提出了一种基于点扩散函数(PSF)精确测量尺寸很小或者距离很远的一类小目标的红外辐射特性的方法。该方法在已知目标几何形状的前提下, 采用倾斜刃边法测得光学系统的点扩散函数;对目标成像和探测器焦平面阵列采样过程进行建模, 得到目标在探测器上成像的模拟图像;通过对红外系统捕获的模拟图像与真实图像进行匹配获得最优化估计的目标亮度、尺寸以及中心位置。最后, 通过实验对该方法进行了验证。结果显示: 圆形目标温度为70℃, 理想几何成像直径大于4个像元时, 测得的辐射亮度最大误差为2.35%;目标尺寸(面积)最大误差为1.89%。该方法可用于获取目标和背景辐射特性, 测试红外成像系统性能, 完成图像复原和小目标定位等。

为了研究基于压电陶瓷的法布里-珀罗(F-P)波长滤波器扫描非线性的物理机理及优化方案, 搭建了基于F-P滤波器的扫频激光器。用基于梳状滤波器的透射时域法研究了扫频激光器输出的非线性特性, 获得了不同扫描频率下的扫频非线性特性的变化情况, 认为这是由于可调谐滤波器中的执行器——压电陶瓷的容性负载特性引起的。结合光谱测量法, 获得了动态扫频线性度、扫频范围与驱动频率的关系, 实验结果与理论分析结果相符。最后, 提出了优化扫频非线性的驱动参数方案。通过在驱动源后增加电压跟随器提高了驱动源的负载能力和高速扫频的线性响应特性, 并应用于光纤光栅解调。实验得到了1 000 Hz扫频速度下的线性解调结果, 即解调线性度为0.998 44。

利用光纤布拉格光栅(FBG)构建了传感器网络;结合小波分解与重构算法、频谱分析和支持向量多分类机算法研究了碳纤维复合材料板损伤的模式识别算法。首先, 对带有不同损伤模式的复合材料结构进行冲击试验, 探索损伤模式与信号特征之间的关系。然后, 对信号进行小波分解与重构去除基线干扰;采用傅里叶变换频谱分析提取信号幅频特性, 构建了复合材料结构损伤模式识别方法。最后, 将提取的信号幅频特性作输入, 复合材料结构损伤模式作输出, 利用支持向量多分类机, 实现了复合材料结构损伤模式识别。在500 mm×500 mm×2 mm的碳纤维复合材料板中心, 选定200 mm×200 mm的实验区域, 对30组测试样本进行了损伤模式识别。实验结果表明: 29组损伤模式得到了准确识别, 正确率为96.7%。研究结果为碳纤维复合材料板的损伤模式识别提供了一种可靠的方法。

在纳米银粒子(AgNPs)和乳化剂OP-10的作用下, 土霉素(OTC)与Eu(Ⅲ)生成的配合物可产生较强的荧光强度, 本文将此荧光增强机理用于检测鸭肉中残留的OTC。首先, 分析了OTC+Eu+AgNPs+OP-10体系和OTC+Eu+AgNPs+OP-10+duck meat extract体系的荧光光谱特性。然后, 分别分析了AgNPs加入量、Eu3+加入量、乳化剂OP-10和反应时间对OTC+Eu+AgNPs+OP-10+duck meat extract体系的荧光强度的影响, 确定了最佳实验条件。最后, 建立了预测鸭肉中OTC残留量的标准曲线。实验结果显示: 鸭肉提取液中OTC含量与617 nm处峰面积之间呈良好的线性关系, 其预测集的相关系数(r)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.996 6和0.622 3 mg/L。该结果表明, 提出的研究方法可满足鸭肉中OTC残留量的快速测定要求。

为了满足空间宽幅相机大视场的需求, 研究了对多片CCD器件进行拼接以获得超长焦平面组件的方法。使用长线阵时间延迟积分(TDI)CCD拼接仪, 按照设计位置和精度要求把17片TDICCD器件拼接到焦平面板上, 用销钉定位, 获得了长为600 mm、像元为69 000个的超长焦平面。然后, 对完成拼接的焦平面组件进行了高低温循环试验、热真空试验和振动试验。实验结果表明, 焦平面组件的结构设计和材料选取满足力学/热学要求。对完成拼接的600 mm长焦平面组件进行了TDICCD拼接精度的检测, 检测结果显示拼接误差小于3 μm。将该超长焦平面组件用于遥感相机, 通过成像实验获得了清晰的无缝宽幅图像。上述结果证明600 mm长焦平面组件满足空间宽幅相机的应用需求。

