为抑制磁悬浮转子系统的不平衡振动力, 提出了一种基于复数相移陷波器和前馈控制的自平衡控制算法。介绍了磁悬浮转子系统的结构和工作原理, 给出了含转子不平衡的磁悬浮转子系统动力学模型, 分析了不平衡振动力的电气特性。推导了不平衡振动力的抑制条件, 指出功率放大器引起的幅值和相位误差是影响不平衡振动抑制效果的主要因素。将磁悬浮转子两自由度平动方程转换为单自由度复数方程, 设计了复数相移陷波器, 建立数学方程并讨论了中心频率的幅值和相位特性。最后以磁悬浮控制力矩陀螺为测试平台, 对提出的控制算法进行了实验验证。结果表明: 采用该算法后不平衡振动力减小了94.1%, 验证了该算法的有效性。此外本算法还具有动态过程平滑、计算量少等优点。

针对在机激光扫描测量中激光测头安装位置和姿态引起的测量误差, 提出了一种适用于在机激光测量的测头标定方法。构造了在机激光扫描测量原型系统, 建立了激光测头随机床运动的测量模型; 通过多角度扫描标准球球面拟合球心, 给出了一种线性求解测头安装位姿参数的算法, 避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。分析了测量过程中机床各个轴的运动误差对测量结果的影响, 建立了误差模型, 并给出补偿机床系统误差的方法。实验显示, 对直径已知的标准球进行测量时, 测头在不同摆角测得的标准球直径误差小于0.05 mm, 误差补偿后球心位置误差减小了83%。实验结果验证了该标定方法的可行性, 以及机床误差对测量精度影响的模型及补偿方法的正确性。

利用弹光调制器的偏振调制优势, 提出了将弹光调制器和电光调制器级联的组合相位调制型椭偏测量术。该技术采用单光路实现信号探测, 通过切换电光调制器的两个工作状态, 并结合数字锁相信号处理技术来完成样品反射光的p分量和s分量的幅值比Ψ和相位差Δ的全范围高精度测量。对提出的新型椭偏测量原理进行了分析, 搭建了相应的实验系统。完成了弹光调制器的调制电压峰峰值和相位调制幅值关系的定标, 定标结果优于99.05%, 然后还采用系统初始偏移值的方法对实验系统进行了校准。最后, 运用该系统对石英玻璃反射样品进行了实验分析, 得到的Ψ和Δ的测量精度分别优于0.08°和0.81°。实验结果显示系统校准有效地消除了电光调制器和弹光调制器的剩余双折射引入的测量误差; 数据采集和处理时间均在ms量级。提出的测量技术具有宽光谱测量、工作稳定、重复度高、测量速率快、成本相对较低和系统便于工业自动化集成的潜在优势。

研究了刃边法测试光学系统调制传递函数(MTF)的原理, 提出将改进倾斜刃边法用于红外成像系统MTF的测量。考虑刃边倾斜角度的测量误差和噪声干扰会引起红外系统MTF的测量误差, 采用Canny算子、直线拟合和边缘扩散函数(ESF)重构行数变动等方法来提高MTF的测试精度; 同时针对ESF与线扩散函数(LSF)提出有效的降噪算法来降低噪声对MTF测试精度的影响, 从而系统地降低了MTF的测量误差。搭建了实验平台, 以红外成像系统的理论模型和实测参数得到的MTF曲线为依据, 实验验证了本文方法的有效性, 测试分析了刃边倾角的变化对MTF测试精度的影响。实验结果表明: 通过本文方法测试得到的MTF曲线的测试精度为0.010, 测试重复精度为0.008, 刃边倾角保持在2°~10°。实验结果显示: 本文方法有效地降低了刃边倾角的测量误差和噪声干扰对MTF测试产生的影响, 测试结果具有良好的重复性。

