设计了一种适合集成的基于介质超表面的透射式光束偏转器, 可在1 550 nm附近的红外波段实现大角度偏转, 同时具有宽光谱、高效率的优势。根据广义斯涅尔定律设计并优化了光束偏转器的结构, 由横截面为梯形的非晶硅纳米柱周期性排列在石英玻璃衬底上构成, 相比于传统超表面采用多个纳米柱实现离散的相位梯度, 梯形纳米柱形成的连续相位梯度可以获得更好的偏转特性。利用时域有限差分算法对光束偏转器的效率、偏转角、宽光谱和入射角度依赖性等性能进行了仿真分析, 采用电子束光刻等工艺制备加工出上述器件并进行了测试。仿真结果表明: 偏转器在1 350~1 650 nm波段均具备良好的偏转特性, 平均透射率高于87%, 平均偏转率为81%; 器件在1 550 nm处实现了42.8°的大偏转角, 透射率为84%, 偏转率为80%, 且允许入射角度在-10°~5°变化。实验测试结果表明: 对于1 550 nm波长, 光束偏转角度在41°附近, 器件透射率约为76%, 约35%的入射光偏转到目标角度。上述方案为近红外超表面器件的设计提供了新的思路, 实现了效率、偏转角和适用波长的优化, 透射式光路更加适合集成, 应用潜力更大。

为了分析青藏高原地区甲烷浓度的垂直分布, 本文采用腔衰荡光谱技术(CRDS)设计了一套高灵敏度的球载甲烷浓度实时测量系统, 该测量系统在基于DSP的单板电路上实现腔模锁定、衰荡信号采集、光谱扫描、数据存储等功能并在DSP上实时处理衰荡信号、光谱信号和浓度等数据。本文首先介绍了CRDS测量原理与采用的光谱处理算法, 通过固定高斯线宽的方式改进光谱拟合算法, 使得浓度计算结果得到明显提升。然后, 分析了电路系统采集的衰荡信号与光谱信号, 采集的衰荡信号信噪比达62 dB, 并在实验室使用标准气体进行了标定试验, 标准气体的测量值标准差σ最大为2.2×10-9, 测量值的均方值RMS和标准气体标称值之间的校正可决系数为0.998 7。最后, 系统进行了实际试验, 在西藏鲁朗地区成功实现了从海拔3 340 m到海拔6 000 m的上升和下降过程中甲烷浓度的测量。该系统可以通过改变激光波长与光腔反射镜测量其他大气痕量气体, 进一步改进与优化的系统可以应用到大气同位素丰度的测量中。

体异质结聚合物太阳能电池是很有前途的替代化石能源进行能量转换的光伏技术。合成新材料、优化器件结构以及界面工程等方式都能有效提高聚合物太阳能电池的能量转换效率。本文从材料选取、界面掺杂以及界面修饰三个方面阐述界面工程在聚合物太阳能电池中的应用。界面修饰能够促进载流子的产生和输运, 证明界面工程对于提高电荷提取效率、钝化表面缺陷和提升电导率等具有重要意义。

激光干涉测量技术作为超精密测量的重要手段, 为实现亚纳米级测量分辨力, 通常对干涉周期信号进行数百倍甚至上千倍的插值细分, 引入分辨力有效性问题。本文基于涡旋光束的螺旋相位特性, 搭建高精度共轭涡旋光干涉位移测量结构, 将被测直线位移量与干涉图案绕中心旋转角度建立线性传感关系。信号采集与处理中基于干涉信号特点, 结合高速光电探测器进行干涉图案周期计数与相机进行低速干涉图案图像细分, 对干涉图案自身进行空间等角度细分, 有效降低后继周期信号的细分倍数并提高测量分辨力可靠性, 以保证涡旋光干涉信号实时处理系统的亚纳米量级测量精度。搭建涡旋光束拓扑荷数为4的干涉测量实验测试系统, 理论上干涉图案旋转1°对应的被测位移量为0.88 nm, 设计基于LabVIEW的信号实时采集和处理系统并进行测量分辨力测试与误差分析, 在实验室条件下分辨力优于0.5 nm。

