针对在发动机实验环境中羟基分子标记示踪速度测量技术受到的强振动干扰问题, 通过实验研究分析了标记激光与不同流场作用时产生的辐射光谱特性, 设计了在实验中同时拍摄标记基准图像和移动图像的振动干扰抑制方法。对于一般流场, 在实验中实时拍摄标记激光瑞利散射作为标记基准图像, 而对于含有煤油大分子碳氢燃料的流场甚至是CH4燃烧场, 用标记激光诱导燃料在OH荧光辐射波段的辐射光作为标记基准图像。在超燃发动机的速度测量应用尝试表明, 两种方案均可以达到抑制振动的目的。在相对干净的流场区域, 前者得到的标记激光图像会受到壁面散射等干扰, 基准位置提取不确定度约为0.06 mm。在流场中未燃燃料含量比较丰富的区域, 后者能够得到清晰的标记基准图像, 基准位置提取不确定度可以降至0.03 mm, 与采用平均方法得到的基准位置提取不确定度相当。

城市近地面气溶胶的分布随时空快速变化, 常用的地基定点监测只能获取区域内有限位置的气溶胶质量浓度, 大致反映区域内气溶胶的分布情况。为确定气溶胶和污染物在城市近地面水平路径上的分布情况,利用微脉冲激光雷达(MPL)、粒子计数器、能见度仪和颗粒物质量浓度监测仪获得的气溶胶数据, 根据Mie散射理论建立了气溶胶消光系数、粒子谱分布和质量浓度等参数的数学模型, 反演得到了水平路径上的气溶胶质量浓度分布。该方法可以以测量点为中心进行0~6 km的360°的水平扫描, 具有监测范围大、分辨率高的优点。最后开展了气溶胶水平分布的实际测量, 获得了距离6 km长的水平路径上近地面气溶胶质量浓度的实时分布。这为研究城市气溶胶的污染来源和动态变化提供了有效的数据支持。

为了给立方体卫星星载GPS定轨数据提供检核标准, 并满足高精度测定轨道的应用要求, 通过在10 cm×10 cm×10 cm的标准立方体卫星的每个表面分布3个通光口径为1.0 cm的微小激光反射器, 设计了质量约为108 g、视场角满足360°、测距精度可达厘米级的激光测距合作目标。根据角锥棱镜的二面角误差、反射面面形误差及入射面面形误差所引起的光束附加相位, 分析角锥棱镜在远场的衍射分布特性; 接着, 根据激光合作目标在卫星上的分布方式, 计算激光合作目标的相对有效面积分布; 然后, 利用激光测距方程估算不同轨道高度的立方体卫星激光反射器回波光子数, 并根据卫星质心改正模型估算激光测距精度; 最后, 以皮卫星激光合作目标测距试验为例, 验证了装载在卫星上的1.0 cm微小激光反射器能够反射回足够的激光回波信号。结果表明, 此种分布方式对于运行在250～1 000 km轨道上的立方体卫星能够提供足够的回波信号, 激光测距内精度可达厘米级, 满足立方体卫星对激光测距合作目标质量轻、分布灵活、测距精度高的要求。

针对大角度倾斜成像航空相机拍摄距离远, 激光测距设备作用距离有限的问题, 提出了一种不依赖距离测量设备的直接对地目标定位算法。依据载机POS测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中位置编码器测量的框架角位置信息, 利用齐次坐标变换的方法求解目标在大地坐标系下的指向, 再利用地球椭球模型和数字高程模型确定目标点的经纬度信息。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置姿态测量误差及相机框架角位置误差对视轴指向精度的影响, 相比于仅采用地球椭球模型的目标定位算法, 该算法有效降低了地形起伏对目标定位影响, 在目标区域地形起伏标准差大于10 m时, 大角度倾斜成像的定位精度明显提高。采用飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性, 在飞行高度18 000 m拍摄框架横滚角小于63°时, 目标定位圆概率误差小于70 m, 可满足工程实际需要。