为了正确评价超燃发动机试验状态, 采用自发拉曼散射技术在线测量了超燃发动机流场的主要组分。基于发动机试验条件和发动机与光学诊断技术的接口, 建立了用于发动机流场组分测量的自发拉曼散射实验系统; 测量了多车次发动机试验过程中流场主要组分的拉曼光谱; 最后, 通过光谱计算获得了流场主要组分浓度信息并重点分析了来流氧气含量及其变化情况。实验显示: 发动机试验中, 部分车次试验补氧后的来流中氧气的最大含量达到了30%, 最小含量为18%, 说明发动机试验过程中, 对补氧量的控制精确和稳定性还有待提高。结果表明: 采用自发拉曼散射技术可以较好地完成来流主要组分浓度测量工作, 测量结果可用于发动机试验数据的分析及来流补氧控制方式和控制精度的改进。

提出基于双平行平面相机模型的视觉测量方法, 用于测量生产线上运动钢板的尺寸。该方法采用数据驱动的方式计算像点在标定平面上投影点的世界坐标; 采用k近邻(k-NN)方法生成目标在标定平面上的无畸变投影图像, 并建立投影图像与世界坐标系的直接关联。提出了双平行平面模型下相机光心位置标定算法, 利用线结构光进行板材厚度测量; 在无畸变的投影图像上利用钢板边缘间的平行和垂直性进行钢板边缘特征提取, 通过边缘直线的世界坐标方程求取长宽尺寸。最后, 给出了针对大尺寸钢板测量的多相机测量系统框架。提出的方法为单目视觉测量方法, 相比于其他方法具有现场安装简单和标定工作量小的特点。通过图像分辨率为640×480的相机对尺寸为80 mm×50 mm×15 mm的标准铝块进行了测量, 结果显示: 厚度测量误差为0.1 mm, 长度和宽度的误差在0.2 mm以内。实际应用中测量精度远高于加工精度, 能够满足产品计量的要求。

为了保障航行器水下航行时对可见光波段光学隐蔽的需求, 以及实时测量其所在位置的光学隐蔽深度, 设计了小型化可见光波段的光学隐蔽深度测量系统。根据光学隐蔽深度模型, 优化设计了海水上行辐照度、海水下行辐照度、海水漫衰减系数、海水体衰减系数的测量方法。优化设计后的系统有21个测量通道, 测量光谱为390～667 nm, 工作深度可达50 m。进行了海上试验, 试验结果显示: 在天气良好的条件下, 水下航行器在520～560 nm可见光波段内存在暴露窗口, 同时测得特征长度为0.75 m的模型的光学隐蔽深度为3.5 m。得到的结果表明, 设计的小型化可见光波段光学隐蔽深度测量系统可以实现光学隐蔽深度的测量, 测量装置具有体积小、重量轻、系统性能稳定等优点, 适用于水下航行器搭载, 可为下一步实现可自主升降的光学隐蔽深度测量系统设计提供理论技术支撑。

论述了太阳漫射板星上定标原理, 研究了太阳漫射板衰减监测方法。针对星上太阳漫反射板双向反射分布函数(BRDF)的衰变, 设计了以太阳为参照, 通过与星上漫反射板反射辐射量比对测量实现监测功能的多波段星上漫反射板衰减监测辐射计(SDDM)。介绍了星上定标与漫射板监测的关系, 设计了SDDM积分球两开口入光+挡板的光机结构, 消除了入射光角度变化与探测器响应的相关性。根据光机结构设置的监测过程, 给出了SDDM的监测物理模型, 并对SDDM滤光片探测器动态范围设置及信噪比进行了验证和分析。在实验室模拟了太阳照射SDDM太阳观测端口的角度变化, 对其透过率模型进行了多次重复测量, 结合漫射板相对双向反射比因子(BRF)测量不确定度、卫星姿态及漫射板安装误差进行分析, 得到SDDM测量的漫射板监测不确定度优于0.88%。