月球作为光谱特性稳定、光强在探测器动态范围内的理想定标源, 利用月球进行卫星在轨对月定标是提高辐射定标效率、监测探测器成像稳定性的重要手段之一。针对低轨高分辨率遥感卫星, 提出了一种姿态机动对月定标方法, 包括对月定标时机选择、对月定标卫星姿态规划以及载荷成像参数选取等技术。并基于某在轨运行的低轨光学遥感卫星成功开展了15次对月定标实验, 卫星姿态角速度为0.06 (°)/s, 载荷积分时间为0.293 8 ms, 月相角覆盖-79.872°~89.236°。实验结果表明, 卫星姿态实际执行情况符合设计的对月定标卫星姿态规划流程, 且该对月定标方法具有很高的观测效率, 仅耗时1 500 s, 不会影响卫星正常的对地观测任务; 地面获取的15幅月球图像纹理清晰、稳定, 对月空间分辨率优于1.18 km, 图像DN值分布层次感较好; 计算得出的月球辐照度分布趋势与国际上ROLO(Robotic Lunar Observatory)模型公布的趋势一致。实验结果验证了提出的对月定标方法的正确性及合理性, 同时实现了中国首次低轨高分辨率遥感卫星姿态机动对月球多月相角观测, 可为长期监测卫星探测器的成像稳定性和大量积累对月定标数据、建立中国自主可控的月球辐射模型提供可靠依据。

为了制备出压电性能良好、c轴择优生长的氮化铝钪压电薄膜, 本文利用脉冲直流反应磁控溅射法制备了几组氮化铝钪薄膜, 通过控制变量, 并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和压电系数测试仪等测试设备, 研究了气体流量、功率、衬底温度、缓冲层结构以及掺钪对薄膜结晶质量及性能的影响, 优化了工艺参数。结果表明, 相比于钛铂缓冲层, 使用氮化铝/钛/铂缓冲层制备薄膜, 可以使摇摆曲线半高宽由2.62°降至2.38°。然后, 对钪掺杂机理进行了简单分析, 本文所制备氮化铝钪薄膜的纵向压电系数d33高达-10.5 pC/N, 是纯氮化铝压电系数的1.9倍, XRD图谱及SEM图像表明, 在该掺杂浓度下, 压电系数的提高主要是通过钪掺杂产生的晶格畸变引起, 而非改变了晶体结构。

为了解决由于检测技术原因而导致的医用蒸汽灭菌器温度监测执行率低、设备合格率低等问题, 设计了基于光纤布拉格光栅的医用蒸汽灭菌器温度监测系统, 对整个灭菌过程中温度监测的可行性、精准性和可靠性进行了研究。根据医用蒸汽灭菌器温度监测的相关标准, 运用波分复用技术设计了光纤光栅串传感器件。接着, 基于光纤光栅串传感器件搭建了相应的温度监测系统, 并对整个灭菌过程进行了实时温度监测。最后, 通过分析灭菌过程中各阶段温度随时间的变化, 有效灭菌温度下的灭菌时间, 灭菌器空载、半载及满载腔内各点之间的最大温度差, 来验证该检测系统的性能。监测结果准确地给出了灭菌器灭菌过程中各阶段温度随时间的变化, 所测灭菌器的有效灭菌时间为7.8 min, 空载时腔内各点的最大温差在2 ℃以内, 而满载时可达4.5 ℃。此系统的温度测量范围、分辨率及精度, 时间记录精度及数据存贮能力均达到国家及行业标准要求, 并具备多点监测成本低及可进入狭小区域监测等突出优势。

