薄膜非均匀性的无损检测对于制备大面积高质量的红外透明薄膜尤为重要。针对红外薄膜光学均匀性难以获取的困难, 提出了一种同时获得单层透明红外薄膜厚度和折射率均匀性的无损检测方法。实验上, 通过磁控溅射法在二氧化硅衬底上制备了厚度约1.4 μm红外透明Ge-Sb-Se硫系薄膜, 然后在该薄膜上标定出36个80 μm×80 μm区域, 利用显微傅里叶红外光谱仪测得该36个区域的透射谱, 通过分段滤波的方法滤除背景噪声, 运用改进的Swanepoel方法计算得到了薄膜每一个区域的厚度和折射率, 进而精确获得该薄膜的厚度和折射率均匀性, 结果表明精度优于0.5%。

为了实现大视场微型仿生复眼系统的增材制造, 对仿生复眼的成像原理、微透镜阵列与中继系统的设计以及复眼系统的机械结构进行了研究。根据仿生复眼的光学原理设计出单个微透镜, 并完成微透镜阵列。通过设计中继系统, 使曲面阵列所成的曲面像转换成平面像, 从而被平面探测所接收。将微透镜阵列与中继系统组合并对其进行优化。为了满足复眼系统3D增材制造工艺, 对其机械结构进行设计。整个复眼系由3 481个紧密拼接的正六边形微透镜组成, 每个微透镜的视场为4°, 通光口径为110 μm, 整个复眼的视场为123.7°。在120 lp/mm处, 复眼各视场的MTF值均大于0.3, 各视场点列图的RMS半径均小于艾里斑半径。该系统成像质量良好, 公差分析结果表明其像质满足成像要求, 满足增材制备工艺需求。

为了研究不同地区的气溶胶光学特性, 了解地区间气溶胶成分和来源的差异, 建立了典型地区的气溶胶光学模式。基于POM02太阳辐射计测量的太阳直射辐射和散射辐射值, 利用SKYRAD算法获得了青海德令哈、安徽合肥、广东茂名3个地区的春季气溶胶光学特性参数, 包括谱分布、折射指数和单次散射反照率等。然后基于这些参数对气溶胶来源和分布特征进行分析, 最后分析了浮尘天气对气溶胶光学参数的影响。结果表明: 德令哈地区大气清洁度较高, 24%的光学厚度分布在0.2以下, 气溶胶来源单一, 以大粒子为主导; 合肥地区有39%的波长指数分布在0.8～1.0之间, 折射率实部随波长变化不明显, 气溶胶来源复杂, 以小粒子为主导; 茂名地区54%的光学厚度集中在0.5左右, 分布区间稳定; 沙尘天气中, 大粒子的增加是气溶胶光学厚度增大的主要原因。

针对大型风力发电机机组中常见的脉动湍流、风机尾流与涡流等湍流信号, 研究了利用自然梯度下降的独立分量分析方法的湍流频谱分离效果, 以区分中心风速与湍流信号, 提高风机机组的综合工作效率。首先分析了风机组中常见湍流信号的后向散射与频谱分布特点, 然后依据这些特点设计了对应的独立分量分析模型。在仿真结果符合要求的基础上, 进行了双目激光雷达天线的风速采集与实际分离效果检测。实验结果表明, 在大气折射率结构常数C2n≤10－14同时广义大气常数α≥4的通常情况下, 利用双目信号能够分离出一个湍流中心和一个中心风速。对1 s内两个谱峰的波动范围进行统计, 获得(2.59±0.05) MHz的中心风速以及(1.22±0.19) MHz的湍流中心估计, 且二者的平均信噪比分别为25.93 dB和31.01 dB, 能够在获得稳定的中心风速估计的同时得到一个较为稳定的湍流中心估计。