针对45 nm节点投影光刻物镜的应用, 开展了工作波长为193 nm的深紫外浸没式高数值孔径(NA)投影光刻物镜的研究和研制。设计了数值孔径(NA)为1.30的离轴三反射镜投影光刻物镜和NA为1.35的同轴两反射镜投影光刻物镜, 并对两个设计方案的优劣进行对比分析, 选择了同轴式结构作为最终的设计方案。分析了系统在不同NA情况下可变光阑与其远心度之间的关系, 提出了用双可变曲面光阑的设计方案来优化系统的远心度。实验表明, 应用本文设计方案, 光刻物镜的波像差小于1 nm, 畸变小于1 nm; 新型的可变光阑使系统NA在0.85~1.35变化时的最大远心度由5.83~17.57 mrad降低至0.26~3.21 mrad。本文提出的设计方案为45 nm节点高数值孔径投影光刻物镜的研制提供了有益的理论依据和指导。

考虑现有光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变传递理论均未考虑传感器对基体应变的影响, 本文针对FBG传感器粘贴于薄板的情况研究了薄板的应变传递理论。由于光纤应变与薄板应变并不相等, 故研究了光纤应变与薄板应变之间的关系以提高FBG传感器的测量精度。建立了粘贴于薄板表面的FBG传感器应变传递理论, 分析了FBG传感器与薄板之间的相互作用; 利用有限元法(FEM)和实验法验证了理论的正确性。最后, 分析了薄板参数对应变传递率的影响。结果显示: FEM解与理论解的误差在4%以内, 实验值和理论解误差在5%以内, 应变传递率随着薄板厚度和弹性模量的增加而逐渐增大。该理论模型完全满足FBG传感器精度要求, 对其实际应用具有一定的指导意义。

考虑传统的塑料透镜检测方法操作繁琐、耗时长, 本文提出了一种针对小型塑料光学透镜的磁悬浮检测理论与方法, 并设计制造出了相关检测装置。该方法利用磁场对顺磁溶液的磁化作用, 将逆磁性被测样品(塑料透镜)在溶液中悬浮起来, 通过观察透镜在装置中的高度、中心位置和平衡状态下与水平面的偏斜程度, 检测透镜是否存在外观不完整和内部存在气泡等不均匀性的缺陷, 并确定出透镜缺陷存在的位置。通过合格透镜、外形不完整透镜、内部存在气泡透镜和功能不合格透镜开展了多项实验研究来验证该方法的可行性与有效性。结果显示, 该方法的检测精度高、灵敏度高、操作简便且适应性广, 在0.5 mm的测量误差下, 密度的测量精度高达0.003 g/cm3; 对直径小于10 mm的透镜, 可检测出总体积在0.017 mm3的内部气泡缺陷。提出的方法在塑料光学透镜的检测方面很有应用潜力。

为了提高液晶自适应光学系统的波前探测精度, 研究了该系统中倾斜镜的校正方法。分析了液晶自适应光学系统中各环节的物理特性, 利用拉格朗日方程给出了倾斜镜系统模型的基本结构; 采用子空间辨识方法确定了模型参数, 同时利用非线性最小二乘算法对子空间模型的频域特性进行了修正。修正后模型幅频特性均方根误差为0.024 5 dB, 相频特性均方根误差为1.9008°。引入Smith控制策略来解决倾斜镜校正波前整体倾斜过程中的时滞问题; 利用子空间辨识出的模型分别进行Smith和PID的仿真和实验验证, 得到的结果与仿真计算相吻合, 即在相同稳定裕度的情况下, 采用Smith补偿PID算法的误差抑制带宽比传统PID算法提高了23.97%。最后, 用提出的方法对一组湍流整体倾斜信号进行了校正。结果显示: 采用Smith补偿PID算法的控制精度比传统PID算法提高了21.03%, 证实提出的方法优化了倾斜镜的校正精度, 保证了开环液晶自适应光学系统的波前探测精度。

