干涉曝光系统中干涉条纹的相位漂移会导致曝光对比度降低, 为了有效抑制相位漂移, 利用声光调制器对干涉光频率进行实时调制。分析了条纹漂移的特点, 指出了主要干扰源是0~5 Hz的空气扰动。应用数值分析法得到了条纹漂移量与曝光对比度的关系曲线, 并以此为依据提出了条纹锁定精度的目标值。针对所要达到的锁定精度, 给出了系统硬件的选型方法, 搭建了基于RTX的干涉条纹相位锁定系统。利用闭环辨识的方法得到了系统的参数模型, 完成了反馈控制器的设计, 最终实现了实时锁定条纹相位的功能。实验结果表明, 在400 Hz的控制频率下, 干涉锁定系统能够有效抑制0~5 Hz的低频扰动, 干涉条纹相位漂移的3σ值可以控制在±0.04个条纹周期内, 满足干涉光刻的曝光对比度要求。

LED蓝宝石衬底的表面质量会极大影响到后续外延质量, 进而影响到LED器件性能。蓝宝石研磨片经Al2O3磨粒粗抛液、SiO2磨粒精抛液下进行化学机械抛光(CMP), 最终表面经原子力显微镜(AFM)所测表面粗糙度达到0.101 nm, 获得亚纳米级粗糙度超光滑表面, 并呈现出原子台阶形貌。同时, 通过使用Zygo表面形貌仪、AFM观察蓝宝石从研磨片经Al2O3粗抛液、SiO2精抛液抛光后的表面变化, 阐述蓝宝石表面原子台阶形貌的形成原因, 提出蓝宝石原子级超光滑表面形成的CMP去除机理。通过控制蓝宝石抛光中的工艺条件, 获得a-a型、a-b型两种不同周期规律性的台阶形貌表面, 并探讨不同周期规律性台阶形貌的形成机理。

本文采用有限体积法建立了1/72龙鲨Ⅱ号核潜艇的三维计算模型, 结合动参考系、用户自定义函数和物性多项式函数等实现了高速旋转螺旋桨和海水温度密度分层的仿真。基于该模型, 探讨了螺旋桨高速旋转、海水温度密度分层和高温热尾流喷射等因素对潜艇冷热尾流传热传质特性的影响, 所得结论如下: 高速旋转螺旋桨促使热尾流后向延迟距离增大、海表温差减小, 忽略旋转时海表温差的绝对误差和相对误差分别为3.23 mK和52.7%; 水下航行潜艇扰动温度密度分层海水浮升形成冷尾流温差信号, 与温度密度均匀海水相比, 海表温变区域显著增大、尾流温差由6.13 mK增大到84 mK; 通过海表上游冷尾流特征判断是否存在水下航行潜艇, 若存在, 再结合海表下游热尾流特征实现潜艇位置的精确反演。上述结论可为优化潜艇冷热尾流的数值仿真精度提供参考与借鉴。

针对微颗粒空间装配的问题, 以外径为十几微米的微颗粒与外径为几百微米的柱腔装配为研究对象, 开展微颗粒空间跨尺度装配方法研究。首先, 针对微颗粒受到基底表面作用力影响不易被拾取与释放的问题, 分析了微颗粒的受力情况, 设计了真空吸附式微夹持器用于微颗粒的拾取与释放; 然后, 针对由于微颗粒与柱腔的尺寸跨度大, 很难实现装配过程中二者空间位置实时监测的问题, 设计了具有多维视觉监测功能的微装配机器人并且建立了多维视觉监测模型, 实现微颗粒与柱腔装配过程的在线监测; 最后, 提出了基于多维视觉监测模型的微颗粒与柱腔空间半自动装配方法。实验结果证明了所提方法的有效性, 并且实现了将外径为20 μm的微颗粒放入外径为200 μm的柱腔内的目标。该方法适用于微机电系统制造中微颗粒的三维空间装配。