图像式角位移测量装置中, 光栅的安装偏心标定结果直接影响着角位移测量的精度。为此, 本文设计了一种用于调试图像式角位移测量装置光栅偏心度的系统。首先, 根据图像式角位移测量机理, 提出了基于线阵图像传感器的标定光栅偏心度监测原理; 然后, 在图像传感器上建立了偏心调试监测信号的模型, 并提出存在偏心时偏心监测信号的变化机理; 最后, 对某型号角位移测量装置进行了实验, 并给出了调试建议。实验表明, 经过调节误差均方差由1 017″降低到12.8″。本文设计的偏心监测系统能够实现对标定光栅的高精度安装调试, 提高了图像式角位移测量装置的批量生产效率。

针对任意角度焊接缺陷难以检测的问题, 研究在不同磁场激励下焊接缺陷磁光成像无损检测系统。重点介绍了由U形磁轭产生的交变磁场和平面交叉磁轭产生的旋转磁场激励焊件的机理, 比较了交变/旋转磁场激励下不同焊接缺陷的磁光成像效果。基于法拉第旋转效应分析磁光成像特性与磁场强度之间的关系, 磁光图像的灰度值可以匹配相应的漏磁场强度。采用主成分分析法提取融合图像列像素灰度特征和通过灰度共生矩阵提取磁光图像纹理特征, 建立BP神经网络模型和支持向量机模型识别这些缺陷特征。试验结果表明, 在旋转磁场激励下, BP神经网络模型和支持向量机模型的分类精度分别为94.1%和98.6%, 相比交变磁场, 分类精度分别提高了10.7%和8.5%。旋转磁场激励下的磁光成像克服了定向检测的局限性, 能够实现对任意角度焊接缺陷的检测及分类。

永磁同步直线电机由于反电势和逆变器频繁切换导致电流谐波分量较大, 同时参数时变以及负载突变等扰动严重影响伺服系统的控制精度。本文采用一种基于降阶状态观测器的双环自抗扰伺服控制算法, 以降低控制系统的谐波抑制从而提高控制精度。首先, 构造了位置速度环级联的二阶自抗扰控制器。运用极点配置法对三阶线性状态观测器进行降阶, 减小了相位滞后的影响, 提高了伺服系统的控制精度; 其次, 电流环采用一阶非线性自抗扰控制器, 消除了积分饱和的影响, 降低了三相电流的谐波含量。最后, 与基于自抗扰控制的其他优化算法进行对比, 实验表明: 在多工况下降阶双环自抗扰控制的总谐波失真不超过2.13%, 推力波动可减小至1.49%, 稳态误差不大于15 μm。

硅微谐振式加速度计的非线性振动可以导致振动幅度噪声耦合到频率输出进而恶化器件的噪声性能, 因此有必要对谐振式加速度计的非线性振动特性进行评估及优化, 拓展线性振动范围。本文针对所设计的基于梳齿结构与振动梁复合的硅微谐振式加速度计进行了仿真与实验分析。首先对加速度计结构使用COMSOL仿真软件进行了非线性仿真分析, 该方法通过在谐振梁的振动方向上施加一个静力, 得到力与位移之间的关系, 计算出非线性三次项系数k3, eff和线性系数keff的比值约为2.13×1010 m-2。然后, 对双端固支音叉(DETF)进行扫频测试, 得出DETF的非线性振动频响曲线。根据Duffing方程对实验数据进行拟合, 得出器件两个DETF的非线性三次项系数k3, eff和线性系数keff的比值分别为2.24×1010 m-2和2.19×1010 m-2。仿真值与测试值的误差分别为5.2%和2.8%。实验结果与仿真值吻合得较好, 印证了仿真方法的有效性和测试数据的可靠性。最后, 对所设计的谐振加速度计进行非线性分析, 当振幅小于35.4 nm时, DETF工作在线性区, 可为后续谐振式加计的控制电路设计提供参考。