为了实现大视场周期性微结构缺陷检测, 提出了一种基于光学傅里叶变换(FT)的大视场周期性微结构缺陷检测方法, 并搭建相关实验系统进行实验验证。首先, 对周期性微结构的像进行二维快速傅里叶变换, 获取周期性微结构的空间频谱; 然后, 选取一级衍射斑点中的一个斑点做快速傅里叶逆变换, 得到周期性微结构的幅值分布图; 最后, 根据幅值分布图中的幅值突变位置确定缺陷的位置以及根据幅值突变的剧烈程度来定性地判断缺陷处的点偏离原来位置的位移。实验结果表明: 该套系统的测量视场能达到1.5 mm×1.5 mm, 测量分辨率能达到0.5 μm以上, 在保证分辨率达到要求的前提下, 大大地提高了检测视场, 能够快速、高效、便捷地在大视场下对周期性微结构进行缺陷检测。

为了获取临近空间低速点目标的形状尺寸信息, 进行了高空气球光学观测实验, 研究了如何从光度数据中反演低速点目标形状尺寸信息。利用孔径测光技术处理地基探测装备所拍摄的实验图像数据获取目标光度数据。在反演过程中, 采用球谐函数法和细分控制点法两种形状描述方法来参数化描述目标形状, 利用球谐函数法的正则化函数、三角面元正则化函数和基于目标物理特性的正则化函数约束目标的形状变化, 在对目标光度数据以及由两种形状描述方法产生的模型数据进行傅里叶变换的基础上, 结合光学系统点扩散函数来反演空间目标形状尺寸信息。结果表明: 两种形状描述方法反演的目标形状主要特征相似, 表明这种形状特征是从光度数据提取到的。球谐函数法和细分控制点法反演出的目标等效直径相对误差分别为11.3%和22.6%, 长度相对误差分别为11.6%和21.8%。由此表明: 球谐函数法反演的临近空间低速目标形状误差较小, 更能准确地反演出临近空间低速目标形状。

为了进一步提高零差相干光通信系统的接收灵敏度, 对空间光混频器的信号光分光比进行了优化。根据零差相干通信系统数学模型, 推导了信号光分光比和环路相位误差、通信误码率的数学表达式, 经过计算分析可知当光混频器Q支路的信号光满足锁相环要求时, 可通过提高I支路信号光分光比来降低误码率和提高接收灵敏度。在分光比优化后光混频效率提高了53.5%, 通信探测灵敏度提高了3 dB。利用VPI软件进行建模仿真, 得到不同分光比下系统的眼图和相位噪声功率。仿真结果显示, 探测灵敏度提高了2.83 dB。最后, 搭建了零差相干光通信桌面实验系统, 研究了空间光混频器分光比和系统误码率、锁相环工作的影响规律, 当分光比由0.5减小至0.2时, 系统误码率由3.53×10-9下降至4.25×10-10, 当分光比为0.1时, 锁相环失锁, 误码率为1。实验结果基本符合理论和仿真结果, 所得分光比的影响规律和优化结果将为空间零差相干通信系统的研制提供技术参考。

为了克服单一光学通道长焦距与大视场之间的矛盾, 设计了一款分孔径大变倍比三视场中波红外光学系统。该光学系统采用分孔径技术, 包括小视场光学通道和中视场/大视场光学通道, 两个通道之间的转换通过切出切入45°放置的反射镜完成, 小视场光学通道采用二次成像, 仅采用6片透镜, 透过率高; 中视场/大视场光学通道采用三次成像; 小视场光学通道与中视场/大视场光学通道共用一片反射镜和中继组, 实现了共出瞳分入瞳——分孔径; 小视场长焦距为1 120 mm, 大视场短焦距为22.58 mm, 变倍比达到53×; 对小视场光学通道进行了三次立体折叠, 对中/大视场光学通道进行了一次折叠, 有效地对横向和纵向尺寸进行了控制, 外形包络在270 mm×217 mm×258 mm范围内, 系统紧凑, 实现了兼具长焦距和大视场的三视场中波红外光学系统。设计及实验结果表明该光学系统像质良好, 满足热像仪使用要求。