提出了包含三步式排泡过程的预烧结工艺以及双凹凼-凸台的微复合键合结构方案, 以便有效控制玻璃浆料层中的孔洞生成并精确控制键合间隙。预烧结工艺涉及的三步式排泡包含玻璃液形成、真空排泡与孔洞流平3个过程, 该过程有效地排除了气泡, 从而抑制了键合中间层中的孔洞形成, 其工艺的重复性和鲁棒性很强。微复合键合结构中的内外凹凼用于有效控制多余的熔融的玻璃浆料的流动路径, 避免其对封装结构的污染; 微阻挡凸台则可以精确地将玻璃浆料层的厚度即键合间隙控制到凸台高度。对键合性能的测试表明, 该方案简单有效, 键合强度和气密性良好, 键合间隙为10.1 μm, 键合强度为19.07 MPa, 键合漏率小于5×10-9 Pa·m3/s。

由于表面织构可以改善机械零部件的摩擦磨损特性, 延长其使用寿命, 本文基于研磨抛光方法开发了一种表面微孔快速成型技术。该技术的特点是微孔成型过程与抛光过程同步进行。选取载荷为0.023 2 MPa、研磨液浓度为9%、研磨速度为2.09 m/s以及研磨粒径为0.5 μm作为考察条件, 研究了微孔在金属表面的形成机理, 证明了表面微孔是由于研磨颗粒在表面预制微缺陷处做涡旋运动, 同时工件的自转使研磨颗粒在360°方向上依次磨削微缺陷壁面而形成的。利用该技术所形成的微孔周边为圆弧过度, 无其他织构技术所形成的凸起和毛刺, 因此无需进行抛光后处理。利用该方法在一定的织构条件下可以形成次生孔, 从而进一步增加工件的比表面积。另外, 选取合适的研磨时间在适当的织构条件还可以在工件表面形成微米及亚微米孔, 为减少类金刚石(DLC)薄膜内应力和提高界面结合强度提供了新的思路。研究显示研磨抛光表面微孔织构技术具有设备简单、效率高、适合大面积, 多种材料织构等特点。

为了补偿空间相机因所处复杂运载环境和空间运行环境导致的焦平面偏移, 研制了一套利用均力输出组件驱动, 正反双曲柄滑块机构传动, 直动组件导向的新型高精度调焦机构。介绍了其结构组成和运动原理, 并对其误差来源及影响因素进行了深入分析。该调焦机构采用两点支撑方式, 两支撑点均力输出且无同步性误差, 机构内应力小, 运行平稳, 调焦精度高; 运动副采用预压消间隙措施, 有效消除配合间隙, 无空回, 重复精度高。在模拟空间环境条件下, 对其各项参数进行了测试。试验结果表明, 该调焦机构可在±1.77 mm间调焦, 直线定位精度大于±8 μm, 重复性优于±2 μm; 同步性误差小于±4 μm, 重复性优于±3 μm; 调焦行程范围内调焦反射镜转角精度优于±5″, 重复性优于±1.5″。得到的结果能够满足空间相机在复杂空间环境下的成像需求。

设计了一种基于双级复合平行板簧结构的大行程二维并联微位移平台, 以解决二维柔性平台尺寸大、行程小, 运动耦合误差大, 运动性能受加工误差影响等问题。设计的微位移平台在每个运动方向均采用两个音圈电机同时驱动, 通过调节两音圈电机信号比例来补偿加工误差造成的运动耦合误差, 完成X和Y方向的运动解耦, 从而降低系统对加工精度的依赖程度。根据卡氏第二定理建立了平台力学模型, 优化了平台尺寸参数, 并利用有限元仿真对设计的平台性能进行验证。最后, 搭建了微位移定位系统实验平台。实验结果表明: 设计的柔性平台行程与平台尺寸占比大, 定位精度高, 运动解耦性能得到大幅改善, 实现了±2.25 mm×±2.27 mm工作行程, 工作行程与平台尺寸占比约为1.73%, 运动耦合误差小于0.27%。