在轨组装望远镜的光学检测系统主要包括子镜拼接精度检测系统和系统波像差检测系统, 这两种检测系统共用一组Φ300 mm平面反射镜, 为了实现平面反射镜的精密切换, 研制了一套基于通用P2级精密轴承的二维转台。首先, 对轴系进行了结构设计并详细说明了装配工艺; 然后, 构建了理论计算模型对所设计轴系精度进行了定量分析。结果表明, 俯仰轴系最大晃动误差为2.36″(PV), 方位轴系最大晃动误差为0.56″(PV)。最后, 利用傅里叶谐波分析方法对俯仰轴系、方位轴系进行了精度检测, 检测结果表明, 俯仰轴系最大晃动误差为2.5″(PV), 方位轴系最大晃动误差为0.6″(PV)。利用对径相加读数法对两轴垂直度进行了检测, 检测结果表明, 两轴垂直度误差为1.5″。测试结果验证了结构设计和理论计算模型的合理性。

为了实现对内置式永磁同步电机的高效准确控制, 解决电机运行过程中参数变化对控制性能的影响, 提出了一种基于在线参数辨识的内置式永磁同步电机最大转矩电流比电流预测控制方法。根据内置式永磁同步电机的转矩特性对最大转矩电流比的d-q电流最优关系进行化简以便于工程计算; 并针对电机参数变化对最大转矩电流比工作点偏移的影响进行了分析。同时, 对MTPA算法影响较大的关键参数q轴定子电感,转子永磁体磁链进行基于参考模型的自适应辨识, 以确保实时的最优d, q轴电流分配。在得到准确辨识的参数和最优电流指令的基础上进行电流的鲁棒预测控制, 使实际电流更快地跟踪指令, 提高系统的动态性能。实验结果表明: q轴定子电感, 转子永磁体磁链在线辨识的误差分别小于3%, 3.5%, 收敛时间小于20 ms; 电机能有效跟踪最大转矩电流比工作点, 电流响应时间小于30 ms, 能够满足内置式永磁同步电机系统稳定可靠、高效快速等运行要求。

针对当前制动主缸补偿孔检测效率低、精度低、成本高等技术现状, 提出了一种集光、机、电于一体的高性能精密检测系统, 分析了该系统所涉及的补偿孔几何中心位置检测误差并进行补偿。通过对误差来源的分析, 揭示了制动主缸补偿孔位置检测过程的误差解算方法。基于该解算方法, 利用增量式误差补偿方法构建了误差补偿模型, 并进行补偿孔检测与误差补偿实验。实验结果表明, 系统竖轴误差对补偿孔直径检测数据的影响较小, 而对补偿孔位置检测数据的影响则由补偿孔与基准面的相对位置决定。补偿孔与基准面距离越远, 误差越大。实验数据显示, 在型号为ZDZG-2064的被试件中, 被测补偿孔位置精度分别提高0.05 mm和0.254 mm; 在型号为ZDZG-222的被试件中, 被测补偿孔位置精度分别提高0.044 mm和0.072 mm。该误差模型及补偿方法能够有效提高制动主缸补偿孔的检测精度。

针对气体静压轴承在结构不合理或者工作参数选择不恰当时容易产生气锤失稳的问题, 开展基于相位致振的气体静压轴承气锤失稳机理研究。从气体静压轴承的工作气压与气膜间隙随时间变化的相位关系出发, 建立基于相位致振的气体静压止推轴承自激失稳理论模型, 分析气体静压止推轴承在发生气锤失稳过程中, 工作气压与气膜厚度的相位变化对应情况。理论分析和实验研究结果表明, 在气体静压止推轴承发生气锤失稳过程中, 工作气压与气膜厚度的相位不断变化, 并在相位差为180°时发生气锤失稳, 进而说明可以从相位角度解释气体静压轴承发生气锤失稳的原因。该研究进一步完善了气体静压止推轴承的自激失稳作用机理分析, 为气体静压轴承的气锤失稳的机理分析及其抑制提供了一种新的方法。

