纳卫星姿态控制软件实时测试系统, 并使用该系统对微纳卫星姿态控制软件进行了测试实验。根据卫星姿态动力学与运动学、轨道环境信息与姿态控制算法数学模型, 在PC机上设计开发了微纳卫星模拟飞行平台。使用控制器局域网络(CAN)和串口建立了连接星载计算机与PC机微纳卫星模拟飞行平台的高效通讯链路, 并对姿态控制软件主程序进行必要的修改。最后, 基于该实时测试系统完成了星载计算机上姿态控制软件的实时控制性能测试实验。实验结果表明: 姿态控制软件在星箭分离后18 446 s完成初始控制阶段并进入偏置对地三轴稳定模式, 实现了微纳卫星的稳态控制目标。偏置对地三轴稳定模式中卫星最低单轴姿态精度与角速度稳定度分别优于±1.86°和±0.048(°)/s, 满足该模式控制精度与收敛时间的要求。

采用向太阳电池光阳极中复合窄禁带半导体材料的方法来提高光阳极的光响应范围, 以改善染料敏化太阳能电池的性能。用柠檬酸凝胶法制备CoAl2O4纳米粉体, 并通过X-射线衍射光谱分析煅烧温度对CoAl2O4纳米粉体晶型及晶粒的影响规律; 采用透射电镜观察CoAl2O4纳米粉体的表面形貌; 通过紫外-可见吸收光谱分析CoAl2O4纳米粉体和CoAl2O4/TiO2复合多孔纳米薄膜的吸光度, 并计算了CoAl2O4纳米粉体的禁带宽度。以CoAl2O4/TiO2复合薄膜为光阳极制备了染料敏化太阳电池(DSSC), 应用太阳光模拟器及数字源表测试了DSSC的光电性能, 分析了CoAl2O4的复合量对DSSC光电性能的影响规律。实验结果表明: CoAl2O4粉体的最佳烧结温度为700 ℃; CoAl2O4粉体的禁带宽度为1.69 eV, 属于窄禁带半导体材料; 当CoAl2O4的复合量为1%时, 电池性能较好, 转化效率提高了62%。另外, CoAl2O4/TiO2复合薄膜电池的稳定性比纯TiO2薄膜电池好。得到的结果说明向TiO2中复合CoAl2O4粉体可以提高电池的转化效率。

基于投影微分算法提出了一种应用于多光谱成像仪的自动对焦方法, 该方法结合图像处理单元和多个波段的探测器调焦辅助机构来同时实现多个波段的独立自动对焦。首先, 根据观测需要对自动对焦窗口进行手动选取, 或结合投影微分与目标边缘的对应关系进行对焦窗口的自动选择; 然后, 将参与自动对焦计算的图像的对焦窗口内的数据做x与y方向投影, 对这两个方向投影数组的微分1范数均值求均方根, 并将其作为该帧图像的清晰度评价值; 最后, 结合经典的爬山搜索算法, 完成系统的自动对焦过程。实验结果显示, 同等条件下投影微分算法与经典的Brenner、能量梯度及Roberts梯度和算法具有同样好的评价效果, 能够准确地实现系统的自动对焦, 而其算法时间分别仅为这3种算法的0.67、0.33和0.33倍。这些结果表明, 投影微分算法具有良好的单峰性与无偏性、较高的灵敏度及很好的实时性, 能够满足系统的高精度自动对焦要求。

针对小尺寸碳纳米管在多物理场耦合作用下的组合扭转屈曲问题, 提出了基于非局部理论耦合场作用下的力学模型, 并研究了该模型的组合扭转屈曲行为。首先, 采用连续弹性壳模型, 引进热-电-力多场耦合作用下的本构关系, 通过引入非局部弹性理论来考虑小尺寸碳纳米管的尺度效应;然后针对多壁碳纳米管层间范德华力和周边弹性介质的影响, 建立了基于非局部理论多场耦合作用下碳纳米管的屈曲控制方程。最后, 在轴力组合扭转载荷及温度与电压变化影响的工况下, 研究了各因素对碳纳米管组合扭转屈曲行为的影响。得到的结果显示了小尺寸碳纳米管组合扭转屈曲行为在多场耦合作用下的响应, 揭示了各物理场与组合扭转屈曲行为的关系; 同时指出非局部理论下的屈曲载荷与经典理论下的屈曲载荷比值总小于1, 说明经典理论高估了小尺寸碳纳米管的组合扭转屈曲行为。