研究了压电位移放大机构的运动学和动力学建模问题。基于能量守恒原理和弹性梁弯曲理论推导了桥式位移放大机构的位移放大比等静力学解析模型; 在此基础上, 通过拉格朗日方程建立了桥式位移放大机构的固有频率解析模型。通过有限元计算验证和分析了提出的解析模型的可行性和优越性, 并与国内外典型的位移放大比数学模型进行了比较。结果表明: 由于本文提出的模型考虑了位移放大机构的拉伸和弯曲变形, 并且摒弃了国内外普遍采用近似几何关系进行数学推导的思路, 因此所建立的位移放大比解析模型精度更高; 固有频率解析计算结果与有限元模态分析结果的相对误差约为5%。得到的结果显示: 本文给出的建模方法以及位移放大比、固有频率等解析模型可为柔性机构的优化设计和研制提供依据和参考。

针对制备衍射光栅时刻划平台倾斜导致的光栅槽型误差, 提出了一种基于图像清晰度检测与电动倾斜台调节的光栅刻划平台在线调平装置。建立了图像清晰度与光栅刻划平台倾角间关系的模型, 应用该模型, 控制光栅刻划平台在一定范围内实现了闭环动态调平。对上述理论研究进行了试验验证。试验结果表明, 该调平装置简单可行; 对于50 mm×50 mm的光栅毛胚, 调平装置可控制刻划平台的水平倾角在4″以内, 满足光栅刻划对平台定位精度的要求。该装置既可用于刻划前的调平准备, 也可推广应用于光栅刻划过程中的实时检测。

考虑五轴机床中的旋转轴误差会影响加工精度和在机测量结果, 本文研究了旋转轴误差的在机测量与建模方法。介绍了基于标准球和机床在机测量系统的旋转轴综合误差测量方法, 采用随机Hammersely序列分组规划旋转轴的测量角位置, 通过自由安放策略确定标准球初始安装位置。然后, 引入模糊减法聚类和模糊C-均值聚类(Fuzzy C-means, FCM)建立旋转轴误差的径向基(Radial basis function, RBF)神经网络预测模型。 最后, 进行数学透明解析, 从而为误差的精确解析建模提供新途径。利用曲面的在机测量实例验证了提出的旋转轴误差测量与建模方法。结果表明: 利用所建模型计算的预测位置与实测位置的距离偏差平均值为9.6 μm, 最大值不超过15 μm; 利用所建模型补偿工件的在机测量结果后, 其平均值由32.5 μm减小到13.6 μm, 最大误差也由62.3 μm减小到18.6 μm。结果显示, 提出的测量方法操作简单, 自动化程度高; 模糊RBF神经网络的学习速度快、适应能力强、鲁棒性好, 能满足高度非线性、强耦合的旋转轴误差建模要求。

针对微机电-船舶惯性导航/全球定位(MEMS-SINS/GPS)组合导航系统在GPS信号中断时造成的强非线性误差及重获信号后精度变差的问题, 设计了基于Rao-Blackwellised 无迹卡尔曼滤波(RB-UKF)的组合导航算法。首先, 基于捷联平台欧拉失准角定义了姿态误差, 建立了捷联惯导系统的非线性误差传播方程。然后, 针对组合导航的状态方程为非线性而量测方程呈线性的特点, 设计了RB-UKF算法, 在保证精度的同时降低了计算量。最后, 设计了滤波算法总体结构, 分别给出了GPS信号正常时和中断时组合导航滤波计算的流程。将提出的算法用于跑车实验, 结果表明: 在GPS失锁20 s和40 s再重获信号之后, 使用RB-UKF算法的组合导航系统位置精度分别优于6 m和7.5 m, 比扩展卡尔曼滤波(EKF)算法精度提高了1.5倍以上, 误差收敛速度提高了1.88~16.5倍, 计算量比UKF量测更新的计算量减小了41.7%。实验显示该方法显著提升了组合导航系统GPS信号中断再恢复后的滤波精度, 且易于工程实现。

为了提升关节轴承寿命试验机在线磨损量检测的精度, 以自制的关节轴承寿命试验机为研究对象, 对寿命试验机磨损量检测系统进行了分析和建模。介绍了关节轴承磨损量在线检测原理, 分析了影响磨损量检测精度的误差因素。然后以多体系统运动学理论为基础, 建立了关节轴承寿命试验机磨损量检测系统综合误差模型。通过实验检测得到磨损量检测系统由于载荷变化而产生的磨损量检测误差(简称载荷误差), 并依据上述实验参数, 采用有限元仿真的方法对载荷误差实验工况下的综合误差模型进行了验证。实验与计算结果表明, 实验值与计算值最大相差0.028 mm, 除基准值外两者最小误差为0.012 mm。计算值与实验值较为接近, 验证了此工况条件下多体综合误差模型的正确性。