为了提高MEMS惯性开关的冲击可靠性, 提出了一种柔性止动结构。首先, 利用连续接触力理论建立了止动碰撞模型, 通过Simulink对模型进行仿真, 研究开关在不同止动形式下的响应特性。接着, 从空间占用和应力集中的角度对悬臂梁和平面微弹簧两种止动形式进行讨论, 设计止动结构。最后, 利用UV-LIGA工艺制作开关样机, 通过落锤冲击系统对样机进行测试。碰撞接触力对于冲击可靠性至关重要, Simulink仿真结果表明柔性止动结构能够极大的延长碰撞接触时间, 从而降低接触力。同时, 采用柔性止动还改善了碰撞后的弹跳现象, 提高闭锁稳定性。冲击试验表明, 开关累积失效分布函数符合韦布尔分布, 标度参数(参考加速度)α=29 600、形状参数β=8.2。相比无柔性止动的MEMS开关, 提出的柔性止动明显改善了开关的抗冲击性能。对柔性止动的建模、仿真与试验为MEMS惯性开关的抗冲击设计提供了有益参考。

弯月面化学涂膜技术因其具有大面积、低成本以及高效率等优势成为继旋涂、喷涂等传统涂膜工艺后极具发展潜力的新型化学薄膜涂覆技术。本文针对国家某重大项目对米级光学元件表面的化学薄膜涂覆需求, 对基于弯月面涂胶的技术原理进行了系统研究, 分析了涂胶压强、基片和狭缝间距以及材料亲疏水性与涂胶面形态的关系, 实现了对弯月液面的精密调控并研制出基于弯月面化学薄膜涂覆技术的装备, 在1 400 mm×420 mm尺寸玻璃基片上实现了光刻胶的均匀涂覆, 使整体胶膜厚度误差<4%, 满足了米级元件表面精密化学薄膜的涂覆需求。

薄油膜润滑广泛存在于各类精密机械与微机电系统中。微纳米间隙内的润滑油流动是影响薄膜润滑承载力的重要因素, 但目前薄润滑油膜的流速测量仍然缺少有效手段。本文基于荧光漂白恢复显微技术和漂白区域形状演化过程的成像分析, 建立了油膜流速测量系统, 可以对微米间隙润滑油膜的速度分布进行原位测量。利用建立的系统获得了厚度为8 μm时聚丁烯PB450润滑油膜的库埃特流速分布。重建的荧光漂白强度分布曲线和实验测量结果的皮尔森相关系数大于0.95, 且流速分布符合已有润滑理论, 证明了测量结果的可靠性。

针对光电跟踪系统目标的快速捕获过程, 本文提出了时间最优滑模控制方法。该控制的滑模面函数为时间最优控制系统状态最优运动轨迹, 保证系统状态变量沿着最优轨迹滑动; 设计相应的指数趋紧率, 使状态变量快速平稳趋近滑模面。以180°、90°、60°阶跃信号为捕获目标进行仿真与实验研究, 实验结果为时间最优滑模控制调节时间比时间最优控制和滑模控制分别减小了约43.66%、59.67%, 超调量为0, 稳态波动量为0, 稳态误差减小了约为44.94%和6234%, 与仿真结果相吻合。结果表明该方法调节时间短, 超调小, 稳态值平稳, 稳态误差小, 鲁棒性强等优点适合应用于光电跟踪系统目标快速捕获, 具有重要的研究与应用价值。

针对飞行器在轨飞行时高空大气密度波动剧烈、气动特性辨识难度大等特点, 提出了一种基于瑞利散射理论的成像激光雷达大气密度测量方法。利用气体分子的瑞利散射光强与分子密度成正比的特性, 通过分析电子倍增成像探测器(EMCCD)拍摄的测量流场区域内激光后向瑞利散射光柱, 得到了不同距离处高精度的在线大气密度数据。搭建了基于空间飞行器平台的大气密度在轨测量装置, 并对该装置进行了标定。结果表明, 所述方法对大气密度的测量精度不大于5%, 且具有非接触、时间分辨率高等特点, 因此在优化飞行器结构设计、提高气动辨识等方面具有良好的应用前景。

