针对空间遥感技术的迅速发展及其对空间探测精度需求的提高, 对研制更可行有效的超大口径空间光学遥感器的技术路线开展了研究。介绍了该领域已发射和计划发射的超大口径光学遥感器涉及的发展历史和结构特点, 以及它们的研究现状和应用领域, 主要包括整体式成像系统、分块可展开成像系统、光学干涉合成孔径成像系统和衍射成像系统等。分析对比了各种传感器的性能特点及现阶段的应用情况。最后, 考虑我国高分辨率、高成像质量空间光学遥感器的应用需求, 结合当前技术条件以及相关技术的发展趋势, 分别针对2~4 m大口径系统, 4~10 m超大口径系统和更大口径系统的成像需求提出了最佳解决方案。

为了了解经过消光黑漆(Z306)喷涂处理后航天相机遮光罩表面对杂散光的散射特性, 对喷涂了Z306的铝板样品进行了双向反射分布函数(BRDF)测量和建模分析。通过测量获得了黑漆样片在0.65 μm波段的BRDF值。结合Z306黑漆测量数据的散射特征, 选择了适合粗糙黑漆表面的Microfacet-based模型, 并对模型进行了修正。使用修正的Microfacet-based模型对测量数据处理并建模, 得到了样片整个半球空间的BRDF数据, 弥补了测量数据量少和测量误差带来的缺陷。将黑漆的BRDF数据代入软件, 分析并进行了光学系统杂散光测试验证。结果表明: 采用修正的Microfacet-based模型处理黑漆的BRDF后, 分析光学系统杂散光(点扩散函数, PST)得到的结果与实际测量的杂散光(PST)的一致性很高, 实测值与分析值比值的对数精度优于0.5。得到的结果证明了BRDF建模的必要性和数据处理的准确性, 为光学系统的杂散光抑制提供了重要的保障。

考虑用CaF2材料制作投影光刻物镜可以明显提高其性能指标, 本文研究了CaF2材料加工工艺的全流程, 以实现CaF2材料的全频段高精度加工。首先, 利用沥青抛光膜和金刚石微粉使CaF2元件有较好的面形和表面质量。然后, 优化转速、抛光盘移动范围、压力等加工工艺参数, 并使用硅溶胶溶液抛光进一步降低CaF2元件的高频误差, 逐渐去除加工中产生的划痕并且获得极小中频误差(Zernike残差)和高频粗糙度。 最后, 在不改变CaF2元件高频误差的同时利用离子束加工精修元件面形。对100 mm口径氟化钙材料平面进行了加工和测试。结果表明: 其Zernike 37项拟合面形误差RMS值可达0.39 nm, Zernike残差RMS值为0.43 nm, 高频粗糙度均值为0.31 nm, 实现了对CaF2元件的亚纳米精度加工, 为研发高性能深紫外投影光刻物镜奠定了良好基础。

以同心多尺度成像模式为基础, 结合人眼视网膜凹成像思想, 提出了一种宽视场与双分辨率成像组合的新型同心多尺度成像系统, 在广域视场范围内实现了对关注的感兴趣目标区域的高分辨动态注视。介绍了同心多尺度双分辨率成像系统的工作方式; 使用一个单透镜和一个双胶合透镜为初始结构, 结合二轴微机电系统(MEMS)扫描微镜组合形成光路; 利用ZEMAX光学设计软件, 优化设计了成像波段为0.486~0.656 μm, 在单个分通道视场内(30°)可对关注的小视场区域(6°)高分辨注视跟踪的子成像系统。 对成像系统的像质以及点列图、调制传递函数(MTF)曲线、场曲、畸变曲线进行了评价。结果表明设计的子成像系统在全视场内成像均匀, 接近衍射极限, 场曲和畸变较小, 最大场曲不超过06 mm, 最大畸变小于15%, 能够满足同心多尺度双分辨率成像系统对子成像系统性能的要求。