考虑用流体抛光法加工大尺度工件存在效率低下问题, 本文提出了一种气-液-固三相磨粒流抛光方法。该方法在约束流场中引入微纳米气泡, 利用气泡在溃灭时释放的能量加速驱动磨粒运动, 从而有效提升抛光效率。实验显示: 在加工过程中, 离心泵的发热会导致流体黏度下降, 进而影响工件近壁面的湍动能和动压力的大小及分布, 而加工工件近壁面的湍动能和动压力会对表面纹理的均匀性和材料的去除效率有重要影响。针对上述实验结果, 文中基于对磨粒流抛光机理的研究, 提出一种通过改变入口流速来补偿温升带来的湍动能和动压力变化的方法, 实验求得了抛光流体温度从20 ℃到60 ℃之间的9个均等点对应的最优入口流速值。实验表明, 相对未加入气泡时, 该抛光方法的加工效率得到提高, 而调速补偿明显提升了工件表面加工质量。

基于靶标的几何特征提出了一种快速识别算法来解决目前航天器靶标识别存在的问题。设计了一款带有线段与圆环图案的合作靶标。利用高斯滤波去除图像中的噪声, 运用Canny检测算子得到边缘图像, 并跟踪得到单像素边缘序列。然后, 通过判断非共线四点是否共圆排除大部分不可能构成圆的边缘, 利用同一圆周的两段子弧对应相同圆心和半径的几何特征实现圆检测。最后根据靶标圆与线段的几何关系排除干扰, 实现靶标的准确识别。实验结果表明, 该靶标识别算法对噪声、光照、旋转等不敏感, 能够在多种复杂场景中快速、准确地识别靶标, 处理时间小于125 ms, 满足实时位姿测量8帧的需要。目前, 该算法已经成功应用于工程样机。

提出了一种基于加权空-谱距离(WSSD)的相似性度量方法, 并将其应用到最近邻分类器(KNN)中, 导出了一种新的高光谱图像分类算法。 该算法利用高光谱图像的物理特性, 通过引入空间窗口和光谱因子这两个参数来挖掘出图像中的空间信息与光谱信息, 利用空间近邻点对中心像元进行重构。在最大限度减少图像冗余信息的基础上, 增大了同类像元间的相似性以及异类像元间的差异性, 获得了更为有效的鉴别特征, 从而更好地实现了数据间的相似性度量。基于Indian Pines和PaviaU高光谱数据集进行了实验, 结果表明: 将提出的WSSD-KNN算法应用于高光谱图像分类时, 其分类精度高于其他算法, 总体分类精度分别达到了91.72%和96.56%。由于算法较好地融合了图像中的空间-光谱信息, 提取出了更为有效的鉴别特征, 故不仅有效地改善了高光谱数据的地物分类精度, 而且可在训练样本较少时, 保持较高的识别率。

为实现单目摄像头对一般工业零件的六自由度位姿测量, 研究了离线模板库自动建立, 图像处理以及优化匹配3个方面的问题。首先, 由STL文件格式的CAD文件建立不同观察方位下的匹配模板, 定义了一种方便模板库调用并有图像意义的位姿描述参数。然后, 对 Chamfer Match方法进行改进, 将距离映射图按边缘倾角分层, 结合模板探索点的倾角进行匹配, 在不增加运算量的情况下提升匹配度函数的灵敏性。最后, 使用加入了退火算法的遗传算法进行最优搜索, 从而提高匹配效率。实验结果表明: 基于文中的方法完成一次位姿测量耗时在500 ms以内, 搜索可以获到正确的结果。在330 mm观察距离上, 平移误差和深度方向误差分别控制在1 mm、2 mm以内, 转角误差为1°左右。得到的结果基本满足单目视觉六自由度位姿快速匹配自动测量的要求。

