基于光学系统结构研究了硬性内窥镜光学系统内部杂散光的成因及抑制方法, 以提高其成像效果。通过Lighttools软件进行光线追迹, 分析了硬性内窥镜光机结构的杂散光; 通过杂光路径分析, 提出光线在中继系统和物镜组中发生全反射是硬性内窥镜存在杂散光的原因, 由此研究了相应的杂散光抑制方法: 即调整物镜组结构控制系统中光线传播的路径, 并在光学系统优化过程中加入相应的控制条件。最后, 采用提出的方法设计了视场角为70°, 透镜直径为2.7 mm的高成像性能消杂散光硬性关节镜。验证实验显示, 研制的硬性内窥镜光学系统在100 lp/mm 处各视场的调制传递函数(MTF)值均在0.4以上, 逼近衍射极限。光线追迹结果表明, 在物镜组中消除杂散光可避免光线在棒镜内壁全反射, 完全消除杂散光并保证良好的像质。

为了得到微观动态样品的三维形貌图, 提出了基于红蓝双小孔光阑的单物镜立体显微成像方法, 并建立了一个结构简单的单物镜立体显微系统。该系统在物镜出瞳处放置分别用红、蓝滤光片覆盖的双小孔光阑, 当采用白光照明时, 彩色CCD将接收到分别用红光和蓝光表示的两个不同视角的图像。采用数字图像处理方法可获得具有视差的立体像对, 基于相位的双目匹配算法可得到样品的三维形貌。实验结果表明, 该方法重构了微观样品, 其景深达到241.50 μm。与现有的双物镜体视显微方法相比, 设计的立体显微系统简单且紧凑, 利用单次拍摄即可得到微观动态样品的三维形貌图, 在显微镜和内窥镜中很有应用前景。

针对高精度光纤陀螺对光源稳定性的需求, 提出了一种以32位数字信号处理器TMS320F2812为核心的掺铒超荧光光纤光源(SFS)的数字化温控方案。以该光纤光源(SFS)为研究对象, 分析了现有的光源温度控制技术的优缺点; 在模拟控制方案的基础上, 提出了"数字恒流源+数字温控"的方案。研究了热电制冷器(TEC)的工作特性、SFS泵浦源的内部结构和传热机理, 建立了SFS光源管芯温控系统的数学模型。设计了相应的连续域超前-滞后校正网络, 并进行控制器的离散化处理, 得到了PID数字补偿控制算法。最后, 实验验证了SFS光源的数字化温控系统的温控精度。结果表明, 在20～90 ℃, 系统温控精度优于±0.05 ℃, 满足了光纤陀螺低功耗、小型化等要求。

背向弹性散射光谱法可用于研究生物细胞内部颗粒的结构组成, 本文探讨了背向弹性散射光谱测量获取光谱的不同实验方法及其优缺点。针对微米量级的球形颗粒测量, 基于实验分析比较了目前普遍使用的光纤探头测量和透镜系统测量这两种背向散射光谱获取方法的优缺点。研究表明, 由于透镜系统获取光谱所对应的散射角有更明确的定义, 故透镜系统获取光谱与Mie散射计算的互相关拟合系数(0.96)高于光纤探头优化条件下获取光谱的结果(0.93)。因此, 在提取颗粒尺度精度要求较高时, 应该选用透镜测量方法, 并且采用滤波去噪声信号处理的手段来提高颗粒尺寸提取精度; 而提取颗粒尺度精度要求不高时, 光纤探头光谱获取方法具有简单易行的优点。

针对惯性约束聚变(ICF)终端光学元件的高精度在线检测, 提出了一种基于图像拼接的检测方法。该方法主要包含图像配准及图像融合两个部分。在图像配准部分, 采用基于局部损伤点特征匹配的方法来解决在线检测图像中信息过少, 以及子图像间存在曝光差异的问题, 并将检测系统的运动信息应用到配准过程中, 提高了检测精度及效率。在图像融合部分, 采用泊松融合的方法来消除曝光不均匀所产生的"拼接线", 实现了检测图像的“无缝拼接”。用本文算法与尺度不变特征变换(SIFT)算法对ICF终端光学元件在线检测(Final Optics Online Inspection , FOOI)图像进行了实验对比, 结果表明, 本文提出的图像配准方法优于SIFT算法。通过4×4方式得到的拼接图像显示, 本文方法可以大幅度提高ICF系统中FOOI装置的检测分辨率。

