由于红外混合气体的检测方法要求电源具有驱动群红外量子级联激光器 (QCL) 的能力, 本文设计并研制了一种新型群QCL驱动电源。为了避免驱动电流多路输出的交叉影响, 该电源采用了时分复用控制方案, 并结合高速模拟比例-积分(PI) 反馈, 实现了每一条输出支路电流的独立调节。系统采用脉冲频率调制(PFM)与脉冲宽度调制(PWM)相结合的方法, 改善了驱动脉冲的频率及脉宽特性, 确保了各支路激光器均工作在最佳状态。利用该驱动电源对中国科学院半导体所研制的中心波长分别为4.8, 7.49, 7.71 和10.7 μm的4种QCL进行了驱动测试。结果表明: 在长时间 (220 h) 运行中, 系统驱动电流长期稳定度为4.62×10-6, 线性度为0.029 1%, 满足驱动群量子级联激光器的要求, 为红外混合气体的检测提供了可靠的保障。

针对先进制造业对大型装备大范围精密尺寸测量需求, 根据双目立体视觉测量原理设计了一种光笔式大视场三维视觉测量系统。基于透视投影变换下的时针顺序和共线性不变量设计了光笔特征点空间分布模式, 实现了特征点的准确识别与接触探头坐标的计算。应用双目立体视觉传感器的透视投影和齐次坐标三维测量模型, 以一维基线尺靶标自由移动和基准长度约束为核心, 通过本质矩阵E的线性求解结合非线性优化实现了其结构参数的现场精确标定。研制了由光笔、双目立体视觉测量系统、便携式三脚架、一维基线尺靶标和测量软件构成的大视场三维视觉测量系统, 完成了机器人本体表面三维数据的稠密测量实验, 在7 m×4.7 m测量范围内系统的测量精度优于0.2 mm。实验显示设计的光笔式大视场三维视觉测量系统在光笔结构、发光点识别方法和系统标定方法上均具有新的思路。

研究了线型感温火灾探测器应用于电缆隧道场所电缆火灾早期探测的工程适用性。以电缆隧道为应用环境, 基于现有的线型感温火灾元件: 感温电缆、光纤拉曼感温探测器和光纤光栅感温探测器, 建立了实验平台, 设定了不同火灾的实验场景, 记录了火灾模拟试验中的温度变化和探测器响应时间。实验显示, 对于初起无明火的小规模火灾, 其热辐射量小, 除了与其直接接触的感温火灾探测器能做出报警响应外, 其余非接触式的探测器均无法响应。对大规模火灾, 光纤拉曼感温探测器和光纤光栅感温探测器的报警反应时间均在30 s左右, 热电偶记录的火灾发生上方60 s以内的温度都在35 ℃以下, 而±3 m内的温升都超过5 ℃/min。根据3种探测器的技术特点, 分析了典型线型感温火灾探测器应用于电缆隧道场所火灾早期探测的工程适用性, 为规范编写《火灾报警设计规范》的相关条款提供了技术支持。

提出了基于蒙特卡洛逆运算的葡萄糖含量低相干干涉测量方法, 理论研究了葡萄糖含量与光学参数的相关性。通过正向蒙特卡洛数值模拟说明了从干涉曲线中同时求解散射系数和吸收系数的条件和可行性。以脂肪乳悬混溶液Intralipid作为实验对象, 研究了糖浓度变化对深度相关干涉信号的影响。利用低相干干涉测量系统配合逆向蒙特卡洛计算提取了散射和吸收系数, 进而通过散射和吸收系数的变化量间接获得了溶液葡萄糖含量。对实验结果与双积分球测量结果进行了比较验证, 并对存在的系统误差进行了修正。实验结果显示, 在加入修正值后, 测量的散射和吸收系数的最大相对误差分别为2.52%和3.11%。研究结果表明, 葡萄糖含量与散射系数和干涉曲线存在高度相关性, 在非前向散射条件下, 可以同时测量吸收和散射系数。经过校准后的测量结果满足了实际要求。

