为了适应滤波、延时、波分复用等不同的应用场景, 集成硅基光子滤波器需要具备高速的可调谐和可重构特性。本文提出了一种基于自耦合微环集成光子滤波器, 将3个MZI型光开关连接, 构成可调谐的自耦合微环谐振腔。通过控制器件上的电极, 可以将该器件重构成光开关、非平衡MZI滤波器、双微环辅助的MZI滤波器、双注入型微环谐振腔滤波器以及自耦合微环辅助的MZI滤波器等五种不同结构。通过传输矩阵法对该器件进行建模仿真。仿真结果表明, 基于该器件的双微环辅助的MZI滤波器可实现在带阻滤波器与带通滤波器之间的切换, 消光比大于35 dB。双注入型微环谐振腔滤波器可实现在两种不同自由光谱范围之间切换, 且滤波频率可调谐范围可达18 GHz。相比于许多现有的功能单一的滤波器, 该结构具有极佳的可重构特性, 在集成光子信号处理和微波光子学等领域具有良好的应用价值。

光纤形状传感技术是近年来光纤传感领域一个新的研究方向, 光纤形状传感器利用若干路在空间上具有特定排布的光纤组合在一起测量光纤或与之相连的被测物体的位置和形状。由于它具有不受电磁干扰、易于集成、形状测量精度高的特点, 可应用于医疗微创介入手术导管位置追迹、航天领域关键结构体形态测量、长距离管道及缆线变形监测等场合。本文论述了光纤形状传感技术在相关领域的应用, 综述了这一技术在国内外的最新研究进展, 对光纤形状传感的关键技术进行了详细的介绍, 同时分析了现有光纤形状传感技术所面临的主要瓶颈及误差来源。

为了在线预测硬脆材料磨削加工引起的亚表面损伤深度, 本文利用概率统计法对磨粒高度进行分析, 建立了刀具切削力与亚表层裂纹扩展深度之间的理论关系模型。首先, 基于硬脆材料的压痕断裂力学理论, 分析了中位裂纹扩展长度与磨粒压痕深度之间的内在关联。随后, 对刀具端面边缘的磨粒数目进行了数理统计, 建立了刀具切削力与单个磨粒切削深度之间的理论关系。在此基础上, 提出了工件亚表层损伤深度的在线预测模型SSDmax=1.284×SSDmaxtheo－36.23, 并结合BK7玻璃的实际磨削实验验证了其正确性。通过对比实验结果与理论模型的预测结果发现, 该方法可以在线、准确地预测磨削加工引起的工件亚表层损伤深度。

为实现细菌的快速、低成本、高通量检测, 设计并制备了一种阵列式柔性纸基SERS检测芯片。首先制备银溶胶, 再利用激光打印和碳粉的疏水性, 在纸基上分别构造隔离区与阵列检测区。在检测区循环滴加银溶胶, 由于碳粉的疏水特性, 将银溶胶液滴限制在检测区范围。一定温度下, 银溶胶自然干燥即形成阵列式活性SERS检测芯片。利用罗丹明6G作为探针分子对纸基SERS芯片进行了表征, 测试结果表明该芯片的检测限为10-8 mol/L, 重复性测试的RSD约为11.85%。大肠杆菌SERS测试实验表明, 该芯片可快速获得大肠杆菌的拉曼特征峰, 无需对样本进行标记或复杂的前处理。该柔性纸基SERS芯片结构简单、制作快速、成本低廉, 阵列结构可实现多参数的同时测量, 有望应用于致病菌的直接、快速检测。

为了提高2RPU/UPR+RP过约束混联机器人在实际运用中的精度, 达到生产实践的需求, 对该机器人进行误差补偿研究。首先介绍了过约束混联机器人的运动原理, 随后分析影响混联机器人末端精度的各项几何误差的来源, 并对提高混联机器人精度的零点标定与全标定方法进行介绍。将混联机器人分为并联机构和单摆头两部分, 分别对两部分进行零点标定和全标定理论研究, 然后基于激光跟踪仪搭建了标定实验系统, 得到了标定后的误差参数的真实值, 补偿到运动学算法中。实验结果表明, 本文提出的全标定和零点标定方法可以有效提高混联机器人的定位精度。