为了实现球面栅网零件几何要素的精密测量, 快速筛选出满足电子光学设计要求的合格零件。对测量设备与附件的特点、零件的设计要求、加工工艺带来的常见超差问题进行研究。根据零件的测量要素, 从测量效率和精度的角度考虑, 选择了加装激光辅助对焦系统的影像测量仪。编写了自动测量程序, 自动将粗定位定向转为精准定位定向, 完成了零件全部几何要素的自动测量。针对“大半径、小圆弧”的测量难点, 进行了量化分析和计算, 得出了曲率半径测量结果不确定度的计算公式。最后, 讨论了测量不确定度的来源, 提出了抑制各误差源的方法。实际应用时, 利用上述影像仪完成了栅网零件的曲率半径SR、栅网球面的面轮廓度、环向栅丝同心度、径向栅丝圆分度α、全部栅丝宽度WR和WC、端面外径及其圆度、端面平面度的自动精密测量。测量时间约为传统方式的2/3, 测点数量达2 094个, 远高于手动测量方式。

为了精确测量加工、夹持、装调等工艺引起的晶体摇摆曲线的微小变化, 建立了高分辨的在线检测系统。研究了同步辐射实验配置对晶体摇摆曲线的影响。首先利用DuMond图解法定性分析了不同实验配置中光束带宽和角发散的影响, 根据DuMond图解结果和X射线晶体动力学衍射理论, 推导出晶体摇摆曲线宽度的经验公式。然后研究了同步辐射在线检测系统提升角分辨率的方法, 利用高指数面的Si(333)切槽晶体、Si(775)定能量分析晶体抑制光束的带宽和角发散, 调制出高分辨的检测光束。最后在上海光源X光学测试线搭建了检测系统, 测量了Si(111)晶体摇摆曲线并验证了经验公式。实验结果表明, Si(111)晶体摇摆曲线半高宽的测量值4.79″@12.763 keV, 与动力学衍射的理论值4.70″差值在2%以内, 可满足晶体摇摆曲线微小变化的检测需求。

针对激光烧结导电线路内部会产生大量气孔阻碍导电性能进一步提升的问题, 通过单因素试验研究工艺参数对导电线路形貌变化的影响规律, 明确导电线路的烧结特性后提出了变参数的烧结方法来抑制气孔成形。该方法首先依据烧结导电线路时发生的形貌变化来选取满足条件的烧结参数, 然后通过单因素试验确定最优烧结方式, 最后检测最优方式烧结后导电线路的气孔情况和微观组织来验证和分析该方法的有效性。结果表明, 激光功率显著影响导电线路的形貌变化, 低功率烧结时导电线路体积收缩, 高功率烧结时导电线路体积膨胀, 基于导电线路烧结特性形成的最优烧结方式不仅能够有效抑制气孔成形, 而且提高了35.6%的导电性能。该研究基于烧结工艺方法来获得气孔较少、导电性能良好的导电线路, 对电子产品中成形质量优良的导电线路具有积极意义。

高精度微结构玻璃光学元件在光学系统、精密测量、微流控芯片等领域的应用日趋广泛, 而阵列模压成形技术是生产玻璃光学元件最具革命性的制造技术, 具有高精度、无污染、净成形、低成本等特点, 可望实现高精度微结构玻璃元件的低成本和稳定性量产。本文介绍了微结构玻璃光学元件阵列模压技术的优势及应用需求, 综述了国内外近年来利用阵列模压技术制造微结构玻璃光学元件的重要研究进展, 包括模具材料及加工技术、玻璃材料及热力学特性、阵列模压过程有限元仿真及模压工艺试验、微结构玻璃元件质量检测技术等。重点阐述了微结构光学元件制备过程中在模具材料、镀膜材料、模具加工设备及工艺、阵列模压仿真与成形工艺等方面所取得的新成果和面临的技术难题。最后, 对微结构玻璃光学元件阵列模压成形制造技术的发展趋势进行了展望。