基于正交试验方法, 系统研究了用离子束溅射法制备SiO₂薄膜其折射率、应力与工艺参数(基板温度、离子束压、离子束流和氧气流量)之间的关联性。使用分光光度计和椭圆偏振仪测量SiO2薄膜透过率光谱和反射椭偏特性, 利用全光谱反演计算法获得薄膜的折射率, 通过测量基底镀膜前后的表面变形量得到SiO2薄膜的应力。实验结果表明, 工艺参数对薄膜折射率影响权重从大到小依次为氧气流量、基板温度、离子束流和离子束压, 前三者对折射率影响的可信概率分别为87.03%、71.98%和69.53%; 对SiO2薄膜应力影响权重从大到小依次为基板温度、离子束压、氧气流量和离子束流, 前三者对应力影响的可信概率分别为95.62%、48.49%和37.88%。得到的结果表明, 制备低折射率SiO2薄膜应选择高氧气流量、低基板温度和低离子束流; 制备低应力SiO2薄膜应选择低基板温度和高氧气流量。

由于相移式横向剪切干涉仪相移单元的分辨率、精度等参数直接影响其测试物镜波像差的精度, 本文根据相移式横向剪切干涉测试原理, 设计了采用宏微复合运动模式的相移组件, 该相移组件可在25 mm行程内实现纳米级的相移运动。重点分析了柔性铰链复合四杆结构微动单元初始设计参数间的数学规律, 计算了铰链刚度与弱截面应力, 并给出了具体的设计实例。采用有限元分析方法, 对设计实例中微动单元的相移量与压电陶瓷(PZT)出力之间的作用规律进行仿真, 并分析了相移精度。结果显示, PZT在促动力输出范围内可促动0.1 mm～1 nm的一维相移运动, 理论精度优于3.5 nm。微动单元的开环标定测试结果表明, 相移微动单元的实际精度优于5 nm。

为研制适用于南方小面积农田的小型农机定位系统, 基于激光三点定位原理设计了一套应用双激光源三点定位的激光发射追踪系统。讨论了双激光源三点定位原理, 重点描述了激光发射追踪系统的机械结构设计与控制处理电路设计, 并提出了基于增量式PID、具有快速修正功能的卡尔曼滤波追踪算法, 解决了激光追踪中的移动目标预估与转弯及变速过程中的误差补偿问题。一系列实验结果表明: 不同速度下, 两个激光发射器所发射的激光均能较好地追踪激光接收器靶标中心, 最大偏差为±2.8 cm, 能满足200 m内误差小于±4 cm的作业机械定位需求。所提出的算法可靠有效, 为农田作业机械无人驾驶和田间数据定点采集奠定了基础。

以光学调制度模型和归一化互相关模型为基础, 以模板匹配和光学调制度双重判据为核心算法, 研究了微光像增强器分辨力的客观评价方法, 构建了微光像增强器分辨力客观评价系统。光学调制度模型和归一化互相关模型既互相独立又相辅相成。首先, 利用归一化互相关模型中的模板匹配系数进行定位和初步评价; 然后, 用光学调制度模型进行定量分析。这种先定性后定量的图像处理模式提高了微光像增强器分辨力测量的准确性和重复性, 实现了对微光像增强器分辨力客观、准确的评价, 避免了目视观察法受人的主观因素影响的弊端。实验结果表明, 由CCD采集得到的微光像增强器分辨力与人眼观测结果具有较好的一致性, 提高了本评价方法的客观性和准确性, 该方法也可推广至CCD、ICCD、EMCCD等可见光探测成像系统分辨力的客观评价。