为推动旋转行波超声电机的发展及其在精密驱动领域的应用, 综述了其性能提升技术研究进展并分析了现阶段尚且存在的技术问题。首先, 从定子行波的合成、质点椭圆运动轨迹、接触界面的摩擦驱动等方面论述了传统旋转行波超声电机的运行机理。然后, 从结构优化和新材料应用角度综述了旋转行波超声电机的发展及其局限性; 从温升控制角度阐释了温度变化对超声电机性能的影响并介绍了现有解决方案; 论述了变预压力对谐振频率漂移的耦合影响, 并指出了目前研究存在的不足; 从双行波驱动角度分析了超声电机发展过程中的重大突破, 概况了其研究历程及可行的发展方向。最后, 归纳了旋转行波超声电机亟待解决的技术难题, 并建议了解决方案。

针对测速传感器故障情况下磁悬浮飞轮不平衡振动抑制所需的高精度的转速信息的提取, 提出了一种通过预先提取转子位移信号和转速信号构建BP神经网络模型, 从而通过位移信号实时估计转速的方法; 通过MATLAB/Simulink构建了磁悬浮飞轮系统模型, 以仿真得到的位移和转速数据训练出一个神经网络模块, 以此实时估计转速, 得到恒速和变速两种情形下的转速估计结果, 并与测速传感器获得的转速进行比较。仿真和实验结果证明, 该转速估计方法在恒速和变速时均估计效果良好, 实验估计误差不超过20 r/min。

存在于压电陶瓷全工作范围内的迟滞非线性特性, 往往会导致压电陶瓷执行器的系统精度下降、振荡, 甚至造成系统的不稳定。针对周期性的正弦输入信号, 提出一种基于分数阶算子的迟滞建模方法。首先, 在分析压电特性和分数阶算子特性的基础上, 采用结构简单参数少的分数阶算子来描述压电陶瓷的迟滞特性; 然后, 搭建了基于dSpace的压电驱动微位移定位实验平台; 最后, 将基于分数阶算子的迟滞建模方法应用于压电驱动微位移定位平台中, 对压电陶瓷的迟滞非线性特性进行辨识。实验结果表明: 采用基于分数阶的迟滞模型(FOM)比传统的Prandtl-Ishlinskii模型(PIM)及其改进的增强型Prandtl-Ishlinskii模型(EPIM)更有优势; 在低频段, FOM模型比PIM模型和EPIM模型精度略有提高, 但是在高频段, FOM模型比PIM模型和EPIM模型精度则提高显著。在输入频率为100HZ的情况下, 所提出的FOM模型较PIM模型的均方根误差(RMSE)值精度提高69.84%, 较EPIM模型的RMSE值精度提高68.88%。

狭小空间内pL级超微量点胶是胶接技术的难点, 针对这个问题, 开发了pL级超微量自动点胶笔。基于转印式点胶分液原理, 通过移液针穿过装有胶液的玻璃微管, 获取胶滴, 利用胶滴在点胶面上的转移分离, 实现超微量点胶。开发的点胶笔全长仅为65 mm, 最小分辨率0.24 μm/step, 最大行程7 mm, 点胶笔通过USB接口连接到上位机上, 可以实现对点胶过程的控制。通过大量实验, 研究了点胶笔的性能, 并将其应用到直径170 mm, 长度350 mm小空间密封腔内, 直径5~20 μm的微孔胶封上。实验结果表明: 开发的点胶笔, 装夹方便, 重复精度高, 即适用于覆盖式封孔, 也适用于插入式封孔。通过调整点胶笔移液针的种类、尺寸、移动速度和封胶方式, 可以在密闭小空间内, 压力环境变化的工况下, 实现微孔的pL级密封, 最小封胶量为4.4 pL, 满足工程需要, 为小空间内的封胶提供了有效技术途径。