为提高电动舵机伺服系统的跟踪精度, 提出了辨识、测试它的摩擦和间隙非线性及对其进行补偿的方法。针对位置和速度双闭环控制的电动舵机伺服系统, 建立了基于LuGre摩擦和迟滞间隙的数学模型; 依据模型采用前馈补偿方法对系统中的摩擦进行补偿, 同时采用逆模型方法对系统中的间隙进行补偿控制。实验显示, 对于幅值为1°, 频率为2.5 Hz 的给定正弦信号, 补偿后系统的最大位置跟踪误差由原来的0.166°减小到了0.096°, 最大速度跟踪误差由原来的2.723 r/min减小到了0.393 r/min。结果表明, 本文提出的辨识测试方法能够精确地获得摩擦和间隙模型, 基于该模型的补偿能够有效地提高电动舵机伺服系统的跟踪精度。

利用6 kW横流CO2激光器制备了Co50熔覆层和不同成分配比的Co/TiC复合涂层来改善H13模具钢表面的热磨损性能。借助X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计和高温摩擦磨损试验机分析了涂层的结合特征、物相组成和不同温度下的摩擦磨损性能。结果表明, 当预置层粉末TiC含量(重量百分比)小于等于20%时, 熔覆层与H13钢基材呈良好的冶金结合; 随着TiC含量的增加, Co/TiC复合涂层截面平均显微硬度呈上升趋势, 但涂层中基体相种类减少: Co＋10%TiC涂层由TiCo3、Cr2Ni3和Cr-Ni-Fe-C组成, Co＋20%TiC涂层由Cr2Ni3和γ-Co组成, Co＋30%TiC涂层为γ-Co固溶体。Co＋20%TiC涂层的高温耐磨性比Co50涂层显著提高, 摩擦系数平稳; 700 ℃时复合涂层的磨损机制主要为氧化磨损和疲劳磨损。结果显示Co＋20%TiC涂层具有良好的综合性能。

考虑滑移对摩擦驱动望远镜精度的影响, 提出了天文光学望远镜摩擦驱动滑移动态检测与修正的控制方法。建立了滑移动态检测系统、正压力主动调节系统、负载波动模拟和检测系统。用钢带光栅尺检测动负载位置, 由同轴安装的角度编码器检测主动摩擦轮位置, 根据减速比λ的变化判断主动轮和从动轮之间是否发生了相对滑移。主控单元可编程多轴运动控制器(PMAC)用来实时控制正压力电机进行压力修正并随之修正系统控制算法以提供足够的摩擦驱动力来减轻、消除滑移现象。实验表明: 该方法能及时修正望远镜驱动系统出现的滑移, 从而提高望远镜跟踪精度及可靠性。在最严重滑移的情况下, 系统可在100 ms内判断出滑移, 74.2 s完成校正并恢复望远镜的高精度跟踪。此方法既可用于单点摩擦驱动也可用于多点摩擦驱动, 能够有效解决非线性干扰带来的滑移问题。

尽管用于铜及低介电材料(low-k材料)互联加工的兆声清洗工艺可以提高纳米颗粒的去除率, 但清洗过程中的声波能量会破坏微小器件结构从而导致器件功能失效。本文采用有限元分析法分析和预测了兆声波的破坏作用, 研究了铜及low-k材料互联结构在兆声清洗过程中的应力分布及变形。基于ABAQUS软件, 采用二维有限元模型对循环布线图形当中的一个典型元胞在空化气泡破裂冲击下的应力应变进行分析, 并讨论了它的破坏形式和破坏规律。结果表明, 最大应力集中在铜及low-k材料键合处将导致low-k材料分层。当线宽为22 nm时, 应力和结构变形达最大值, 分别为1 379 MPa和3.074 nm; 之后随线宽增加最大应力应变值均减小。另外, 兆声频率增大不改变应力应变分布规律, 对应力应变极值影响亦不明显。分析及预测结果与工业实践得到的结果相符。