平行板电容是大多数MEMS传感器件的核心检测结构。考虑随着检测电极间距的减小, 电极表面粗糙度会对其空间电场分布产生影响, 本文研究了电极表面粗糙度对检测电容性能的影响。建立了单粗糙电极的平行板电容器模型, 并采用有限元法分析了表面粗糙度和边缘效应对静电场分布的影响; 针对粗糙表面增大了电极存储电荷的能力, 对粗糙表面的平行板电容器计算公式进行了修正。采用原子力显微镜对不同粗糙度的样本进行了表征, 实验和仿真结果表明: 减小两电极之间的距离, 增大检测电极的表面粗糙度, 可以显著增大检测电容。当检测电极的粗糙度从0.063 nm增加到60 nm时, 平行板电容器电容值增大了9.0%。结论显示, 增大MEMS电容器两电极的表面粗糙度, 可以有效地增大MEMS器件的检测灵敏度。

针对毒品探测的需求, 对高灵敏度、高选择性及可工作于液相环境中的传感器进行了研究, 利用分子印迹技术(MIT), 结合薄膜体声波谐振器(FBAR)和微流体(micro fluidics)技术构造了新型传感器。首先, 阐述了用分子印迹技术制作FBAR吸附层材料的原理, 利用分子印迹技术制备了对特定毒品分子具有专一吸附性的印迹材料, 将其作为吸附层涂覆在基于微机电系统(MEMS)及微流体技术的FBAR上。根据压电方程和运动学方程推导出了FBAR压电振子的等效电路及电学端口输入阻抗公式, 构建了以AlN为压电材料的微流体结构FBAR毒品检测传感器模型。对该结构的FBAR传感器进行了理论研究和公式推导, 并在理论模型的基础上进行了仿真实验, 得到了单位面积质量响度达0.8 pg/Hz·cm2的FBAR传感器。得到的实验结果远高于石英晶体微天平这一传统的质量敏感型传感器, 可实现对溶液中毒品分子的快速检测。

设计了用于平板形单振子二自由度超声电机的驱动电源, 并针对驱动电源电流负荷较大, 输出功率利用率不高的问题, 提出了优化驱动性能的措施。该电源利用压控振荡器产生正弦小信号, 经高压及功率放大后得到较高的驱动电压及较大的驱动电流实现电机驱动。根据压电振子等效电路模型及工作特性, 采取与超声电机并联电感的方法优化了电源驱动性能。制作了驱动电源样机, 并对输出性能及优化效果进行了测试。测试结果表明: 设计的电源驱动电压及频率可独立连续调节, 可输出理想的正弦信号波形; 在49.127 kHz、49.756 kHz两种频率下, 接超声电机负载时, 最大输出电压分别为176.0 V及171.2 V; 超声电机并联1.442 mH电感后, 电源驱动电流可减少至原来的7.27%和7.41%, 功率因数可提高至0.968和0.9550。得到的结果显示, 设计的电源满足超声电机驱动要求, 采取的优化措施在减小电源电流负荷及提高电源输出功率利用率方面效果明显。

在研究平台稳定原理的基础上, 结合工程结构配置特点, 提出了平台稳定位置干扰值的传递解算算法。该算法首先在稳定平台上安装一个中间惯导, 然后建立中间惯导与稳定平台的一致性关系; 接着根据实测数据建立车载惯导和中间惯导的关系转换矩阵, 通过转换矩阵和车载惯导即可求出中间惯导的值。最后由此构建一个“虚拟惯导”代替中间惯导, 该 “虚拟惯导”的值就是稳定平台的位置干扰值。实验结果表明: 该算法具有较高的解算精度, 误差最大值为0.056 1°。该算法在不调整车载惯导状态的基础上, 利用现成的车载惯导实现了平台的稳定性, 既提高了工作效率, 又提高了性价比。目前, 该算法已成功应用于车载动平台的稳定中。

提出了一种基于微机电系统(MEMS)扭镜结构的光纤磁场传感器, 并利用对角度变化非常敏感的双光纤准直器对扭镜的扭转角度进行了检测。该MEMS光纤磁传感器由MEMS扭镜结构、磁性敏感薄膜和双光纤准直器组成。文中分析了器件的磁敏感原理和光纤检测原理, 介绍了器件综合设计方法, 并给出了器件的结构参数。利用MEMS加工技术成功制作出了MEMS光纤磁传感器样品, 最终得到的磁传感器的尺寸为3.7 mm×2.7 mm×0.5 mm。对磁传感器进行了实验测试, 得到的输出实验值与理论值吻合。测试结果表明, 该磁传感器的光纤检测灵敏度可达到0.65 dB/mT, 最小可分辨磁场可达167 nT。将MEMS敏感结构与光纤检测相结合, 该传感器兼备了两者的优点, 结构紧凑、制作工艺简单、工作时无需电流激励。