为了更准确地预测磁悬浮控制力矩陀螺中高速电机工作时的温升, 需要计算电机绕组涡流损耗和对陀螺进行热分析。本文以最大角动量200 N·m·s, 额定转速12 000 r/min的磁悬浮控制力矩陀螺为研究对象, 首先分析了电机绕组涡流产生原理, 采用了一种解析法和有限元法结合的方法, 推导并计算了高速电机绕组涡流损耗。然后, 建立了陀螺三维有限元模型, 在已知陀螺各部件损耗的基础上进行了热分析, 得到了温度仿真分布。最后, 设计了陀螺样机温升实验进行验证。仿真分析得知高速电机定子温度最高, 定子绕组温度为40.3 ℃。温升实验测得电机定子温度为41.6 ℃, 与理论值误差为3.1%。这相比未考虑绕组涡流损耗时的热分析, 精度提高了3.7%。考虑了绕组涡流损耗的热分析预测温升更加准确, 这对于优化磁悬浮控制力矩陀螺的热设计有重要意义。

为解决振动主动控制系统中接触式测量影响结构特性以及PID控制参数整定不理想的问题, 提出利用机器视觉技术测量结构振动, 并结合人工鱼群算法优化的PID进行振动控制。首先, 选择刚柔双关节机械臂作为研究对象, 搭建实验平台并设计正交试验, 探究刚柔耦合机械臂振动情况, 并确定振动控制中电机参数的设置; 其次, 利用CCD相机采集机械臂末端标记点振动图像, 并处理得到振动位移, 将其作为控制系统输入; 最后, 选择人工鱼群算法对PID控制器参数进行优化, 控制器输出信号经输出卡转化为控制电压, 再经功率放大器放大, 驱动压电作动片实现振动控制。实验结果表明, 相较于传统参数整定PID平均44.06%的控制效果, 优化后的PID算法平均控制效果可达到57.54%,验证了基于视觉测振的优化PID控制系统的可行性和优越性。

针对6自由度冗余驱动并联机构实时控制较难的问题, 以具有解析式正解的Stewart衍生拓扑构型为研究对象, 研究了位移输入的协调关系。通过设计二重复合球铰链和可转换主动、从动模式的移动副, 实现了6种不同冗余度的低耦合驱动模式。根据动平台上4个位置点之间的尺度约束关系, 构建了一种正向运动学全解析算法, 验证了位姿正解模型的正确性。推导化简了位移输入的6个协调方程, 分别运用Newton-Raphson法和Broyden法得到了协调方程的数值解, 对比结果发现, Broyden法的计算时间约为Newton-Raphson法的78%, Newton-Raphson法的精度优于Broyden法至少3倍。从许可初值偏差和结构参数两个方面研究了各种驱动模式对冗余协调算法的影响, 结果表明, 随着动平台边长的增大以及移动副初始长度的减小, 冗余协调算法允许有更大的许可初值偏差。进一步地, 基于区间分析理论引入并定义扰动适应性能评价指标, 计算出本机构的最佳冗余度为5, 并且得出Broyden法的综合扰动适应性能优于Newton-Raphson法的1.27倍。最后, 结合数值性态给出了Stewart衍生型并联机构移动副驱动模式优选的3点选取原则。研究方案可为6自由度冗余驱动并联机构的结构模型优化及实时控制提供参考依据。

目前国内出现了一种新型云轨, 云轨有着造价低、能耗小以及施工周期较短等优点。然而云轨的各项指标要求很高, 其中轨道定位尤为重要。为了实现了云轨检测的精确定位, 本文设计了一种新型轨道检测车, 并开发了基于双层双向长短期记忆模型(LSTM)的云轨SIN-GPS定位算法。首先, 介绍了轨道检测车的机械结构和各项传感器参数。接着, 分析了传统的SIN-GPS定位算法及其缺点, 在GPS信号消失后会出现误差积累。然后, 引出双层双向长短期记忆模型, 说明了该模型对GPS信号消失时的误差动态学习和补偿。最后, 通过3组实验分析算法在云轨检测车的不同运动状态下的准确率。证明了长短期记忆模型均优于传统算法模型和其他智能算法模型。实验结果表明: 在运动状态下LSTM算法比SINS误差小79.8%, 静止状态下SINS误差最小。设定速度阈值为0.2 m/s, 大于此阈值采用LSTM算法, 小于此阈值直接用SINS的数据, 可以得到最准确的位置预测结果。