针对液体流速测量领域中微型流量传感器高品质因数、高灵敏度的性能要求。本文设计一种双端增强型薄膜谐振结构实现Lamb波传感器的高品质因数, 利用传感器反对称模式(A01模式)在薄膜-液体界面处的消逝波实现液体流速矢量测量。所制作的双端增强型薄膜谐振Lamb传感器A01模式的主峰品质因数为703, A01模式的频率移动量与液体流速大小存在线性关系, 频率移动方向与液体流动方向存在对应关系。流速实测灵敏度约为270 Hz/mm/s, 传感器稳定性噪声小于02 Hz, 流速最低检测极限值(LOD)为2.2 μm/s, 流量最低检测极限值(LOD)为18.3 nL/min。结果表明, 双端增强型薄膜谐振Lamb波传感器可以实现液体流速高灵敏度矢量测量。

为了满足2 m口径望远镜低速跟踪精度的要求, 本文主要介绍了基于永磁同步力矩电机的望远镜交流伺服控制系统设计方法, 首先, 辨识出了系统结构的频率特性曲线; 其次, 根据系统的频率特性曲线设计了结构滤波器, 以减小结构模态引起的谐振幅值; 然后, 根据系统的控制性能指标要求, 设计了位置回路控制器和前馈控制器, 以提高系统的位置跟踪性能; 最后, 在设计的硬件平台上进行了望远镜转台的低速控制实验。实验结果显示, 当望远镜跟踪斜率为0.36″/s的位置斜坡曲线时, 速度平稳性较好, 位置跟踪误差RMS为0.006 1″, 实现了极低速度跟踪的效果; 在速度为 5°/s, 加速度为2°/s2条件下的正弦引导最大误差值为0.3″, 稳态误差RMS值为0.066″。实验结果表明, 2 m口径望远镜交流伺服系统的设计满足了系统跟踪精度的要求, 为大型望远镜交流伺服控制系统的设计提供了一定的参考。

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈, 导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题, 提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈, 形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元; 当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后, 通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束, 使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号; 最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物, 开展了验证实验, 并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿, 最终获得了整周范围内误差在-2.82 ″~2.02 ″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明, 该传感器不仅能实现精密角位移测量, 还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下, 将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍, 且结构简单稳定、极易实现, 特别适用于环境恶劣的工业现场。

实时跌倒检测能有效降低老人因跌倒导致的身心伤害, 提高老人的独居能力和健康水平。为提高基于惯性传感器的跌倒检测系统的准确率, 降低系统误报率和漏报率, 提出了应用基于径向基函数的支持向量机算法实现跌倒判定。首先, 应用佩戴在人体腰间的便携式跌倒检测系统完成数据的采集; 然后, 利用基于径向基函数(RBF)的SVM分类器标记疑似跌倒行为, 并利用粒子群算法完成分类算法中惩罚因子C和RBF参数g的优化。结果表明, 在区分跌倒与类似跌倒的日常活动时, 基于SVM算法的跌倒检测系统准确率、误报率和漏报率分别为97.67%, 4.0%和0.67%。与传统的阈值方法相比, 跌倒检测性能有很大提高, 从而加强了该系统在老人跌倒检测中的应用。

