为实现红外焦平面阵列(IRFPA)盲元的自适应快速校正, 本文设计了一种基于三梯度阈值检测的快速盲元校正方法。先通过优化L0范式的约束方程消除图中的非均匀条纹, 排除干扰, 再对水平、竖直和对角3个方向进行梯度阈值检测, 找到盲元位置点, 并与中值滤波结果进行点对点匹配, 剔除误检测点, 最后通过局部中值滤波完成盲元校正。依据盲元的缓变特性, 通过合理更新盲元模板实现了单帧和序列图像的快速盲元校正。实验结果表明: 相比于传统方法, 本文方法的信噪比(SNR)和峰值信噪比(PSNR)提高了10~14 dB, 结构相似度指标(SSIM)提高了0.01~0.02, 对图像中的随机和连续盲元的校正效果都很好, 同时运算速度得到了大大提升, 在保证图像质量指标的情况下速度提升了3~10倍, 可以在到实际红外系统中实现动态检测和实时处理。

围绕海洋背景下飞机和海面舰船等运动目标的探测需求, 本文研究了目标和载荷在多个坐标系下的空间位置与运动特性, 建立了天基探测场景的几何模型; 通过Pierson-Moskowitz海洋谱模型计算海面起伏, 实现大气层外海面辐射亮度的建模仿真; 利用多种目标的三维几何模型, 实现目标辐射特性的建模仿真。在上述研究的基础上, 利用MATLAB平台, 开发了一套海洋背景下多种运动目标的天基红外探测场景生成系统。结果表明: 该系统生成的海洋辐射亮度均值在中波红外谱段优于Modtran的生成结果, 在长波红外谱段与Modtran的生成结果之差小于3%。该系统可生成连续的海面背景下运动目标的辐射亮度图像, 为开发天基红外探测系统提供技术支撑。

提出一种采用图像直方图特征(Histogram Feature, HF)函数的自动曝光方法, 用于在背景光照快速、大范围变化的情况下对高速相机进行自动曝光控制。首先, 采用多点测光对获取的图像进行兴趣区域(Region of Interests, ROIs)提取, 以降低系统测光的计算量。然后, 通过计算兴趣区域的HF函数选取大步长对曝光时间进行粗调。最后, 通过模糊逻辑计算出曝光时间的精调步长并运用阈值限制实现变步长搜索最佳曝光时间, 提高高速相机自动曝光的准确性及稳定性。实验结果表明: 本文方法可以在2 ms内完成一帧图像的亮度测量并对曝光时间进行调整, 相较于基于平均亮度值的传统自动曝光方法, 在0~110 ms内, 光源光照强度从760~23 100 lux反复变化时, 本文方法获得的图像信息熵比平均亮度值法的信息熵均值提高48.38%, 方差降低62.13%, 可以提供更好与更稳定的图片细节信息, 为后续的自动调焦、图像识别以及目标跟踪提供参考。

若要实现空间失效卫星、空间碎片等非合作目标, 尤其是具有自旋运动特性的目标的在轨服务或者离轨清除, 需要精确测量追踪航天器与目标之间的相对姿态。当目标旋转一周后, 对重访区域的闭环检测与位姿优化是减小累积误差, 提高测量精度的重要保证。首先, 本文介绍了视觉词袋库的建立和基于视觉词袋的非合作目标闭环检测策略。然后, 基于相似性变换, 对图像序列关键帧集和当前帧进行了联合位姿图优化, 实现了对刚体变换矩阵的校正。最后对不同运动角速度下的不同目标, 采用不同相机进行地面模拟测试实验, 验证了方法的有效性和可靠性。实验结果表明: 对于以12(°)/s角速度运动的非合作目标, 当测量稳定后, 绝对角度误差约为1(°), 相对角度误差约为1%, 平均角速度误差约为0.12(°)/s。可以满足非合作目标相对姿态测量的任务需求。

本文提出了一种新颖且实用的三维重建系统, 以获取大型物体的三维数据。文中对该系统的组成以及所采用的方法和原理进行了研究。该系统由一个基于红外的三维扫描仪、两个导轨和一个基于PLC(可编程逻辑控制器)模块的高精度运动控制系统组成。运动控制系统控制安装在导轨上的三维扫描仪做匀速运动; 三维扫描仪向物体投射红外线, 并重建物体上所投射的红外线段; 接着, 系统根据三维扫描仪的运动速度, 拼接局部重建数据, 最终获得大型物体完整的三维重建数据。实验结果表明: 与基于激光测距拼接的方法相比, 该方法的测量速度约提高了7倍, 测量精度约提高了2.5倍。基本满足工业生产中大型物体自动三维重建的稳定可靠、精度高、速度快等要求。