医学超声图像是医生诊断人体组织病变的重要依据, 而医学超声图像中固有的散斑噪声易造成纹理信息的破坏, 影响医生对组织器官的判断, 因此, 医学超声图像的去噪处理倍受关注。针对目前医学超声图像去噪算法无法保持图像纹理这一局限性, 本文提出分数阶微分加权的引导滤波算法。算法首先通过对数变换, 将难以去除的散斑噪声转换为加性噪声; 再结合分数阶微分算法, 根据像素与边缘纹理的相关性设计纹理因子, 并使用该纹理因子改进引导滤波方法; 最后, 通过改进的引导滤波器生成医学超声图像的处理结果。本文对猪胃和猪气管超声图像进行了算法实验, 实验结果表明, 本文算法相较于经典引导滤波算法, 其结构一致性因子提升20.1%, 无参考图像锐化因子提升3.3%, 能够在去除散斑噪声的同时有效保留图像边缘纹理结构, 对于医学超声图像具有良好的适用性。

光学相干断层扫描(OCT)具有成像速度快, 分辨率高的特点, 被广泛应用于眼科疾病诊断。针对眼科手术中需要快速获取指定手术区域的深度信息, 本文提出了一种将OCT应用到眼科手术导航的方法。基于扫频OCT系统, 以二向色镜结合CCD相机进行实时观测, 对扫描坐标系和相机坐标系进行坐标匹配, 完成OCT的扫描定位。对于由样品自身折射所带来的图像重建与实际坐标的误差, 基于费马原理与斯涅尔定律进行OCT图像重构误差矫正, 在理论上推导了OCT图像与样品实际结构的映射关系。实验结果表明, 能够以较低的误差(深度误差约为50 μm)获取特定位置的OCT图像, 并完成OCT图像信息的矫正。该系统能够测量样品指定位置的准确信息。

为了减轻频域光学相干断层扫描成像(Frequency Domain Optical Coherence Tomography, FD-OCT)中高数据量导致的后续数据采集与处理系统的压力, 同时解决成像时间和成像质量之间的矛盾, 引入了压缩感知技术, 并对该技术中的重构算法进行了重点研究。首先, 通过分析压缩感知技术的框架, 利用离散余弦变换(Discrete Cosine Transform, DCT)获得频域OCT图像的稀疏表示。接着, 利用高斯随机矩阵对OCT图像进行线性观测。然后, 研究了FOCUSS(Focal Underdetermined System Solver)重构算法的原理, 并在算法中结合分块思想、引入正则项lp范数以及嵌入各向异性平滑算子。最后, 组合所有小图像块, 得到整幅频域OCT图像的压缩感知重构结果。实验结果表明: 改进重构算法的运行时间由78.65 s缩短为1.89 s, 并且显著改善了图像块效应, 将重构图像的PSNR值提高了1.6~2.7 dB, SSIM值可达到0.938 3。压缩感知技术可以用较小的采样数据量精确重构出原始频域OCT图像, 改进FOCUSS重构算法可以在一定程度上实现频域OCT图像重构效率和重构质量的平衡。

基于阈值或纹理分割的秸秆覆盖率检测算法, 存在准确性低、复杂度高、运行耗时长等问题, 且对含有大量干扰因素的复杂农田场景分割效果不佳。本文提出了一种检测准确度高、训练参数少且运行速度快的语义分割算法(DSRA-UNet)。该算法结合UNet的对称编-解码架构, 在浅层特征图使用标准卷积, 深层采用深度可分离卷积, 并在每一层增加残差结构来加大网络深度, 以降低参数量的同时提高精度。此外, 在跳级连接过程增加全局最大池化注意力机制, 进一步提高网络的分割精度。将算法在秸秆数据集上进行验证, 实验结果表明本文所提算法平均交并比达到94.3%, 训练参数量仅为0.76 M, 单张图片测试时间在0.05 s以下。该算法可以精准分割出秸秆和土壤, 并可在复杂环境下将干扰信息分割出, 可在一定程度上解决图像中的阴影问题。