为了实现高敏捷、高精度探空火箭箭头平台的分布式探测功能, 设计了载荷气动式分离释放装置。对该装置的模块化便捷式装配、高可靠夹紧与高精度分离兼容性设计、大范围推力连续覆盖等进行了研究。首先, 将箭头平台总体任务需求分解为夹紧固定、可靠释放等设计输入, 完成具有锥形高精分离、尺寸微调、非均等接触等特点的装置总体设计方案。接着, 以现有工业元件冲击薄形气缸货架产品为主, 进行满足功能性低成本选型优化设计。然后, 针对装置总体设计方案, 对串联式薄形气缸驱动分离释放装置进行地面原理样机功能性验证试验。最后, 通过对装置运动学模型数值仿真模拟, 得出满足分离精度的工程实际装配误差参考数值5 mm。结果表明: 该装置可在实际气压作用下正常分离释放, 且具备优于0.05°的分离释放精度。基本满足箭头平台载荷高精度空间分布式探测需求, 且分离精度可依实际再行提高。

音圈电机驱动的快速反射镜在传统控制方法下具有严重的相位滞后, 限制了其性能。针对这一问题提出了一种完全跟踪控制方法(Perfect Tracking Control, PTC)。首先, 建立音圈快速反射镜系统离散状态空间模型, 构建多速率采样系统, 对长周期采样控制环节设计完全跟踪控制器; 然后, 对短周期环节设计基于离散滑模变结构控制的内回路补偿控制器。新方法实现了音圈快速反射镜对指令的完全跟踪, 并有效补偿了外部扰动、模型不确定性以及机械非线性等因素对系统性能的影响, 保证了系统的鲁棒性。实验结果表明: PTC控制实现了系统工作频带的扩展, 与传统PID控制相比, 系统的阶跃响应调节时间缩短50%, 静态位置波动峰峰值减小50%; 与基于干扰观测器和零相差跟踪控制器的方法相比, 系统的位置稳态误差由1.5%减小到0.05%。采用新方法的音圈快速反射镜对幅值360″的正弦位置指令跟踪的双十带宽达到375 Hz, 有效改善动态性能, 拓展控制带宽。

针对低成本MEMS惯性传感器航向角的累积漂移误差和传统磁场校准方法使用不便等问题, 提出一种基于动态磁场校准的九轴惯性融合方法。首先, 通过旋转矩阵建立陀螺仪与磁力计的关系, 利用扩展卡尔曼滤波对陀螺仪数据和磁力计数据进行融合, 实现对磁力计的动态实时校准; 然后利用互补滤波思想, 着重考虑了自由加速度和磁场环境突变的情况, 定义了各自的信赖函数, 对PI控制器做出了改进; 最终获得高稳定性的惯性传感器的姿态角。在传感器采样率为100 Hz, 运行时长约为11 min, 旋转圈数为117圈时, 航向角的漂移为0.42°, 与商用的惯导模块算法相比减小了149°, 实现了数量级的改进。实验结果表明, 通过陀螺仪动态校准磁场能有效改善传统椭球拟合算法对校准数据要求高的缺点, 提出方法基本可以做到实时, 用户无需做特定的绕“8”字动作, 即可完成磁场校准; 对互补滤波算法进行了改进, 基本消除自由加速度对姿态角解算的影响。提出方法在控制减小航向角漂移上有很大优势, 同时满足校准便捷、适用场景多样等要求, 在低成本MEMS惯导领域有广阔的应用前景。

注塑齿轮生产效率高、批量大, 而传统的人工检测效率低、精度差, 为确保产品质量和生产效率, 研发了一种面向生产现场的注塑齿轮快速分选检测系统。该系统耦合在生产线上, 利用传送带上料、玻璃转盘传送、气动装置分选; 利用工业相机采集被测齿轮图像, 采用机器视觉的方法测量齿顶圆直径、中孔直径、同心度等基本参数, 并与其公差范围进行对比, 判断产品质量; 通过图像分割、边缘提取、特征提取、缺陷判别等方法, 对缺齿、黑点、披锋等表面缺陷进行检测; 最后, 该系统根据检测结果进行良次品分选, 具有快速、在线、自动化、非接触等特点。试验结果表明, 该系统测量重复性≤0005 mm, 检测速度大于150个/min, 缺陷判别及分选功能准确无误, 且长时间运行稳定。该系统可以满足注塑齿轮生产现场大批量、高效率、高可靠的分选检测需求。