本文从3个方面对原始压缩跟踪算法进行改进, 以提高其在复杂场景下的鲁棒性和准确性。首先, 提出一种结合特征在线选择的压缩跟踪算法, 通过计算相邻两帧同维特征所服从的高斯分布曲线的Hellinger距离来度量特征的置信水平, 从特征池中选择置信水平较高的特征, 并融合特征的置信水平构造贝叶斯分类器。然后, 在压缩跟踪框架下引入协方差矩阵以增强算法对目标的表达能力, 把Haar-like特征和协方差矩阵相结合构建目标模型, 取最大响应值所对应的候选样本作为跟踪结果。最后, 优化分类器参数的更新方式, 根据目标模板与跟踪结果的相似度来自适应更新分类器参数。改进算法的平均跟踪成功率比原算法提高了25%, 平均跟踪精度比原算法提高了22%。相比于原始压缩跟踪算法, 本文算法具有更高的跟踪鲁棒性和准确性。

基于混合部件模型的人体姿态估计方法忽视了人体结构的对称位姿约束关系, 从而导致对称部件容易被重复检测、人体姿态估计准确率较低, 为此, 提出一种基于位姿约束与轨迹寻优的姿态估计新方法。首先估计人体单部件和对称部件在单帧图像中的多个合理位置, 利用对称部件之间的位姿约束关系构建标识部件。然后根据单部件和标识部件各自的目标优化函数, 通过动态规划算法反复迭代获得初始轨迹候选集, 再结合轨迹的全局特征剔除检测得分较低的运动轨迹。最后引入树形合约模型, 联系时空上下文信息, 准确求解出视频序列光滑且兼容的最优轨迹。在N-best、Outdoor Pose和Scene数据集中的实验结果表明, 对于存在背景复杂、运动模糊、部件遮挡等问题的视频序列中, 该方法平均姿态估计准确率达87%以上, 有效减少了对称部件的误判, 提高了视频中人体姿态估计的准确率。

光学刻划字符图像的前景通常由高灰度像素区域和低灰度像素区域组成, 导致使用传统的基于梯度的边缘提取方法如Canny算子不能准确地获得字符的轮廓, 为此本文提出了一种利用假边缘信息结合直方图分析的图像灰度变换方法, 变换后的图像前景仅由低灰度像素构成。首先对Canny边缘点进行特征分析, 提取其假边缘点; 然后进行图像直方图分析, 确定灰度变换范围以及灰度对应关系,并对假边缘两侧的边界区域施加光滑度约束来确定灰度变换参数; 最后以此变换参数对非背景区域的高灰度像素进行灰度变换。实验证明, 灰度变换后字符笔画仅由低灰度像素构成, 原边界处的灰度变化足够光滑, 可以使用基于梯度的方法来提取完整而准确的字符轮廓。

身管内膛表面几何特征参数的准确量化一直是身管疵病检测和寿命预测的一大难点, 而身管膛线的高度差是其中最重要的几何参数之一。本文依托结构光三维检测手段, 采用激光三角法对身管膛线高度差进行定量检测。首先将特定结构光栅投影到模拟身管内膛的标定圆筒内壁上, 并采集经圆筒内表面散射后的变形结构光图像; 然后利用图像边缘分割算法中的多个算子分别对标定圆筒内壁的结构光图像进行分割, 同时引入灰度共生矩阵概念客观评价出最优的分割算子, 对图像中结构光条的边缘分割进行优化; 之后通过图像转换比例反推算法计算得到内壁图像高度差和实际凹槽高度差之间的转换关系, 最终应用于身管膛线高度差的测量过程中。试验结果表明: 绝对偏差控制在0.04 mm内, 满足系统的精度要求, 同时该方法检测手段方便、快捷。本文方法为精确量化身管内膛疵病的几何参数奠定了坚实基础。