物理点的三维定位是计算机视觉实现特征提取、模式识别、测绘、运动分析的基础, 为了减少遮挡的影响及增大视场面积, 可以通过多视图实现点的三维定位, 但目前使用专门仪器设备及专门软件实现, 定位的点数、二次开发功能都有一定限制。本论文提出一种基于直接线性变换(Direct Linear Transformation, DLT)的物体上点的世界坐标系下的三维定位方法, 适用于单台相机移动获取的多视图实现的静态结构体点的定位, 也适合于多台相机同时拍摄获取的机器上点的三维动态定位。采用DLT方法进行各相机(或不同位置下的相机)进行标定获取内外参数, 即布置6个以上不共面且坐标已知的控制点, 根据空间三维坐标与图像二维坐标的线性变换关系列出方程组, 通过最小二乘法对相机内外参数进行线性估计; 再利用这些内外参数实现点的三维定位, 即依据空间几何线-线交会原理利用最小二乘法求解实现空间点的世界坐标测量。论文论证了本方法的原理, 提出了方法的步骤, 并以水田平地机为试验平台, 测量平地铲上待测点的世界坐标来验证。试验结果表明: 该方法测得的坐标在X,Y,Z方向的平均绝对误差为4.19 mm, 3.97 mm, 3.69 mm, 空间相对距离误差为0.81%, 满足一般测量精度要求。进一步提高精度可以考虑在标定步骤中校正相机失真。基于一台或多台相机得到的多视图, 该方法能够实现任意多个物理点的世界坐标测量, 测量结果不受相机位置影响。

针对海天场景复杂干扰情况下多尺度检测红外偏振图像中舰船目标困难的问题, 本文提出一种基于引导滤波和自适应尺度局部对比度的舰船目标检测方法。首先将强度信息作为引导信息对红外偏振图像利用引导滤波, 得到目标背景对比度、局部信噪比更高的融合图像; 然后基于融合图像显著的海天线垂直梯度特征, 提出一种检测海天线方法, 再对融合图像进行海天线加权抑制海杂波干扰; 最后基于单尺度局部对比度算法与舰船目标比例特征, 提出自适应尺度局部对比度方法, 当尺度与目标匹配时响应最大, 通过不同尺度对目标的响应结果确定最大尺度, 得到舰船目标检测结果。实验结果表明, 引导滤波融合方法的提高图像的目标背景对比度和局部信杂比, 与典型检测方法对比, 本文方法能够有效抑制干扰并能够检测海天场景不同尺度舰船目标, 具有较高的鲁棒性和准确性, 检测率、虚警率分别为95.0%, 3.5%, 为红外偏振图像目标检测提供了新的方法。

针对大场景三维重建中, 由位姿估计的累积误差而导致的相机漂移和重建模型质量低的问题, 提出了减少累积误差的方法。首先, 基于由最新K对深度和彩色图像融合的模型, 最小化输入RGB-D图像的几何误差和亮度误差来跟踪相机。然后, 若相机位置与当前子网格的中心点距离大于给定阈值时, 则将子网格平移体素单元整数倍的距离, 基于新建的子网格继续跟踪相机并重建局部场景模型。最后, 在子网格间以迭代步长式的方法寻找对应表面点, 以对应点间的欧氏距离与亮度误差为约束, 优化全局相机轨迹。基于数据集的实验结果表明,相机位姿估计精度比主流方法提升14.1%, 全局轨迹优化精度提升8%。对于自采数据, 本文设计的系统可减少位姿估计中的累积误差、重建高质量的场景模型。

为降低泊松噪声对X射线图像质量的影响, 本研究提出一种采用非线性主分量分析(NLPCA)对X射线图像序列进行盲源分离的降噪方法。该降噪方法首先采样一序列X射线图像, 并通过Anscombe变换将图像中泊松噪声转化为高斯噪声; 然后将每张含噪声图像视为噪声分量和信号分量的组合, 进而采用NLPCA将信号分量和噪声分量分离达到降噪目的; 最后通过Anscombe逆变换获取最终降噪图像。研究结果表明: 当序列中含噪声图像张数从2增加到50时, 提出的降噪方法可以将Shepp-Logan头模型含噪声图像的PSNR值由28.289 4 dB提高到37.267 8 dB、SSIM值由0.700 7提高到0.963 8。相比较常用的降噪算法, 提出的降噪方法在有效消除X射线图像中泊松噪声的同时, 使图像中细节轮廓保留更完整。