基于多光谱多角度偏振辐射探测研究了大气偏振模式预测方法。首先, 介绍了航空多角度偏振辐射计的探测原理与支持向量机回归算法;然后, 从矢量传输模型出发, 说明大气状况不变时, 偏振模式主要取决于地表特征与观测几何, 并介绍了观测几何与姿态之间的关系以及地表特征的表达形式;最后, 在考虑平台姿态与地表特征的情况下, 利用支持向量机回归算法预测了航空多角度偏振辐射计的探测偏振度, 并对预测与实际试验探测的偏振度进行了比较。结果显示: 偏振度预测误差小于1%, 影响模型精度的主要因素不是姿态变化本身, 而是姿态改变造成的观测地表特性变化。

建立了基于迈克尔逊干涉结构的深度分辨倾斜激光波数扫描干涉测量系统, 对双层树脂基复合材料样品的压缩位移场分布进行了测量及分析。首先, 采用分布反馈(DFB)半导体激光器对双层树脂基复合材料样品进行波数扫描干涉测量;然后, 采用随机采样傅里叶变换(RSFT)计算双层树脂基复合材料样品加载前后的相位差;最后, 运用解卷绕算法对材料样品加载前后的相位差进行解卷绕, 计算出各表面压缩位移场的分布。实验结果表明, 压缩位移场分布的测量精度达到±100 nm, 深度方向的轮廓分辨率约为0.41 mm, 最大测量深度约为52 mm。该方法能够准确测量出树脂基复合材料的压缩位移场分布, 测量时不受树脂基复合材料内部切面弹性模量的影响, 具有测量精度高, 系统稳定, 抗干扰能力强等特点。

为了减小保偏延迟光纤偏振串音对光纤电流传感器测量精度的影响, 利用琼斯矩阵研究了全光纤电流传感器的偏振耦合误差。简化了保偏延迟光纤的偏振串音模型, 并基于简化模型得出了保偏延迟光纤偏振串音与输出的关系。通过理论仿真分别分析了在常温和变温条件下偏振串音对传感器变比的影响。对比实验结果与理论分析结论, 验证了简化的偏振串音模型的合理性和仿真结果的正确性。测量了实际保偏延迟光纤偏振串音的温度特性, 结果表明: 在延迟光纤存在一定偏振串音时, 光纤电流传感器的变比误差随电流的增加而增大;电流一定时, 延迟光纤串音越高, 光纤电流传感器的变比误差越大。最后, 给出了满足光纤电流传感器0.2S级误差要求时延迟光纤偏振串音的允许波动范围。

提出了表面无序亚微米结构高雾度和高透光率扩散膜的制备方法。通过模板复制法, 基于硅锥模板和阳极氧化铝模板制备了具有表面无序亚微米结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚苯乙烯(PS)薄膜。结果表明, 表面无序亚微米结构可以显著增加薄膜的雾度。结构的形貌和尺寸对薄膜光扩散性能有重要影响, 其中利用锥径650 nm的硅锥模板得到的具有表面无序亚微米孔结构的PDMS薄膜的雾度达到92%, 透光率为90.9%, 有效散射系数为83.7%;同一模板制备的PS薄膜的雾度达到97.9%, 透光率为85%, 有效散射系数为83.2%;这二种微结构薄膜都可用作高效扩散膜。结果表明: 利用硅锥模板制备这种高效扩散膜, 工艺简单、成本低, 对聚合物材料没有选择性, 有望实现高性能扩散膜的大规模生产。