为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求, 本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200 mm×300 mm×20 mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验, 采用误差均化拼接算法进行拼接, 并对拼接后的结果进行分析处理, 比较拼接测量与全口径测量结果, PV值的相对误差为3.1%, RMS值的相对误差为16%, Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。

利用两个交替放置的周期性V型刻槽板对均匀扭转后的普通单模光纤径向施力制作螺旋型力学微弯长周期光纤光栅(H-MLPFG)。通过实验研究了周期压力和扭转率对该光栅传输谱特性的影响, 以及其偏振相关特性。结果表明, 施加在光纤的径向压力可以改变H-MLPFG的耦合强度, 但不影响其谐振波长变化, LP13耦合模耦合强度在波长1 54975 nm处为30.1 dB。当光纤扭转率由0增大到5.38 rad/cm, LP11、LP12和LP13模对应的扭转灵敏度分别为159、1.82和2.24 nm/(rad·cm-1)。光纤扭转率为0.90 rad/cm时, LP13包层模具有最大偏振相关损耗, 在波长1 550.45 nm处偏振相关损耗约为6.86 dB, 对应的谐振波长分离值为1.4 nm。该方法制作的LPFG模式耦合强度和谐振波长具有可调谐和可重构性的优点、且结构简单, 在光纤通信和传感领域具有潜在的应用价值。

针对单颗粒光散射测量方法中被测颗粒折射率会影响测量结果的问题, 根据Mie理论和光辐射能通量计算公式, 对13种常见气溶胶颗粒, 在不同采光中心角θ和采光接收半角β下的散射光辐射能通量F与粒径D关系曲线进行了计算, 提出一种基于相对测量误差平均值的评价标准, 依据该评价标准定量分析了13种折射率对测量的影响。通过对模拟结果的分析, 得出采光结构接收到的光辐射能通量包含前向散射光的条件下, 13种颗粒的F-D曲线较为接近, 折射率对测量结果的影响相对较小。

以对激光器进行可靠度评估为背景, 在考虑累积冲击与自然退化同时引起产品失效的基础上, 重点研究了冲击时间间隔对产品退化量的影响, 建立了累积冲击作用下可恢复的退化模型。 根据自然退化过程及泊松冲击更新理论, 研究了累积冲击模型和累积冲击下的退化失效模型。引入条件分布, 分析冲击时间间隔对退化量的影响, 得出了累积泊松冲击下的可恢复退化失效模型。结合性能退化分析, 给出了可恢复的退化过程的失效分布函数和可靠度函数。进行了激光器退化试验, 结果表明: 当激光器工作2 000 h时, 利用累积冲击下可恢复的退化失效模型评估得到的可靠度为053, 与仿真结果相符, 为利用累积冲击下退化失效模型评估得到的可靠度的2.79倍。结果验证了本文提出的利用可恢复的退化模型进行可靠度评估的合理性。

为了充分分析三十米望远镜(TMT)巨型可控科学反射镜(GSSM)系统平面镜面形精度与跟踪指向精度要求, 需要对其建立完善的系统误差模型。本文采取自上而下的系统误差分配方式, 基于TMT望远镜系统的标准化点源敏感性(PSSn)指标, 利用其良好的合成与分解特性, 对技术指标进行理解与分析, 最终转换为平面镜面形精度与跟踪指向精度要求; 另一方面对影响系统性能的扰动因素进行了分析, 对于静态误差, 利用有限元分析结果, 比较了重力印透与大气扰动对PSSn的影响, 对动态误差而言, 使用系统传递函数进行系统性能评价。最后, 提出了各个关键部件的指标要求, 建立了GSSM的系统误差模型, 结果满足TMT望远镜系统要求, 可作为开展GSSM系统研制的依据。通过分析系统静态误差和动态误差与PSSn的关系发现: 当r0小于0.1 m时, 视宁度对 PSSn 的影响较大; 只有在大气视宁度较好的情况下, 镜面印透才可以发挥作用。随着振动幅度的增加, 系统传递函数退化, 其PSSn会从0.996相应地减少到0.992。通过本文研究可以得出, PSSn作为下一代望远镜性能评价与误差分配指标有着特有的优势, 其独特的合成特性与频域计算方法, 可以对下一代望远镜的建设做出巨大贡献。