考虑飞秒激光跟踪仪仪器轴系的几何误差会影响仪器的指向精度并最终影响坐标测量精度, 本文研究了激光光轴与竖轴的几何误差对仪器测量精度的影响。提出了激光光轴与竖轴的同轴度标定方法, 以降低其不重合带来的跟踪测量误差。首先, 基于几何光学原理建立了光轴与竖轴的几何误差模型, 分别分析了光轴与竖轴的倾斜与平移误差对仪器测角精度的影响。 然后, 针对设计的仪器提出了基于旋转成像原理的光轴与竖轴同轴度的检测方法, 并设计了一套同轴度检测装置。最后, 基于该检测装置, 通过调节两组双光楔完成了激光光轴与竖轴的倾斜与平移误差的标定。结果显示, 经标定校准后激光光轴与竖轴的角度误差为3.4″; 平移误差为26.1 μm, 得到的结果为仪器后续建立误差补偿模型奠定了基础。

提出了一种利用声光调谐方法进行滤波的扫频光源来提高它的输出稳定性。阐述了实现光源稳定输出的原理和方法, 研究和分析了光源的相关参数。该系统采用声光调谐的方法代替机械滤波的方式。在一个环形腔内, 使用半导体光放大器(SOA)作为增益介质, 声光可调谐滤波器(AOTF)作为波长选择元件, 利用声光调谐的原理对腔内的光进行选频滤波。在280 mA的注入电流下, 得到了1 294~1 368 nm的扫频光源, 其中心波长为1 328 nm, 半高全宽为51 nm, 扫频速度为3 731 Hz, 环形腔内直接输出的光功率为1.14 mW。由于AOTF是电控制元件, 波长的调谐不需要机械移动部件, 故提高了系统的稳定性, 输出光谱的重复性也很好。实验显示: 通过这种方法获得的扫频光源输出稳定, 基本满足扫频相干层析成像系统对扫频光源工艺参数的要求。

为了准确检测土壤中的多环芳烃, 以土壤中典型多环芳烃污染物蒽为检测对象, 研究了土壤粒径大小对其荧光特性的影响, 并提出了一种校正土壤粒径大小对多环芳烃标准曲线影响的方法。研究了蒽在土壤中的荧光特性, 指出蒽在421 nm、442 nm和470 nm处出现较强的荧光峰。接着, 制备7种不同粒径大小的蒽土壤样品, 并以土壤粒径大小为外扰, 构建了同步和异步二维相关荧光谱, 研究了蒽荧光强度和304 nm处瑞利散射光强随土壤粒径大小的变化。结果显示, 随着土壤粒径增大, 蒽荧光强度和304 nm处瑞利散射光强度都有增强。最后, 分别建立了80目和160目土壤粒径下定量分析土壤蒽浓度的标准曲线, 并通过304 nm处瑞利散射光对蒽荧光进行校正。结果表明: 该方法有效降低了土壤粒径大小对蒽标准曲线的影响。

基于工业摄像技术提出一种非接触测量传动轴动态轴功率的方法。首先设计了轴功率测量系统, 提出了测量轴转速和轴转矩的方法。通过数字散斑的相关搜索和亚像素计算等手段, 测得轴转速和转矩值, 最终计算得出轴功率。为验证本文方法的测量精度, 搭建了车载试验系统, 并在底盘测功机上对其进行了实际测量试验。试验结果表明: 提出的轴功率测量方法得到的结果与底盘测功机测量结果变化趋势一致, 其相对误差平均值为9.37%。其中轴转速的测量范围可以覆盖整个过程, 测量值波动较小, 与底盘测功机测量结果基本一致, 其相对误差平均值为0.73%, 抗噪能力强; 轴转矩的测量范围可覆盖部分高转矩, 测量值波动较大, 两者测量结果趋势一致, 其相对误差平均值为15.15%, 抗噪能力较弱。本文方法克服了一些传统测量方法的不足, 为解决轴功率动态测量提供了一种新思路。