将静电梳齿微驱动器与三族氮化物光栅集成, 获得了利用静电梳齿微驱动器调节光栅周期的硅基三族氮化物光栅。首先, 以硅基三族氮化物基片为基础, 设计了微机电可调光栅, 光栅的设计周期为1.1 μm, 设计线宽为0.8 μm。然后, 利用严格耦合波分析法研究了横向磁场模式下可调光栅的光学响应特性;研究显示改变光栅周期和占空比, 光栅的谐振波峰出现了明显偏移。最后, 介绍了结合电子束光刻、三族氮化物干法刻蚀和深硅刻蚀技术制备微机电可调三族氮化物光栅的方法。严格耦合波分析和实验表明: 制备的微机电可调三族氮化物光栅具有良好的质量;在静电驱动器上施加电压, 可将光栅的谐振波峰由1.345 μm 调节至1.40 μm, 满足了利用微机电技术调节三族氮化物光栅光学响应特性的要求。

为了抑制双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架伺服系统中谐波减速器固有的迟滞特性对系统精度的影响, 提出了一种基于Preisach模型的谐波减速器迟滞特性建模方法。首先, 使用一阶回转曲线法采集谐波减速器的柔轮输出力矩与扭转角, 获得建立谐波减速器迟滞模型的实验数据, 其中谐波减速器柔轮的输出力矩是在不使用力矩传感器的条件下用系统动力学模型估计得到的;然后, 使用Preisach模型对谐波减速器柔轮输出力矩与扭转角迟滞关系进行建模;最后, 采用将模型离散化的数字型实现方法辨识模型中的权重函数, 并给出模型的离散递归算法使模型利于简易化编程与进一步的在线控制。实验结果显示, 谐波减速器的迟滞模型误差不超过0.005°, MSE值不超过(0.000 83%)°。结果显示了所述建模方法的正确性和实用性。

提出了一种石英玻璃仿真模型的构建方法, 并应用分子动力学(MD)仿真结合纳米压痕实验对石英玻璃进行了纳米级加工性能的研究。通过计算石英玻璃模型的密度和纳米硬度, 验证了模型的准确性。对石英玻璃进行了纳米压痕实验, 得到了压痕曲线并观察了纳米压痕形貌。最后, 对纳米级压痕过程进行了仿真, 通过计算配位数研究了损伤层的形成及扩展机理。计算得到的石英玻璃模型的纳米硬度约为9.7~10.7 GPa, 密度约为2.28 g/cm3, 与实际测量结果基本一致。仿真结果表明: 石英玻璃有着稳定的塑性变形和少量的弹性变形, 且存在压痕的尺寸效应。当压头压下时会形成大量的原子稠密区, 失去原来共价键的强度, 形成损伤层;而表面形貌主要是由于压头向两侧挤压原子和压头的黏附作用形成的。仿真和实验结果都表明石英玻璃比较适合超精密加工。

常规的姿控飞轮驱动电机的设计只能基于经验通过重复计算得到设计参数, 且无法得到最优参数。本文以磁路法和有限元法(FEM)为基础, 提出以驱动电机的有效径长比为核心的姿控飞轮驱动电机的设计方法。设计磁路时, 首先基于电机的等效电路建立径长比与表征电机性能的参数之间的计算模型, 然后采用拉普拉斯方程的有限元法计算气隙磁通密度和电感用于精确分析电机性能。采用该方法设计了一台5 Nms轮毂驱动型飞轮电机, 仿真分析了电磁转矩脉动和机械特性曲线。 结果显示其调节特性的理论计算值与试验值一致, 电磁结构的最大设计误差为2.9%。该方法适用于姿控飞轮驱动电机的设计, 且具有准确、简洁和快速的特点。

传统的径向基神经网络(RBFNN)在激光陀螺零偏的温度补偿过程中会由于随机选取中心不合适而导致算法效率降低和数值病态, 故本文提出了一种基于Kohonen网络和正交最小二乘(OLS)算法的RBFNN温度补偿方法。介绍了该方法的原理及建模步骤, 设计了常温和变温环境下激光陀螺的数据采集试验及其温度补偿试验。由于结合了Kohonen网络的模式分类能力和OLS的优化选择能力, 该方法可以快速、准确地辨识出受温度影响的激光陀螺零偏。利用逐步回归法、RBFNN法及其改进方法对多种温变环境影响的激光陀螺零偏进行了辨识与补偿试验, 试验结果表明, 在常温环境下, 三者的辨识能力相当;随着温变速率的上升, 改进RBFNN法不仅节省了时间, 其补偿后的零偏也均小于5×10-4(°)/h(1σ), 提高精度均能达86%以上。得到的结果表明改进RBFNN法提高了辨识精度且稳定、有效, 适用于多种温度变化环境下激光陀螺零偏的温度补偿。