针对微装配/密封工程对用胶量超微化(≤1 pL)的需求, 提出了一种既适用于接触式点胶, 也适用于非接触式点胶的超微量点胶方法。采用移液针穿过装有胶液的玻璃微管, 在移液针先端吸附微小胶滴, 当移液针先端靠近点胶面时, 其先端吸附的微小胶滴与点胶面接触, 移液针离开点胶面后, 微小胶滴的一部分将残留在点胶面上, 实现超微量点胶。通过匹配点胶的参数, 实现点胶量的控制。该方法可以适用于任何黏度(1~3.5×105 cP)的胶液、任意空间方向的超精密点胶。实验讨论了移液针直径和点胶距离(移液针先端与点胶面的距离)对点胶性能(胶斑直径)的影响; 在此基础上, 匹配移液针直径、点胶距离、玻璃微管内径和点胶速度等参数, 实现了胶液黏度为971 cP, 点胶量为40 fL、170 fL、180 fL在3种亲水性不同的点胶面上的微量点胶; 以及胶液黏度为3×104 cP, 胶斑直径为243.9 μm时的超微量点胶。实验结果验证了提出方法的可行性。

研究了液浮转子式陀螺仪转子在高速转动时其间隙流场的流动状态。采用计算流体力学中的雷诺应力模型, 对陀螺仪转子与定子间的封闭流场进行数值模拟, 并运用粒子成像测试技术(Micro PIV)观测运动流场, 测量液浮陀螺的间隙流场速度。模拟结果表明, 转子上下表面与侧壁面均形成了不同类型的二次流动, 该现象随转速及空间尺寸的增大而增强; 当转速增大到7 500 r/min时, 二次流速可达到0.3 m/s, 故减小空间尺寸有利于提高转子的运动稳定性。另外, 文中给出了运用粒子成像测试技术(Micro PIV)得到的流场矢量分布与流线分布图。实验证实, Micro PIV测试技术可实现对转子转速在0~1 000 r/min内的流场速度的精确观测, 满足限域空间内对高速运动流场的非接触测量要求。

通过研究脉冲密度反馈力对微机械陀螺性能的影响,设计了基于机电结合∑Δ调制器原理的微机械陀螺检测闭环电路。首先, 根据微机械陀螺敏感模态的等效形式, 分析得出脉冲密度反馈力对敏感模态的影响机理可以分为负刚度效应和增益效应两部分, 且负刚度效应与输入角速度无关。然后, 根据闭环检测理论建立了角速度和反馈脉冲密度之间的关系、量程与反馈脉冲高电平之间的关系。最后, 利用量程设计指标和实际微机械陀螺参数, 理论计算了所需的反馈脉冲高电平, 并在Simulink中进行了仿真。仿真结果表明, 所选参数满足了设计指标, 且在正交误差等效输入角速度为0、30和50(°)/s 3种情况下, 仿真得到平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为3.6×10-6、3.07%和5.12%。对正交误差等效输入角速度分别为30.4(°)/s和47.3(°)/s的I号陀螺和II号陀螺进行实验, 结果表明, 脉冲密度反馈力对负刚度的影响不随脉冲密度的变化而变化; 得到的平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为2.9%和4.8%, 实验与仿真结果符合得到较好。

针对传统的自适应方向提升小波变换(ADL-DWT)算法在高分辨率遥感影像压缩中计算复杂度过高的问题, 提出一种新的基于方向预测的提升小波变换(DP-LWT)算法, 实现了高分辨率遥感影像的快速、高效压缩。新算法首先将高分辨率遥感影像分为若干不重叠子块, 然后采用梯度算子快速预测遥感影像中每个图像块的最佳提升方向, 并沿着最佳预测方向插值完成方向提升小波变换, 最后进行多级树集合分裂(SPIHT)编码。实验结果表明, 新算法有效削弱了遥感影像各子带中非水平与非垂直方向的高频系数; 与传统自适应方向提升小波变换相比, 在重建高分辨率遥感影像峰值信噪比基本相同的情况下, 有效减少了小波变换中方向预测的计算复杂度。