为了在不影响杂散光抑制效果的同时减少空间遥感器的结构尺寸, 方便其姿态控制, 提出了一种超短型内嵌式遮光罩。介绍了超短型内嵌式遮光罩的基本结构形式及其优化设计方法。重新设计了遮光罩的形状, 采用超短型多层遮光筒结构代替了传统设计中过长的外遮光罩。改变了遮光罩与主体结构的安装方式, 将遮光罩嵌入式安装于空间遥感器的主体结构, 最大限度地压缩了结构尺寸。以某航空相机光学载荷为例, 分析了该种遮光罩的可行性和消杂散光效果。采用Light-tools软件优化设计了双层同心圆柱筒结构的遮光罩, 并对该遮光罩的杂散光抑制效果进行了评估。模拟计算结果表明, 外遮光罩采用超短型内嵌式结构后, 遮光罩总长度和重量均减小为传统设计结果的1/3。系统的点源透过率(PST)曲线显示其整体呈下降趋势, 且在离轴角大于25°后, 光学系统的PST降低到10-7以下。另外, 设计的遮光罩能够有效抑制视场外杂散光, 其杂散光抑制能力与其他离轴、同轴系统大体相当, 满足使用需求。

设计了一套由三轴直角坐标机器人、线激光传感器和工业计算机组成的焊缝跟踪系统。研究了该系统所涉及的测量原理、特征点测量方法和基于模糊自适应的控制方法。通过高斯核相关算法(KCF)在焊接过程中实时检测焊缝特征点, 并根据测量原理计算获得特征点相对于相机坐标系的三维坐标值。设计了一种自适应模糊控制器, 通过自适应模糊控制器计算坐标的偏差值和偏差变化率得到焊枪末端运动轨迹的控制量, 同时对模糊控制器的输入输出论域、模糊规则和隶属函数进行实时动态更新。实施了焊缝跟踪实验。结果显示: 采用最大焊接电流为350 A的惰性气体保护焊(MIG), 在强烈弧光和飞溅的干扰下, 该系统能实时跟踪焊接工件, 跟踪精度为0.325 3 mm, 传感器测量频率为20 Hz。焊接过程中焊枪末端运行平稳, 焊缝轨迹跟踪准确, 且抗干扰能力, 能满足焊接应用要求。

由于光电编码器动态检测转台的分辨率、精度和转速都比较高, 传统检测手段很难精确标定该类转台的动态精度, 故本文开展了转台动态精度标定方法的研究。首先, 分析动态转台工作原理, 指出了影响转台动态精度的主要因素。然后, 研究了动态误差的主要特性, 提出了一种基于动态重复性的转台动态精度标定方法。最后, 设计了FPGA+USB的数据采集电路, 实现了对转台动态精度的标定。对自行研制的转台进行了动态精度标定。标定结果显示: 提出的动态精度标定方法能够实现对转台的标定, 验证了该转台能够实现对被检编码器的动态检测, 解决了研制动态转台时缺少动态检测精度标定方法的难题。

以一种微流控微反应器塑件为对象, 提出了用于微塑件整平的等温热压工艺, 研究了等温热压工艺对平板微塑件的整平机理。建立了描述该工艺的弹塑性数学模型, 计算分析了外加压力和温度对塑件表面形貌的影响。综合考虑塑件整平效果和微结构保形, 开展等温热压整平工艺实验, 分析了关键工艺参数对器件整平精度的影响。研究结果表明: 与压力载荷相比, 热载荷对不平度的改善效果更明显; 由于塑件端部区域受力面积大, 其两端变形量均大于中间反应腔的变形量。在相同压力条件下, 70 ℃时平面度和不平度的变化率均为最高。通过工艺优化, 微反应器塑件平面度提高到了10 μm内, 最大变化率可达72.7%; 而不同区域的不平度变化率为3.50%~53.50%, 微结构尺寸变化可控制在5 μm 以下。本文研究成果对提高平板微塑件平整精度有借鉴作用。