由于现有的双向反射分布函数(BRDF)测量装置多为3轴系统, 不能完全实现样品表面以上2π空间的全角度BRDF测量, 本文研制了新型BRDF测量装置。该新型装置采用高精密六轴串联机械手作为待测目标的定位机构, 使待测目标在测点进行三维转动;采用竖转台作为探测器探头的定位机构, 使探头指向绕测点进行一维转动, 从而形成4维转动以构建BRDF测量所需的4角几何关系。研制的装置可测量的入射和反射光束角度为: 方位角0~360°、天顶角0~70°;光谱可扫描区350~2 500 nm。BRDF测量过程由测控软件控制, 可高精度、无遮挡、全自动、快速地构建BRDF测量几何关系, 一次待测目标和探测器定位以及光谱扫描、传输、显示、存储平均用时约8 s, 测量不确定度优于2 5%(k=2)。

分析了国内外地基大口径望远镜的站址选择和塔台建设, 对2 m口径望远镜的塔台建设进行了研究。首先, 讨论了望远镜的视宁度和塔台高度之间的关系, 通过对该望远镜所在地的大气视宁度等因素的衡量, 确定塔台高度为13 m。然后, 根据Φ2 m级口径望远镜塔台建设的需求, 建立了计算机仿真模型, 采用有限元软件Ansys进行仿真分析, 提出了一种载荷为30 t的情况下, 谐振频率达到30 Hz, 并且能够承受5级地震灾害和一定风载的塔台和地基建设方案。分别采用谱分析和随机振动的方法研究了设计的塔台在地震、风载等自然条件下的响应, 结果证明该方案能满足Φ2 m级口径望远镜的站址建设要求并对下一步开展的Φ4 m级口径地基大口径望远镜的塔台和地基建设具有参考作用。

研究了矩形块微纳结构吸收材料在中远红外波段的光学偏振吸收特性。该吸收材料由金属阵列-电介质层-金属膜组成, 在2.0 μm~5.0 μm波长具有双波长谐振吸收效应, 其理论吸收率大于80%。模拟计算和实验测试表明, 该吸收材料的短波吸收峰值与矩形块长轴方向入射偏振光的3阶谐振响应对应, 而长波吸收峰值与短轴方向基模谐振响应对应。实验制备了矩形阵列光吸收器并测试了它的的光学特性, 结果表明: 该吸收器结构在两个偏振方向的等效磁导率系数满足Lorentz模型, 等效磁导率谱线虚部峰值波长与吸收谐振波长相对应, 表明这种吸收材料的偏振吸收与入射电磁波的磁谐振响应有关。研究结果揭示了微纳结构吸收器的双波长频谱吸收机理, 有助于实现特定波长生物传感器及光电探测器的设计。

开展了固结磨料研磨单晶蓝宝石面板的实验研究, 探索了不同研磨液对材料去除速率和工件表面质量的影响。分析了研磨液对蓝宝石表面的化学作用, 探索了固结磨料研磨蓝宝石晶体的材料去除机理。 实验显示: 使用W14镀镍金刚石固结磨料研磨蓝宝石单晶, 研磨液仅为去离子水时, 材料去除率(MRR)为149.8 nm/min、表面粗糙度(Ra)为76.2 nm;而研磨液中加入2%的乙二醇后, 相应的MRR为224.1 nm/min, Ra为50.7 nm。用光电子能谱仪(XPS)分析了工件表面, 结果表明含有乙二醇的研磨液能够增加蓝宝石工件表面的活性。得到的结果显示: 在溶液中加入乙二醇有利于表面软化层的生成并增加蓝宝石表面的活性, 说明研磨液对蓝宝石单晶研磨效率的提升和表面质量的改善具有促进作用。