精确稠密视差估计是立体视觉系统恢复观测场景三维信息的关键。从立体视觉在机器人环境感知的实际应用角度出发, 提出了对于弱纹理、阴影和遮挡等关键影响因素, 具有良好鲁棒性、精度和处理速度的稠密视差图估计算法。针对弱纹理、阴影和深度不连续的问题, 设计了基于灰度相似度概率的置信度传播算法, 结合视差平滑约束, 以期实现较高精度的视差初值快速估计。由视差级数定义的消息向量通过异向平行迭代进行传播, 消息向量包含表征像素点灰度相似性和平滑性的能量信息, 通过全局能量函数的迭代收敛, 快速获得视差初始估计。根据独立连通区域通常具有相似纹理特征和视差一致性的先验知识, 提出了基于Mean-Shift聚类分割算法和参数空间投票自适应视差近似面估计算法, 进行稠密视差的精细优化估计。利用具有不同弱纹理特征的5组标准测试图像、4组室内环境实际图像、4组室外环境实际图像和4组月面模拟特殊光照环境的实际环境图像进行了测试实验, 实验结果表明了本文算法的良好鲁棒性和有效性。

为实现点云数据的区域划分, 提出一种基于改进的粒子群优化与模糊C-均值聚类的混合算法(SPSO-FCM算法)。针对在点云聚类过程中易过早捕获局部极小值的问题, 算法首先用改进的粒子群算法——社会粒子群优化算法, 对种群进行初始化, 通过为每一个粒子设置不同的跟随阈值, 来维护种群中个体多样性, 加深对种群全局搜索的程度, 避免陷入局部极小值; 随后, 设置种群中每个粒子当前最优位置和初始种群的最优位置, 更新自由粒子的位置和跟随粒子的速度和位置; 最后, 采用模糊C-均值聚类算法求解隶属度矩阵, 确定适应值函数, 更新所有粒子的最优位置, 并判断粒子和种群的位置优越性, 得到准确的聚类中心, 实现对点云数据的区域划分。以曲面复杂度不一致的点云模型为例对算法进行验证, 探讨SPSO-FCM聚类算法的可行性, 并与FCM聚类算法、遗传FCM聚类算法进行比对。实验结果显示, SPSO-FCM聚类算法较其它两种算法, 收敛速度快, 迭代次数少, 聚类准确, 边界区域分割清晰, 特别是对型面复杂、点云数据较多的机械零部件点云数据进行分割时, 能得到更好的分割结果。

利用独立成分分析(Independent Component Analysis, ICA)并结合多能X射线图像的丰富信息可以将二维X射线图像中重叠目标分离成像, 但是海量的图像数量, 以及高像素数的要求均会使内存占有量和计算速度面临挑战, 因此本研究将压缩感知(Compressed Sensing, CS)与ICA相结合进行分离成像, 以提高计算速度和分离成像性能。研究过程中, 首先根据被拍摄物体的物质组成确定拍摄多能X射线图像数量, 并选取CS技术中K均值奇异值分解(K-means SingularValue Decomposition,K-SVD)稀疏基将多能X射线图像进行稀疏表示, 然后利用ICA将此稀疏表示进行盲源分离得到独立源, 最后采用正交匹配追踪算法(Orthogonal Matching Pursuit, OMP)将独立源进行重构实现分离成像。研究结果表明: 采用ICA&CS技术比仅采用ICA进行目标分离成像的运行时间减少了46.14 s(23.3%)、内存占有率降低了21%、重构图像峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio, PSNR)提高了2.665 dB、边缘梯度提高了0.001、信息熵提高了0.09。

本文通过分析三角函数的泰勒展开式, 提出了一种利用多项式函数优化三角函数的计算方法, 用于改善虚拟系统中水波模拟的实时性。本算法中, 通过引入多种控制波形的参数, 实现了水波波形的多样性。在此基础上, 还提出了一种计算表面法向量的方法, 以便更好地与周围环境及光线进行交互。选用自然水波图像作为参考, 并与当前典型算法Gerstner和FFT算法进行性能对比。实验结果表明, 本文算法能生成丰富、自然的水波运动, 且一定程度上减少了水波模拟过程中的计算量(约13%), 适用于实时性要求较高的系统。