为了进一步提高平面光栅衍射效率测试仪的测量精度, 分析了影响平面光栅衍射效率测量值的主要因素。根据平面光栅相对衍射效率测量原理, 提出光束截面因子的概念并推导出了平面光栅光束截面因子k(θ)的解析表达式。进一步分析了影响衍射效率测量值的因素(光谱宽度与光束截面因子), 并结合衍射效率测量值定义了两个用于回归分析的自变量。针对作为因变量的理论值与所定义自变量之间存在的非线性关系, 提出了采用二次完全式回归分析的数学方法, 进而建立了提高衍射效率测量精度的修正公式。结果表明: 对平面光栅衍射效率测量值进行修正后, 修正值与理论值之间的误差可控制在±0.5%以内, 提高了衍射效率的测量精度, 改进了衍射效率测试仪的整机性能。

由于单星敏感器横滚测量精度偏低会影响航向测量精度, 本文针对测量船的实际使用环境, 提出了基于视轴指向的双星敏感器船体姿态测量方法。介绍了单星敏感器船体姿态测量原理及其不足, 分析了星敏感器滚动角测量误差对船体姿态测量精度的影响。设计了双星敏感器船体姿态测量系统, 建立了基于视轴指向测量的双星敏感器船体姿态测量模型。最后, 对该算法模型进行了外场试验验证。试验结果表明, 基于双星敏感器的船体姿态测量方法获得的航向、纵摇及横摇测量精度分别为6.9″、5.7″及4.5″, 显著优于基于单星敏感器的船体姿态测量精度, 避免了星敏感器横滚测量精度对航向测量结果的影响, 为船用星敏感器的工程设计提供了参考依据。

针对医用硬性内窥镜的质量检测提出了一种检测内窥镜光效能的方法。首先, 利用内窥镜质量检测装置对采集的图像进行三维mesh变换, 定性观察图像; 然后, 对图像做灰度变换及二值化处理, 找到过圆心的弦线并做出plot曲线; 最后, 对plot曲线进行拟合分析, 计算求得内窥镜横向及纵向边缘中心比和视场亮度差异率, 并对计算所得横纵向数据进行统计分析。对若干国内外内窥镜的测试实验表明, 国内内窥镜视场亮度差异率横纵向相关性较好, 相关值均在0.908 5以上且相关性与亮度无关; 进口内窥镜边缘中心比横纵向相关性比较好, 在0.656 5以上。另外, 视场亮度差异率与亮度成正比, 边缘中心比范围基本保持稳定。得到的结果显示: 弦线法可准确地评价内窥镜的光效性能, 能够计算视场亮度差异率。该方法简单方便, 适用于医用硬性内窥镜光效性能的检测及评价。

提出了一种采用磁光调制与光源调制技术高精度测量偏振棱镜消光比参数的方法并建立了相应的消光比测量系统。首先, 根据偏振光的琼斯矩阵描述方式推导了系统的测量模型; 采用磁光调制方式, 实现了待测偏振棱镜晶体光轴与起偏器晶体光轴夹角的高精度定位。然后, 采用光学斩波器对光源进行方波调制, 消除了各种噪声对系统测量精度的影响, 使得系统在待测偏振棱镜实现光轴精确定位后能够准确测量光强值。最后, 对待测偏振棱镜进行了多次测量并求取平均值。实验结果显示, 对偏振棱镜消光比参数的测量精度为10-6 , 验证了提出方法的有效性和稳定性。该系统精度高、稳定性好、容易实现工程化, 对偏振器件的性能检验和实际应用具有指导意义。

通过调整结构参数, 优化设计了一种高非线性高双折射的光子晶体光纤(PCF)。该光纤的包层结构由大小不同的圆形空气孔按六边形排列, 纤芯中心沿着x轴引入两个椭圆空气孔。采用全矢量有限元法, 并以完美匹配层作为边界条件分析了该光纤结构的模场分布、有效折射率、有效面积、非线性系数及双折射特性, 并且分析了光纤结构参数对这些特性的影响。分析表明, 调节最内层纤芯周围的大空气孔和椭圆空气孔的大小可有效地控制非线性系数和双折射特性。数值分析显示: 适当地调节结构参数后, 该光纤在波长1.55 μm处的非线性系数最大值可达53.5 W-1·km-1 ; 双折射系数为1.092 9×10-2, 比传统光纤高两个数量级。该光纤在对于非线性和双折射需求高的通信系统中具有好的应用前景。