基于形状上下文(Shape Context)算法并融合主成分分析(PCA)的降维思想, 提出了一种PCA-SC算法来提高形状匹配和目标识别的速度和抗噪能力。该算法将SC算法获取的特征矩阵构成协方差矩阵, 按照特征值由大到小的准则进行降维, 形成新的特征矩阵用于匹配和识别, 既抑制了噪声干扰, 提高了识别准确率, 又能够提高匹配速度, 易于满足工程应用对实时性的要求。利用MNIST图像数据库中的图像进行了实验分析, 结果表明, PCA-SC算法在保持了SC算法原有的定位准确、抑制噪声等优点的基础上, 识别速度提高了1倍; 准确率达到了96.15%, 提高了约0.5%; 而且抗噪性更强, 可用于匹配和识别较复杂的形状和目标。该算法基本满足匹配和识别对速度、准确率和抗干扰性等方面的要求。

为了增强水印安全性, 用三维物体作为水印信息嵌入载体, 提出了一种基于层析法的多重计算全息数字水印技术。该方法用层析技术得到三维物体的菲涅尔(Fresnel)全息图; 利用Arnold变换对全息图进行置乱加密, 置乱后的图像作为待嵌入水印; 选择离散余弦变换(DCT)作为嵌入与提取算法; 将Arnold变换次数与三维物体每层的衍射距离作为加密密钥。数字仿真与实验结果显示, 当密钥正确时, 从水印中提取的全息图的再现结果与直接再现全息图的结果一致, 可以再现出三维物体相应层次的信息; 密钥错误时, 从水印中提取的全息图的再现结果无法识别, 水印提取失败。实验结果证明了水印嵌入及提取算法的正确性, 表明提出的方法可以实现水印信息的立体化和多重化, 具有较高的安全性和易于实现等优点。

为了快速、准确地判别田间籽棉的成熟度, 提取了描述棉瓣形状的15个结构特征, 基于10折交叉验证比较了封装器下穷举搜索并基于封装器停止搜索(WE-W)和过滤器下启发式搜索并基于封装器停止搜索(FH-W)这二种特征选择算法的执行效率和分类性能。分别以验证集上Bayes分类器的误分率(WE-W)和训练集上的类可分性测量值(FH-W)为评价函数, 在训练集上穷举搜索(WE-W)和启发式搜索(FH-W)最优l维特征子集, l=1, 2, …, 15, 并于Bayes分类器在验证集上的平均误分率极小时停止搜索(WE-W和FH-W)。结果显示, WE-W和FH-W算法在预测集上于l=3处分别获得了85.39%(WE-W)和85.28%(FH-W)的平均识别率, 表明FH-W算法执行效率高、分类性能好, 对实际应用有参考意义。

由于中心对称局部二值模式(CS-LBP)的虹膜识别具有特征维数高、对噪声敏感等缺点, 提出了基于统计特征中心对称局部二值模式(SCCS-LBP)的虹膜识别方法。首先, 根据虹膜纹理的分布特性, 用CS-LBP对归一化的虹膜图像进行编码; 为了进一步降低特征维数, 对编码后的图像进行特征统计。然后, 根据统计结果的分布, 提取出有效的二值特征图像。最后, 用Hamming距离进行虹膜识别。对CASIA1.0、CASIA2.0、CASIA3.0-Interval、MMU1图像库进行了识别, 最高正确识别率分别为99.955%、99.848%、99.989%、99.916%。实验结果表明: 该方法有效地利用了虹膜纹理分布特性, 与LBP和CS-LBP方法相比, 具有更少的特征维数、更高的正确识别率和更好的鲁棒性。