针对暗原色先验去雾算法对明亮区域失效, 以及分块求取暗原色存在的块状效应、Halo现象和运算复杂度较高等问题, 提出了一种基于自适应参数的全局暗原色先验去雾算法。该算法采用全局暗原色操作取代分块处理, 并通过模糊逻辑控制器自适应估计明亮区域的容差参数和透射率调整因子; 在非明亮区域求取大气光强度后, 根据自适应容差纠正明亮区域被错误估计的透射率。与常用的3种图像复原去雾算法进行了比较, 结果表明: 该算法去雾图像的主观视觉效果较好, 且图像对比度、信息熵和平均梯度3方面的客观评价结果也明显优于其它3种对比算法。该算法可有效解决明亮区域失真和分块处理带来的上述问题, 在不增加曝光处理情况下也能获得较好的去雾效果, 运算效率也有较大提升。

现有的空间目标图像波后处理方法多直接套用自然光学图像的复原技术, 效果并不理想。本文通过分析空间目标图像的近似稀疏性和灰度值服从超拉普拉斯分布的独有特点, 提出了一个采用正则化方法的非凸稀疏正则化空间目标图像复原模型。在数值计算过程中, 根据交替方向乘数法将复原模型分解为两个子问题, 对凸优化子问题采用快速傅里叶变换求解, 对非凸优化子问题采用固定点迭代方法求解。文中设计了非凸稀疏正则化空间目标图像波后复原的完整算法流程, 并针对模拟图像和真实空间目标图像进行了对比验证。 结果显示: 相对于最近的流行算法, 提出方法的最大峰值信噪比提高了2 dB, 最大平均结构相似度提高了0.17, 最大信息熵提高了3.85, 图像清晰度提高了2.65。

提出一种采用数字图像注入式方法进行红外成像导引头闭环仿真和性能测试的方法。由于注入式仿真试验时红外导引头的红外探测分系统被图像仿真和图像注入设备取代不参与工作, 故导引头稳定跟踪回路性能会发生变化。为使注入式闭环仿真试验结果准确可信, 建立了评价红外成像导引头仿真试验和实际工作两种情况下稳定跟踪回路性能一致性的指标体系, 给出了一致性评估方法。 最后, 建立了红外成像导引头稳定跟踪回路仿真模型, 开发了红外导引头数字图像注入式闭环半实物仿真试验系统并在一导引头实物平台上开展了实验。结合建模仿真与实验验证手段得到了红外导引头数字图像注入式闭环半实物仿真试验系统的边界能力。结果表明: 在失调角延时小于73 ms, 失调角误差小于0.18°, 目标运动最大角速度小于1(°)/Hz时, 导引头在注入式仿真试验和实际工作两种情况下的稳定跟踪性能可保持一致。 实验结果为红外成像制导**快速形成图像注入式闭环试验鉴定能力奠定了基础。

针对摄像机镜头畸变对系统测量精度的影响, 提出了基于纯平移两视图几何的镜头畸变参数标定方法。首先, 分析了机器视觉测量中影响测量精度的主要畸变类型, 建立了镜头非线性畸变模型。然后, 利用射影几何及纯平移两视图几何的固有特性, 构建了四组约束方程用于求解畸变参数。最后, 针对大视场测量时标定板无法有效充满视场的问题, 提出了利用四维电控平台对视场分区域拍摄多组纯平移运动图像的畸变参数标定流程, 利用较小的靶标实现了大视场的镜头畸变参数标定。在实验室验证了本文提出的畸变校正方法的可行性。结果显示: 提出的方法标定精度较高, 标定后图像特征点连线的直线度误差减小了89%, 标定精度及可靠性均满足机器视觉测量的要求。

