PolSAR(Polarimetric Synthetic Aperture Radar)图像分类的传统方法在前期需要对数据进行特征提取, 涉及较多的人为参与, 且分类精度有待进一步提高。此外, 在采用监督分类方法时, 某些地物存在小样本问题, 针对这些问题并结合PolSAR图像精细分类的需求, 提出基于3D卷积神经网络的PolSAR图像地物精细分类方法, 将传统卷积神经网络扩展为三维并将其应用于PolSAR图像分类中, 利用PolSAR数据多通道特性, 充分挖掘数据中的信息, 提高分类性能, 并采用虚拟样本扩充的方法改善某些地物的小样本情况, 获得更好的分类结果。实验结果表明: 3D卷积神经网络较2D卷积神经网络在PolSAR图像地物精细分类中有较好的性能, 且虚拟样本扩充方法能够有效改善小样本分类问题。

近年来, 深度学习以其强大的非线性计算能力在目标检测和识别任务中取得了巨大的突破。现有的深度学习网络几乎都是以数据的欧氏结构为前提, 而在计算机视觉中许多数据都具有严格的流形结构, 如图像集可表示为Grassmann流形。基于数据的流形几何结构来设计深度学习网络, 将微分几何理论与深度学习理论相结合, 提出一种基于Grassmann流形的深度图像集识别网络。同时在模型训练过程中, 使用基于矩阵链式法则的反向传播算法来更新模型, 并将权值的优化过程转换为Grassmann流形上的黎曼优化问题。实验结果表明: 该方法不仅在结果上识别准确率得到了提高, 同时在训练和测试速度上也有一个数量级的提升。

为提高电气设备红外故障图像识别准确率, 提出了基于双监督信号深度学习的电气设备红外故障图像识别方法。首先, 使用Slic超像素分割算法合并相似像素成区域块; 其次, 根据改进后HSV空间的亮度信息判别设备温度异常区域, 进而分割出温度异常区域所在的连通区域及所对应的设备; 最后, 基于GoogLeNet卷积神经网络对电气设备红外故障图像进行特征提取, 再采用softmax 损失和中心损失两种监督信号对提取的特征进行监督训练, 并自行建立700幅电气设备红外故障图像数据集, 其中500幅用于训练, 200幅用于测试。实验结果表明: 使用双监督信号深度学习算法测试准确率达到98.6%, 比单独使用softmax损失时准确率提高了1%。该算法能够对变压器套管、电流互感器、避雷器、隔离开关、绝缘子5种电气设备及其对应故障精准定位、识别。

针对现有的图像质量评价方法普遍为人工设计特征, 难以自动且有效提取到符合人类视觉系统的图像特征, 受人眼视觉特性的启发, 提出一种新的基于卷积神经网络的全参考图像质量评价方法(DeepFR)。该方法基于对数据集本身的学习设计了卷积神经网络DeepFR模型, 利用人眼视觉系统对梯度的敏感性进行加权优化, 提取了符合人眼视觉特性的视觉感知图。实验表明: 设计的DeepFR模型优于已有的全参考图像质量评价方法, 其预测结果与主观质量评价有很好的精确性与一致性。

为提高SSD目标检测算法的小目标检测能力, 提出在SSD算法中引入转置卷积结构, 采用转置卷积将低分辨率高语义信息特征图与高分辨率低语义信息特征图相融合, 增加低层特征提取能力, 提高SSD算法的平均精准度。同时针对SSD算法存在模型过大, 运行内存占用量过高, 无法在嵌入式ARM设备上运行的问题, 以DenseNet为基础, 结合深度可分离卷积,逐点分组卷积与通道重排提出轻量化特征提取最小单元, 将SSD算法特征提取部分替换为轻量化特征提取最小单元的组合后, 可在嵌入式ARM设备上运行。在PASCAL VOC数据集和KITTI自动驾驶数据集上进行对比实验, 结果表明改进后的网络结构在平均精准度上得到明显提升, 模型参数数量得到有效降低。