针对目前光波导封装使用的精密定位平台行程小, 结构与控制系统复杂的问题, 提出了非共振型压电电机驱动的大行程精密旋转定位平台。该平台通过压电电机的连续作动和步进作动两种工作模式来满足大行程和高精度要求。首先对该精密旋转定位平台进行动力学建模, 确定了系统运动方程。然后, 分析其作动机理, 研究影响旋转平台转速的不同因素。最后, 实验研究该精密旋转定位平台的速度、步距、分辨率与负载特性, 确定平台连续作动与步进作动的驱动方式。实验结果表明, 在直流偏置为60 V, 峰峰电压为120 V, 频率为180 Hz的正弦波电压激励下, 该精密旋转定位平台最大转速可达47 963.2 μrad/s, 分辨率和最大负载分别为3 μrad和60 g。与现有的大行程精密定位旋转平台相比, 设计的平台具有行程大, 精度高, 结构简单, 稳定可控, 且装配调试方便, 易于批量化生产等优势。

由于望远镜主镜位置的调整与主镜位置的实时监测相关, 本文设计了基于位移传感器的主镜位置监测系统。重点考虑镜室重力变形的影响, 利用解析几何方法得到了解算主镜位置的算法。以实验室的1.2 m SiC主镜作为试验镜进行了主镜位置实时监测试验。在主镜绕支撑架做俯仰转动时, 通过布置在主镜背部和侧向的6个位移传感器, 实时采集测量数据, 并利用有限元方法计算镜室的变形; 最后将镜室变形作为系统差和传感器测量值代入解算算法, 得到主镜沿X、Y、Z三向平移、绕X、Y轴转动角度及主镜半径随温度变化值。测试结果显示: 该试验主镜的支撑系统中的轴向支撑刚度远大于侧向支撑刚度。当镜室转动45°时, 主镜的Z向平移变化只有20 μm, 而X向平移和Y向平移分别为146 μm和100 μm。试验结果验证了提出的实时监测方法和监测系统的准确性, 为大口径主镜实时位置校正提供了依据。

针对智能**电源管理系统对开关闭锁和断开的要求, 提出了一种长脉冲敏感型微加速度开关。该开关带有齿形结构的悬空质量块和齿形导杆, 通过质量块和导杆在运动过程中相互碰撞实现能量耗散, 从而具有在高幅值窄脉冲加速度作用下保持断开, 在低幅值长脉冲加速度作用下可靠闭锁的功能。介绍了开关结构和工作原理, 对开关进行了理论分析和有限元分析, 并对开关模型进行了简化。采用UV-LIGA技术制作了开关样机, 利用样机试验和有限元分析相结合的方法验证了开关的功能。有限元仿真结果表明, 该开关在3 000 g/3 ms半正弦加速度作用下可靠闭锁。旋转台离心试验显示, 开关的静态闭锁阈值为2 385.3 g~2 475.6 g。落锤冲击试验和有限元仿真结果均表明, 开关在15 000 g/03 ms半正弦加速度作用下没有闭锁。得到的结果表明该开关满足设计要求, 能够应用于对加速度脉宽有区分要求的场合。

为了获得某些材料在在高压条件下的物态方程, 制备了用于激光驱动状态方程实验的铁铝阻抗匹配靶, 研究了铁铝薄膜的精密热扩散连接技术。以冷轧铁薄膜和超精密加工铝薄膜为原料, 研究了热复合工艺条件对其表面形貌、结晶性能、连接界面等参数的影响。利用白光干涉共焦显微镜、X射线衍射仪、膜厚测量仪、扫描电镜等仪器对靶件的表面形貌、厚度、结晶特性、残余应力及界面成分分布等进行分析表征, 掌握了相关参数的变化趋势。据此优化工艺参数, 制备了高质量的铁-铝阻抗匹配靶。对成靶的测试结果显示, 其表面粗糙度小于100 nm、厚度一致性控制在100 nm以内、界面扩散层厚度约为200 nm, 且未观测到显微缺陷, 满足物理实验的具体要求。

由于球面电极是曲面结构, 电极各处的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀深度不一致, 在加工过程中常发生球面电极还未刻蚀到位而谐振器已被破坏的现象, 故本文提出了新的球面电极成形工艺。基于ICP刻蚀固有的lag效应, 采用刻蚀窗口宽度由60 μm渐变至10 μm的V形刻蚀掩模调制电极各处的刻蚀速度, 在电极各处获得了基本一致的归一化刻蚀速度(2.3 μm/min)。利用台阶结构拟合球面电极的3D曲面结构, 并保证通刻阶段的硅厚度基本一致为150 μm来消除球面电极加工时最薄处已经刻穿阻挡层并破坏谐振器而最厚处还没有刻蚀到位的现象。结合台阶状的二氧化硅掩模对球面电极各点处的硅ICP刻蚀当量进行了调整, 使其基本相等, 通过一次ICP刻蚀即完成了对硅球面电极的加工。利用提出的方法成功制备出了具有功能性输出的微机电系统(MEMS)半球陀螺的硅球面电极, 其最大半径可达500 μm。