为了精确地配准近平面场景下的红外-可见光视频序列, 本文提出了一种基于轮廓特征匹配的自动配准方法, 通过迭代匹配目标轮廓特征来解决异源图像中配准特征的提取和匹配难题。首先, 采用运动目标检测技术获取目标轮廓, 并由曲率尺度空间(CSS)角点检测算法提取轮廓特征点。此后, 建立全局形状上下文描述子和局部边缘方向直方图描述子描述特征, 从而实现可靠的特征匹配。来自不同时刻的匹配点对被保存在一个基于高斯距离准则的特征匹配库中。最后, 为了克服近平面场景中目标深度变化的影响, 本文结合前景样本随机抽样策略计算配准矩阵的损失函数, 完成对全局配准矩阵的更新。在LITIV数据库上对方法进行实验验证, 结果表明: 本文方法的配准精度优于当前先进的对比方法, 在9个测试视频上的平均重叠率误差仅为0.194, 与对比方法相比下降了18.5%。基本满足了近平面场景下红外-可见光视频序列配准的精度要求, 且具有较高的鲁棒性。

作为计算机视觉中的基本视觉识别问题, 目标检测在过去的几十年中得到了广泛地研究。目标检测旨在给定图像中找到具有准确定位的特定对象, 并为每个对象分配一个对应的标签。近年来, 深度卷积神经网络DCNN(Deep Convolutional Neural Networks)凭借其特征学习和迁移学习的强大能力在图像分类方面取得了一系列突破, 在目标检测方面, 它越来越受到人们的重视。因此, 如何将CNN应用于目标检测并获得更好的性能是一项重要的研究。首先回顾和介绍了几类经典的目标检测算法; 然后将深度学习算法的产生过程作为切入点, 以系统的方式全面概述了各种目标检测方法; 最后针对目标检测和深度学习算法面临的重大挑战, 讨论了一些未来的方向, 以促进深度学习对目标检测的研究。

针对遥感图像海面溢油区域通常受到斑噪声以及强度不均等因素的影响, 从而导致溢油区域监测效果较差的问题, 本文引入了深度语义分割的方法, 将深度卷积神经网络与全连接条件随机场相结合, 形成端对端连接。以Resnet结构为基础, 首先通过深度卷积神经网络对多源遥感图像粗分割并作为输入, 然后经过改进的全连接条件随机场, 利用高斯成对势和平均场近似定理, 建立条件随机场形成递归神经网络作为输出。通过多源遥感图像对海面溢油区域进行监测, 并利用可见光图像估计溢油区域面积。实验在所建立的多源遥感图像数据集上与其它先进模型进行对比, 结果表明本文方法提高了溢油区域的分割精度以及精细细节程度, 平均交并比为82.1%, 监测效果具有明显地改善。

特种视频(本文特指暴力视频)的智能分类技术有助于实现网络信息内容安全的智能监控。针对现有特种视频多模态特征融合时未考虑语义一致性等问题, 本文提出了一种基于音视频多模态特征融合与多任务学习的特种视频识别方法。首先, 提取特种视频的表观信息和运动信息随时空变化的视觉语义特征及音频信息语义特征; 然后, 构建具有语义保持的共享特征子空间, 以实现音视频多种模态特征的融合; 最后, 提出基于音视频特征的语义一致性度量和特种视频分类的多任务学习特种视频分类理论框架, 设计了对应的损失函数, 实现了端到端的特种视频智能识别。实验结果表明, 本文提出的算法在Violent Flow和MediaEval VSD 2015两个数据集上平均精度分别为97.97%和39.76%, 优于已有研究。结果证明了该算法的有效性, 有助于提升特种视频监控的智能化水平。