设计了一种基于光纤布拉格光栅啁啾效应的磁场传感器, 导出了光纤布拉格光栅的反射谱带宽与磁感应强度的关系。传感器工作时, 磁场中的圆盘形软铁受到通电螺旋管线圈磁场力的作用, 引起矩形悬臂梁变形, 从而导致粘贴在悬臂梁侧边的光纤布拉格光栅的反射光谱带宽发生变化; 利用光谱分析仪, 通过检测光纤布拉格光栅反射谱带宽的变化量, 即可得到被测磁场磁感应强度的大小。当光谱分析仪的分辨率为0.001 nm时, 可测量磁感应强度为6~70 mT。实验结果表明: 该光纤布拉格光栅反射光谱带宽的变化量对温度变化不敏感, 当温度从0℃变化到45℃时, 3 dB带宽的变化小于8 pm。实验结果和理论分析一致, 表明该方案切实可行。

介绍一种可以广泛应用的时间延迟积分(TDI)CCD拼接型焦面的精密定焦技术。首先, 在恒温、隔振条件下将满足拼接精度要求的TDICCD焦面组件粗装至相机相应的设计位置; 然后, 通过数据采集与处理系统获得相机成像的调制传递函数(MTF), 并通过调焦机构进行调焦, 测得每片TDICCD所成像的MTF调焦量曲线, 进而得到每片TDICCD的最佳像面位置; 最后, 根据8片TDICCD各自的最佳像面位置拟合出共同的相机最佳像面, 并依此确定焦面组件外接口的修调量, 完成相机焦面的精密定焦与装调。对定焦精度的分析表明, 定焦误差为9.1 μm, 与焦深的相对误差为4.4%。最终的MTF测试实验表明,8片TDICCD的MTF值比较平均, 符合相机光学镜头的MTF变化规律并且远远高于该相机全视场静态MTF≥0.2的技术指标要求。本文所介绍的大视场TDICCD遥感相机的精密定焦技术可以为同类遥感相机的研制提供借鉴。

针对难切削材料的深小孔加工, 提出一种有效排屑、迅速补充电解液的新工艺——高转速微螺旋电极电解钻削加工工艺, 并对该工艺进行了机理分析与试验研究。研究了电极转速、电压、脉冲频率、进给速度等工艺参数对深小孔电解钻削加工精度和稳定性的影响, 提出合理匹配上述参数可在较高加工效率下获得高的加工精度和加工稳定性。基于硬质合金微螺旋电极用自行研制的高精度微细电解系统成功地在高温镍基合金GH4169上加工出了一组孔径小于0.5 mm、深径比大于10、形貌较好, 锥度较小, 侧壁陡直, 进出口边缘锐利的深小孔。试验结果表明, 高速电解钻削加工工艺在深小孔加工方面很有潜力。

为了降低率相关迟滞特性对压电作动器的影响, 研究了基于Hammerstein模型的建模方法和实时跟踪控制策略。以改进的Prandtl-Ishlinskii(MPI)模型表示静态非线性部分, 以外因输入自回归模型(Autoregressive Model with Exogenous Input ARX)表示动态线性部分, 建立了能够描述压电作动器率相关迟滞特性的Hammerstein模型。基于所建Hammerstein模型, 设计了基于前馈自适应逆补偿和PI反馈的复合控制策略。最后, 设计并实现了基于前馈逆补偿和PI反馈的复合控制策略来对比和验证所设计的控制策略的有效性。验证实验显示: 采用文中设计的控制策略实时跟踪100 Hz以内, 幅值为11 μm的单一频率信号和扫频信号以及变幅值的复合频率信号和正弦扫描信号时, 均方根误差为0.280 8~0.437 3μm, 相对误差为0.016 5~0.024 4, 并且具有良好的实时性能。与基于前馈逆补偿和PI反馈的复合控制策略相比, 提出的基于前馈自适应逆补偿和PI反馈的复合控制策略具有更高的跟踪精度。