开展了基于环境振动发电作为微电源弥补传统化学电池供能缺陷的研究。基于非线性磁力调频开发了低宽频振动能采集压电电磁复合发电系统。介绍了发电装置工作原理; 利用ANSYS和Ansoft Maxwell有限元分析软件仿真分析了压电和电磁发电的输出特性; 最后, 搭建了压电电磁复合宽频发电装置实验测试系统, 测试了发电系统在磁力自调过程中的输出特性。实验结果显示: 复合发电系统在谐振频率60 Hz时输出开路电压峰值为5.8 V, 高于压电系统 (5.5 V)和电磁系统(410 mV)独立发电的开路电压峰值。施加磁力拓宽装置后, 当压电悬臂梁沿竖直方向上下移动0~15 mm时, 系统适应谐振频带拓宽为45~76 Hz; 悬臂梁沿水平方向平移0~30 mm时, 谐振频带拓宽为51~70 Hz。结果表明仿真分析与实验测试结果吻合很好。该宽频带能量采集技术可用于低频振动环境的能量采集, 可在频变环境中为微型低功耗系统提供低电能。

以常见的小型三相异步电机为研究对象, 建立了三相异步电机模型, 并用铁基非晶材料和硅钢材料分别制作了异步电机的定子铁芯, 研究了非晶铁芯与硅钢铁芯的性能和特点。采用软磁交流测试系统对两种材料制成的铁芯进行了交流损耗和矫顽力的测试, 测试结果显示: 在相同的频率和磁感应强度下, 非晶铁芯损耗仅为传统硅钢铁芯损耗的1/3左右, 而其剩磁仅为传统铁芯剩磁的1/4, 表明非晶铁芯的损耗和矫顽力远小于硅钢铁芯的损耗和矫顽力, 且工作频率越高, 二者数据差别越大, 说明非晶材料较硅钢材料具有更优异的软磁性。建立了三相异步电机的有限元分析模型, 对非晶合金铁芯电机和传统硅钢铁芯电机进行了有限元求解。结果显示, 采用非晶定子铁芯的电机比传统采用硅钢定子铁芯的电机更加高效节能。该研究成果为深入开展铁基非晶材料在异步电机中的应用提供了参考。

为准确获得光电设备中螺栓连接对系统结构动态响应特性的影响, 研究了装配连接环节导致的非线性振动特性。采用单螺对栓连接悬臂梁模型, 对螺栓连接引起的结构振动特性的改变进行了研究和实验。利用接触有限元方法对低预紧扭矩下结构非线性振动特性进行了时域数值积分仿真分析, 给出了不同激励量级周期受迫激励下的相轨迹曲线; 结合快速傅里叶分析方法, 指出此模型在低预紧扭矩下存在1/2频率激励下的谐振现象。基于激振器实验, 给出了实验自由振动响应幅值和受迫振动响应幅值的变化, 证实了仿真结果的准确性。数值仿真和激振器实验均表明: 激励量级越大, 螺栓连接引起的非线性振动中自由振动分量对结构动态响应的影响越大。该方法对开展后续连接结构的非线性振动特性的研究有指导意义。

考虑相干激光雷达对光束波前的要求, 设计了压电驱动双面快速指向镜系统以实现相干激光遥感探测的高精度大范围指向定位。研究了系统的机械结构和电子学控制方法。结合指向角度、通光口径及信号带宽的实际工程应用需求, 选择了合理的致动器和位移放大机构。针对压电陶瓷固有的迟滞和蠕变等非线性效应, 设计了以应变片作为位移传感器的模拟比例-积分-微分(Proportion Intergration Differentiation, PID)闭环反馈控制方法。在仿真分析指向镜固有模态频率的基础上, 确定了周边支撑的反射镜支撑方式。实验结果表明, 该指向系统能够达到指向范围为27 mrad×27 mrad、绝对定位精度优于27 μrad、偏转速率为2.7 rad/s的指标, 基本满足激光遥感探测对探测范围、探测精度、探测速率等指向定位的要求。