为了解决大口径非球面反射镜材料去除效率与面形收敛效率之间的矛盾, 提出了基于高低阶面形误差分离的组合加工技术。首先, 分析了不同尺寸磨头对不同周期面形误差的控制能力。然后, 比较了不同磨头的收敛效率与加工时间之间的关系。最后, 根据大口径非球面反射镜加工过程中面形误差的特点, 将大口径非球面反射镜的面形误差分离为低阶面形误差与高阶面形误差, 使用不同加工方式分别对高、低阶面形误差驻留时间进行求解。通过多种加工方式组合加工的方法建立了具有针对性的加工策略, 有效提高加工效率。结合工程实例, 对一块口径为2.04 m的非球面SiC反射镜进行了加工试验, 单个组合加工周期内面形收敛效率达到61.2%。结果表明, 高阶与低阶面形误差均得到较好的去除。材料去除效率与面形收敛效率均得到提高, 达到了良好的效果, 满足加工需求。

为了实现小巧紧凑且使用灵活的大量程位移测量, 提出了一种采用相位调制方法的光纤干涉仪。首先, 介绍相位调制方法, 分析内调制与外调制的特点, 指出由于内调制的局限性, 外调制更适于较大量程的位移测量。然后, 用数学推导和MATLAB仿真对已有的位移解算算法中的反正切法与微分交叉相乘法进行分析, 证明在毫米级量程的位移测量中反正切法优于微分交叉相乘法。最后, 搭建了采用相位调制方法的光纤干涉仪, 并进行了实验验证。实验结果表明: 相比于微分交叉相乘法, 反正切法更适用于毫米级以上量程的位移测量, 基于相位调制的光纤干涉仪在毫米级步进运动中的相对误差最大为255.21 nm, 标准差为78.56 nm, 基本满足高精度大量程的位移测量需求。

为了优化微波光子下变频的无杂散动态范围, 结合带反馈控制的强度调制器和相位调制器, 提出并验证了基于强度和相位级联调制的微波光子下变频方法。通过理论推导和仿真分析了下变频原理以及本振功率对系统性能的影响, 搭建了强度-相位级联调制的微波光子下变频系统, 利用自行研制的直流偏置反馈控制模块确保强度调制器的工作状态稳定, 对系统进行了性能测试。实验结果表明, 增益和无杂散动态范围分别为-6.65 dB和108.62 dB/Hz2/3, 与传统的强度调制器级联下变频链路相比, 增益和无杂散动态范围分别提高了3.56 dB和19.87 dB。基于强度和相位级联调制的下变频方法仅需要单个偏置电压, 且可通过反馈模块实现工作状态的稳定控制, 系统结构简单、性能稳定, 可实现大动态范围的微波光子下变频。

光场相位奇异特性研究在奇点光学研究领域中具有非常重要的意义。本文运用广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式推导出高斯涡旋光束通过像散透镜后的光场分布表达式, 并研究了它在几何焦平面上的相位奇异特性。结果表明, 高斯涡旋光束通过像散透镜后在几何焦平面上存在相位奇点, 相位奇点受到透镜的像散系数、光束束腰宽度和涡旋离轴量等参数的影响。在一定条件下, 几何焦平面上出现直刃型位错线或光涡旋。当像散系数为0时, 光涡旋出现在y轴上。当像散系数不为0, 而涡旋离轴量为0时, 会出现直刃型位错线或光涡旋, 且各自的位置都非常稳定。当像散系数、涡旋离轴量或束腰宽度改变时, 光涡旋会发生移动。这对光学元器件的设计和涡旋光束相位奇点的控制有一定的参考价值。

为了实现对降水粒子尺度、形状、速度等微物理特征的同步测量, 提出了一种基于单帧双脉冲成像的降水粒子测量方法, 并搭建了降水微物理特征测量仪样机, 该样机由脉冲光源、面阵图像传感器、以数字信号处理(DSP)芯片为核心的采集与控制单元、数据处理单元组成。然后研究了利用点扩散函数进行图像复原的方法, 以及利用曝光参数进行粒子捕获概率修正的方法, 并利用定标小球进行了检验。最后使用该仪器在南京地区进行了降雨外场实验, 并与OTT雨滴谱仪进行对比。实验结果表明: 仪器可以同步测量雨滴的形状、轴比、速度与尺度等微物理特征, 与经验模型具有良好的一致性; 与OTT雨滴谱仪的雨滴谱分布和降雨强度有很好的一致性, 二者测量降雨强度的标准偏差为1.57 mm/h, 相关系数达到96 %。该仪器对降水微物理特征具有更好的测量效果, 可以在野外长期无人值守运行, 在大气物理研究、数值天气预报模式、水文学研究等领域有着广阔的应用前景。