针对现有水下超声波水位测量方法精度偏低, 无法满足水工物理模型实验测量需求的问题, 分析了水下超声波水位测量误差来源和误差量级, 综合考虑水声速与渡越时间对测量精度的影响, 提出了一种水下高精度超声水位测量方法。首先, 分析了超声波换能器间隙误差对声速测量精度的影响, 提出了间隙误差计算方法, 从原理上消除了水体环境变化对水位测量精度的影响; 其次, 基于超声波回波信号的包络形态不变原则, 采用归一化包络时差法检测超声波渡越时间, 并给出了离散数值计算算法流程, 以减小信号衰减特性的渡越时间检测的影响。理论分析表明, 该方法能从水声速和渡越时间两方面同时减小水位测量误差。为了验证本方法的可行性, 开发了实验样机, 并进行了计量检定实验, 实验结果表明, 在400 mm量程范围内, 水位测量误差小于0.1 mm, 满足水工物理模型实验高精度水位测量需求。

提出了一种可实现一维移动和二维转动(1T2R)且含有冗余支链的三自由度并联机构, 基于该机构设计了一种新型的海浪发电装置。对装置的浮子进行了运动学分析, 定量分析了浮子形状和尺寸对波浪能量采集效率的影响。推导了机构的位置反解, 建立了机构的速度、加速度映射关系, 并进行了运动学仿真。分析机构的工作空间, 针对海浪发电装置的实际应用情况定义了运动学性能评价指标, 绘制了工作空间内的性能指标分布图。研究结果表明: 圆柱体浮子适用于波浪周期变化较小的海域, 球形浮子适用于波浪周期变化较大的海域, 机构的工作空间满足海浪发电装置浮子的运动要求, 且在工作空间内运动学性能良好。该研究为本机构的动力学分析、结构尺度优化及样机研制提供了理论基础。

为了提高激光跟踪仪多测站测量数据平差结果的精度, 研究了抗差马氏光束法平差模型。在传统光束法平差(TBA)模型的基础上, 引入马氏距离, 将平差准则由原来的“使观测值改正数加权平方和最小”改造为“使观测值到加权平均值的马氏距离平方和最小”, 并在计算加权平均坐标时对粗差观测值进行剔除, 建立了抗差马氏光束法平差(RMBA)模型。仿真试验中, 用MATLAB模拟了4个测站观测12个控制点的观测值, 结果表明RMBA模型的解算结果优于TBA、文献［22］方法和SA软件的解算结果, 与仿真坐标的偏差均方根为0.031 mm。在模拟观测值中加入粗差后, RMBA模型表现出了优良的抗差性。实测试验中, 以上海光源实验大厅100 m范围内4个测站观测42个控制点的数据为例, SA软件的平差结果的点位中误差为0.05 mm, RMBA解算结果与SA结果的三维坐标偏差均方根为0.07 mm。结果表明: RMBA模型具有一定的抗差性, 坐标解算精度优于TBA模型和文献［22］方法, 与SA软件的解算精度在同一量级。

为了提高卫星星上资源利用率及集成度, 实现对卫星星上资源的充分利用, 综合考虑体积、质量及功耗等多方面限制及要求, 提出一套基于可重构系统的微纳卫星综合电子系统方案。该方案提出利用分布式专用模块及通用中心处理器提高卫星系统功能集成度, 在不降低整星系统可靠性的基础上减少电路设计冗余。首先, 通过选用双高性能CPU冷备份, 配合外部电路设计, 实现了高可靠性高性能计算功能; 其次, 通过标准化系统总线, 将电源及热控, 姿态轨道控制, 载荷管理等功能模块中的专用电路与计算处理控制功能解耦, 将其中的计算控制功能通过综合电子CPU软件重构的方式实现; 最后设计并研制了一台功能样机, 重量约为0.2 kg, 功耗小于2 W, 系统计算能力大于220 DMIPS, 具备双CPU冷备份功能, 满足微纳卫星低功耗较高可靠性的要求, 同时该样机可通过通用系统总线扩展不同功能, 实现在各种微纳卫星中的应用。