为了提高磁致伸缩液位传感器的检测精度, 研究了磁致伸缩液位传感器中产生偏置磁场的浮子磁铁的放置方式及其对检测电压的影响。利用ANSYS软件对浮子磁铁不同放置方式下形成的偏置磁场进行了有限元分析, 分析显示: 采用3块磁铁互成120°N极N极S极(NNS)放置或者采用圆环磁铁作为偏置磁场时检测效果比较理想。实验研究了磁致伸缩液位传感器的偏置磁场对检测电压的影响, 并在浮子磁铁不同放置方式下进行多次实验。结果表明: 偏置磁铁为3块磁铁互成120°NNS放置时或者为圆环磁铁时, 检测电压的幅值达到50 mV, 比其它放置方式提高了近30 mV。研究表明: 磁致伸缩液位传感器应选择3块磁铁NNS放置或者选择圆环磁铁作为偏置磁场。

建立了挠性支撑结构的力学模型及优化设计模型, 以使光学元件挠性支撑结构同时满足元件定位的刚度要求和温度适应性的柔度要求, 同时给出了相应的建模方法。考虑挠性支撑结构是由圆周对称分布的挠性单元组成的, 故将挠性单元简化为超静定梁结构, 应用虚功原理推导了挠性单元的径向及切向刚度。然后, 假设光学元件为刚性体, 根据力平衡条件及变形协调条件, 推导了挠性支撑结构的整体刚度, 并引入修正因子补偿了刚体假设带来的误差。最后, 以挠性支撑结构总变形能为目标函数, 推导了同时考虑挠性支撑结构几何构形及参数的协同优化设计模型, 通过引入了整型变量将结构整体刚度简化为整型变量和离散刚度的线性组合, 从而使优化模型中不含有谐波函数项。基于数值仿真和实验对结构刚度模型进行了验证, 结果显示: 实验、仿真和理论计算结果一致。此外, 以透镜支撑为例, 验证了挠性支撑结构的优化设计方法, 有限元分析结果表明, 透镜面形精度较初始设计提高了23%。

针对一系列含有圆和直线特征的航天器, 提出了基于嵌入式算法来实现非合作目标的姿态测量。该算法在现场可编程门阵列(FPGA)中完成边缘点的检测和边缘图像的细化; 在数字信号处理器(DSP)中通过基于弧段的快速椭圆检测方法检测目标上的椭圆特征; 同时用快速高精度的二次Hough直线检测方法检测目标上的直线特征。最后, 针对实际在轨任务进行了地面模拟实验, 基于椭圆特征和直线特征计算了目标飞行器和一个CCD相机的相对姿态。结果显示: 该嵌入式方法所需资源较少, 更新率优于3 Hz; 其测量精度随着测量距离的变大而变差, 同一距离3个方向的测量精度不同, 近距离(小于4 m)、深度方向的测量精度优于100 mm, 其他方向最高优于60 mm, 角度精度优于1°, 满足嵌入式系统对资源、在轨更新率和精度的要求。

考虑传统动态光散射颗粒粒度分布测量用的反演算法复杂、精度不够、抗噪能力差, 本文基于大数据思想, 提出了一种动态光散射颗粒分布软测量方法。该方法通过调节颗粒粒度分布形状参数获得大量自相关函数及其对应颗粒分布的数据; 使用这些数据对子学习机进行训练。最后, 针对训练数据维数较高的特点对传统Bagging算法进行改进, 并利用改进的Bagging集成算法集成子学习机以提高软测量模型的精度及泛化能力。通过模拟单峰数据和对300 nm标准粒径进行软测量开展了验证实验。结果表明, 该方法能够较好地测量出不同动态光散射颗粒分布的峰值及分布宽度, 模拟单峰数据测量峰值精度可达1 nm, 300 nm和503 nm, 标准粒径测量精度分别可达3 nm和4 nm, 优于一般的反演算法。该软测量方法为动态光散射颗粒分布测量开辟了新的途径。