针对大型构件三维精密测量中构件结构复杂、测量环境变化等导致的合作目标检测精度低的问题, 提出一种改进YOLOv2卷积神经网络的多类型合作目标检测方法。首先, 利用WGAN-GP生成对抗网络扩增合作目标图像样本数量; 其次, 采用卷积层密集连接代替YOLOv2基础网络的逐层连接增强图像特征信息流, 引入空间金字塔池化汇聚图像局部区域特征, 构建改进YOLOv2卷积神经网络的多类型合作目标检测方法; 最后, 采用增强的目标图像样本数据集训练改进YOLOv2卷积神经网络的多类型合作目标检测模型, 实现多类型合作目标检测。实验结果表明: 采用多类型合作目标图像数据集测试, 多类型合作目标检测精度达到90.48%, 目标检测速度为58.7 frame/s。该方法具有较高的检测精度和速度, 鲁棒性好, 满足大型构件三维精密测量中多类型合作目标检测的要求。

为了实现受限空间内的精密坐标传递, 建立了二联激光跟踪仪测量系统, 并设计了其施测及数据处理方法。首先, 对Leica AT402激光跟踪仪进行改装, 在其提手上安装能够放置球棱镜的靶座, 并精确标定球棱镜中心与仪器中心的高差, 称它为垂向偏心差。然后, 两台激光跟踪仪自由设站, 双面互瞄对方提手上的球棱镜, 并依据垂向偏心差将互瞄观测值改化至仪器中心, 得到仪器中心之间的互瞄观测值。两台仪器分别测量可视范围内的目标点, 当两台仪器能够观测到足够数量的公共点时, 可利用公共点和互瞄观测值共同传递坐标和方位; 当无公共点时, 可利用激光跟踪仪之间的互瞄观测值传递坐标和方位。在上海光源的工程控制网内开展了测量实验, 结果表明: 当相邻测站有公共点时, 该系统能提高坐标转换的精度; 当无公共点时, 在9 m的距离上, 坐标传递精度优于0.22 mm, 定向旋转角精度接近1″。该系统可应用于三维工程控制网的测量, 尤其适用于通视条件差的精密坐标传递场景。

为了实现滚珠螺母型面的快速精确测量, 提出了激光测量方法并设计测量装置。首先, 基于经直角棱镜反射的点激光轴向扫描的测量原理设计了螺母滚道型面检测装置, 并根据滚道的数学模型提出轴法向转换的数据处理方法。然后, 对直角棱镜的平移和转角误差、激光偏移误差、激光倾斜误差建立模型进行分析。最后, 设计工装对标准钢球和圆槽进行扫描, 并对螺母滚道开展实际测量。结果显示, 完成误差标定后, 经棱镜反射的点激光扫描圆弧轮廓的测量误差在3.1 μm以内, 标准差在2.2 μm以内。对螺母滚道的扫描图像完整有效, 总体精度满足螺母滚道型面的测量要求。

为了建立有效无损的亚表面缺陷探测技术, 本文开展了光学元件亚表面缺陷的荧光成像技术研究, 通过系统优化激发波长、成像光谱、成像光路及探测器等影响探测精度和探测灵敏度的参数, 研制出小口径荧光缺陷检测样机。基于该样机对一系列精抛光熔石英和飞切KDP晶体元件的散射缺陷和荧光缺陷进行了表征, 获得了各类样品亚表面缺陷所占的比重差异很大, 从0.012%到1.1%不等。利用统计学方法分析了亚表面缺陷与损伤阈值的关系, 结果显示, 熔石英亚表面缺陷与损伤阈值相关曲线的R2值为0.907, KDP晶体亚表面缺陷与损伤阈值相关曲线的R2值为0.947, 均属于强相关。该研究结果可评价光学元件的加工质量, 用于指导紫外光学元件加工工艺, 并且由于该探测技术具有无损、快速的特点, 因此可应用于大口径紫外光学元件全口径亚表面缺陷探测, 具有极其重要的工程意义。