建立了一套基于阻抗响应的磁弹性传感器共振频率测量系统, 研究了该系统的共振频率测量原理, 等效电路模型和磁弹性传感器共振频率测量电路。首先, 介绍通过磁弹性传感器阻抗变化获取其共振频率的原理;根据磁弹性传感器对线圈阻抗的影响建立了磁弹性传感器等效模型电路。然后, 设计了一种基于片上系统的阻抗测量电路。最后, 验证了该磁弹性传感器共振频率测量系统的可行性和可靠性。实验结果表明: 该系统测得的频率分辨率小于0.1 Hz, 精度为0.5%。与传统网络分析仪系统相比, 测量同一Metglas 2826MB材料所得共振频率仅相差60 Hz;测量两个长度不同的Metglas 2826MB材料所得共振频率比为0.74, 与理论计算值0.8相近。另外, 该系统也可用于磁弹性传感器在不同介质中的共振频率测量。得到的结果显示: 设计的测量系统完全可取代昂贵庞大的网络分析仪, 具有高度集成, 强抗干扰, 低成本和便携式测量等优点。

针对广角极光成像仪对其光学系统温度的特殊需求, 对成像仪使用的高温滤光片进行了热设计及相关试验。介绍了广角极光成像仪的光机结构, 尤其是滤光片组件的结构。通过建立传导和辐射热阻的计算方程组, 分析了由滤光片到镜筒整个换热路径中存在的热阻及其影响因素。然后, 以影响热阻的因素作为设计变量, 分析了影响镜筒温度的敏感变量。最后, 提出了高温滤光片的热设计方案。真空验证试验表明: 在高温和低温两种极端工况下, 滤光片温度水平分别稳定在105.8 ℃和138.2 ℃, 其控温准确度优于±2.5 ℃, 控温稳定度优于0.75 ℃/min;反射镜组和探测器窗口温度水平和温差都满足热控指标。得到的结果显示, 基于热阻和温度灵敏度分析的设计方法, 能够快速明确影响热阻的敏感设计变量, 减少设计过程的盲目性。空间高温滤光片的热设计满足了光学系统的要求, 保证了广角极光成像仪滤光片组件与反射镜之间的温差。

为了在闭环工作条件下监测动力调谐陀螺仪的性能, 研究了动力调谐陀螺仪的闭环辨识方法。首先, 根据动力调谐陀螺仪闭环模型的复杂结构, 对其进行化简和离散化处理, 获取辨识模型集和模型阶数。接着, 将辅助变量法(Ⅳ)应用于动力调谐陀螺仪的闭环辨识, 并根据传统Ⅳ法的不足, 提出了BJIV辨识法。该方法能够应用于BJ模型, 使系统模型与噪声模型不再受辨识模型的限制。然后, 利用仿真分析的方法, 分析BJIV法辨识结果的无偏性与渐进离散特性。最后, 采用提出的方法对某型号动力调谐陀螺仪进行单次和连续闭环辨识实验。仿真结果表明: BJIV法的辨识结果在有噪声存在的条件下是一致无偏的, 渐进方差能够接近最优;闭环辨识实验结果表明: 辨识拟合度优于90%, 连续跟踪2 h, 获得了可靠的辨识结果。

结合惯性导航测试设备精密轴系的技术要求, 研发了滚动轴承综合参数测试仪。该测试仪能检测轴承回转过程中的摩擦力矩、轴承刚度及几何精度, 并能以图表或曲线的形式给出摩擦力矩与轴系预紧载荷、预紧载荷与轴承轴向位移等的关系。该系统集成了压力、位移、力矩等类型的传感器, 在虚拟仪器平台上设计硬件控制、测量系统和软件, 具有可扩展性好, 成本低等特点。该系统将装配中难以控制的最佳预紧力转换为对轴承隔套高度差的控制问题, 较好地解决了轴系装配过程中的最佳预紧问题并保证了轴系具有平稳的摩擦力矩。测量轴系的摩擦力矩特性显示, 在8 r/min转速下, 运行平稳后的转动摩擦力矩为(0.62±0.16) Nm。该实验数据为控制转台的低速率运动和建立准确的补偿干扰力矩模型提供了理论依据。