以某型战斗机为研究对象, 通过三维建模与网格划分过程建立飞机的流场计算模型, 基于商用CFD软件ANSYS Fluent 16.0 对飞机的外流场特性进行数值模拟。计算中利用太阳射线追踪算法综合考虑了太阳辐射对机身温度场的影响, 采用离散坐标法(DO辐射模型)对辐射传输方程进行耦合迭代计算, 利用不带化学反应的组分输运模型(Species Transport Model)模拟燃烧后高温尾焰喷射过程, 获得了飞机外流场的温度、浓度及尾流组分分布数据。简要分析了太阳辐射对温度场变化的影响, 飞行马赫数对流场红外辐射的影响以及尾焰流场分布情况。分析表明: 太阳辐射对蒙皮加热较小, 最高升温效果仅为5 K左右, 随马赫数的增加飞行器机身背部与腹部红外辐射强度差异明显, 最高时腹部辐射强度为机身最大辐射强度2倍左右, 激波作用下尾焰后方会出现最高450 K和580 K两个间断的核心高温区域, 尾焰红外辐射强度分布符合梨形特征分布趋势。

目前基于天基高光谱图像的导弹识别算法都是从光谱曲线的整体分析考虑, 所需数据量大, 算法处理冗余。为弥补算法不足, 首先从导弹尾焰光谱的影响因素考虑, 分析了导弹发动装置, 燃料成分及温度压强对尾焰光谱的影响, 得出在一定假设条件下, 使用特征段处的辐射数据即可达到导弹识别的结论。在此基础上引入模糊识别算法, 算法充分利用辐射强度与光谱线型信息, 识别结果是各型号导弹的隶属概率。通过对光谱角测度分析, 发现其过于依赖线型, 对线型相近的谱线识别效果不佳, 将模糊识别结果与光谱角测度识别结果对比, 证实了模糊算法在光谱识别中的优越性。

为实现在中、远红外两个大气窗口的低透过率, 设计了一种基于六边形环状结构的双屏红外频率选择表面(FSS), 利用CST电磁软件进行仿真分析, 发现该FSS在3~5 μm和8~14 μm两个波段内的平均透过率低于2.5%, 实现了红外波段的双阻带; 采用表面电流模式分析法和有效介质理论分析了该FSS的滤波机理, 发现不同谐振点处由于屏间耦合或屏内单元间的耦合在谐振单元表面感应出对称分布的电流从而使散射总场增强, 形成增强型反射, 即比较理想的红外光阻带; 最后研究了电磁波的极化方式、入射角度、介质属性以及结构参数对FSS传输特性的影响。结果表明该FSS具有良好的偏振稳定性和角度稳定性, 介质属性和结构参数对其传输特性有较大影响。

面源红外诱饵作为对抗红外成像导弹的一种新型干扰器材, 其燃烧速率、扩散范围、干扰效能等性能, 比传统红外诱饵具有明显优势。深入研究红外成像导弹的抗干扰机理, 对于提升面源红外诱饵的干扰效能, 具有重要意义。首先, 介绍了导弹运动和导引头跟踪模型, 以及跟踪优化算法; 其次, 建立了目标机的运动和辐射模型, 面源红外诱饵运动扩散模型和红外图像模型; 最后, 选择导弹的战术参数, 制定干扰效能评估的指标, 通过算例仿真与实测数据进行对比, 验证仿真结果的可靠性。仿真结果表明, 导弹参数对于面源红外诱饵干扰效能影响的仿真结果与实测结果吻合, 效能评估的结果具有一定的参考价值。

为建立一种快速准确区分检验现场提取到的一次性筷子塑料包装袋的方法, 利用红外光谱仪以及Smart Performer采样器的实验方法, 对收集整理的40个不同品牌、不同来源、不同批次的一次性筷子包装袋样品进行区分。依据红外光谱图中吸收峰的峰数、峰位、峰强的不同对各种筷子塑料包装袋样品进行鉴别, 并通过红外光谱的特征差异进行分析归纳, 从而将收集到的筷子塑料包装袋样品进行科学、有效的区分。同时, 对样品的重现性、最小检出量以及污染情况的影响加以讨论。实验结果表明: 该方法检验一次性筷子塑料包装袋样品简便快速、结果准确可靠、重现性好、无需制样且无损检材。