为了提高特征点匹配速度, 设计了一种自适应变尺度构造图像金字塔的特征点提取方法。该方法采用FAST特征点数量作为尺度空间信息量的度量, 利用相邻两层模糊图像的信息量差作为金字塔分层依据, 通过调整尺度参数, 使相邻图像间的细节特征均匀变化; 并使用匹配点数量阈值控制金字塔的高度, 设计利用“边匹配, 边构造”的图像匹配策略来提高特征匹配的效率。最后, 将所设计方法与SIFT、FAST、ASIFT三种特征提取方法进行比较。实验结果表明: 所设计方法在变尺度条件下的正确匹配率可以达到43.59%, 与SIFT相比提高了25.51%, 提取的特征点在目标经历各种光照、角度等变化之后仍能正确表示目标。本文所设计方法根据目标图像特点自适应选择参数, 不需要人工调整就可获得理想的匹配效果, 能适应各种变化条件下的特征提取和匹配工作, 并能提高特征提取和匹配效率。

多片CCD拼接遥感成像系统由于存在非均匀性问题, 导致遥感图像中常存在条带噪声, 本文在分析条带噪声的主要来源和模型的基础上, 提出了多尺度变分模型的条带噪声去除方法。首先, 分析了条带噪声的特点并建立了图像退化模型。其次, 结合条带噪声的单向性特点与多尺度分层分解方法构造能量泛函。然后, 利用不动点Gauss-Seidel迭代法多尺度分级极小化能量泛函, 将条带噪声和图像有用信息分离。最后, 对各尺度结构分量和细节分量进行累加, 得到去噪图像。实验结果表明: 对于周期条带噪声, 图像畸变量为2‰, 图像辐射质量提升到11.715 dB; 对于随机条带噪声, 图像畸变量为3.3‰, 图像辐射质量提升到11.092 5 dB。与典型条带噪声去除方法相比, 不管是周期条带噪声还是随机条带噪声, 本文方法均能够在保证畸变量很小的情况下, 将其完全去除, 满足遥感图像低畸变量的预处理要求。

针对传统三角形星图识别算法的不足, 本文提出了一种不依赖星等信息的全天球自主快速三角形识别算法。通过构建三角形最大内角及其两边作为匹配特征三角形, 建立了全天球导航特征库, 对生成的特征库按最大内角值构造散列函数, 并分块存储。识别过程中, 采用“边-角-边”原理进行匹配。首先, 根据最大内角的观测值实现子块的快速定位, 然后, 在子块中对观测三角形的两边进行星角距快速匹配, 缩小了角距匹配的范围, 提高了识别速度。试验表明, 星点位置噪声低于2个像元时, 识别率优于98.08%; 观测星数等于10颗, 特征库分块总数为1 024时, 平均识别时间为13.1 ms。与现有三角形识别算法相比, 该算法在识别速度、识别率及抗星等噪声能力等方面具有明显优势。

Ta2O5薄膜是可见光到近红外波段中重要的高折射率薄膜材料之一。本文针对离子束溅射制备Ta2O5薄膜的光学带隙特性开展了实验研究工作, 基于Cody-Lorentz模型表征了薄膜的光学带隙特性, 重点针对薄膜的禁带宽度和Urbach带尾宽度与制备参数之间的相关性进行研究。研究结果表明: 在置信概率95%以上时, 对Ta2O5薄膜禁带宽度影响的制备参数, 权重大小依次为氧气流量、基板温度、离子束电压; 而对Ta2O5薄膜Urbach带尾宽度影响的制备参数, 权重大小依次为基板温度和氧气流量。对于Ta2O5薄膜在超低损耗激光薄膜和高损伤阈值激光薄膜领域内应用, 本文的研究结果给出了同步提高薄膜的禁带宽度和降低带尾宽度的重要工艺参数选择方法。

一种基于异步时序驱动和Binning技术的高帧频成像技术在帧转移CCD相机上得到成功应用。为了抑制该CCD相机成像时产生的拖尾效应, 基于该相机的高帧频连续成像原理, 理论上分析了图像获取过程中拖尾产生的原因, 给出了一套完整的消除拖尾的数值解析算法。该算法充分考虑了图像亮度变化对拖尾形成产生的影响, 并对此进行了修正, 已在异步Binning CCD相机上进行了实验验证。利用相机以40 000帧每秒的帧频获取4幅连续图像进行实验, 实验结果表明, 该算法可有效去除每幅图像的拖尾噪声, 而且消除拖尾噪声后的图像区域的灰度方差得到明显降低, 异步Binning CCD相机的成像质量得以提高。上述结果表明算法适用于高帧频相机的连续成像。