针对高速磁悬浮飞轮转子的不平衡问题, 提出了一种在力自由不平衡控制下的在线动平衡方法, 用空气环境下低转速的在线动平衡替代真空环境下的高转速在线动平衡, 以实现兼顾高效率和高精度的在线动平衡。通过分析磁悬浮转子系统的不平衡模型和比较各不平衡控制模式下校正质量的求解方法, 得出在力自由控制模式下, 磁轴承的同频控制电流为零, 电磁力在线性化范围内仅是转子位移的线性函数。因此根据转子的同频位移响应可解算动平衡校正质量。通过所设计的磁轴承力自由不平衡控制器使转子绕其惯性主轴旋转, 获得了转子同频位移响应。由于系统参数的理论值与实际值存在一定误差, 通过一次试重对转换系数矩阵进行了校正。实验结果表明, 通过一次试重校正转换系数矩阵, 再经过两次试转后即可实现高精度动平衡。另外, 转子轴心轨迹显著减小、转子两端同频位移响应分别下降了77.29%和94.14%; 在真空环境下, 试验转子升速至500 Hz时, 转子的运行状况与低速状态一致, 进一步验证了本文提出方法的有效性。

本文对金刚石刀具刃口钝圆半径求解方法展开研究, 以有效提升金刚石刀具刃口锋利度的测量精度。文中分析了原子力显微镜 (AFM) 扫描探针几何形貌对金刚石刀具刃口锋利度测量结果的影响, 并提出了基于切点约束和AFM探针针尖半径补偿的刀具刃口钝圆半径求解方法; 讨论了消噪滤波、测量角度误差以及切点分离方法对测量结果的影响; 在高精度测量平台上完成了金刚石刀具刃口锋利度测量, 并将被测量的刀具用于飞切加工KDP晶体。结果表明:提出的刃口钝圆半径求解方法能够准确求解金刚石刀具的刃口锋利度, 测量结果能很好地描述金刚石刀具的刃口锋利程度, 可以为金刚石超精密切削加工的选刀和用刀提供有效指导。

为了满足肠道机器人在肠道中运动和驻留的要求, 设计了一种大变径比的新型扩张机构。该机构通过采用双层叠腿式设计, 增大了与肠道的接触面积, 最大扩张半径达到24.5 mm, 变径比增加到3.27。为了进一步研究该扩张机构的性能, 建立了扩张臂的数学模型, 对扩张臂的力学与运动学特性进行了理论分析。然后通过有限元分析, 对扩张臂运动过程进行了动力学仿真, 研究了不同扩张半径下, 扩张臂的应力分布和变化趋势, 基于有限元分析结果, 对扩张臂进行了优化设计, 优化后的等效应力最大值比优化前减小了12.89%。之后通过ADAMS对扩张臂进行运动学仿真, 以验证其运动学模型的准确性。最后搭建了力学性能实验台, 对其扩张力进行了测试, 以验证其力学模型的准确性。实验结果显示: 实验值与理论值的变化趋势基本一致, 而且实验值小于理论值; 机构扩张初始阶段误差较大, 扩张半径为7.5 mm时, 实验值仅为理论值的14.30%; 之后误差急剧减小并趋于稳定, 扩张半径为10 ~23 mm时, 实验值平均为理论值的73.64%; 扩张臂1、2、3的实际扩张半径分别为24.5、24和23 mm。结果显示本文设计的肠道扩张机构基本满足肠道安全性和大变径比的设计要求, 而且结构优化效果明显。