为分析CO2激光9R波段输出谱线特性, 满足激光与物质相互作用的需求, 首先利用镀膜选支技术使高功率TEA CO2激光器只输出9R波段的激光。然后, 通过单脉冲放电试验, 利用CO2激光谱线分析仪分析9R波段CO2激光谱线的波长和谱线数量, 并利用能量计分析每支谱线在单脉冲能量中所占的比例。通过改变输出镜的透过率、全反射镜的曲率半径以及工作气体的比例, 分析CO2激光9R波段输出谱线在波长、数量以及能量比例方面的变化。试验结果表明, CO2激光在9R波段同时输出了多条相邻较近的谱线, 并且这些谱线随激光器输出镜透过率、全反射镜曲率半径和气体比例的变化而变化。

通过正交试验研究了激光功率、扫描速度、送粉速度对GH738合金激光沉积修复单道熔高、熔宽、熔深等特征尺寸的影响规律, 优化了工艺参数, 获得无缺陷显微组织; 分析了多道多层沉积试样熔合不良、裂纹等缺陷产生的原因及组织、硬度分布特点。结果表明: 沉积区呈典型的外延生长柱状枝晶, 枝晶间析出少量碳化物; 相对于基体, 热影响区碳化物明显减少, 同时热影响区γ′相尺寸明显增大; 沉积区硬度为350～470 HV0.3, 热影响区硬度为450～480 HV0.3, 均明显低于基体硬度480～510 HV0.3; 且沿沉积高度方向硬度逐渐降低。

为了满足电缆生产过程中长度在线测量的需要, 设计了基于激光多普勒测速原理的电缆长度在线计米系统。阐述了激光多普勒测速基本原理, 设计了一种结构紧凑的双光束双散射型光路。提出了基于有限长单位冲激响应(Finite Impulse Response, FIR)滤波器的滤波带自适应选择算法, 有效地滤掉基底信号和部分噪声, 减小了多普勒信号噪声的影响, 改善了信噪比; 利用能量重心校正技术进行频谱校正, 减小了系统的测量误差。搭建了实验装置, 进行了对比测量实验, 实验结果表明: 该系统能实时、准确的进行长度在线测量, 相对误差小于0.1%。

采用脉冲激光对38CrMoAl材质样件进行了激光清洗试验研究, 通过显微镜、白光干涉仪、台阶仪、红外测温仪等分析方法, 研究了38CrMoAl材料表面污染物的清洗阈值、损伤阈值、激光功率密度对清洗效果的影响规律。结果表明, 当激光功率密度大于1.22 J/cm2时, 样件表面污染物开始被有效清除, 对应污染物的清洗阈值, 当能量密度增加到3.11 J/cm2时, 38CrMoAl基材开始出现损伤, 对应基材的损伤阈值; 当能量密度位于清洗阈值和损伤阈值之间时, 清洗机理主要为振动效应; 当激光能量密度为2.36 J/cm2时, 清洗效果最好, 样件表面污染物去除干净, 清洗前后表面粗糙度基本没有变化, 基材无损伤, 激光清洗可满足38CrMoAl材质样件的精密清洗需求。

物体的热膨胀性质反映了材料本身的属性, 通常将固体受热后在一维方向上长度的变化称为线膨胀。测量材料的线膨胀系数, 不仅对新材料的研制具有重要意义, 而且也是选用材料的重要指标之一。将激光外差技术与多普勒效应深度融合, 提出一种多光束激光外差测量金属线膨胀系数的新方法, 即利用多普勒振镜把待测参数信息调制到多光束激光外差信号的频率差中, 信号解调后可以同时获取多个待测参数信息, 对多个待测参数加权平均, 从而可以精确得到待测样品长度随温度的变化量, 最终提高待测样品线膨胀系数的测量精度。基于该方法, 对不同温度情况下金属棒线膨胀系数进行了仿真研究, 结果表明该方法测量金属棒线膨胀系数的相对误差为0.1%。与传统测量方法相比, 测量精度提高了一个数量级。

