提出一种垂直扫描白光干涉信号的计算机快速模拟方法。该方法考虑到白光光源光谱分布及垂直扫描干涉系统对白光干涉信号的影响, 通过正弦函数多项式拟合的方式减少模拟算法的运算量, 消除了现有方法中数值积分运算量大, 不便于实际分析的缺点。采用白光LED作为光源, 用该方法对白光干涉信号进行模拟分析, 并用直接数值积分信号模拟结果与白光干涉垂直扫描测量装置获得的实测信号进行对比, 验证了该方法的准确性。

实时监测变压器绕组温度, 可解决变压器在运行过程中因绕组温度过高而造成的寿命减少、设备损坏等问题。使用绝缘纸做成的层压板对光纤测温触头进行封装, 将测温触头安装在变压器绕组上。当绕组温度发生改变时, 测温触头中的光纤Bragg光栅中心波长将产生移位。温度响应实验表明, 光纤Bragg光栅温度传感器的线性度为0.79% FS; 温度灵敏度为8.91 pm/℃, 重复性误差1.76%FS。绕组测温实验结果表明, 环境温度为15 ℃时, 在75V电压下, 90min后, 绕组温度稳定在24 ℃～25 ℃之间在; 100V电压下, 105 min后, 绕组温度稳定在32 ℃～33 ℃之间。

综述了目前光学玻璃模压成型技术状况, 介绍了用于模压玻璃材料特点、材料参数的温度相关性及其在模压过程中所表现粘弹性力学特性, 探讨了用于玻璃模压仿真中一些理论模型, 包括力学模型、热传递、结构松弛模型及接触模型, 并对模压仿真技术的应用情况进行了简要归纳与总结, 并对未来发展方向进行了展望。

大口径凸非球面检验是非球面镜制造领域的难题之一。结合项目中一块相对孔径F/0.75, 口径为332mm凸抛物面副镜的研制实例, 在分析传统检验方法优缺点及适用性后, 针对性地提出了一种类Offner透射补偿检验的新方法。基于三级像差理论出发求解其初始结构, 使用Zemax软件分析与优化, 从设计结果上看, 此方法补偿精度很高, 有效地补偿了非球面的法线像差。用蒙特卡洛方法分析给出公差分配方案, 并研制出类Offner透射补偿器, 用于凸抛物面镜的面型检验, 表明此检验方法是完全可行的。实际加工完成后, 用4D干涉仪检测镜面的面形精度达到RMS=0.0183λ优于λ/50(λ=632.8nm)。

对因大气湍流引起的退化图像复原问题, 采用Tikhonov 正则化方法将其归结为一个适定的线性方程组的求解问题。当图像边界满足周期性条件时, 利用二维离散傅里叶变换及其逆变换即可求得复原图像。在求解方程组中, 利用L-曲线准则确定出能够平衡正则化函数和偏差函数的正则化参数, 以得到较为理想的复原结果。仿真结果表明, 当降质图像的噪声方差不是很大时, 该方法能够得到较好的复原效果。

在奶牛体况自动评分领域的研究中还没有规范、统一的图像库和特征选取标准, 评分准确率较低。针对上述奶牛体况自动评分研究的不足, 提出了基于核-主成分分析(Kernel-PCA)的奶牛体况评分方法。首先利用霍夫变换(Hough Transform)提取奶牛尾部区域图像, 然后利用图像分块去除奶牛表面的黑白花, 最后采用核-主成分分析算法进行体况识别评分。实验结果表明, 利用该方法能够制作一个科学、有效的奶牛体况评分图库, 并且能够在一定误差范围内对奶牛体况进行自动评分。

研究了人眼在不同观察时间下的亮度对比度敏感函数。从CIE规定的颜色中心中分别选取中性灰和橙色作为图片背景, 并得到不同空间频率的矩形条纹图片。根据心理物理学的极限法进行视觉评价, 测得在两个背景三种典型适应观察时间下人眼的亮度对比度敏感函数。比较了中性灰和橙色背景下人眼亮度对比度敏感函数数据, 并拟合得到在不同背景及对比度适应时间下的亮度对比度敏感特性曲线。结果表明, 当观察时间相同时, 橙色背景的亮度对比敏感函数值比中性灰背景的亮度对比度敏感函数值小; 随着人眼对条纹观察时间的延长, 人眼亮度对比度敏感函数的峰值及其对应的空间频率也随之增大, 与背景颜色无关。

采用数字傅里叶分析方法进行MTF测试, 图像传感器引入的噪声会改变图像的频谱信息, 造成LSF及MTF的测试误差。研究了噪声均值和方差对标准透镜频谱曲线的影响, 提出了基于高斯拟合的LSF曲线噪声抑制方法, 根据引入噪声标准透镜频谱曲线修正其对测试精度的影响。数学仿真结果表明, 采用噪声抑制方法, MTF的计算误差小于3%。

光学雨滴谱测量仪能够实时监测雨滴直径分布、雨滴降落速度等气象参数, 可应用于气象研究、环境监测、农业安全预警等领域。采用红外LED光源和线阵CCD, 搭建了雨滴谱测量光路, 并用水滴代替雨滴, 演示测量了通过采样空间的水滴的直径和速度, 验证了雨滴参数光学测量的可行性。实验中发现当较大雨滴紧贴CCD窗口通过采样空间时, 液体透镜效应十分明显, CCD对应区域的光强增强, 与通常的遮挡现象正好相反, 因此在后续的程序处理中需妥善处理这类异常信号。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS), 设计了气体浓度二维分布重建系统。将单路可调谐激光分为24路, 交叉穿过目标区域, 得到24组直接吸收信号(DA), 并采用代数迭代法(ART)计算得到目标区域气体浓度二维分布。搭建了二维气体浓度分布测量试验台, 利用中心波长在1.653μm的DFB激光器作为光源, 选取HITRAN 数据库CH4的2v3带R(3)线作为计算谱线进行数值模拟和试验验证, 并对重建结果进行了误差分析。结果表明重建系统能很好的实现气体二维浓度分布重建测量。