研究了制备闪耀凹面光栅的离子束刻蚀工艺, 提出了用“解析分区法”设计闪耀凹面光栅的衍射效率。该方法能通过确定离子束入射角, 在实验前定量给出平行离子束刻蚀后光栅衍射效率的设计结果。经过理论设计计算出所需波长衍射效率较高的凹面闪耀光栅中心闪耀角, 利用刻蚀模拟软件BLAZING计算出离子束刻蚀参数及光刻胶掩模参数; 以计算结果为依据, 利用全息-离子束刻蚀工艺制作出尺寸为45 mm×40 mm2, 曲率半径为224 mm的凹面闪耀光栅, 其中心闪耀角约为9.21°, 峰值衍射效率为54.8%@300 nm, 250 nm处衍射效率为50%, 与“解析分区法”计算结果符合较好。实验结果表明, 利用“解析分区法”进行凹面闪耀光栅衍射效率设计的方法简单易行, 能够有效指导平行离子束刻蚀闪耀凹面光栅工艺, 完成高衍射效率凹面闪耀光栅的制作。

为了使用微流体细胞仪对细胞精确计数, 采用紫外光刻工艺制作了能够真正实现三维聚焦功能的微流体检测芯片(微流控芯片)。使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行二次倒模复制其结构以缩短微流控芯片制作周期、降低制作成本, 并进行了芯片的封装与测试。首先, 利用沉浸式光刻技术和斜曝光工艺制作了具有三维聚焦功能的SU-8微流沟道; 然后, 利用PDMS对所制作的SU-8微流沟道进行一次倒模, 得到其负模结构; 对负模结构进行表面处理后, 再进行二次倒模, 得到PDMS微流沟道; 最后, 封装PDMS微流沟道与盖片, 制得微流控芯片, 并对微流控芯片的沟道聚焦效果进行了测试。实验测试发现随着鞘流与样本流流速比不同, 得到样本流的聚焦宽度也不同。当鞘流与样本流流速比为20∶1时, 可以得到约10.4 μm的聚焦宽度。结果表明, 该芯片结构可靠, 可以满足进一步的流体聚焦检测要求。采用该方法制作的微流控芯片具有生产周期短、成本低、效率高和结构可靠的特点。

针对精密光学仪器对光学元件柔性支撑的需求, 提出了由带圆角的短直梁复合组成的Cartwheel型双轴柔性铰链, 并利用无量纲设计图研究了设计方法。首先, 基于对Cartwheel双轴柔性铰链的参数化有限元分析进行多项式拟合, 建立了其刚度、应力等力学指标的无量纲设计图。针对光学仪器的工程需要, 利用该无量纲设计图进行了实例设计, 并利用有限元分析对其进行了实验验证。搭建了光学测试平台, 对设计实例的转动刚度进行了测量。结果显示: 有限元分析结果、实验测量数据与设计结果符合得较好, 最大相对误差为10.1%。使用无量纲设计图方法作为设计工具, 设计者可根据对带圆角短直梁复合组成的Cartwheel型双轴柔性铰链的刚度、转角行程、最大应力与结构重量等要求, 确定其几何尺寸, 从而方便、快速、准确地满足设计要求。