激光发射系统中激光与经纬仪高精准对接保证了激光的高精度定向发射, 针对激光器与经纬仪机下对接方式, 从理论上建立整体坐标系下基于库德光路传导激光的库德镜空间归一化模型, 精确标定激光在各库德镜空间中的位置及其变化, 通过该模型提出内场分级、外场秒级的激光与经纬仪高精准对接技术, 结合某长波激光发射系统进行实验验证, 可实现激光与经纬仪2″以内高效精准对接, 从工程上验证了该技术的正确性和实用性, 为该类型激光对接提供了技术支撑。

针对产生光频率梳需要锁模激光种子源的难题, 创新性提出了用连续光源产生光频率梳, 应用色散平坦高非线性光纤解决了宽光谱范围四波混频和级联四波混频效应的相位失配问题。通过实验展示了近40 nm带宽的光频率梳的形成, 光频率梳由低功耗, 低成本, 连续波种子(法布里-珀罗激光器)生成, 无需脉冲激光源。连续光频率梳是由在420 m零色散色散平坦高非线性光纤中的四波混频和级联四波混频效应产生的, 频谱带宽扩展了近10倍, 频率梳的线宽为4.3 MHz。

采用激光熔覆工艺在Q235钢表面制备了Al2CrFeCoCuNixTi高熵合金涂层, 分析了Al2CrFeCoCuNixTi高熵合金涂层的组织结构, 测试了Al2CrFeCoCuNixTi高熵合金涂层在0.5 mol/L HNO3溶液及0.5 mol/L HCl溶液中的耐蚀性能。结果表明: Al2CrFeCoCuNixTi高熵合金涂层主要分为熔覆区、结合区、热影响区, 熔覆区组织主要由等轴晶组成, 等轴晶上分布有微米尺度的粒子; 合金相结构简单, 由体心立方(BCC)及面心立方(FCC)结构组成; Cr元素和Ni元素的钝化作用及由Al元素形成Al2O3或Al2O3·H2O膜使得Al2CrFeCoCuNixTi高熵合金涂层在0.5 mol/L HNO3溶液及0.5 mol/L HCl溶液中具有较好的耐蚀性能, 自腐蚀电流密度与基体Q235钢相比降低一两个数量级; 0.5 mol/L HCl溶液中的Cl-会穿透Ni0.5高熵合金涂层表面形成的钝化膜, 出现轻微小孔腐蚀。

针对运动物体空间多维位姿检测过程繁琐、设备笨重及昂贵等问题, 提出了一种可以完成运动体4个参数同时测量的光学非接触测量方法。该系统由旋转抛物面与平面构成的组合面型基准件和光学测头两部分组成。基于平面镜反射原理和组合面型基准件的面型特征, 分别建立了运动轴的俯仰角、偏摆角和二维位移的角度测量模型, 并完成了系统的精度评价与重复性实验。实验结果表明: 该系统的测角精度为1.5″, 位移精度为1 μm, 为机床误差辨识打下了基础。

据统计, 2015年我国消耗了39.65亿吨煤炭, 而其中发电及热力供应占据了煤炭消耗总量的46.38%。发电及热力供应行业排放的CO2占据了我国温室气体排放量的很大比例, 因此对于燃煤电厂CO2气体排放的实时监测是非常重要的。利用测量精度高、响应迅速、非接触测量的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对CO2浓度检测。选用了中心波长在1 580 nm的分布式反馈激光器作为光源, 参考电厂尾部烟气CO2浓度配置实验气体, 分别使用直接吸收和波长调制方法对CO2浓度进行反演。对比研究结果表明, 直接吸收和波长调制法重复测量的相对标准偏差分别为0.94%和0.22%, 最大相对误差分别为2.64%和1.65%, 检测限分别为0.013 6%和0.001 4%。波长调制法比直接吸收法在测量性能指标上更具优势, 但由于波长调制法在现场应用时受定标方式的影响很大, 且谐波线宽会受到压力、温度等参数变化的干扰, 而直接吸收法无需标定, 且测量精度足以满足电厂CO2在线监测的需求。因此在电厂锅炉烟气等高浓度CO2的测量中, 直接吸收法是更好的选择。