为了提高空间相机在不同温度条件下的成像质量, 本文建立了空间相机光-机-热集成分析模型, 以此模型为基础, 对系统的温度-离焦特性进行研究, 得到了相机温度调焦曲线, 并开展了热光学试验。首先, 分析了温度变化对光学系统的影响, 特别是对最佳像面位置的影响, 得到了相机离焦量与光学元件参数的关系; 介绍了光机热集成分析的一般方法, 即将热分析的温度场, 经过映射, 作为结构分析的边界条件, 然后进行结构有限元的热弹性分析, 通过对变形结果中光学元件曲率和刚体位移做拟合, 得到敏感因素的温度-离焦敏感度矩阵; 在此基础上得到了相机温度调焦曲线; 最后, 开展了相机热光学试验。试验结果表明, 基于集成分析结果的温度调焦, 空间相机在20 ℃±8 ℃内的最大误差小于0.1 mm, 基本满足相机在轨自动调焦的要求, 并指出了进一步提高相机温度调焦精度的方法。

六足机器人整机构型设计和整机运动学模型是机器人样机研制和行为控制的基础。利用GF集理论阐明了六足机器人整机构型设计的实质即为解决机械腿在机身平台上的布局问题, 并基于仿生学原理给出了5种整机构型。介绍了一种三自由度并联驱动腿部机构, 并利用闭环矢量链及求导的方法建立了基于该腿部机构的六足机器人整机运动学模型。本文给出了六足机器人整机运动学理论及仿真算例, 推导出了速度、加速度的理论值及仿真值的拟合图。拟合结果表明: 角速度、角加速度的理论值与仿真值的最大误差量级分别为10-2(°)/s和10-3(°)/s2, 验证了理论模型的正确性。基于该理论模型, 绘制了不同构型下该并联驱动腿的六足机器人的工作空间分布图, 选择了工作空间较大的两种整机构型, 并对这两种构型下的六足机器人的运动学性能进行对比分析, 选择了一种能够更好发挥该腿部机构综合运动能力的整机构型。本文的研究为该六足机器人的后续研究奠定了理论基础。所使用的整机运动学建模方法对其他六足机器人也实用。

本文通过分析石英陀螺的工作原理, 设计了闭环自激驱动、低噪声相敏解调原理的接口电路, 并研究了驱动力耦合对零位输出造成的影响, 以提高石英陀螺的环境适应性。通过研究传感器敏感表头的空气阻尼和谐振频率等方面的温度特性, 得出温度对驱动力幅值的影响。进而提出通过驱动力幅值进行温度补偿的方法。对接口电路温度特性以及对陀螺零位输出的影响进行了分析, 设计了全温区带宽恒定的运算放大器单元, 抑制由于检测信号中高次谐波分量比例变化产生的温度漂移, 并在高压N阱CMOS工艺下流片, 实现低温漂接口ASIC。在-45 ℃~85 ℃的温度范围内对石英陀螺整机进行零位温度循环测试, 利用驱动力幅值对零位输出进行三阶拟合补偿, 补偿后全温零位温度漂移小于20°/hr(1σ), 短期稳定性为5°/hr, 输出噪声为0.001°/s/√Hz。

对于采用冷光学技术的短波红外透射式成像系统, 由于光学元件及支撑结构的加工、装调温度与实际工作温度差异较大, 几何形状的变化差异将导致光学元件出现位置误差, 甚至受到破坏。本文根据低温红外系统对光机结构的设计要求, 遵循均一性和不调整两个原则设计和加工一套短波红外成像系统的光机结构。在透镜和支撑结构件的配合面上分别加工45°的斜面, 以充分适应光学元件与其支撑结构在温度变化过程的热胀冷缩, 避免了光学元件和支撑结构由于受热变形差异过大而产生的不可恢复性破坏, 最后通过实验验证了该光学支撑方案在80 K的低温下具有良好的成像效果, 本文的研究为今后大温差下的红外光机系统设计提供了较高的参考价值。