在形状匹配过程中为了提升高度函数描述子的检索精度和对边界噪声与局部变形的鲁棒性, 本文提出了一种精确型高度函数特征描述算法。首先提取目标形状外轮廓, 构造轮廓采样点的精确型高度函数描述子并进行特征降维, 接着利用优化后的并行动态规划进行形状匹配, 最后引入形状复杂度分析提升匹配效果。基于点的几何特征显著性, 提出形状精度理论, 进一步分析局部形变与边缘噪声对形状特征描述的影响。在MPEG-7数据库、Swedish Leaf数据库、Tools数据库和ETH-80大型3D数据库上进行匹配实验以及在Kimia99数据库上进行抗噪实验, 实验结果表明: 本文提出的算法效率高, 匹配时间仅为高度函数描述子的12.5%, 在MPEG-7和ETH-80上的检索率最高分别为90.38%和9007%; 在Swedish Leaf和Tools上, 检索精度最高分别为95.07%和94.86%, 检索性能和鲁棒性均优于高度函数和其他重要算法; 在添加噪声的Kimia 99上, 该算法的抗噪性能优于高度函数描述子, 即使在噪声水平为2.0的情况下, 依旧能保持91.92%的检索率。本文提出的算法检索精度高, 效率高, 鲁棒性好, 抗噪性强, 具有较好的可扩展性, 能有效地应用于形状检索领域。

针对光学线阵遥感影像几何定位中, 系统误差改正参数对应系数矩阵存在误差的问题, 提出了一种基于正则化总体最小二乘的光学线阵遥感影像定位方法。首先依据有理函数模型的定义, 构建共线条件方程, 利用线性化构建光学线阵影像定位方法和系统误差改正方法, 然后依据EIV模型的定义和性质构建相应的优化目标函数, 并引入正则化项, 依据Lagrange条件极值原理推导基于正则化总体最小二乘的系统误差参数迭代估计方法。实验结果表明: 与经典的最小二乘平差算法相比, 该方法的总体定位精度提高了11.61%, 且比Tikhonov正则化法的定位精度平均提高了6.06%。本文提出方法在不增加任何额外控制信息的情况下, 是提高光学线阵影像定位精度的有效途径。

作为一种反映物体形貌的三维信息, 点云数据的原始数据量十分庞大, 直接对过多的数据进行操作会影响后续重建等工作。本文提出了一种新的点云特征提取自适应精简算法。首先对原始点云进行空间划分, 构建点的k邻域, 设置特征参数, 进行特征分析, 识别不同区域的信息和数据。然后针对平面数据预先进行边界的检测和提取, 对剩余部分进行精简。最后, 针对非平面区域, 先提取特征, 再根据曲率的不同进行不同程度的精简。办公室数据扫描实验结果表明, 处理大小为百万以内点的点云模型可以在几秒之内完成, 精简比能够达到90%以上, 与原始数据间的误差较小: 平面部分在精简前后平均偏差均在0.02 mm以内, 波动很小, 为0.005 7 mm; 非平面区域精简前后的平均偏差均在0.08 mm左右, 差值仅为0000 3 mm, 精简精度得以保证。因此, 利用提出的算法处理后的数据能更好地展示物体的形貌。

针对传统遥感图像地面目标识别系统图像获取周期长, 信息实时性差等问题, 设计星载目标快速识别系统, 用于卫星在轨快速识别, 提出改进的基于快速视网膜关键点(FREAK)的特征匹配识别算法, 解决遥感图像数据量大、背景复杂的问题。介绍了星载目标快速识别系统的工作原理, 提出简化的FREAK特征提取模型, 将原有算法的七层模型减少为四层, 用于快速提取出遥感图像中目标特征; 利用二进制量化空间将高维特征数据量化为二维数据, 提高算法的准确度; 最后通过匹配, 快速识别出遥感目标。实验结果表明, 识别算法的准确度平均提高2.3%, 识别用时缩短约27.8%, 满足遥感卫星在轨目标快速识别的要求。