为了研究硅异质结太阳电池中纳米硅氧薄膜的光电特性, 采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备了一系列不同晶态比例的nc-SiOx∶H薄膜, 利用拉曼散射光谱(Raman)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外可见透射光谱以及稳/瞬态光致发光谱等检测手段分别对薄膜的微观结构、键合配置, 能带特征以及发光特性进行了表征。薄膜结构特征分析显示, 随着氧掺入量的增加, 薄膜由微晶向非晶转化, 光学带隙逐渐增加, 而处在相变区(晶化度约为10%, nc-Si尺寸约为3 nm)的薄膜具有较高的中程有序度、较小的结构因子和较为致密的微观结构。薄膜稳/瞬态光致发光结果显示, 一定量的氧掺入可以钝化缺陷、增强发光, 而相变区薄膜的发光强度最大, 表明较小尺寸的nc-Si具有较强的量子限制效应, nc-Si的量子限制效应发光是主要的载流子复合机制。

针对山体滑坡中大力值监测的应用需求, 提出了基于光纤Bragg光栅(FBG)的5 MN力值传感器。该传感器采用8根FBG构成4组光栅偶对圆柱弹性体的应变进行采集, 光栅偶能有效地补偿温度对FBG尺寸的影响。通过ANSYS数值模拟计算并优化了圆柱弹性体的结构尺寸, 并按照国家规程进行了传感器检定实验。实验结果表明, 该传感器的直径为124 mm, 长度为302 mm, 应力测量范围为500~5 000 kN, 综合精度为1%, 最大力值对应的波长变化为2 567 pm, 灵敏度为2 kN/pm。该传感器除具有光栅传感的基本特点以外还具有结构简单、量程大、精度高等优点, 不仅适用于滑坡力值监测, 还适用于建筑、化工、煤矿、**等领域的力值监测。

针对成像光谱仪通过狭缝进行线视场成像时存在的孔径较小、光学透过率较低等问题, 研究了一种基于棱镜-光栅型分光结构的大孔径面视场成像光谱仪。该棱镜-光栅成像光谱仪采用表面浮雕型透射光栅, 极大地降低了光栅的制作难度与成本。大孔径面视场的成像光谱仪相较于线视场成像光谱仪有较高光学效率和时间效率。但是面视场成像光谱仪的色畸变与谱线弯曲较难校正。本文将前端望远系统与分光系统进行一体化设计, 满足远心光路匹配和孔径匹配, 较好地校正了面视场光谱成像系统中的谱线弯曲和色畸变。并且通过加入非球面反射镜及校正镜很好的校正了由于大孔径面视场所引入的非对称性离轴像差。结果表明, 设计的大孔径面视场PG成像光谱仪光谱波段范围400~1 000 nm, 光学调制传递函数达到0.65以上, 光谱分辨率达2.5 nm, 全谱段不同视场的谱线弯曲小于5 μm, 色畸变小于8 μm。

针对彩色共焦距测量系统中测量范围和分辨率的调制问题, 采用色散和聚焦功能分离的思路设计了一款色散物镜, 其色散功能由纯球面折射透镜组成的色散管镜来实现, 聚焦功能则采用商业物镜实现。使用ZEMAX软件对色散管镜的结构、材料及像差进行了设计及优化, 仿真结果显示所设计的色散管镜在可见光范围内能获得优于230 mm的轴向线性色散, 实际加工的成品管镜的轴向线性色散范围可达160 mm。实验测量了色散管镜及它结合不同聚焦物镜后的色散特性。实验结果表明, 色散管镜结合不同聚焦能力的物镜能够具有高线性度的轴向色散区域; 结合4倍和10倍放大倍率的商用物镜, 分别获得了1 300 μm和225 μm的测量范围, 其轴向分辨率分别为2 μm和0.4 μm, 实现了测量范围和分辨率的调制。