从核磁共振成像(MRI)对前列腺肿瘤的诊断入手, 提出了一种基于两阶段集成支持向量机(SVM)的前列腺肿瘤辅助诊断方法。首先, 提取MRI图像中的前列腺感兴趣区域(ROI)的统计特征、纹理特征和不变矩特征; 然后, 在不同的特征空间里, 使用不同的核函数来扰动SVM参数并在不同的特征空间生成个体SVM, 通过相对多数投票进行第一次集成; 接着把第一次集成结果用相对多数投票进行第二次集成; 最后, 以前列腺患者的MRI图像为原始数据, 采用两阶段融合集成SVM对前列腺肿瘤进行辅助诊断。实验显示, 第一次集成分类准确率最高比单SVM提高了26.67%, 第二次集成分类准确率比第一次集成SVM提高了3.33%, 结果表明本文算法能够有效提高前列腺肿瘤的识别精度。

针对多源遥感影像之间灰度值非线性变化导致特征点匹配率大幅度下降的问题, 提出了一种利用光谱信息的多源遥感影像特征点匹配算法。首先, 以光谱信息对遥感影像波段进行线性拟合, 使待匹配影像与参考影像之间的灰度值由非线性转变为线性或者近似线性变化。接着, 在拟合的遥感影像上采用改进的尺度不变特征变换(SIFT)算法进行匹配。最后, 采用随机抽样一致性算法剔除误匹配点对。与常用特征点检测算法(SIFT, 梯度位置朝向直方图(GLOH),RS-SIFT)的对比实验结果表明, 本文所用的ETM+影像全色与多光谱影像的特征点匹配率提高了4%左右, CBERS-02B和HJ-1B卫星多光谱影像的正确特征点匹配个数增加了8对。因此, 在多源遥感影像特征点匹配中, 本文所提算法优于其它检测算法, 可以极大地改善匹配效果。

空间环境的恶劣经常导致航天相机的成像平面偏离焦平面产生离焦, 从而影响遥感成像质量。本文针对某航天离轴三反消像散多光谱相机设计了一种调焦系统对成像平面的离焦进行有效补偿。首先, 分析了相机的离轴三反消像散光学系统和CCD焦平面的特点, 确定调焦方式并阐述调焦系统工作原理。然后, 介绍了调焦系统构成以及调焦控制器环境适应性、步进电机力矩选择、调焦传动机构的设计参数和位置编码器, 推导出了调焦精度与调焦机构参数及编码器分辨率的关系, 分析了调焦系统所能达到的调焦精度。最后, 通过调焦系统测试了调焦行程内CCD焦平面直线位置与编码器码值的对应曲线。对闭环控制方式测试数据的计算分析显示, 闭环调焦精度在3σ情况下为±3.11 μm, 满足相机调焦控制精度±10 μm的要求。

综合参考标样法和定标校正法的思想,提出了一种用于校正微流控实时荧光聚合酶链式反应(PCR)系统荧光成像非均匀性的"多目标像素区域定标线性校正"算法, 以提高其检测结果的准确性。以与PCR荧光标记物SYBR Green光谱特性相似的荧光素钠溶液为样本, 检测了11种不同浓度的均匀荧光素钠溶液受激发射荧光信号的强度, 分析了各个目标像素区域荧光强度和荧光素钠溶液浓度之间的线性响应关系, 采用两点定标校正方法计算了CCD各个目标像素区域的校正系数矩阵。实验表明, 3种浓度荧光素钠溶液的成像均匀度分别从校正前的71.28%、72.01%、70.73%提高到校正后的77.49%、80.07%、90.64%; 微流控四腔芯片中相同浓度的DNA样品在PCR扩增阶段的Ct值相对标准偏差由校正前的4.38%、1.94%、3.31%减小到校正后的2.44%、0.79%、1.31%, 显著提高了微流控实时荧光PCR检测结果的准确性。