为了提高高光谱图像的分类精度, 有效利用高光谱图像的空间信息和光谱信息对高光谱图像进行预处理, 本文提出了一种新的空谱联合特征提取方法, 加权空-谱局部保持投影算法(WSSLPP)。该算法结合高光谱图像的物理特性对高光谱图像进行重构, 降低了图像中奇异点的干扰; 然后对局部像素近邻保持嵌入(LPNPE)和局部保持投影(LPP)的目标函数进行加权求和, 有效融合高光谱图像空间维和光谱维的信息来构建投影矩阵。WSSLPP不仅保留了高光谱图像在空间维上像素间的近邻关系, 而且保持了在光谱维上样本的固有结构, 有利于高光谱图像的分类。在Indian Pines和PaviU数据库上对该算法进行验证分析, 结果表明: 基于WSSLPP算法得到的分类精度明显高于其他算法, 总体分类精度的最大值分别为99.00%, 99.50%, 有效提高了高光谱图像的分类精度。

针对空间交会对接的近距离位姿测量要求, 提出了一种基于单目视觉的二维合作目标位姿解算算法。为方便空中移动平台的调整以满足特定的位姿关系, 引入了一种新的姿态角定义方法, 此方法定义的三个姿态角可以作为平台姿态调整的反馈量且不受旋转顺序的限制。平面模型相对于相机坐标系的三个姿态角和位置向量可通过平面单应矩阵直接导出。在测量实验中, 算法基于DSP平台实现, 合作目标由4个共面LED光源构成, 测量值基准由高精度倾角传感器和全站仪获得。对空间位置变化范围为2 m×2 m, 姿态角变化范围为-30°~30°的目标平面进行测量, 结果表明, 本算法可实现0.88%的相对位置定位误差和最大为0.996°的姿态角测量误差, 且单帧算法的解算速度仅为0.25 ms。

针对比尔-朗伯定律单色传输和其他透过率模型计算速度慢的问题, 为了实现红外目标的高速被动测距, 研究了被动测距系统中氧分子A带吸收特征及大气中氧分子吸收率的计算方法。分析了大气中氧分子A带的吸收光谱及分布特性, 以当前大气参数和测量环境为基础, 结合HITRAN数据库, 将随机Malkums带模式引入到氧分子带平均吸收率计算中, 建立了基于随机Malkums带模式的被动测距数学模型。搭建了测距实验平台, 在12~128 m内对7个不同点进行了距离测量。实验结果表明, 在实际大气条件下, 利用该被动测距模型测得被测目标距离与实际距离的平均误差达到1.8%。该模型正确、可行, 满足红外目标被动测距的高速在线测试及隐蔽性、高精度、抗干扰能力强等要求。

光在具有负等效折射率的二维光子晶体中传输时会产生反常Doppler现象, 为了分析光在该反常效应中传输时的相位变化, 首先用时域有限差分(FDTD)法仿真了光经过静止光子晶体时的负折射现象, 然后对光子晶体中沿光传输方向的Bloch波做快速傅里叶(FFT)处理。对滤波后的频谱, 用iFFT反演出各平面波分量, 并通过分析各平面波分量的相位演变, 分离出与负折射产生有关的后退波分量。然后, 将实验中的连续运动过程分解为各静止瞬间, 分析了各相邻时刻探测面上信号光和参考光的相位变化, 此处两束光的相位变化差随时间的变化量就是差频。静态FDTD方法仿真计算得到的差频与理论值的误差约为20%, 能较好解释反常Doppler效应发生过程中光的相位变化。本文的研究揭示了反常Doppler效应发生时光子晶体中起作用的分量的相位变化, 也为研究光在运动介质中的传输特性提供了新的思路。