航空相机位角控制系统在大给定行程条件下易出现积分Windup现象, 从而影响系统的动态性能。为了提高位角控制系统在大给定输入条件下的动态响应性能, 提出采用基于Anti-Windup的变结构自适应抗饱和PID控制法来设计位角控制系统。采用主副串级双回路的位置控制策略, 在速度内环采用了基于Anti-Windup的变结构自适应PID控制的补偿环节, 并采用基于实数编码遗传算法的PID整定方法对速度内环PID初始参数进行整定, 参数选取最优指标时对超调采取惩罚功能, 使位角控制系统在大给定行程输入下仍能达到比较满意的性能。实验表明: 采用基于Anti-Windup的变结构自适应PID控制的控制策略, 避免了位角反射镜在检焦结束后的回位阶段进入饱和状态, 使回位调整时间缩小了35.7%, 提高了检焦结束后大行程回位的速度。

为了降低数字微流控芯片的驱动电压, 将传统的方形驱动电极结构设计为半月形, 并研究了不同参数的半月形驱动电极降低驱动电压的效果。首先, 根据介电湿润的基本原理分析了不同驱动电极形状对降低驱动电压的影响。然后, 通过流体体积法(VOF)对液滴的运动过程进行建模和数值仿真; 根据数值仿真结果对比分析了不同结构参数的半月形驱动电极随驱动时间的运动过程。最后, 设计了4种不同结构参数的半月形驱动电极芯片, 并对其驱动液滴的效果进行了试验验证。结果表明: 研制的4种半月形驱动电极微流控芯片中, 电极圆弧直径等于电极长度结构的芯片其驱动电压比其他3种电极结构的芯片的驱动电压至少降低了15.6%, 而且可以在16 V的驱动电压下使1 μＬ去离子水液滴的运动速度达到1.6 cm/s, 是设计为半月形驱动电极中的最优设计。实验数据证明了电极圆弧直径等于电极长度的半月形驱动电极结构可有效降低微流控芯片的驱动电压。

为了完善压电悬臂梁非耦合集**数模型, 进而优化设计压电振子, 本文根据机械振动理论以及阻尼理论, 建立了单晶压电振子等效阻尼系数的理论模型。理论分析并实验验证了基板材料性能, 结构尺寸以及截面形状等不同因素对等效机械阻尼及电阻尼的影响规律。最后, 制备了3组不同形状尺寸的压电振子样品, 并进行了冲击振动试验来验证理论分析结果。研究表明, 压电材料层对整体阻尼的影响主要取决于基板与压电材料的弹性模量比; 压电材料每个振动周期的电能损耗与悬臂梁长度的三次方成正比, 与宽度成反比; 而决定振幅放大因子的阻尼比并非随结构尺寸单调变化。实验结果与理论模型的误差为2.5%~14.7%, 证明了理论模型的可靠性。分析表明, 在可承受极限载荷相同的情况下, 静态特性最优的变曲面悬臂梁动态特性并非最佳, 得到的结果对于压电振子的优化设计具有现实意义。

以长焦距斜视相机俯角系统为研究对象, 针对高动态下自准直检焦镜筒定位精度不高的问题, 提出了一种基于高增益观测器的多环路控制策略。首先, 根据俯角控制系统开环幅频特性曲线, 建立了俯角位置控制系统的数学模型, 从控制理论角度分析了所设计控制策略的可行性; 然后, 通过实际系统进一步验证了所设计控制策略的可靠性。实验表明, 高增益观测器能够很好地估计镜筒在非惯性空间下的角速度和角加速度状态; 相比于双闭环控制方法, 本文提出的控制策略可将俯角位置控制扰动最大误差减少96.3%, 保证了镜筒的检焦位置定位精度优于0.05°, 因此具有较好的工程应用价值。

利用原子力显微镜(AFM)硅悬臂器件具有多阶谐振模态的特性, 提出了基于硅悬臂高阶谐振特性构建动态AFM来实现快速扫描的方法, 并研制了可工作于一阶模态和高阶模态的AFM。介绍了高阶谐振AFM系统的基本结构和工作原理, 从理论上证明了利用硅悬臂梁高阶谐振特性实现快速扫描的可行性。以自制的AFM为研究对象, 分析了影响动态AFM扫描速度的主要因素, 对系统各模块的响应时间进行了分析、测试, 并通过实验证明了AFM在二阶谐振模态下的稳定时间明显小于一阶谐振模态下的稳定时间。最后, 分别用一阶、二阶谐振模态对光栅试样在同一区域的表面形貌进行了扫描测试, 测试数据表明: 在相同条件下, AFM的扫描速度在二阶谐振模态下约是一阶模态下的3.3倍。理论分析和实验结果证明了利用高阶谐振探针提高AFM扫描速度的可行性和有效性。