针对地球静止轨道卫星平台引起其面阵凝视成像系统的图像模糊, 提出基于分时积分亚像元融合的方法来削弱平台颤振的影响, 提高景物辨识度。设计并搭建了一维振动平台; 利用高速图像采集系统采集不同曝光时间下不同频率振动的序列图像; 使用基于能量区域质心法的相位相关法进行亚像元图像配准, 计算每帧图像相对偏移量; 与一维振动平台中的位移传感器数据进行对比, 得到配准算法的精度优于0. 1 pixel。最后, 选择短曝光序列图像中清晰度较高的图像完成亚像元融合, 与长曝光图像相比, 其融合图像清晰度更高, 信噪比与长曝光图像相当。得到的结果验证了分时积分亚像元融合法对颤振模糊的抑制作用。

提出了一种精确控制图像压缩质量的遥感图像JPEG2000压缩方法。根据小波变换的完全重构和子带系数量化误差统计独立特性, 建立了压缩图像峰值信噪比质量指标与小波系数编码量化误差的数学表达关系式。在传统JPEG2000率失真理论的基础上, 建立以压缩图像质量为目标, 最小化编码码率的模型, 并给出了压缩图像质量控制的码流优化截取方法。对标准测试图像以及卫星遥感图像进行实验, 并与传统JPEG2000方法进行比较。 结果显示, 该方法具有相同的编码架构和复杂度, 能够精确控制压缩图像质量, 控制精度小于1%。对于序列多幅遥感图像, 在相同平均码率条件下, 提出的方法具有更高的整体压缩图像峰值信噪比。

为了抑制视网膜不同结构特征之间的影响, 提高视网膜微动脉瘤的检测精度, 提出了一种基于特征相互关系的视网膜微动脉瘤提取算法。首先, 对视网膜灰度图像进行均值滤波, 检测圆形边界和视盘, 并构建视盘掩模。然后, 对视网膜绿色分量图像自适应直方图均衡化, 利用Canny方法提取边缘, 移除图像圆形边界并填充封闭的小面积对象。最后, 考虑不同特征之间的相互关系, 消除较大面积对象后进行"逻辑与"运算移除视网膜渗出物、血管和视盘, 得到视网膜微动脉瘤图像。实验结果表明: 该算法能够有效提取视网膜眼底图像中的微动脉瘤, 其敏感度、特异性、阳性预测值和检测精度分别达到了94.81%、96.04%、91.64 %和95.66%, 基本能够满足临床应用对稳定性和精度的要求。

考虑推扫式遥感相机中的时间延迟积分(TDI)CCD行周期误差对成像动态调制传递函数(MTF)影响较大, 且积分级数越高影响越大, 本文分析并推导了存在行周期误差时TDICCD推扫成像的动态MTF数学模型并进行了仿真验证。首先, 介绍了典型的TDICCD的电荷行转移时序, 分析并推导了该时序下单级和多级积分级数时的采样窗口函数以及该时序下TDICCD的行周期误差率与动态MTF之间的精确函数关系, 并指出本文推导的精确函数比传统函数多一个非线性参量。然后, 进行了仿真实验。结果表明: 行周期误差率ΔT/T=0时, 该时序下的TDICCD在Nyquist频率下的动态MTF为静态MTF的0.632 5倍(TDICCD相数b=4), 显示得到的动态MTF与行周期误差率关系曲线较传统方法得到的曲线有明显差异且动态MTF值要高于后者。最后, 给出了在不同积分级数下、5%动态MTF下降率指标要求时的行周期误差率最大容许值。

提出了一种线性预测和多谱带查表相结合的高光谱图像无损压缩算法。首先, 根据高光谱图像谱带间具有强相关性的特点, 建立基于Yule-Walker方程的线性预测模型, 其中方程系数矩阵为非Toeplitz形式的对称矩阵, 需要使用改进的Levinson算法进行求解。其次, 针对校正后的高光谱图像具有稀疏直方图的特点, 提出了多谱带查表法, 对线性预测的结果进行修正, 去除这些图像中因校正引起的信息冗余; 而对未校正图像, 则不使用该步骤处理。最后, 使用熵编码器对预测误差进行编码。分别使用自适应算术编码和Golomb-Rice编码作为熵编码器进行了测试, 结果表明: 本文算法具有较高的压缩比, 压缩效果好于国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的标准算法。