X射线发光断层成像(XLCT)是一种可同时获得解剖结构和功能信息的新型分子影像技术, 在早期肿瘤检测与放疗方面具有重要应用潜力, 但由于测量信息少, 成像模型复杂等原因, 其断层重建一直是挑战性难题。本文采用非单调Barzilai-Borwein梯度(NBBG)算法来求解重建问题目标函数。每次迭代中, 谱投影梯度方法近似为L1范数约束的最小二乘问题。Barzilai-Borwein梯度法获得相应的更新方向, 提高算法的收敛速度。采用非单调性线性搜索策略构建最优步长, 保证全局收敛性。通过将Barzilai-Borwein梯度法和非单调性搜索结合, 在保证全局收敛的同时, 克服了选取精确步长带来较大计算量的缺点。数值仿真实验和物理实验得到的基于NBBG算法的单光原重建位置误差分别为0.68和0.94 mm, 与分裂增广拉格朗日收缩算法(SALSA)相比, 本文方法在重建精度、鲁棒性和重建效率等方面都获得了较优的结果。

为克服现有光纤光栅位移传感器设计中存在的传力介质弹性系数易改变、滑块易产生偏移等对测量精度的不利影响, 提出了一种滑动式位移传感器。楔形滑块的滑动面和限制面的采样互相垂直、等强度梁的变截面和一体化、滑动面圆弧化等特殊设计, 使传感器具有抗滑动干扰性、梁挠位移测量的高灵敏性、长期往复测量的耐磨性等优点。阐述了传感器测量原理, 加工制造了传感器原型, 并开展了全面的性能测试。测试结果和误差分析表明: 传感器在0~100 mm 的量程中, 灵敏度为20.11 pm/mm, 精度达到0.099 5% F.S, 具备良好的微位移测量能力; 重复性误差和迟滞误差分别仅为0.705%和0.403%, 且抗蠕变性能良好, 可满足机械装备、土木工程等重大设施的结构健康监测对位移、变形测量的精度和长期稳定性要求。

基于光学谐振器结构的感应透明现象通常是利用双光学谐振器产生的, 但由于谐振器间易失谐, 因此感应透明现象难以稳定。本文研究利用单光学谐振器实现稳定的感应透明现象, 并获得透过率大、带宽窄的透射峰。首先建立单光学谐振器自干涉结构, 利用传输矩阵理论讨论该结构的透射谱, 研究结构参数对透射谱的影响, 实验上, 基于理论结果选择适当的结构参数, 利用单模光纤制作单光学谐振器自干涉结构, 建立实验系统测量结构的透射谱, 最后讨论了该结构的应用。实验结果表明: 利用基于单光学谐振器感应透明现象可获得带宽很窄的透射峰, 峰值透过率为0.62, 透射峰带宽为0.54 MHz, 透射峰带宽与波导长度乘积为6.48 MHz·m。基于单光学谐振器感应透明现象的窄带透射峰可用于窄带滤波、光学信息处理、高精度光学参量测量及检测等。

为了提高太赫兹通信天线的增益和定向性, 提出了“井”字堆叠型透镜天线。该透镜天线工作在太赫兹第一大气传播窗口内, 由初级馈源天线和透镜两部分构成。设计了角锥喇叭天线作为透镜天线的初级馈源; 根据菲涅耳-基尔霍夫衍射理论和傍轴近似条件设计了“井”字堆叠型透镜用于聚焦太赫兹波, 并分析了透镜结构在平面波入射时的聚焦场分布。利用控制变量法分析了透镜天线的全波周期和焦径比等结构参数对其远场辐射性能的影响。对所设计的透镜天线进行了实物加工和测试。实验结果表明: “井”字堆叠型透镜天线的加工和组装工艺简便, 具有对称的辐射模式, 在320~380 GHz的工作频段内的增益高于26.4 dB, 3 dB主瓣宽度低于4.8°, 基本满足太赫兹通信系统对天线的高增益和强定向性等要求。