为了研究固液两相磨粒流对伺服阀阀芯喷嘴的研抛性能, 从冲蚀磨损的角度对比分析了不同磨粒硬度下的磨粒流研抛效果。利用计算流体力学方法, 求解分析了磨粒流研抛伺服阀阀芯喷嘴时流场中的冲蚀磨损特性, 采用电子显微镜以及扫描电镜仪检测伺服阀阀芯喷嘴零件经磨粒流研抛前后的表面粗糙度和表面形貌。实验结果表明: 采用碳化硅磨粒和白刚玉磨粒加工后的伺服阀阀芯喷嘴主干通道、交叉孔以及小孔区域的粗糙度分别由1.1 μm、0.823 μm、0.743 μm降低为0.735 μm、0.721 μm、0.571 μm和1 μm、0.747 μm、0.696 μm。在本试验中碳化硅磨粒的加工效果优于白刚玉磨粒, 即具有高磨粒硬度的磨粒研抛效果好。检测结果显示, 磨粒流研抛技术可有效改善伺服阀阀芯喷嘴的表面质量; 提高磨粒硬度可提高磨粒流的研抛效果; 伺服阀阀芯喷嘴的交叉孔以及小孔区域的表面质量要高于主干通道的表面质量。

本文设计了一种由压电陶瓷驱动的应变片进行检测的平面三自由度纳米定位平台, 该平台采用的是平板铰链、直圆铰链及单边V型铰链导向的3-PRR结构。通过建立平台的伪刚体模型及对其进行位姿分析, 获得了平台的正、逆解。同时, 运用有限元分析方法对平台进行了仿真分析。搭建了3-PRR平面三自由度纳米定位平台测试实验系统对所设计平台进行试验。实验结果显示: 3-PRR平台沿x轴、y轴的行程及最大转角分别为-11.32~11.41 μm、-12.47~12.76 μm、3.63′, 对应的分辨率分别为71 nm、83 nm、1.35″。理论分析结果、有限元仿真结果与实验结果的最大误差分别为587%、6.19%, 验证了理论分析和有限元仿真的正确性。x轴及y轴的位移输出与应变片的输出电压近似呈正比关系, 证实了利用应变片来检测3-PRR平台运动的可行性。

针对传统串联式微位移机构具有的结构不紧凑和刚度较低等问题, 本文设计了一种结构紧凑、具有高分辨率和高刚度的并联式自解耦二自由度微位移平台。该平台采用了4个对称布置的嵌套式平行导向机构, 使得平台具有刚度对称和自解耦等特点。本文还对嵌套式平行导向机构的工作原理进行了分析。通过有限元方法仿真分析了微位移平台在不同受力状态下的变形情况, 并对其进行了模态分析。经实验测量, 证实了该平台具有自解耦功能, 并得出了微位移平台的实际行程, 且其输出位移也被证实具有较为良好的线性度。

为了实现双目立体视觉系统大范围高精度三维测量, 提出了一种大视场双目立体视觉系统柔性标定方法, 该方法将系统中各相机内部参数标定与相机间的姿态标定进行分离, 标定内部参数时, 只需要令标靶相对于相机任意摆放至少三个姿态, 对标靶上的编码标志点进行识别, 根据标靶上编码标志点信息, 建立各姿态下视图的对应关系, 粗略计算标志点的初始三维坐标; 建立多姿态下逆向投影误差最小的目标函数, 采用非线性最小二乘优化获取精确的相机内部参数和标志点三维坐标; 最后, 建立基于双相机逆向投影误差最小的目标函数, 优化得到精确的相机间姿态的外部参数。实验结果表明: 当测量空间为1 200 mm×1 000 mm×1 000 mm时, 立体视觉系统的测量精度优于0.1 mm, 满足大范围双目立体视觉系统的高精度测量需求。

针对可旋转相机的参数标定问题, 提出了一种基于二维旋转平台的相机成像模型。首先,通过一对坐标系的变换与逆变换, 将相机的旋转平移变换关系转换为二维旋转平台纯旋转关系;然后,借助旋转平台读数以及相机到旋转平台的固定变换关系, 实现相机内参的精确标定以及任意位置间相机外参的相互转换;最后,利用标定出的相机与旋转平台间变换矩阵实现不同位置相机参数的转换。相比于传统固定相机的标定方法, 本文提出的方法标定获得的相机内参具有更好的收敛性, 而且能够标定出相机到旋转平台的变换矩阵, 从而实现相机坐标系变换参数的精确计算。实验结果表明, 在标定模板图像数量相同时, 与常用的张氏标定法相比, 本文提出的方法标定获得的相机内参具有更快的收敛速度。棋盘格角点重投影坐标与实际拍摄图像中棋盘格角点坐标相对比, 平均误差约为0.12 pixel, 表明该方法具有较高精度。