为了实现单片集成六自由度微惯性测量单元, 提出了一种改进的由4个大质量块和4个小质量块组合而成的四方全对称结构的三轴陀螺仪。介绍了该惯性测量元件的结构及工作原理, 根据结构参数计算出了详细的性能指标, 并进行了面内驱动模态和面内外的敏感模态仿真。为提高各敏感模态的机械灵敏度, 提出采用双重静电频率调谐方案, 即先对公共质量块施加调谐电压, 使驱动模态和航向模态的频差最小; 再对小质量块上方的多晶硅电极施加另外的调谐电压, 最终使四模态频率偏差小于30 Hz, 从而说明该频率调谐方法是有效的。然后, 通过分析热弹性阻尼能量耗散机理, 对驱动及敏感谐振模态的品质因数进行仿真。结果表明: 真空环境不考虑空气阻尼情况下, 两种模态的品质因数分别为23 816和19 507。最后, 基于表面加工和体加工工艺, 设计了高深宽比的加工流程。对该四方对称解耦结构的设计和仿真表明其模态匹配和品质因数性能满足三轴陀螺的设计要求。

根据基于微流控芯片的组织液透皮抽取系统设计了一种小型化微创人体血糖检测仪器。该仪器基于微创的方法, 利用真空负压抽取人体组织液, 并采用表面等离子共振(SPR)技术, 通过检测皮肤真皮层组织液中的葡萄糖浓度来预测血液中的葡萄糖浓度。通过绑定对葡萄糖具有特异性吸附的D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白(D-GGBP), 对SPR传感器表面进行预处理, 实现对葡萄糖分子的特异性吸附。实验配制了不同浓度的葡萄糖溶液, 检测并得出葡萄糖溶液浓度与折射率的关系曲线。应用课题组设计的微创血糖检测仪, 实验测量了葡萄糖溶液浓度与组织液浓度, 并与血糖仪测量得到的葡萄糖溶液浓度进行了比较。结果表明, 使用GGBP修饰过的表面等离子共振传感器测量葡萄糖水溶液浓度的下限为0.625 mg/dL, 当葡萄糖水溶液浓度在0.625~5 mg/dL时有较好的线性。通过测试实验验证了该仪器的可行性, 显示了结合GGBP蛋白的SPR测量技术在微创血糖检测领域有良好应用前景。

为了实现特大型齿轮精密测量, 介绍了作者提出的特大型齿轮激光跟踪在位测量原理, 重点阐述了其中的几项关键技术。特大型齿轮激光跟踪在位测量系统整合了激光跟踪仪的大尺寸测量能力和三坐标测量机的高精度, 采用激光跟踪仪建立齿轮工件坐标系和三维测量平台坐标系, 通过激光跟踪仪坐标系将齿轮工件坐标系与三维测量平台坐标系关联起来, 并建立了相应坐标系的拟合模型及算法。同时, 建立了三维测量平台的姿态调整模型, 通过姿态调整机构完成了三维测量平台的姿态调整, 进而确保三维测量平台与齿轮轴线的位置关系满足要求。最后, 给出了该在位测量系统的实测结果。实验结果表明: 特大型齿轮激光跟踪在位测量系统原理正确可行, 满足6级以下特大型齿轮的精密测量。

由于已有的彩色图像融合客观评价指标与人眼视觉感知不符, 提出了基于四元数卷积的无参评价指标用于客观评价彩色图像融合。首先, 以四元数的形式对彩色图像进行建模, 充分考虑彩色图像作为一个整体所具有的颜色信息。然后, 利用四元数值边缘模板和彩色图像进行四元数卷积运算, 获取彩色图像的细节信息, 度量图像的清晰度及所融合得到的有用信息, 并以权重的形式给出。最后, 经过一系列的量化计算给出融合图像的客观评估结果。实验结果表明: 本文所提出的彩色图像融合客观评价方法充分利用了图像中的颜色信息以及人眼较为敏感的细节信息, 评价结果优于传统方法, 并且具有良好的稳定性。用本文方法所得到的评价结果与人类的视觉感知相符, 基本满足彩色图像融合客观评价的要求。