激光诱导荧光技术可广泛应用于油污染的监测中, 然而普通的油荧光光谱技术只能实现油污染监测的粗分类, 无法区分原油与燃料油的荧光特征。本文基于主成分分析方法(PCA)的时间分辨油荧光分类方法, 实验测量了20种油样本的时间分辨荧光光谱特征, 给出了对应的荧光寿命和时间分辨油荧光光谱的时序特征。在此基础上, 利用前三个主成分构成的三维特征矢量空间, 通过分析不同采集时刻下油样本矢量间相关距离的变化, 对油样本的时间分辨荧光光谱进行聚类分析。为了体现油荧光变化的时序性, 引入矢量距离的离散度参量, 提出基于PCA进行时间分辨油荧光光谱分析的优化方法。实验结果表明, 基于时间分辨油荧光光谱识别可实现原油与燃料油的光谱时序特征区分, 具备良好的油荧光分类效果。

为了提高立体视觉系统在大视场下的测量精度, 基于误差溯源思想提出了一种构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉系统标定方法, 克服了大尺寸高精度标定物难以制造等问题。对影响立体视觉系统测量精度的主要因素进行分析, 列出视觉测量系统的误差溯源链, 解析了大视场视觉系统精度瓶颈的原因。借助激光跟踪仪, 运用非线性最小二乘单位四元数算法求解坐标系刚体变换, 获取大范围高精度的空间点阵, 构建虚拟靶标。在相机畸变模型中考虑了三阶径向畸变和二阶切向畸变参数, 并使用Levenberg-Marquardt迭代算法进行标定参数求解, 进一步提高系统精度。实验构建了一套测量空间约为4 m×3 m×2 m的双目立体视觉系统, 通过对某型号高精度直线导轨进行点距测量, 在测量距离3 m处, 152组不同长度的横向距离测量的误差算术均值为-0.003 mm, 误差标准差为0.08 mm。测量精度相较于传统的平面标定法有较大提升。

为了提高望远镜控制系统的闭环带宽和动态性能, 研究了结构滤波器对控制系统闭环性能的影响。根据望远镜机械跟踪架的弹簧质量模型推导了系统的传递函数, 分析了电机和负载转动惯量与谐振频率的关系, 设计了基于系统开环频率特性的结构滤波器。将设计的结构滤波器串联入控制回路, 用于减小机械谐振的幅值。介绍了结构滤波器的设计方法, 以及加入结构滤波器后对控制系统闭环性能的影响。最后, 在2 m望远镜跟踪架转台上进行了验证实验。结果表明, 加入结构滤波器后系统的闭环带宽由10 Hz提高到了13 Hz, 有效地抑制了速度的稳态谐振, 提高了望远镜控制系统的速度跟踪性能。得到的实验结果验证了结构滤波器能够有效地提高系统的动态性能。

针对磁悬浮高速离心式鼓风机的喘振问题, 提出了一种基于磁悬浮轴承的喘振检测方法。该方法采用通用同频陷波器滤除转子位移中的同频分量, 消除了同频扰动对喘振检测的影响; 通过分析不同收敛因子对喘振频率估计的作用, 基于自适应估计提出了变收敛因子的喘振频率和幅值估计方法, 减小了低频信号的干扰, 提高了喘振信号检测的快速响应能力。最后, 分析了改进检测算法的收敛性, 并在100 kW磁悬浮离心式鼓风机测试系统上进行了实验验证。实验结果表明, 改进后的喘振检测算法可在喘振发生前检测出喘振先兆旋转失速信号, 在喘振发生0.23 s内检测出喘振信号, 较改进前的检测结果提高了2.6 s。该检测方法无需外加其它检测单元, 算法简单、快速, 计算量小、并可有效地反映喘振发生过程中频率与振幅的变化。

为实现"翱翔之星"立方星在轨可靠分离, 达到初始分离速度和姿态的要求, 设计了立方星星箭分离机构运动系统并进行了实验验证。提出了一种利用分离弹簧推动立方星打开舱门, 并采用弹簧销轴完成舱门锁定的运动系统结构方案。首先, 基于能量守恒定理确定了分离弹簧的结构参数; 其次, 建立了星箭分离过程中立方星与舱门的运动耦合系统动力学模型, 并利用MATLAB软件进行了数值仿真; 最后, 对星箭分离机构样机进行了地面分离试验。实验结果显示, 实际分离过程与数值仿真结果基本一致, 实现了立方星无干涉分离及舱门的可靠锁定。该星箭分离机构成功实现了"翱翔之星"立方星的在轨分离, 卫星下传数据表明其初始分离速度为1.08 m/s, 三轴角速度均小于2(°)/s, 完全满足立方星初始分离速度和姿态的要求,可为后续立方星星箭分离机构的标准化设计提供参考。