针对制造车间光滑地面在阳光或灯光照射下的扫描图像往往存在反射光斑, 且随相机位置变化而变化, 会严重干扰图像处理和利用的问题, 提出了一种识别和去除高光的方法, 用于改善图像处理效果和三维重建精度。基于扫描序列图像的三维场景重建流程和SURF特征原理, 分析移动的高亮反光斑对图像特征点提取和匹配的影响; 对于缺乏表面纹理的灰度图像, 提出一种基于逐行多级阈值和动态模板高光识别与去除方法, 保留非高光点的特征信息, 识别与修复同步完成。实验结果表明, 无高反光的前后两帧图像的匹配特征点对比有高光情况下至少高出8%, 优化后的余留匹配特征点更多; 扫描一段30 m长的车间场景序列图像, 用提出的方法修复高光后进行三维重建, 点云拼接误差减小了10 cm。表明移动高光对图像序列三维重建有不可忽视的影响, 本文提出的方法能有效地去除高光。

航天测量船海上航行时主要通过精度校飞进行雷达精度鉴定, 针对其周期长、耗费大和组织协调困难的缺点, 提出了一种采用高精度星敏感器与雷达捷联跟踪测量空间目标进行海上精度鉴定的方法。雷达在跟踪空间目标的同时, 星敏感器实时拍摄天线指向附近星图。首先, 星敏感器利用雷达输出的编码器角度计算视轴的初始指向, 通过快速星图识别和目标定位获取天线地心坐标系精确指向; 然后, 经坐标变换到地平系, 根据蒙气差模型修正地平系俯仰角, 再经过船摇修正转换到甲板坐标系; 最后, 进行轴系误差及脱靶量修正, 实现雷达指向精度鉴定。试验结果表明: 利用该方法测量的船载雷达相对于星敏感器方位、俯仰随机残差优于50″, 满足雷达精度鉴定要求, 证明该方法的可行性。

针对十字形磁梯度张量系统中的单磁力仪误差(三轴灵敏度偏差、非正交误差和零点漂移误差)以及磁力仪之间存在的不对正误差, 提出了十字形磁梯度张量系统的误差校正方法。首先, 建立单磁力仪误差模型, 采用基于椭球约束的最小二乘拟合算法对磁力仪的测量数据进行拟合从而得到椭球拟合参数; 然后, 接着利用Cholesky分解得到单磁力仪误差校正矩阵; 最后在单磁力仪误差校正的基础上, 利用正交Procrustes方法对不同磁力仪间的测量数据进行拟合从而得到磁力仪间的不对正误差校正矩阵。对提出的方法进行仿真与实测实验验证, 实验结果表明: 经过校正, 磁梯度张量各分量的最大波动量由10 049 nT/m降到52 nT/m。提出的校正方法可以基本消除十字形磁梯度张量系统的误差, 提高测量结果的准确度, 且方法操作简单, 不需要高精度的三轴无磁转台等设备, 具有较高的实用价值。

由于颅骨的三维点云数据模型复杂且不同人的颅骨差异较小, 对其配准精度要求较高。为了提高颅骨点云模型的配准精度和收敛速度, 提出了一种先粗配准再细配准的配准方法。首先, 对颅骨点云数据模型进行去噪、简化和归一化等预处理; 然后, 通过区域划分、区域配准和求解组合系数以及求解刚体变换等步骤实现区域层次上的颅骨粗配准; 最后, 通过引入动态迭代系数来改进基于旋转角约束的迭代最近点算法, 并采用该改进的ICP算法实现颅骨的细配准, 从而达到精确配准的目的。实验结果表明: 与ICP算法相比, 改进的ICP算法的配准精度和收敛速度分别提高了约30%和50%。证明该种先粗配准再细配准的颅骨点云模型配准方法是一种精度高、速度快的有效颅骨配准算法。