针对大视场角航空相机常用的高空分段拼装式光学窗口阶差小的问题, 提出了一种适用于该类光学窗口的防护装置。分析了高空分段拼装式光学窗口的任务需求和高空工作环境, 完成了整个防护装置的设计; 确定了传动机构的参数并对其传动精度进行了分析。最后进行了振动试验和高空环境模拟试验。分析及试验结果表明, 所研制的防护装置基频达到111.9 Hz, 保证了在外界动态载荷作用下的动力学响应; 低温(-56.5℃)低压(5.5 kPa)环境下传动机构运动平稳、可靠, 速度误差仅为1.3%。该防护装置已成功应用于某航空相机, 试验显示其有效克服了高空气动阻力及低温低压环境的影响, 可以作为其他高空分段拼装式光学窗口防护结构设计的参考。

为了对轮式移动机器人(WMR)进行光滑、鲁棒、稳定的轨迹跟踪控制, 分析了生物激励神经动力学原理, 研究了非线性模型预测控制策略, 提出了一种基于神经动力学思想的模型预测终端控制方法。首先, 针对传统控制方法存在的初始速度跳变问题, 利用神经动力学在信息处理方面的优良特性, 设计了神经动力学控制模块; 然后, 根据模型预测控制原理给出了一个优化控制模块; 最后, 设计了终端域和线性反馈终端控制器来保证系统的全局渐近稳定性。仿真结果表明: 利用所设计的控制方法进行曲线跟踪时, 被控WMR系统收敛到参考轨迹的时间可从12 s降到5 s, 初始线速度/角速度分别从［-3, 4］ m/s和［-5, 6］ rad/s 缩小到［0, 2］ m/s和［-3, 3］ rad/s, 且系统输出有界光滑, 使WMR在完成轨迹跟踪的同时实现了全局渐进稳定。由于文中核心算法的推导过程不受WMR运动学模型限制, 故该研究结论亦可应用于其他结构的移动机器人。

基于纳米试验系统研究了碳纳米管工具电极的在线制备和导电性能测试方法。首先利用电弧放电将碳纳米管焊接在钨针尖上, 制备碳纳米管工具电极; 然后在线测试碳纳米管工具电极的伏安特性, 分析碳纳米管与钨针焊接前后电阻的变化。通过局部焦耳热法改善碳纳米管与钨针的接触特性, 用Au离子溅射法降低碳纳米管工具电极的电阻, 提高电极的整体导电性能。试验结果表明, 碳纳米管与钨针焊接后, 电路中的电极电阻明显降低, 碳纳米管工具电极的电阻约为130 kΩ, 经过90 s局部焦耳热处理后, 电极电阻降低到55 kΩ左右, 比原电阻减小约60%, 接触性能明显改善; 再经过Au离子溅射处理后, 电极电阻进一步降低到40 kΩ左右, 比原电阻减小约70%, 从而显著提高了碳纳米管工具电极的导电性能。

提出了一种导引头运动学参数标定方法, 用于提高两轴双框架导引头的视轴静态指向精度。首先, 根据导引头稳定平台的光机结构特点, 应用局部指数积(LPOE)公式建立了导引头理论运动学模型; 通过分析轴系误差对运动学参数的影响, 修正了理论运动学模型。然后, 结合参数标定原理, 设计了遗传算法。该算法采用多点交叉与自适应变异概率来提高搜索效率并求得全局最优解。以视轴静态指向误差为目标函数, 利用遗传算法对运动学参数进行了辨识。最后, 利用激光跟踪仪测得两组数据, 分别用于辨识参数及验证标定模型。实验结果表明: 视轴的静态指向精度由标定前的109.9″提高到22.3″, 显示提出的标定方法能够有效的修正导引头运动学参数。

针对轴向永磁偏置磁轴承一侧线圈无电流时磁轴承承载能力下降且非线性增强的情况, 提出一种反馈线性化与保性能控制相结合的组合容错控制策略来提高轴向磁轴承在故障情况下的承载能力并使其能在承重时稳定悬浮转子。首先, 建立了故障情况下后轴向磁轴承-转子系统的非线性动力学模型, 通过反馈线性化方法使系统大范围线性化。然后, 在考虑参数摄动的基础上设计最优保性能控制器使转子稳定悬浮。最后, 在轴向一侧线圈无电流的永磁偏置磁悬浮转子上进行了多项实验。实验结果表明, 所设计的组合容错控制器实现了承重情况下转子的稳定悬浮, 摄动最大的参数变化约35%时位移跳动量峰值为2.6 μm, 超调量小于3%, 调节时间为82 ms。结果验证了该方法不仅能实现容错控制, 而且具有良好的动静态性能及鲁棒性。