为消除复合面阵CCD摄影相机全像面辐射定标时存在的严重渐晕现象和解决多片CCD之间相对定标目标值选取困难的问题, 提出了一种适用于多片CCD的实验室辐射定标方法。该方法对每个像素进行暗信号标定后, 修正渐晕区的像素灰度值, 通过选取合适的全像面相对定标目标灰度值, 最终实现对复合面阵CCD摄影相机的辐射定标。通过分析渐晕区的灰度分布特征, 提出了适用于所有曝光时间和辐亮度下的灰度修正方法。分别计算每片CCD灰度值与输入辐亮度之间的多项式拟合系数, 选取全局拟合误差最小的一组系数计算对应辐亮度下相对定标目标的灰度值。通过本方法辐射定标后, 复合面阵CCD摄影相机的全像面非均匀性由大于20%降至优于2%, 绝对定标精度为423%。该结果表明本文提出的辐射定标方法适用于多片面阵CCD的辐射定标, 定标精度满足航空相机的辐射定标需求。

为了实现磁流变抛光的确定性加工, 对磁流变抛光去除函数的原点位置进行了标定。分析了磁流变抛光去除函数的产生过程及其去除率分布。利用标准圆柱, 建立了抛光轮最低点与数控加工中心测头的相对位置坐标变换关系, 实现了光学元件在机床坐标系中的精确对准。通过在光学元件的特征点上进行去除函数实验测试, 实现了抛光轮最低点对应的去除函数原点位置标定, 对标定误差进行了分析。选择圆形平面光学元件, 应用以金刚石颗粒为抛光粉的水基磁流液, 对抛光轮直径为360 mm的磁流变抛光系统进行去除函数原点标定, 单次标定精度达到0.030 mm。实验结果表明: 本文提出的去除函数原点标定方法简单可靠, 能够满足磁流变抛光技术的修形需求, 可为磁流变抛光在光学制造中的应用提供有力支持。

针对永磁直线同步电机激光切割运动平台的位置伺服控制低抖振、高精度、强鲁棒的要求, 在传统双幂次滑模趋近律的基础上, 提出一种变边界层的双幂次滑模趋近律带滑模扰动观测器的复合趋近律滑摸控制方法。变边界层方法是对控制系统的控制精度要求和降低抖振的权衡, 而所提出的方法又继承了传统双幂次滑模趋近律方法的有限时间收敛特性。为了降低控制系统设计的保守性, 设计了一种基于超螺旋算法的滑模扰动观测器对系统的未知扰动进行估计, 并在此算法中添加一个幂指数, 通过仿真实验证明了提高幂指数的数值可加快未知扰动的估计值的收敛速度。结合Lyapunov稳定性理论, 证明了闭环系统的稳定性。最后, 搭建了用于激光切割的永磁直线同步电机平移试验台对所提出的控制器进行测试。实验结果表明: 本文所提出的控制器的位置跟踪误差不超过1 μm, 且误差波动较小, 能够满足伺服控制系统的要求。

为了实现新型红外陶瓷ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工, 首先根据ALON的材料属性和高陡度薄壁保形非球面的结构特性, 进行了其超精密磨削加工工艺性分析, 并基于有限元计算方法, 完成了面向ALON高陡度薄壁保形非球面的精密夹具的设计以及关键参数的优化。然后完成了ALON的超精密磨削工艺实验, 工艺实验结果表明减小工件转速和砂轮粒度都会降低ALON的平均表面粗糙度Ra值, 但砂轮粒度对磨削后ALON的表面粗糙度影响更显著。最后实现了ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工, 磨削后的ALON高陡度薄壁保形非球面的面形精度PV值为2 μm, 表面粗糙度Ra值可达8.6 nm。