三维目标识别和模型语义分割在自动驾驶、机器人导航、3D打印和智能交通等领域均有着广泛应用。针对PointNet++未能结合三维模型的上下文几何结构信息的问题, 提出一种采用深度级联卷积神经网络的三维点云识别与分割方法。首先, 通过构建深度动态图卷积神经网络捕捉点云的深层语义几何特征; 其次, 通过将深度动态图卷积神经网络作为深度级联卷积神经网络的子网络递归地应用于输入点集的嵌套分区, 以充分挖掘三维模型的深层细粒度几何特征; 最后, 针对点集特征学习中的点云采样不均匀问题, 构建一种密度自适应层, 利用循环神经网络编码每个采样点的多尺度邻域特征以捕捉上下文细粒度几何特征。实验结果表明,本算法在三维目标识别数据集ModelNet40和MoelNet10上的识别准确率分别为91.9%和94.3%, 在语义分割数据集ShapeNet Part,S3DIS和vKITTI上的平均交并比分别为85.6%,58.3%和38.6%。该算法能够提高三维点云目标识别和模型语义分割的准确率, 且具有较高的鲁棒性。

为了解决延拓法对不同深度磁源的磁测数据进行分离时, 向上延拓高度确定困难以及延拓导致深源信号损失的缺点, 提出了在延拓法的基础上利用二维变分模态分解对磁性目标进行分离。首先, 利用最佳延拓高度估计法对磁测数据进行第一次分离, 得到分离后的局部异常与区域异常数据; 然后, 利用二维变分模态分解对分离后的浅源局部异常进行第二次分离, 该过程无需计算延拓高度, 能够自动对不同频率的磁测数据进行分离; 最后, 利用该方法对不同深度磁源进行识别, 通过将分离得到的磁异常Bz分量数据转化为磁梯度张量数据, 实现了对不同深度磁源的磁梯度张量数据进行分离, 获得对不同深度磁源的识别结果。实验结果表明: 实测中对小尺度磁性体组合磁源(高度差为26 cm)的分离数据与单目标观测数据的互相关系数在0.966 4以上。相比传统的延拓分离方法, 提出的方法的分离精度更高, 抗干扰能力更强。

为了解决神经网络前向传播过程中的硬件加速问题, 设计了一套基于FPGA编程工具Vivado HLS开发的AlexNet神经网络前向传播硬件加速系统。该系统能够确保在达到相关应用要求的基础上, 有效地节省开发时间并降低开发成本。系统基于高级计算机语言C++进行FPGA电路的仿真与开发, 同时, 灵活运用具有很高便捷性及可靠性的Vivado HLS中的PIPELINE和ARRAY_PARTITION指令进行系统优化。实验结果表明, AlexNet神经网络在本文所构建的FPGA加速系统上的运行时间为21.95 ms, 比在传统GPU平台上的运行时70 ms少, 运行速度要3倍以上。此外, 每一层的网络都实现了分开封装操作, 使系统可便捷地移植到其它成熟的卷积神经网络上, 加速了深度学习在各类人工智能系统上的应用, 在智能产业具有广泛的应用价值。

为实现光纤激光器径向偏振光的高效输出, 提出并搭建了基于液晶聚合物(LCP)的纳秒脉冲掺镱(Yb)主振荡器功率放大(MOPA)系统。该系统采用空间相位转换法, 利用LCP涡旋半波片将全光纤MOPA激光器输出的高峰值功率、窄线宽、线偏振、高斯形分布的纳秒脉冲信号转换为横向强度呈空心环状分布的拉盖尔-高斯光。MOPA激光器系统由窄线宽连续种子源、电光强度调制器和后续的5级YDF放大器组成, 通过实验获得了20.1 W的稳定LP01模输出。而后的LCP涡旋波片用作空间模式转换器, 最终获得的平均输出功率为19.5 W, 脉宽为10 ns, 重复频率为10 kHz, 横向剖面呈规则空心环形的径向偏振光输出, 模式转换效率可达97%。另外, 通过PBS测量法测得径向偏振光的模式纯度约为88.5%, 兼具高功率与高纯度的优势。