研究了建立滚珠丝杠副热误差模型的方法, 以进一步提高半闭环丝杠驱动系统的定位精度。分析了滚珠丝杠副的热源和温度场的动态特性并考虑丝杠驱动系统运行条件提出了基于Elman神经网络的热误差建模方法。首先, 根据滚珠丝杠副的结构特点, 确定其内部热源及温度场分布特性。然后, 基于丝杠温度分布函数, 研究丝杠热变形与其内部热源之间的动态非线性函数关系。最后, 综合考虑丝杠驱动系统运行条件对其热误差的影响, 建立了基于Elman神经网络的热误差预测模型。实验结果表明, 当丝杠驱动系统的运行条件较为复杂时, 采用文中提出的预测模型得到的热变形估计残差为-3.1 μm~2.4 μm。结果显示: 考虑运行条件的Elman神经网络比BP和Elman网络(仅考虑温升数据)具有更好的预测精度和鲁棒性, 有较强的工程应用前景。

由于长焦距相机中支撑桁架的温度变化会降低光学系统成像质量, 本文研究了空间相机支撑桁架的热控设计。根据某高分辨相机的结构参数、光学系统对支撑桁架温度的要求及卫星的轨道参数分析了桁架杆的吸收外热流并确定了加热功率; 讨论了桁架热平衡公式, 并确认桁架杆的轴向温差主要与桁架杆加热片功率和加热片粘贴位置有关。在对桁架杆简化数学模型理论分析的基础上, 得到了杆的温差方程, 进而提出两种满足支撑桁架精确控温的热设计方法: 增大加热片面积和增加杆的等效导热率。实验证明了新型导热材料PGS(Pyrolytic Graphite Sheet)可以很好地满足支撑桁架等效导热率及轻型化的要求, 使用0.076 mm厚的PGS时, 可以将支撑桁架的轴向温差由7.9℃减小为0.83℃, 且每根桁架杆质量只增加12 g。最后, 通过热分析模型进行仿真实验, 证明了理论分析的正确性, 通过对桁架杆温差测量试验和热真空试验, 验证了仿真分析结果和PGS的空间适应性。 得到的结果证明了本文提出的空间桁架的精确控温方法是适用且有效的。

针对现有基于稀疏编码的单幅图像超分辨率重建算法易导致重建图像中出现不正确几何结构的现象, 提出一种字典非相关性约束和稀疏系数非局部自相似性约束结合的稀疏编码方法。为解决引入这种自相似性约束造成的重建图像边缘过度平滑、模糊的问题, 提出了基于平滑层和纹理层的双层重建框架。该方法运用一种全局非零梯度数目约束重建模型重建平滑层; 通过提出的稀疏编码方法重建高分辨率纹理图像。最后, 利用一个全局和局部优化模型进一步提升重建图像的质量。实验结果表明, 与一些具有代表性的重建方法相比, 该方法得到的峰值信噪比(PSNR)和结构相似度(SSIM)平均值分别提高了0.798 7~3.242 4 dB和0.018 6~0.083 5, 不仅主观视觉效果上取得了明显的改进, 鲁棒性得到增强, 而且重建出了更加准确的结构和边缘, 取得了更好的重建效果。

针对原始压缩跟踪算法无法自适应选择特征易导致目标丢失或者漂移这一现象, 提出一种基于在线选择特征的实时压缩跟踪算法。首先, 在初始化阶段生成两个互补的投影矩阵, 利用该投影矩阵提取特征构造候选特征池。然后, 通过特征置信度度量策略实时从候选特征池中选择置信度较高的特征, 并融合所选特征对应的置信度构造分类器。最后, 利用该分类器对候选样本做二元分类处理, 获得最高分类器响应值的样本作为最后跟踪结果; 而上一帧跟踪结果用来在线更新特征池和分类器为后续跟踪做准备。本算法在多个公共测试视频序列与原始压缩跟踪算法进行了对比, 结果表明其跟踪精度和鲁棒性方面得到了改善, 对于320 pixel×240 pixel大小的视频平均处理帧速为25 frame/s, 满足实时跟踪要求。