开发了一种基于电镀铜锡合金薄膜的绝压气压传感器圆片级气密封装技术以降低常规的基于阳极键合气密封装技术的成本及难度。通过实验确定了铜锡合金薄膜的电镀参数, 实现了结构参数为: Cr/Cu/Sn (30 nm/4 μm/4 μm)的铜锡合金薄膜;通过共晶键合实验确定圆片级气密封装的参数, 进行了基于铜锡材料的气密封装温度实验。通过比较各种不同温度下气密封装的结果, 确定了完成圆片级气密封装的条件为: 静态压力0.02 MPa, 加热温度280°, 保持20 min。最后, 对气密封装效果进行X-射线衍射谱(XRD)、X射线分析、剪切力以及氦气泄露分析等实验研究。XRD分析显示: 在键合界面出现了Cu3Sn相, 证明形成了很好的键合;X射线分析表明封装面无明显孔洞;剪切力分析给出平均键合强度为9.32 MPa, 氦气泄露分析则显示泄露很小。得到的结果表明: 基于电镀铜锡合金薄膜可以很好地实现绝压气压传感器的圆片级气密封装。

针对探空仪湿度传感器在高空低温、高湿恶劣环境下容易结露, 湿度波动大、电路板分布电容对测量结果有影响等问题, 研究了具有蛇形加热器的平板夹心电容式湿度传感器及其工艺制备方法, 并设计了测量电路。采用微机电系统(MEMS)加工工艺设计了加热式湿度传感器, 通过对传感器进行有限元分析, 确定了传感器表面加热区域温度分布情况, 得出了环境温度、加热功率与加热温度三者之间的函数关系。提出一种基于电容充放电及比较法的湿度测量电路, 从而有效地抑制了温度漂移和零点漂移, 减小了寄生电容对测量结果的影响。地面实验结果显示: 湿度传感器灵敏度约为2 3%RH·pF-1, 迟滞约为0.7% F·S, 重复性约为1.9%, 测量总不确定度约为4%, 时间常数约为0.5 s。本文研究的湿度传感器及其测量电路具有很好的温度稳定性, 能够在低温环境下正常工作。

研究了光栅机械刻划过程中弹性刀架和金刚石刻刀系统的摩擦型颤振机理。建立了光栅机械刻划摩擦型颤振动力学模型, 并对颤振系统进行了稳定性分析, 提出了系统的稳定性条件和“稳定性阈”。从能量角度对颤振进行了分析, 获得了相同的稳定性条件。在刻划工艺试验装置上单一改变刻划速度进行了光栅刻划试验, 通过对刻划力的测量和分析, 验证了竖直方向刻划力相对于刻划速度具有下降特性, 即满足了摩擦型颤振的前提条件。最后, 通过对2、6、10和13 mm/s 4组不同刻划速度下所刻光栅槽形轮廓的检测, 验证了该系统在超过临界刻划速度(在6~10 mm/s)的情况下会有颤振发生。验证实验证明了该摩擦型颤振动力学模型的有效性和稳定性阈的存在性, 为深入量化分析并抑制颤振的发生奠定了理论基础。

针对Sawyer电机驱动的平面定位台的多轴精密定位问题(X、Y和θz轴), 提出了一种新的部分无传感控制方法。用激光干涉仪检测定位台一个方向上的平移运动和摆动, 并构建相应的闭环控制;同时, 应用滑模观测器估计另一个方向上的平移运动并构建对应轴的闭环控制。在此基础上, 通过实验从开环控制、多轴全闭环控制及部分无传感控制三方面对比了定位性能。实验结果表明: 采用部分无传感控制, 多轴平面定位台的重复定位精度达到亚微米(0.25 μm)级;部分无传感控制下的动子行程与开环控制相同(X轴300 mm、Y轴300 mm), 远大于基于多轴位置传感的全闭环控制下的动子行程(X轴100 mm、Y轴100 mm);获得的结果可满足应用设计要求。

本文提出了一种基于星图识别的快速定位算法用于加快空间目标的定位速度和提高定位精度。首先, 采集当前图像的拍摄时刻和编码器角度值, 运用天文定位三角形建立的地平坐标系与地惯坐标系的转换关系, 计算设备视轴在地惯坐标系中的指向;然后, 由视轴指向所在的天区, 提取出该天区所有的导航星与特征库;结合有初始指向的局部星图识别建立图像中背景恒星星像与导航星的对应关系。最后, 根据小孔成像原理, 通过已识别的背景参考恒星以角距离匹配的方式对空间目标进行相对定位。对4°×4°视场、分辨率为1 024×1 024的实际图像的试验结果表明, 因定位过程中引入了天文定位三角形模型和星图识别, 大大加快了空间目标的定位速度, 初始定位速度平均约为400 ms;又因采用相对定位的方式排除了影响定位精度的因素, 空间目标的定位精度优于2″。