空间测量定位系统在多站协同作用下实现测量, 测站布局对系统测量精度、测量范围及使用成本影响很大。本文从wMPS网络布局和定位误差的关系入手, 重点研究了测站分布几何对定位误差的影响。首先, 建立了系统的定位误差模型, 分析了测站单向通讯几何约束以及测站数目对改善测量精度的影响; 然后, 设计了两到四测站的多种典型布局形式, 分析了典型布局的误差分布特性; 最后, 利用实验室样机对典型布局的误差特性进行了验证。实验结果表明, O_4型布局整体测量精度最高, L_3型布局对I_2型布局测量精度的增强幅度约为40%, O_4型布局对L_3型布局测量精度的提高幅度大部分处于20%以内。本文的研究为全局测量网络优化提供了有效的理论支撑。

为了提高移动机器人目标跟踪系统在复杂环境中的跟踪性能, 提出在双层定位机制下采用基于自适应核函数的Mean Shift算法实现目标跟踪。利用射频识别器件(RFID)检测携带标签的目标, 实现外层粗定位并确定感兴趣区域(ROI); 在内层则根据对视差图的ROI的处理结果确定初始搜索窗口, 然后应用基于自适应核函数的Mean Shift算法在从立体相机获得的左图中应用基于自适应核函数的Mean Shift算法实现对目标的精确定位。自适应核函数由目标的区域特征与Epanechnikov函数相融合构成, 克服了目标边缘处背景像素对目标颜色概率分布的影响。与传统的Mean Shift算法相比, 所提方法在同色背景干扰下仍能准确跟踪目标。另外, RFID限定了图像搜索范围, 节省了运算开支, 图像处理的平均时间为62.11 ms/frame, 满足实时跟踪的要求。实验结果表明, 该方法可实现移动机器人在同色背景干扰、遮挡、目标快速移动等情况下的目标跟踪。

基于前列腺磁共振图像性质, 提出利用自适应纹理分布的活动形状图像分割方法来自动分割前列腺磁共振图像。该方法首先通过图像的分类与拟合确定感兴趣的腺体区域, 同时估计若干形状参数用于分割过程中调整形状; 然后融入多重纹理信息, 建立纹理一致测度, 将传统的活动形状按照自适应的纹理判别步骤细分为纹理分布形状与补充形状, 提高活动形状的搜索匹配能力。在搜索匹配部分, 利用已估计参数优化活动形状搜索的初始估计, 并根据纹理分布形状和补充形状调整迭代过程。实验结果表明, 该方法分割出来的前列腺轮廓与金标准的Hausdorff距离为6.00 pixel, 分割精度为93%。该方法对活动形状的改进是有效的, 利用自适应纹理分布的活动形状能够自动、准确地将前列腺从磁共振图像中分割出来。

研究了冠脉光学相干层析(OCT)图像血管壁内轮廓的自动提取方法以提高算法的鲁棒性和计算效率。首先, 利用冠脉OCT体数据中相邻图像之间的相关性去除鞘管信号对边缘提取的影响。接着, 采用射线发射法估计血管中心, 并以血管中心作为极点对去除鞘管信号的图像进行极坐标变换。然后, 采用分块阈值滤波去除变换后图像的噪声并提取上边缘。最后, 做逆极坐标变换得到血管壁的内轮廓。对400多幅测试图像的实验结果表明, 该方法可以正确提取冠脉OCT图像的血管壁内轮廓, 每幅图像的平均处理时间约为1.2 s。该方法不仅能够正确处理血管分叉或鞘管干扰大的图像, 而且计算效率高, 因此在鲁棒性和处理速度上具有优势。

针对面阵CCD成像过程中产生的Smear特有噪声, 以行间转移面阵CCD为例, 提出了利用行间转移面阵CCD暗像元区域提取Smear的方法。介绍了行间转移面阵CCD的工作原理以及Smear产生机理, 分析了Smear噪声的组成, 利用相关双采样, 哑像元校正等方法消除了Smear中的KTC噪声及暗电流噪声。提出了基于中值的快速均值滤波方法, 消除了光粒子散粒噪声。最后,利用差分方法将滤波后的Smear从原始图像数据中减除, 并采用双三次插值对消除Smear后的图像区域进行补偿。设计了以现场可编程门阵列+数字信号处理器(FPGA+DSP)为核心处理器件的硬件实时处理系统, 当相机工作在最高速工况3 frame/s时, 系统可在1.265 ms内完成Smear提取及滤波,消除Smear后的图像区域灰度方差减小了95.34%。经过成像实验验证, 该系统集成度高, 满足实时需要, 彻底消除了Smear噪声。