针对复杂环境下自主水下航行器(AUV)组合导航系统中存在的模型不完全确定或者模型参数发生变化的情况, 提出一种基于期望模式修正的交互式多模型(EMA-IMM)滤波算法。该算法利用滤波估计过程中所得到的模型概率完成决策。首先对固定结构的基础网格进行滤波, 得到细化的修正模型集, 接着对修正模型集进行滤波, 得到与真实模型最为邻近的若干个修正模型网格共同构成的期望模型集, 然后将系统真实的模型覆盖在精简的期望模型集范围之中, 最后通过对期望模型集滤波, 得到接近真实模型状态变量的估计结果。在AUV组合导航系统中的仿真结果表明, 相对于传统Kalman滤波算法, 改进的EMA-IMM使AUV的经度估计精度提高了97％, 纬度估计精度提高了44%; 相对于IMM算法, AUV的经度估计精度提高了22%, 纬度估计精度提高了19%; 得到的结果验证了提出的EMA-IMM算法的优越性。

研究了卫星帆板展开对整星姿态的影响, 优化了展开策略。对单块帆板的展开进行了理论建模, 得到了转动角度和时间关系的解析解; 结合某卫星工程实际对单块帆板进行了ADAMS动力学仿真, 建立了更接近实际的ADAMS模型和参数设置。通过搭建的单块帆板展开试验机构进行展开试验, 测得了驱动力矩、阻力矩等参数, 并对理论模型和ADAMS模型进行了参数修正。修正后的结果显示理论计算、仿真和试验结果相差在5%以内。对于10.6 kg帆板而言, 驱动力矩每增加0.09 N·m, 展开时间缩短0.4~0.5 s, 冲击载荷相应增加400 N左右。修正过的ADAMS模型可应用于整星帆板展开动力学分析, 得到不同展开策略对卫星姿态影响的大小, 为展开模式的选择、姿态精确控制提供参考依据。

为了实现光学图像的非线性加密, 设计了一种基于随机分数梅林变换的光学图像加密方法, 构造了相应的光学加密装置。该装置采用混沌映射生成一对共轭随机相位掩模放置于分数傅里叶变换光学装置的两端, 对分数傅里叶变换的核函数进行随机化处理, 得到随机分数傅里叶变换。随机分数梅林变换由对数-极坐标变换和随机分数傅里叶变换组成, 光学图像经随机分数梅林变换得到复值密文, 从而完成图像的像素值和像素点位置的双重加密。对应所有密钥计算了输入图像和解密图像的均方误差, 混沌映射的初值增大10-16 时, 解密图像的均方误差放大200倍以上, 其作为密钥扩大了加密算法的密钥空间; 随机分数梅林变换的分数阶次作为密钥也具有很高的敏感度。数值分析验证了该光学加密系统的可行性和有效性, 噪声叠加和抗裁剪性能分析表明该算法具有良好的鲁棒性。

针对图像校正引起的高光谱图像的数据相关性, 本文基于三级谱间预测和后向像素搜素(IP3-BPS)两阶预测提出了一种应用自适应预测器排序的三阶预测高光谱图像无损压缩算法。首先, 根据高光谱图像相邻波段的相关系数大小进行自适应波段分组。然后, 对谱间相关系数大于0.9的分组, 利用校正引起的数据相关性和高光谱图像波段缩放因子分别给出一种递归双向像素搜索和一种自适应预测器排序技术; 新形成的三阶预测算法将递归双向像素搜索和后向像素搜索作为最后两阶预测的预测器, 并自适应调整两者的排序以获得更优的预测值。对机载可见光/红外成像光谱仪(AVIRIS′97)高光谱图像进行压缩的实验结果表明, 提出的算法的平均比特率达到3.85bpp,优于其它无损压缩算法0.07~1.28 bpp。该算法在计算复杂度较低的情况下, 是一种高效的高光谱图像无损压缩方法。