利用2004~2012年在南海获得的9个航次的实测Chl-a数据, 采用NASA标准业务化算法OC3和针对低Chl-a水体所发展的最新算法OCI反演获得了相应的MODIS-Aqua Chl-a产品。通过建立实测与遥感产品的时空匹配数据对, 开展了Chl-a产品的适用性评估, 并对比分析了上述两种算法的性能。在此基础上, 利用南海实测遥感反射率(Rrs(λ))和MODIS-Aqua Rrs(λ)产品以及相应实测Chl-a的匹配数据集, 分别对算法OC3和OCI进行了区域性修正。结果显示: 基于算法OC3和OCI反演所得的MODIS-Aqua Chl-a产品值均高估了实测值, 平均绝对误差(APD) 的精度分别为56.30%和42.58%, 且算法OCI可明显改善低Chl-a水体(<0.25 mg·m-3)的反演精度;采用南海MODIS-Aqua Rrs(λ)产品与实测Chl-a匹配数据集(N=82)修正后的区域性算法NOC3和NOCI的精度均有不同程度提高, APD精度分别为37.85%和36.74%;采用现场实测Rrs(λ)与Chl-a匹配数据集(N=123)进行区域性修正后的算法INOC3和INOCI的APD精度分别为36.61%和37.79%, 上述两种方案精度较为接近。因此, 对于南海海域而言, 算法的区域性修正对于改善MODIS-Aqua Chl-a产品精度非常重要。

针对相位平移误差使光学合成孔径图像的复原出现的振铃效应, 提出了一种结合视觉感知的振铃探测与消除方法。首先, 提出并利用梯度方向随机度和局部方差值两项指标计算得到图像纹理区;然后, 根据不同阈值的Canny算子检测出全边缘与主边缘, 并将主边缘邻域内的全边缘作为待筛选的边缘振铃;最后, 结合人类视觉系统的纹理掩盖效应分别得到振铃区与平坦区。此外, 在图像分区基础上, 选择亮度相似度因子作为自适应参数, 利用双边滤波进行图像处理。实验显示: 处理后Lena图像的峰值信噪比提高了10.8%, 分辨率板的结构相似度提高了0.057。结果表明: 该方法能够对图像以像素精度分区, 可以在保持边缘与纹理的同时, 有效消除振铃效应, 提高图像复原质量。

考虑微焦点X射线仪成像信噪比低, 混合噪声污染严重等问题, 提出了一种乘性、加性混合噪声去除方法。首先, 建立了含乘性、加性混合噪声的图像模型;其次, 基于总变分和稀疏表示原理分别构造了滤除加性噪声和乘性噪声的目标函数;最后, 应用显式差分算法和梯度投影算法分步滤除加性噪声和乘性噪声。实验结果显示, 与总变分去加性噪声方法相比, 该方法处理后的图像平滑区域均值与标准差比(MSR)平均提升了10.9%, 细节区域拉普拉斯梯度模(LS)平均提升了15.6%。这些结果表明: 本文算法不仅有效滤除了微焦点X射线图像的混合噪声, 并且较好地保留了图像细节特征, 能够满足集成电路内部缺陷检测对图像平滑度和细节清晰度的要求。

为校准流水线模拟数字转换器(ADC)中电容失配和由运算放大器的有限开环增益引起的级间增益误差, 提出了一种新的基于权重的后台校准技术。该技术将流水线ADC中存在的上述误差统一归结为各级权重的偏差, 建立了一个基于权重的ADC误差模型, 并利用后级的数字输出来校准前级的误差。该技术在ADC末尾增加了额外的两个子级, 这两个子级仅在校准过程中使用, 从而使得ADC正常的模数转换过程不被中断, 校准进程在后台执行。由于在校准期间和正常工作期间所有可能出现的信号路径的前7级均被校准, 故进一步减小了误差, 提高了精度。应用该技术实现了一个14 bit, 80 MS/s的流水线ADC, 该芯片采用Chartered 0.18 μm, 1p6m CMOS工艺设计, 总功耗为260 mW, 芯片面积为7.161 mm2。实验结果显示: 本文提出的校准技术可以提高ADC的精度, 改善ADC的动态和静态性能。