为了有效监测光电复合海缆的绝缘状况, 基于迭代法改进了IEC60287电缆载流量和温度场计算标准, 在有限元数值分析软件包COMSOL中基于热电耦合模块建立了110 kV YJQ41×300 mm2海缆温度场模型, 与改进IEC60287标准比较验证了建模方法的准确性, 在此基础上确定了不同载流量下海缆模型最佳的分析范围。建模研究了海缆正常运行和绝缘性能下降情况下载流量和环境温度对光纤温升的影响; 采用介质损耗表征绝缘状况, 分析获得了典型介损值下光纤相对温升的变化规律。结果表明: 正常情况下光纤温升随载流量的增加近似成平方增大, 随环境温度的增加近似线性增大, 增速较慢; 海缆绝缘性能下降时光纤相对温升随tanδ的增加成正比增大, 相对而言, 受环境温度的影响很小。根据上述研究, 提出了基于光纤相对温升和海缆载流量的介损计算公式和基于光纤相对温升的海缆绝缘状态监测方法。较之现有基于电气量的绝缘监测方法, 该方法不易遭受电磁干扰的影响。在光电复合海缆在线监测方面具有参考应用价值。

为了能够预知空间低温光学系统成像质量, 提出了一种高精度测试低温真空环境下F数小、后截距短的光学系统波像差的方法。首先, 分析设计测试光路, 对低温光学系统、干涉仪以及平面镜等进行布局, 为波像差测试做好准备工作; 然后, 对低温真空标准透镜、标准平面镜、窗口玻璃等关键部件进行分析与设计, 测试时作为系统误差项扣除; 最后, 调试测试光路, 分别得到常温常压和低温真空环境(低温温度为100 K, 压强为1×10-4 Pa)下光学系统波像差。通过精度验证实验表明, 测量值与标准值偏差为0.010λ(λ=632.8 nm), 差别很小,证明了该测试方法的可行性。解决了光学遥感系统特别是F数小、后截距短在低温真空环境下波像差难以高精度测试或无法测试的难题。

光轴平行性是多光轴光电设备的重要参数, 对其进行检测十分必要。随着光电设备复杂程度的逐步增加, 其光轴之间的距离不断增大, 传统的小口径检测手段已经不能满足现有光电设备的检测需求。针对大间距光轴之间的平行性的检测, 设计了一种基于双五棱镜结构的扩径组件, 实现了平行光管的出射光束的平移, 并利用双光楔结构对扩径组件进行修正, 将平行光管的有效口径由300 mm扩展至1 200 mm。对扩径组件进行数学建模分析和实际装调, 并对检测系统进行整体精度测试。实验结果表明: 平行光管出射的光束经扩径组件后能够保持良好的平行性, 其平行误差在11″以内, 满足大间距光轴检测的精度要求。

SCIATRAN是一种高光谱分辨率辐射传输模型, 其参数丰富、调节性强, 为反演CO2浓度提供更可靠的仿真资料。研究采用SCIATRAN模型模拟了不同气溶胶类型、气溶胶光学厚度以及地表类型的CO2辐射亮度, 分析了不同条件下影响CO2辐射亮度的规律。研究结果表明: 气溶胶类型对CO2辐射亮度的影响比例在8%以内。由于城市型气溶胶成分复杂, 对CO2辐射亮度的影响比乡村型和海洋型气溶胶稍大; 气溶胶光学厚度对CO2辐射亮度的影响比例在-3.52%~42.97%之间, 光学厚度越小, CO2辐射亮度则越大; 地表类型对CO2辐射亮度影响最大, 与参考值差值比例最高达166.43%, 且CO2辐射亮度随地表反照率的增强而增强。该研究还通过仿真信号与实测信号的对比, 验证了SCIATRAN模型仿真信号的有效性和可行性。