由于锥束CT成像系统在短扫描方式下无法获得完全投影数据,从而限制了图像重建的质量, 本文提出了一种基于投影收缩的压缩感知锥束CT短扫描重建算法。考虑BB(Barzilai-Borwen)梯度投影算法的非单调收敛, 分析了投影收缩法的预测校正特性, 并将校正过程引入到压缩感知图像重建算法中。结合目标函数下降方向和凸集投影下降方向, 校正BB梯度投影算法, 改善BB梯度投影算法的非单调特性。应用该算法对模拟投影数据和仿体扫描数据分别进行了重建试验。模拟试验结果表明, 在25个采样角度下, 用提出算法重建图像的信噪比值比自适应最速下降-凸集投影算法、投影收缩算法和BB梯度投影算法的重建结果分别高出9.487 0、9.802 7、3.615 9 dB。仿真试验结果表明: 在少量投影角度下该算法重建结果有效抑制了条状伪影, 清晰重建出边缘细节, 极大提高了少量投影数据重建图像的质量。

研究了一种基于分数阶微分理论的图像增强算法来提高恶劣天气及复杂场景情况下模糊交通视频图像的清晰度。研究了分数阶微积分Tiansi算子模板的特性, 将现有的分数阶微分模板中被忽略的像素点应用到新的分数阶微分处理之中改进和更新了分数阶微分算子。对改进后的算子与近期常用的和公认的5种图像增强算法进行了比较分析, 结果显示: 改进的分数阶微分算子能够显著增强局部细节信息(如纹理等), 而且图像中的噪声不明显。与Tiansi算子相比, 新算子在处理彩色图像时, 分数阶阶数的增高并不明显地增加图像噪声, 而且锐化结果好, 颜色更真; 处理灰度图像时, 在高频信息较多的情况下, 增加模板中心像素权值可以抑制图像中的噪声。对试验及算法的分析比较证明: 研究的新算法对增强模糊交通视频图像清晰度具有较好的效果, 且处理速度也能满足实际应用的要求。

为了提高仿真实验系统的主控计算机分系统的软件可靠性, 建立了系统级软件可靠性屋(HOSR)。以主控计算机分系统下的运行时间框架管理模块为例, 分析了故障模式和故障原因的相关性、故障模式间的相关性、和故障原因间的相关性。介绍了故障模式及影响分析法(FMEA)、质量功能展开法(QFD)、及将QFD中的系统屋概念融入FMEA而形成的HOSR。根据主控计算机分系统软件层次图, 利用已建立的故障模式和故障原因库对HOSR进行填充; 最后, 根据HOSR的分析矩阵对RTI管理模块进行故障分析。分析结果表明: RTI管理模块中存在潜在故障模式23个, 潜在故障原因35个, 故障模式和故障原因的相关性关联116个, 故障模式间的相关性关联9个, 故障原因的相关性关联14个。该分析法能更全面地识别故障模式和故障原因, 尤其是共模故障和共因故障, 同时减少头脑风暴法带来的缺陷遗漏, 减少工作人员的工作量。

针对模糊图像复原后常常存在的振铃现象, 提出了一种基于边缘分离的去振铃复原方法。该方法首先使用基于图像质量评价的降晰函数辨识方法估计模糊图像的降晰函数尺寸, 提取模糊图像中的强边缘并平滑边缘区域得到去边缘模糊图像。然后, 利用估计降晰函数对去边缘模糊图像进行迭代盲复原。最后, 提取边缘增强后加入到复原的去边缘图像中得到完整的复原图像, 并对复原图像进行增强。复原过程中为了抑制噪声放大使用了Wiener和离散小波变换(DWT)联合去噪算法对图像的低频区域进行去噪。实验结果表明: 与传统的迭代复原算法相比, 本算法复原图像的振铃测度降低了34%以上, 比基于Fuzzy滤波器的去振铃算法低12.5%以上; 同时, 本算法复原的图像质量也得到了明显提升。

对离轴三反测绘相机的像移模型进行了必要的修正以获得高的测绘精度。对两线阵离轴三反航天测绘相机进行建模, 推导了考虑地球曲率的斜视和后视相机的像移速度和偏流角计算公式。以交会角为25°的离轴三反航天测绘相机为例, 分析了斜视相机以正视为准调整行周期和偏流角, 以及兼顾正视、斜视相机调整偏流角时, 像移速度匹配残差和偏流角调整残差对图像质量的影响。分析结果表明, 以调制传递函数下降5%为约束,当积分级数大于5时, 应分别调整斜视和正视相机的行周期; 按正视相机调整斜视相机的偏流角时, 积分级数应取71以内; 若兼顾正视、斜视相机调整偏流角, 当积分级数为96时, 对正视、斜视相机的成像质量无本质影响。