针对传统运动目标检测算法在动态背景条件下难以准确检测出运动目标的问题, 提出了一种基于元胞自动机的动态背景运动目标检测算法。首先, 根据SLIC算法分割视频图像, 并应用多模态混合动态纹理模型对视频图像进行背景建模。然后, 融合空时显著性检测与基于元胞自动机的自动更新机制得到优化的显著性图。最后, 通过对优化后的显著性图做适当的阈值分割处理得到视频图像中的运动目标。实验仿真结果表明, 在动态背景条件下该算法可以有效的抑制视频图像中非运动目标的显著性物体对检测结果带来的影响, 检测运动目标的精度较高, 并且具有一定的鲁棒性。

为了在光电跟踪控制系统中实现复合控制以提高跟踪精度, 构建了基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制结构。首先, 利用跟踪脱靶量数据和仪器位置数据合成目标角位置数据; 然后, 利用模型自适应卡尔曼滤波算法对目标角位置数据进行滤波估计以获得目标角速度信息; 最后, 将目标角速度信息前馈到速度回路, 从而构成复合控制系统。实验结果表明: 采用复合控制结构后, 目标跟踪精度提高了50%。基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制技术能够在保持原反馈控制系统稳定性的条件下提高跟踪精度。

为保证船用星敏感器载体姿态连续测量的高精度和高效率, 通过对当前天体自动辨识算法的研究与分析, 提出并实现一种基于天体目标连续跟踪处理的天体自动辨识技术。首先, 根据星图采集周期、天体视运动速度和舰船姿态变化等因素, 分析了船用星敏感器摄取的连续星图间的差别特征; 然后, 以连续两帧星图的关联信息为依据构建星图特征数组, 通过区域搜索、斜率值与灰度值比对等方法建立了天体跟踪辨识模式; 最后, 介绍了天体跟踪辨识模式中区域搜索半径的解算方法。实验结果表明: 天体连续跟踪辨识技术在保证天体辨识精度的前提下, 平均单帧星图辨识时间为124 ms, 仅为传统辨识方法用时的1/8。有效地提高了船用星敏感器天体辨识效率和载体姿态动态测量效率。

为了克服传统星图空间运动目标检测方法对星图帧间图像亮度、帧间配准以及成像模式等具有敏感度较高的缺点, 利用星点间拓扑结构稳定的特性, 提出了基于距离矩阵的星图运动目标检测方法。该方法首先对各帧星图独立检测目标, 然后构建星点的距离矩阵, 并与相邻帧星图的距离矩阵作减法, 则得到运动目标对应的距离变化较大的一些列(行), 利用这个性质完成运动目标的检测。由于距离矩阵与星图成像条件无关, 只受运动目标的影响, 因此该方法对星图帧间图像亮度、观测平台抖动、帧间失配以及成像模式等具有鲁棒性。仿真试验和真实数据试验表明, 该方法在帧间失配等情况下, 仍然能够从背景恒星中有效地识别空间运动目标。与传统方法比较, 本文方法具有更低的虚警率。

针对靶场现场监测范围大, 相机焦距不固定, 相机空间位置及角度各不相同的情况, 为实现对弹落点空间坐标位置的高精度自动测量, 提出了一种在野外大视场环境下使用的基于单相机空间坐标测量系统的快速标定方法。首先, 在小孔成像模型的基础上, 通过GPS测量获得视场内两个标定点及相机在大地坐标系中的坐标; 然后读取标定点的像素坐标, 根据对角相等及最小二乘法实现焦距与旋转矩阵的分步标定; 最后在保证标定精度前提下, 略去主点的标定过程, 确定相机主点为理想主点位置。实验结果表明, 在测试距离1 km以外, 对视场宽度为200 m的区域进行监测时, 校验点相对定位误差低于0.25%。该相机标定方法不需要高精度靶标, 操作简单, 适用于野外大视场环境下单相机空间坐标测量系统的快速标定。