针对块循环测量矩阵应用于遥感压缩成像存在图像重构性能不理想的问题, 本文把粒子群智能优化算法引入到块循环矩阵优化中, 实现了在保持矩阵结构不变的同时对块循环矩阵的优化。首先以相关系数的Welch界为阈值约束Gram矩阵非对角元素构造目标矩阵; 然后以Gram矩阵逼近目标矩阵的方式建立目标函数, 将优化对象改为构造块循环矩阵的自由元向量。为提高优化效率, 文中采用权重自适应更新的方式提高粒子搜索能力。开展了相关重构对比实验, 结果表明, 优化后的块循环测量矩阵在保持矩阵结构的同时, 降低了与稀疏变换矩阵的相关性, 其与稀疏变换矩阵的最大相关系数、平均相关系数和阈值平均相关系数分别降低了0.027 3、0.017 5和0.004 6, 得到的结果显示优化的块循环矩阵提高了图像的重构性能。

为了实现红外图像与可见光图像的信息融合, 弥补单一模态图像的不足, 提出了一种基于显著性分析与改进的边缘方向直方图EOH(Edge Orientation Histogram)特征的红外与可见光图像配准算法。该算法首先利用显著性分析技术找到可见光图像中的重要信息, 得到显著性图; 将其与可见光图像融合, 实现可见光图像中重要信息的划分。然后, 利用自适应FAST(Features from Accelerated Segment Test)算法, 探测可见光与红外图像上的特征点; 利用改进的EOH, 描述特征点。最后, 根据描述计算特征点的相似性, 在可见光与红外图像上找出对应的特征点, 实现红外与可见光图像的匹配。在3种不同情况下对红外与可见光图像数据进行了配准实验。结果表明: 在红外图像与可见光图像采集条件相似情况下, 特征点正确匹配率为96.55%, 而在图像采集条件差异较大的情况下, 特征点正确匹配率可达74.21%。该算法可实现红外与可见光图像的精确快速匹配, 即使红外图像与可见光图像采集的角度与位置均存在较大差异的情况下, 仍可以满足红外与可见光图像匹配对精度和稳定性的要求。

针对红外相机系统响应非均匀性所产生的竖条纹固定噪声, 提出了基于多线程优化的单帧红外图像非均匀性实时校正算法。该算法参考全变分理论的非均匀性校正算法确定噪声与图像输出之间的加性校正关系, 建立了描述条纹噪声的数学模型; 通过滤波算法将图像分为高频分量和低频分量, 运用建立的条纹噪声模型, 基于最小二乘法从高频部分中拟合出条纹噪声。最后, 使用全变分理论确定的加性关系对图像进行校正。为了提高算法的计算速度, 运用多线程技术对算法进行了优化。对提出的算法与MIRE(Midway Infrared Equalization)算法及传统双边滤波算法进行了图像质量评价和性能对比。结果显示: 本文算法使图像非均匀性较原图降低了3%; 算法效率与MIRE算法无异, 系统运行时间在320×256的14位红外图像上为1.5 ms/frame, 达到了工程标准。

由于基于经典Waxman融合模型得到的伪彩色融合图像目标不够清晰, 本文提出了一种改进的感受野融合模型。对红外图像和可见光图像分别进行了ON对抗增强和OFF对抗增强; 将红外ON对抗增强图像馈入中心-环绕感受野模型的中心兴奋区域, 可见光OFF对抗增强图像馈入环绕抑制区, 得到融合图像的B分量; 将红外OFF对抗增强图像馈入中心-环绕感受野模型的环绕抑制区域, 可见光ON对抗增强图像馈入中心兴奋区, 得到融合图像的G分量; 将可见光ON对抗增强图像直接作为融合图像的R分量; 然后, 输出RGB伪彩色融合图像。最后, 用Waxman方法和本文提出的方法分别对两组源图像进行融合, 并用信息熵和平均梯度对融合结果进行了评价。结果表明, 采用提出的模型, 第一组融合图像的信息熵和平均梯度比Waxman融合模型分别高出0.314 6和0.004 1, 第二组融合图像的信息熵和平均梯度比Waxman融合模型分别高出0.255 1和0.002 7。得到的数据显示本文提出的融合模型的融合效果优于经典Waxman模型。