根据大型结构全尺度分布式高精度温度测量要求, 组合应用布里渊时域分析(BOTDA)技术和光纤布拉格光栅(FBG)温度传感技术, 设计了一种由BOTDA分析仪、FBG解调仪、共线传感探头和光开关组成的温度传感测试系统。实验测试证明, 该系统具备大范围分布式温度测量与局部高精度温度测量功能, 而且实现了BOTDA测温技术与FBG温度传感技术的有效互补, 解决了测量范围和测量精度的矛盾问题, 并且具有良好的温度重复性, 达到了预期的设计要求。该共线测试技术方案在大规模结构温度监测中具有广阔的应用前景。

数字散斑相关方法在亚像素测量过程中运算量大, 在对实时性要求较高的系统中该方法的应用受到了限制。提出了一种原理简单、搜索速度快、精度高的预测搜索算法, 介绍了预测搜索算法的原理, 并给出预测位移的公式。通过实验验证了对算法的精度、效率和鲁棒性, 说明对数字散斑相关方法进行优化后, 既不损失亚像素位移的计算精度又提高了图像处理的效率。

通过optiFDTD模拟软件对二维椭圆柱构造的正方格子光子晶体的禁带特性进行了数值模拟。分别研究了在空气中椭圆介质(Ge,Si,GaAs)柱和在介质(Ge,Si,GaAs)中椭圆空气柱构造的二维正方格子光子晶体中椭圆柱的横轴半径和纵轴半径的大小,以及椭圆柱的不同旋转角度对光子禁带的影响; 并计算出了在上述两种情况下的空气和介质中的最优结构参数。

反射镜是光谱相机的关键元件, 为保证在复杂环境下的成像质量, 有必要对其进行研究分析以验证结构设计的可靠性。针对反射镜在工作中的面形变化及结构的动力学性能, 应用有限元分析软件MSC.Nastran对反射镜部件进行了静力分析及随机振动分析。计算结果表明, 装配时压紧力对反射镜面形变化影响明显, 可根据计算结果指导装调; 随机振动分析结果表明, 反射镜部件结构设计可靠, 符合结构破坏的3σ原则, 能够满足成像对反射镜位置精度和面形精度的要求。

为满足目标面上均匀照明的需求, 设计了一款自由曲面透镜。根据LED光源的发光特点, 结合光学成像的特性, 非成像光学原理和能量守恒定理, 推导出实现光能量在目标面上均匀分布的自由曲面面形的微分方程, 采用matlab的ode算法求出面形上的离散坐标点, 对离散坐标点拟合后得到透镜模型, 通过光学模拟仿真软件对透镜模型进行光线追迹。结果表明, 配光角度为80°的透镜, 透镜的口径与光源发光面宽度之比大于等于9时, 目标面上的照度均匀性大于0.9, 光能利用率约为85%。该设计方法可以快速精确地设计出所需的透镜, 而且透镜结构紧凑, 单颗就能实现均匀照明, 有利于LED光源照明系统的小型化。

利用基于压电效应的光声技术, 研究了ITO薄膜在可见光波段的吸收特性, 并与分光型光学薄膜分析系统NKD8000测得的数据进行了比较, 得到了一致性较好的结果。实验证实: 在可见光波段, 该ITO薄膜的吸收率随波长呈非线性变化, 在450nm附近吸收最强, 随着波长的增加逐渐减小, 在514.7nm处接近于零, 之后又缓慢增大。

为完成大幅面静态图像的采集, 设计了基于多传感器阵列的大视场成像系统。提出了一种改进的基于SIFT算子的图像匹配方法对采集的图像进行匹配, 有效地降低了误匹配率。推导了目标视场角与图像间重叠区域的关系以及成像平台参数和图像间重叠区域的关系, 用于计算图像间的重叠比例, 并只在重叠区域内进行特征点的定位、图像的匹配及拼接, 有效地缩短了图像拼接时间。提出了一种改进的重叠区域渐入渐出融合算法对图像进行融合, 得到了理想的融合效果。

基于图像高频信息的标定方法, 从单轴的电机步长和聚焦系统的机械回差角度进行标定, 同时结合不同聚焦函数的特性, 进一步讨论和探索视觉系统的标定方法。利用倾斜载片聚焦位置的改变, 测量电机步长。通过测量两聚焦函数的移位差得到机械回差, 两聚焦函数分别从高到低或者从左到右接近电机, 然后返回到起点得到的。通过与测微仪得到的实验数据进行比较, 表明该标定方法有效地避免了误差的影响, 效果好, 精度高。实验证明该标定方法具有的优越性。

提出了一种新的白光数码管封装技术, 围绕新封装技术中荧光粉厚度是否能保持相对均匀、稳定。对新封装技术制备样品的性能进行测试, 并与传统以环氧树脂为配粉胶的白光数码管进行了比较。分析实验数据表明, 采用点胶技术研制的白光数码管, 各笔段荧光粉层厚度保持着相对的均匀和稳定, 笔段间的发光强度误差较小; 在相同的测试环境下, 光通量的衰减程度比传统白光数码管要慢, 由于硅胶良好的导热性, 点胶技术白光数码管对环境的适应性更强。研究表明点胶技术白光数码管作为一种新的封装技术比旧方案更优越。