研究了铁镓合金(Galfenol)的磁致伸缩特性, 提出一种基于Galfenol的新型磁致伸缩压力传感器,以实现机器人的触觉力精确感知。该传感器利用磁致伸缩逆效应将压力转换为电压信号, 从而完成对压力的精确测量。设计、制作了磁致伸缩压力传感器, 采用双永磁体回形磁路优化了压力传感器的磁场。对传感器进行了理论分析与实验研究, 讨论了偏置条件、外压力等因素对输出电压峰值的影响。实验结果表明, 在偏置磁场为4.8 kA/m、施加的压力为2.5 Hz、6 N时, 传感器的输出电压峰值达16 mV, 且输出电压峰值与压力呈较好的线性关系。研制的传感器具有结构简单、线性度好、反应速度快等特点, 可以满足机器人触觉感知的需求, 也可应用于其他领域的压力测量。

以金刚石压头划刻BK7光学玻璃为研究对象, 分析了脆性材料脆性去除过程中的声发射机制, 研究了声发射信号的特征提取技术。多种切深实验显示: BK7光学玻璃发生脆性去除的特征主要集中在［100, 200］kHz、［300, 400］kHz两个频段, 对应不同的声发射机制, 其中［100, 200］kHz频带的滤波信号呈现明显的、时间间歇的突发式声发射现象, 与脆性材料裂纹的生成与扩展密切相关。基于上述实验结果, 提出了以突发式声发射事件为单位的特征监测方法。针对该带通滤波信号的均方根值(RMS), 研究了基于凸优化理论的声发射事件识别算法, 得到了脆性材料裂纹扩展的时刻及能量信息。得到的结果表明: 以声发射事件为单位的特征监测具有明确的物理意义, 能够更加客观地表征脆性材料的去除过程。

研究了气液固三相旋流流场抛光机理和规律。设计了三入口的抛光加工流道, 对气液固三相旋流抛光流场进行了数值模拟。基于模拟结果设计了气液固三相磨粒流旋流流场测量平台, 并通过粒子图像测速法(PIV)测量了微气泡补偿条件下气液固三相旋流抛光的流场参数, 获得了微气泡补偿区域流场的运动图像、速度矢量图和涡量图。PIV测量试验数据显示: 在微气泡补偿区域, 磨粒速度主要集中在30 m/s到80 m/s, 同一测量点高速磨粒出现频率明显增加, 少数磨粒速度达到100 m/s以上; 磨粒平均速度从33.8 m/s增大到44.2 m/s, 经4 h抛光后硅片表面最大粗糙度从10.4 μm下降到1.3 μm。理论和试验研究表明, 气液固三相旋流抛光流场中微气泡溃灭引发的空化冲击效应可增大磨粒动能, 提高抛光效率, 实现B区域的均匀化抛光。

针对用于喷墨打印的圆管式压电喷头建立了计算模型, 并且根据它的驱动特点选择了合适的边界条件。介绍了仿真软件针对自由表面流动问题的计算原理。然后, 以乙二醇水溶液为例, 计算了压电喷头分配该溶液的分配过程; 利用液滴成像系统获取了不同时刻的液滴图像, 验证了建立的模型和数值算法的正确性。最后, 计算了压电喷头在不同输入位移、不同黏度以及不同表面张力下的液体分配过程。仿真结果显示: 液体分配性能与激励位移密切相关, 在72.5 mN/m的表面张力作用下, 10 nm的输入位移很难分配黏度为4.0 mPa·s 的液体, 而15 nm的输入位移在分配黏度为4.0 mPa·s 液体时却能够产生卫星液滴。因此, 对于某种液体寻找一个合适的激励条件非常重要, 过小的激励产生不了液滴, 过大的激励则会产生较大甚至多个卫星液滴; 增大黏度会延缓或阻滞液滴形成过程, 增大表面张力却能加快液滴形成过程。本文的计算方法对于研制新式喷头或者研究喷头的喷射能力均具有指导意义。