为了快速获取微孔式数字PCR芯片清晰的荧光图像, 解决传统方法针对微尺度阵列单元自动对焦存在的计算量大, 耗时长等问题, 建立了基于像素个数随离焦距离变化特征模型的自动对焦方法。依次取3个彼此间隔相同距离的微孔式数字PCR芯片的荧光图像, 通过自适应窗口选取与阈值计算, 统计窗口区域内大于阈值的像素个数, 代入特征函数计算离焦距离, 并通过统计出的3个位置的像素个数值判断离焦方向, 继而进行对焦。该方法仅需统计13×13个像素大小的对焦窗口中灰度大于阈值的像素个数, 且完成对焦仅需4步, 对焦结果完全满足后续计算的清晰度要求, 与传统爬山方法相比, 对焦步骤数平均减少了51.89%, 实现了微孔式数字PCR芯片的准确快速对焦。本文提出的自动对焦方法克服了现有算法计算量大、对焦步骤繁琐的缺点, 预测准确、速度快, 最大程度上减少样本曝光时间, 进而减少荧光的淬灭, 为后续计算提供更为原始且精确的图像。

针对图像匹配实时性受限的问题以及在图像投影拼接中出现的重影的问题, 提出了一种改进尺度不变特征变换(SIFT)快速图像拼接和重影优化算法。该算法通过图像之间共享信息量的相似性进行特征点的区域划分, 利用SIFT算法对相似重合区域进行特征点的检测以及提取, 减少无用区域的算法运算时间; 在图像拼接的阶段, 通过特征点计算投影矩阵, 并进行粗投影, 再根据特征点所在区域密集程度, 通过最佳拟合变换对特征点密集区域进行二次投影拼接, 减少拼接图像出现重影的问题。实验结果表明, 该算法与传统的SIFT算法相比, 在特征点提取效率提高了大约58%。在图像拼接结果上, 通过客观评价指标进行比较提高大约10%。

三维多孔结构是内窥镜在医疗外科手术和工业检查领域常见的一种场景, 然而内窥镜成像分辨率低, 其应用场景纹理特征弱、噪声大, 这导致应用传统的从运动中恢复结构(SFM)算法进行多孔结构的三维重建和定位难度大, 可行性低。为此, 本文提出了一种面向低分辨率单目内窥镜图像序列的三维多孔结构重建方法。首先将基于加权引导滤波的图像增强算法应用于内窥镜图像纹理细节的提升; 接着利用快速行进(FMM)算法去除漂浮杂质; 然后提出了一种检测离群点对的方法用于优化特征点匹配结果, 通过SFM计算获得稀疏点云; 最后针对本文研究的多孔结构, 提出了一种基于模板匹配和最小二乘拟合的孔洞三维结构提取方法。实验结果表明: 多孔球面上的重建结果中孔间距和孔直径的相对误差均小于10%, 真实肾结石手术场景上的重建与实际相符, 验证了本文整体算法流程的有效性、准确性和可行性。

为了降低智能手机PCBA电路板元件反光特性对图像灰度产生的干扰, 提高边缘连接的完整度, 减少伪边缘的数量, 本文对传统的canny算子进行改进, 用于提取智能手机PCBA电路板的边缘信息。首先, 兼顾滤波器去噪与梯度保持特性, 使用改进的具有“动态”惩罚因子的引导滤波器替代高斯滤波器, 减少边缘点的丢失。然后, 使用近邻域局部自适应阈值法取代传统双阈值法, 用于解决元件稠密区域存在灰度变化频繁背景与目标差异较小而导致阈值分割不准确的问题。实验结果表明, 当滑动窗口保持在19大小时, 具有最好的阈值分割效果, 伪边缘数量降到最低。本文方法处理后的图像, 拥有更完整细化的边缘, 伪边缘数量大大减少, 局部元件稠密区域, 边缘细节得到保留, 符合像素级手机PCBA电路板的边缘检测精度要求。