使用往复式逐行扫描的方式可以提高激光共聚焦显微内窥镜的成像速度和数据利用率, 但这种扫描方式也会带来图像畸变和错位问题, 从而影响系统成像质量。受扫描畸变影响, 图像错位程度不一致, 后期处理难以得到理想的校正效果。本文基于共振振镜的运动规律, 推导了均匀空间采样过程中的采样时间函数, 通过非等时采样方法校正了振镜速度变化带来的横向畸变。利用互相关法评价图像错位程度, 采用遗传算法获得最优的采样开始时刻, 实现了图像错位的校正。最终通过调整采样开始时刻和时间间隔在数据采集环节校正了图像畸变和错位。为了验证图像畸变校正和错位校正效果, 本文搭建了基于往复式逐行扫描方式的激光共聚焦显微内窥成像系统。实验结果表明, 该方法能够有效地校正图像畸变和错位, 图像的横向分辨率。与现有方法相比, 本文方法将图像的局部分辨率由10 pixel提高到6 pixel。

光声成像作为一种既能提供光学高对比度又能实现声学大成像深度的新兴医学影像技术, 可通过对肿瘤滋养血管的三维成像, 为癌症的早期诊断提供一种全新的高灵敏检测方法。本文针对消化道肿瘤的临床成像需求, 提出了一种内部光激发、外部声探测的透射共轴式光声消化道内窥成像系统, 并通过仿体与离体生物组织的成像实验, 与现有的反射非共轴式光声内窥成像系统的成像性能进行了对比。实验结果表明, 在仿体样品中, 透射共轴式光声内窥成像系统的信噪比相对反射非共轴式系统最高提高了43.3 dB, 成像深度增大了28.4%; 而离体生物组织中, 在10.7 mm深处, 其信噪比也提高了9.7 dB。实验验证了本设计有效提高了光声信号的探测灵敏度, 使该系统相较现有反射式系统具备更优的成像信噪比和成像深度, 为光声消化道内窥技术推向临床提供了一种具有重要应用潜力的实施方法。

气流扰动将引起干涉检测光路中空气折射率动态变化, 从而引入未知波前测量误差, 它对于大口径、长焦距光学系统波前检测精度的影响尤为严重。为抑制该影响, 本文提出一种基于计算流体动力学的主动温度场控制方法。首先, 分析了气流扰动引入波前检测误差的原因, 并基于流体力学理论阐明了通过主动送风手段提高室内温度场均匀性、抑制气流扰动影响的可行性。其次, 结合口径为500 mm、焦距为6 000 mm的离轴三反望远镜检测光路构成以及所处环境条件, 通过Fluent软件仿真建模提出一种利用风扇阵列主动送风的室内温度场控制方法。最后, 对温度场控制前后实际光学检测数据进行对比, 结果表明, 控制前后7组像差系数测量值(一段时间内多次测量平均值)之间的标准差由0.034λ减小到0.005λ(λ=632.8 nm)。本方法可有效抑制气流扰动对于光学检测精度的影响, 对于提高非真空条件下大口径光学系统的波前检测精度具有一定的参考与借鉴意义。

为了解决音圈电机驱动的快速反射镜在大行程运动中电机动子和定子碰撞的问题, 设计了新型的快速反射镜柔性机构, 即采用柔性解耦机构来消除电机动子的横向位移。针对快速反射镜在大行程运动中由于力-位移的非线性特性而导致的共振频率随位置而变化的问题, 设计了变值陷波滤波器来消除随位置变化而改变的共振模态的影响, 并通过比例积分控制器实现闭环控制。与常值陷波滤波器相比, 变值陷波滤波器的共振频率为快速反射镜运动位置的函数。通过有限元分析和实验比较了采用常值和变值陷波滤波器时快速反射镜的带宽性能。实验结果表明, 采用常值陷波滤波器时, 当系统的运动位置小于15.2 mrad时, 快速反射镜沿θx和θy轴的带宽分别在95 Hz和110 Hz左右; 当系统运动到18.2 mrad时, θx和θy轴的带宽分别骤降为4792 Hz和571 Hz。采用变值陷波滤波器时, 快速反射镜沿θx和θy轴的带宽基本稳定在95 Hz和110 Hz, 说明了在运动行程较大的快速反射镜系统中设计变值陷波滤波器的必要性和有效性。