为了避免和减小镁铝尖晶石在研磨工艺中产生的亚表面损伤, 研究了合理控制磨削参数, 实现镁铝尖晶石塑性域磨削的方法。分析了镁铝尖晶石的脆塑转变机理, 采用不同尺寸规格的金刚石砂轮磨粒和改变砂轮进给量等参数进行了大量实验, 探索了镁铝尖晶石的塑性磨削条件及影响因素, 实现了镁铝尖晶石的塑性域高精度磨削。采用VG401MKII型超精密磨床和3000#金刚石砂轮, 设定砂轮速度为20 m/s, 工件速度为0.3 m/s, 进给量为0.5~3 μm/r进行了磨削实验。结果显示: 当金刚石砂轮磨粒的平均尺寸小于8 μm时可以实现镁铝尖晶石的塑性磨削, 其表面粗糙度Ra可以达到2.291 nm, 透光率可提高17%。研究结果表明, 砂轮的平均磨粒尺寸和砂轮进给量对镁铝尖晶石材料的表面加工质量影响很大, 该结果为研究磨削高质量镁铝尖晶石表面提供了依据。

研究了蛇形轧制工艺参数对铝合金厚板变形与残余应力分布的影响。基于蛇形轧制的咬入条件与本构模型以及边界条件等关键技术, 构建了铝合金厚板的单道次蛇形轧制有限元模型, 并与相关文献的仿真结果进行了比较, 结果显示其相对误差不超过10%。考虑最小、最大压下量均相等的条件下压下量分配对蛇形轧制的影响, 建立了多道次蛇形轧制的有限元模型并进行了仿真实验。结果表明: 铝厚板应变不是按板厚中心面呈对称分布, 慢速辊一侧的应变明显小于快速辊一侧, 而且压下量对称递增分配产生的应变最大, 单向递增分配产生的应变最小, 对称递增比单向递增分配压下量产生的应变平均要高出20%左右。此外, 压下量对称递减分配引起的剪切应变最大, 单向递增分配引起的剪切应变最小, 对称递减分配比单向递增分配压下量产生的剪切应变要高出2倍。

为实现某型号微小卫星太阳帆板的压紧释放, 研制了一种小型熔线式压紧释放机构。首先, 设计了可测量预紧力的压紧机构, 得到扭矩与预紧力的2倍关系, 给出了预紧力的确定方法。然后, 根据绳索特点, 设计了具有电阻调节功能的解锁机构, 增强了对电源的适应能力, 满足了微小卫星快速模块化布局。最后, 进行了熔断特性实验与熔断参数设计, 得到熔断时间与电流的函数关系, 确定了该型号卫星解锁的熔断功率为6.25 W, 熔断时间为(6±1) s。 开展了实验室环境与真空环境下的可靠性验证实验, 结果表明: 所设计的压紧释放机构工作可靠, 适用于微小卫星展开机构, 且具有较好的通用性与扩展性。该项研究对微小卫星太阳帆板压紧释放装置设计和空间展开机构设计具有指导意义。

针对三维空间交会对接中的异面非圆轨道转移规划问题, 提出了一种基于粒子群算法(PSO)的多脉冲异面交会对接能量最优的转移轨道优化算法。该算法以二体动力学方程及脉冲变轨理论构造空间多脉冲异面交会对接优化模型; 通过引入 Lambert 算法处理终端约束条件, 减少未知变量的个数从而简化问题。然后, 将追踪飞行器变轨过程中脉冲的作用时刻、方向、大小设计成待优化变量, 以交会对接过程中消耗能量、终端约束条件等为目标函数, 基于PSO优化了最省燃料转移轨道。在MATLAB中对四脉冲交会对接问题进行了仿真测试, 并与相同初始条件下, 采用Lambert算法的双脉冲交会对接仿真结果进行了对比。结果显示: 在本文所给算例条件下, 采用PSO优化的四脉冲交会对接过程所需速度增量为4.4243 km/s, 而采用Lambert算法的双脉冲对接过程所需速度增量为11.2691 km/s, 前者节省了60%的能量。数据表明, 设计方案有效节省了燃料消耗, 从而证明了设计方法的有效性。

采用新型高精度类V型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能。对类V型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较; 在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上, 基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类V型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比。采用ANSYS软件, 建立了放大机构的有限元模型, 验证了位移放大比的理论推导, 并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较。有限元分析结果显示: 基于类V型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率, 且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍。最后, 采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动。结果表明: 基于类V型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2, 显示类V型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能。