针对焊缝微小凹陷、未熔合和焊偏等焊接缺陷, 提出了基于磁光成像无损探伤的小波多尺度边缘提取算法及主成分分析-误差反向传播神经网络(PCA-BP)缺陷分类模型; 研究了焊件表面及近表面缺陷的可视化无损检测及分类方法。首先, 通过对焊件施加感应磁场, 利用法拉第磁致旋光原理构成磁光传感器, 获取焊接缺陷磁光图像。然后, 针对焊接缺陷磁光图像存在噪声干扰、对比度低且成像背景复杂等特征, 基于小波模极大值的多尺度边缘信息融合方法, 设计了具有高抗噪性的缺陷边缘检测算法。最后, 通过PCA法对磁光图像列方向灰度变量进行预处理, 得到能表征95%磁光图像列方向灰度变量信息的256个特征点作为输入特征量, 构建了三层BP神经网络模型, 对焊接缺陷样本进行分类。试验结果表明, 所提方法能准确识别微小凹陷、未熔合和焊偏等焊接缺陷, 模型分类准确率可达90.80%。

提出一种基于TV-L1分解的红外云图超分辨率算法。该方法采用原始-对偶算法求解TV-L1图像分解模型, 将低分辨率云图分解为结构部分和纹理部分: 对结构部分采用软决策自适应插值(SAI)处理; 对纹理部分则基于非下采样Contourlet变换(NSCT)具有多方向和平移不变的特性, 构造非线性增益函数对其NSCT变换域系数进行处理, 然后对处理后的变换系数进行NSCT逆变换实现纹理增强。最后, 将处理后的结构部分和纹理部分组合起来得到重构的高分辨率云图。实验结果表明, 所提出的算法在视觉效果以及图像质量定量评价上均优于传统插值方法, 在实现两倍超分辨率时, 其峰值信噪比(PSNR)和结构相似度(SSIM)平均值分别提高了1.316 2~4.591 9 dB和0.007 1~0.020 6; 实现三倍超分辨率时PSNR和SSIM平均值分别提高了0.338 7~4.58 dB和0.001 8~0.041 7。由于SAI插值和非下釆样Contourlet变换准确表示了云图的不同形态特征, 故所提算法的超分辨率结果不但准确重建了云图中的结构部分, 而且有效保持了红外云图纹理和边缘。

为了提高Camshift跟踪方法在复杂环境下的跟踪性能, 应用被跟踪目标内部各特征像素间的交比不变原理, 提出了一种改进的Camshift跟踪方法。该方法通过分析被跟踪的目标模型, 计算出其内部各特征像素间的坐标关系; 将内部数据间的交比不变量作为所提出的跟踪方法的约束条件, 对跟踪错误的像素点进行校正, 并将跟踪过程中连续两帧图像的内部特征像素间的距离比作为跟踪效果的评判标准。用改进的Camshift跟踪方法分别对标准测试视频内的视频信息和实际拍摄的视频信息进行了测试。结果显示, 该方法在两种复杂环境实验条件下, 跟踪目标的距离偏差都能保持在15 pixel以内, 对单帧图像平均处理时间在20 ms以内。试验结果表明, 该方法对复杂环境下的目标具有良好的跟踪效果, 跟踪性能稳定, 跟踪效率高, 可以满足跟踪系统实时性的要求。

针对轴承的故障早期诊断和在线实时监测, 提出了一种新型过约束平面并联三维力/力矩传感器。通过采用分支轴线均不过传感器中心的6条对称分布的测力分支, 该传感器可同时测量轴承径向载荷和轴向力矩。根据静力学平衡方程, 求解了其测量数学模型; 基于传感器测量模型与性能指标分析了传感器性能, 进而对其各结构参数进行优化设计。研制了传感器样机及其加载标定实验系统, 开展了加载标定实验, 得到了该传感器的测量精度。标定实验结果显示: 传感器径向力测量精度为2.56%, 力矩测量精度为0.92%, Ⅰ类误差为2.56%, 最大Ⅱ类误差为2.29%。文中所做工作, 为将该新型过约束平面并联三维力/力矩传感器应用于在线实时测量轴承径向载荷和轴向摩擦力矩奠定了基础。