针对利用循环谱理论检测低截获概率(LPI)雷达信号存在计算量大的问题, 提出了一种优化的快速傅里叶变换(FFT)累积算法来更新信号处理设备的软件程序。分析了原软件中信号处理的过程, 提出了采用并行流水型结构的优化方法;利用前一个滑动窗口内采样信号的FFT, 推导出下一时刻采样信号序列的FFT;通过减少重复采样点, 减少计算量。然后, 利用循环谱检测中4个象限的循环谱的对称性, 减少计算象限数, 并采用一维搜索进行峰值检测, 从而进一步减少计算量。理论推导显示, 改进方法减少了计算复杂度和计算量。最后, 利用提出的方法对常用的线性调频(LFM)和二进制相移键控(BPSK)信号进行了分析。结果表明, 在相同条件下, 利用改进的算法及一维搜索, 计算时间可缩短为原算法的1/25左右。另外, 算法改进后检测信号的幅度值仅减小了不到10%, 不影响后续处理对循环谱参数的估计。

提出一种推扫式谱间压缩采样的高光谱成像系统, 用于实现高光谱图像的压缩感知成像, 并对该系统成像的重构算法进行了研究。在图像采集阶段, 采用棱镜对地面成像行的像素进行谱带分离, 然后利用数字微镜器件实现谱带的线性编码, 通过柱面透镜完成编码谱带的叠加。压缩采样数据重构时, 不像传统的压缩感知重构方法那样直接重构高光谱数据, 而是利用线性光谱库混合模型将重构高光谱数据转换成重构丰度系数矩阵, 采用交替方向乘子法求解丰度的优化问题, 再根据重构的丰度和高光谱库恢复原数据。与标准压缩感知重构算法的对比实验表明, 该方法在压缩采样数据为总数据的20%时, 重构的平均峰值信噪比比标准压缩感知提高了18 dB。所设计的成像系统采样方式简单, 可应用于星载或机载的高光谱压缩感知成像。

为提高流场超声层析成像的图像重建质量, 提出了一种迭代滤波反投影图像重建算法。该算法借鉴联合迭代重建算法的原理, 将滤波反投影算法引入迭代重建过程。首先, 利用滤波反投影算法, 通过投影数据残差重建误差图像对流场图像进行修正, 实现图像的迭代重建。然后, 通过优化迭代步长, 使每步迭代后投影数据残差均取得极小值以便加快收敛速度。最后, 基于流场连续、紧支撑分布的特点, 在迭代重建过程中引入投影数据的细分内插和流场图像的圆域修正。实验表明: 相比于滤波反投影算法, 迭代滤波反投影算法可使理论流场重建的图像误差平均减少26%, 流量误差由1.77%减小至±0.25%以内;程序运行时间为0.63 s, 仅为联合迭代重建算法的0.89%。 该算法可实现对直管段内和单弯管下游实际流场的可靠重建, 满足流场高精度实时成像的要求。

根据脉冲式半导体激光器对功率、脉宽、上升沿的要求, 同时考虑电脉冲的注入便于测试激光器的各种性能, 提出了一种以金属氧化物半导体场效应晶体(MOSFET)为开关器件, 以雪崩晶体管为驱动器, 可产生大电流、窄脉宽、陡上升沿脉冲的激光器驱动电路。讨论了预触发脉冲宽度和雪崩晶体管输出负载对MOSFET输出脉冲在幅度和波形上的影响以及如何通过调整耦合电阻来控制脉冲的“下冲”和振荡。实验结果表明: 在0～200 V供电电压下, 该电路在1 Ω电阻上产生了从0 A到148 A, 具有陡上升/下降沿的10 ns级电脉冲。通过调整电路参数, 可输出脉冲宽度窄至8.6 ns, 幅度达到124 A的电脉冲。该驱动电路满足了脉冲式半导体激光器的工作要求和对器件测试的要求。