为了检测石化工业生产过程中微小气体的泄漏, 提出了一种应用红外成像技术的单帧红外小目标检测方法。研究了低秩稀疏分解理论和稀疏表示理论, 并提出了一种新的基于张量低秩分解和稀疏表示的小目标检测方法。该方法基于张量分解的形式充分发掘背景矩阵所包含的信息; 利用先验知识构造微小气体泄漏的目标字典; 同时利用背景的低秩约束和小目标的稀疏表示约束分解出微小气体的泄漏目标。最后基于非精确增广拉格朗日乘子法(IALM), 对本文算法进行最优化求解, 并通过实验分析比较了本文方法和已有方法的优缺点。结果表明: 本文方法的检测效果优于其他已有方法, 并且具有较好的ROC(受试者工作特征)曲线, 可以满足工业生产中对微小气体泄漏检测的要求。

提出了计算机图形处理器(GPU)加速的光学航空影像正射校正并行算法, 以满足获取光学航空影像对实时性的要求并提高对海量影像数据在CPU上串行正射校正的效率。介绍了光学影像正射校正算法原理以及正射校正算法的并行化处理。为减少GPU执行的计算负载, 引入“有效像素区域”概念, 设计了改进的GPU并行校正算法。通过配置选择以及存储器访问优化进一步提高了算法的执行效率。最后, 分析了GPU并行算法的精度, 并验证了噪声干扰对算法的影响。实验结果表明, 优化的改进GPU并行算法显著提高了正射校正的速度, 影像大小为5 000×5 000时, 加速比最高可达CPU串行算法的223倍以上。虽然GPU单精度计算和噪声干扰会使影像校正精度有所下降, 但尚在误差允许范围之内。该算法能够快速实现光学航空影像的正射校正, 校正后的影像满足实际应用需要。

由于脊椎生理结构的精准坐标描述和准确匹配尚未达到医学精度的要求, 本文对如何精确描述脊柱腰骶段特征点的物理坐标进行研究。介绍了人体脊椎采样特征点的定义和传统标记方法。针对手动标注特征点精确度不够, 易产生较大误差等问题提出了一种基于曲率多特征融合的自适应标注特征点的方法。该方法首先找出某个特征点的高斯曲率和平均曲率流的定义值, 得到该特征点的法曲率相对极大值, 并计算在指定极小半径r范围内的所有模型点的法曲率相对极大值。由于极大值曲率越大, 三维模型表面在该点处的弯曲程度越大, 该点就越能表现三维模型的大致轮廓, 故以r范围内极大值最大的点作为特征点的曲率描述来替换手动拾取的点, 从而准确反映该点的特征变化情况。最后, 对改进结果进行偏差验证分析。结果表明: 改进方法的准确度比现有手动标注特征点方法的准确度提高了约37%, 验证了本文方法的有效性。

针对激光模拟射击系统对激光光斑进行快速、高精度质心定位的要求, 提出了一种基于视频序列图像的光斑检测与高精度质心定位方法。该方法首先利用帧间差分图像和噪声估计参数对射击突发事件进行检测; 然后利用噪声估计方法确定光斑的分割阈值, 结合形态学滤波对目标光斑和背景噪声进行有效分割, 提取光斑区域, 同时降低窗口内外噪声。最后, 用4帧差分图像合成1帧高分辨率的图像来抑制图像噪声和计算误差的影响, 实现光斑质心的高精度定位。实验结果表明, 本文方法的光斑质心定位精度与稳定性均优于传统的方法; 其中光斑质心定位精度达到了亚像素级别, 稳定性度量平均值为0.000 49, 优于传统方法的0.002 97。得到的结果显示, 提出的方法有助于提升激光射击系统的性能。