研究了加速鲁棒特征(SURF)描述符的局部邻域划分方法, 以降低该描述符的维数, 提升基于SURF的图像匹配算法的匹配速度和鲁棒性。参考尺度不变特征变换(SIFT)描述符和SURF描述符已有的各种邻域划分方式, 将SURF描述符的局部邻域分为栅格状(原SURF划分方式)、三角形和扇形进行分析。首先, 分析了图像的尺度和旋转变化对这3种邻域划分方式描述符匹配性能的影响; 然后, 提出了构建三角形划分和扇形划分SURF描述符的方法; 最后, 进行了匹配实验, 对8种不同划分方式的SURF描述符进行了比较。结果表明: 扇形划分SURF描述符的性能要优于三角形划分和栅格划分SURF描述符, 其中6扇区、8扇区、12扇区及三角形划分的SURF描述符的性能均比SURF描述符有一定程度的提升, 描述符的维数与原SURF描述符(64维)相比分别低了40维、32维、16维和32维。

考虑高斯混合模型(TMM)的点集非刚性配准算法易受异常点和重尾点的影响, 提出了基于t分布混合模型的运动一致性非刚性配准算法。通过期望最大化(EM)框架的完整数据定义将高斯混合模型推广为t分布混合模型, 使用EM算法最小化参数的条件期望获得非刚性配准参数的闭合解。在EM算法中计算浮动点集各个点的先验权重, 减小异常点和重尾点对配准结果的影响; 计算浮动点集各个点的自由度, 自适应地改变每个点的概率密度分布模型, 提高算法的鲁棒性, 并避免了异常点水平估计误差对配准结果的影响。在t分布混合模型的条件期望函数中加入点集位移的正则项, 使邻近点具有运动一致性(CPD)。仿真数据表明, 当噪声水平很高时, TMM-CPD仍可以精确配准点集, 且误差仅为对比算法的1/10。真实图像的近似椭圆状分布、管状分布和三维点云状分布的点集配准结果表明, TMM-CPD的配准误差仅为对比算法的42.0%、80.1%和77.5%。实验表明, TMM-CPD配准含有重尾点和异常点的点集, 具有精度高、鲁棒性好和受重尾点与异常点干扰小等优点。

为了保证船载经纬仪的测角精度, 补偿站位及船摇误差, 分析了船载设备的姿态数据对测角误差的影响并建立了船摇误差模型。根据该模型提出了设备标定及测量方案, 并给出了船载设备站位修正及事后数据处理方法。首先, 建立船摇误差模型, 分别给出航向、俯仰及横滚测量误差对设备方位角和俯仰角的影响公式; 结合测量设备指标及任务要求, 制定了标定及测量方案, 给出了设备能够保证精度的测角范围。然后, 提出了在船载设备特殊使用环境下, 站位数据的测量方法及相应的站位船摇修正算法。最后, 说明了船载光测设备的测量数据事后处理方法。实验结果表明, 在船载精确姿态测量系统最大误差为航向角1.2′, 纵倾角24″, 横倾角24″的条件下, 设备的测角误差均方根为方位≤57″,俯仰≤34″, 基本达到了在该测量条件下的理论最优测角精度。

针对摄像机成像时经常产生匀速直线运动模糊, 导致图像退化的现象, 提出了恢复图像涉及的精确辨识运动模糊尺度的方法。由于利用Radon变换可以精确地识别运动模糊方向, 通过图像旋转可以将运动模糊的方向旋转到水平轴, 因此, 只对水平方向的运动模糊图像进行研究。对于不带噪声的运动模糊图像, 对其进行Fourier变换转化到频率域, 使用BP神经网络检测运动模糊尺度; BP神经网络的输入量为频谱图中央区域的幅度加和。对于带噪声的运动模糊图像, 先对其进行双谱变换, 再使用BP神经网络检测运动模糊尺度; 双谱中每列的最大值为BP神经网络的输入量。最后通过仿真实验验证了本文方法的正确性和有效性。验证结果显示, 当噪声图像的信噪比SNR≥23 dB时, 本文方法的模糊参数辨识平均误差≤5%, 优于传统的运动模糊参数辨识方法。

分析了极紫外成像仪图像拖尾的原因, 提出了消除该现象的方法。分析了坐标计算公式中各个分量变化对图像的影响, 结果显示: 信号叠加和微通道板(MCP)反馈是系统对坐标分量影响最大的两种因素。通过对图像数据的分析, 排除了信号叠加的两种情况即峰堆积和尾堆积产生拖尾的可能性。对拖尾最严重处电荷变化量的计算表明, MCP反馈是产生拖尾的主要原因, 而MCP所加高压的幅度是产生反馈的重要因素之一。最后, 用在2 950 V和2 800 V高压下采集的图像验证了拖尾是由MCP反馈引发的, 并通过实验给出了解决方案: 通过烘烤减少MCP通道内的气体残留并定期对MCP进行电子束清刷来降低反馈发生的几率, 减小拖尾的影响。

为了高效、准确地估计多普勒频率和波达方向(DOA), 提出了基于加权子空间拟合(WSF)算法和量子粒子群优化(QPSO)算法的WSF-QPSO联合谱估计方法。首先, 利用状态空间模型构造包含多普勒频率和DOA信息的广义可观测矩阵; 用WSF算法拟合联合谱函数, 将参数估计问题转化为多维非线性函数优化问题。然后, 利用QPSO算法优化联合谱函数, 得到多普勒频率和DOA的估计值。实验结果表明: 在信源参数比较接近的情况下, WSF-QPSO方法在信噪比为0 dB时对多普勒频率和DOA估计的均方根误差仅为0.007 5 rad和0.25°。与其他方法相比, 该方法具有估计精度高、控制参数少、鲁棒性好、参数自动配对等特点, 在低信噪比和小样本条件下依然能够得到较满意的参数估计结果。

提出一种结合中心环绕极值特征(CenSurE)和时空信息的运动目标检测算法, 用于提高动态场景中运动目标检测的速度和目标的完整性。首先, 根据CenSurE特征点提取的快速性和精确性, 使用该特征和单应性变换模型快速、准确地配准运动序列帧间图像, 从而补偿摄像机运动引起帧间背景的平移、旋转和缩放量。然后, 在时域对背景配准帧用帧差信息生成运动前景掩模, 根据前景掩模的空域信息建立动态更新的实时背景, 并使用空域背景减除和一种基于概率统计的自适应阈值分割方法提取较为完整的前景运动目标。最后, 通过标准视频序列进行测试以验证算法的有效性。实验结果表明, 该算法能够达到15 frame/s的处理速度, 且在保证检测速度的同时可得到完整的运动目标, 基本满足动态场景中运动目标检测的快速性、抗噪性、光照适应性以及目标完整性等指标。

为了解决模糊且有粘连的细胞图像的难以分割问题, 本文针对医学细胞图像的特点, 应用图论的思想提出了一种图论与数学形态学结合的图像分割算法。该算法先对图像进行去噪和增强, 然后用改进的图论最小生成树 (MST) 算法对细胞图像进行初始分割。改进的主要内容是在算法中引入了细胞尺寸和形状的信息, 从而在一定程度上改善了图论算法过分割的缺陷。在进一步的图像分割中,为了解决二值图像中的细胞粘连问题, 结合数学形态学的骨架边界距离信息找出分裂线将粘连细胞分离。与常规的分水岭算法完全不同, 该算法没有重复性的运算。一系列细胞图像的试验表明, 该算法能够很好地分割模糊且有粘连的细胞图像, 其结果令人满意。