拉曼激光雷达已经广泛应用于大气气溶胶、大气温度和水汽的空间分布及时间演变特征测量。为了获取北京污染期间大气气溶胶边界层的特征, 2014年11月~2015年1月期间在中国科学院大学雁栖湖校区利用拉曼激光雷达进行连续观测。使用梯度法处理激光雷达观测数据得到边界层高度,同时与国家环保部提供的当地颗粒物浓度数据进行对比。观测期间灰霾天共出现15天, 污染天出现27天, 干净天出现24天。灰霾天、污染天和干净天三种情况下的平均大气边界层高度范围分别为0.6~0.9、0.9~1.3、1~1.9 km; PM2.5的质量浓度范围分别为143~203、77~90、17~34 μg/m3; PM10的质量浓度范围分别为170~271、103~153、33~78 μg/m3。研究结果表明: 北京地区大气边界层高度对近地面颗粒物浓度具有明显的负相关影响。干净天、污染天和灰霾天下的PM2.5和PM10的质量浓度变化率随大气边界层高度降低而依次增大。灰霾天大气边界层高度引起的PM2.5质量浓度平均变化率为-242.4 μg·m-3/km, 约为污染天(-114.8 μg·m-3/km)的两倍, 干净天(-77.4 μg·m-3/km)的三倍; 灰霾天大气边界层高度引起的PM10质量浓度平均变化率为-224.2 μg·m-3/km, 约为污染天(-117.6 μg·m-3/km)的两倍, 干净天(-90.4 μg·m-3/km)的两倍。

为了满足敏捷卫星广域搜索需求, 设计了航天相机环扫成像模式。建立环扫成像模型, 通过对环扫成像原理的分析, 设计了成像的最优地面轨迹, 并分析了此时临界卫星旋转速度与轨道速度、环扫临界系数、帧间重叠率的关系; 同时基于地面轨迹设计了确定曝光时间、帧频等成像参数解算方案。通过Satellite Tool Kit(STK)软件对成像模型进行仿真, 并对成像几何参数进行分析, 结果表明: 在轨道高度H为500 km, 像素尺寸a为4 ?滋m, 焦距f为1 m, 轴向像元数M为50 000时, 随着相机倾角ζ的增加, 地面像元分辨率与幅宽逐渐增大; ζ等于10°、20°、30°、40°时,地面幅宽分别提升为星下点成像时的1.96、3.10、4.58、6.85倍。

针对研制和集成完的直径为1 m的激光雷达望远镜, 介绍了望远镜主镜系统的结构设计, 并分析了主镜二级背板安装点匹配失调及主镜挠性支撑脚作用对主镜面形的影响。通过建立主镜系统的有限元模型开展光机分析, 并对分析结果进行了处理, 使其能够与集成装校时的干涉测量波前图进行直接对比, 得出二级背板与光学基板安装点匹配失调是导致主镜形变过大的主要原因。针对此问题对望远镜主镜系统结构进行了改进, 通过有限元光机结构分析, 预计优化后的结构能够有效地减小匹配失调导致的主镜形变, 将使主镜均方根形变量从0.3λ降至0.097λ(λ=632.8 nm), 满足激光雷达要求的0.15λ面形要求。

针对强激光系统所需大口径非球面元件高精度、批量化的加工需求, 提出了一种气囊抛光技术与柔性沥青小工具抛光技术相结合的大口径非球面元件高效制造方法。采用气囊抛光技术进行非球面保形抛光和快速修正抛光, 实现磨削缺陷层快速去除以及低频误差快速修正。采用柔性沥青工具匀滑抛光技术, 在低频误差不被恶化的情况下, 控制元件中高频误差。在抛光过程中, 利用球面干涉仪搭建的自准直波前干涉检测系统和粗糙度仪对非球面元件进行全频段误差检测。基于上述加工与检测方法完成了430 mm×430 mm口径离轴非球面透镜样件实验加工, 实验结果为元件通光口径内透射波前PV=0.1λ, GRMS=5.7 nm/cm, PSD1 RMS=1.76 nm, PSD2 RMS=1 nm, Rq=0.61 nm, 并且中频段功率谱密度曲线均在要求的评判曲线之下。实验结果表明, 离轴非球面透镜样件全频段指标均达到了合格指标要求。所述制造方法也适用于其他类型大口径非球面光学元件的高精度加工。

随着对空间信息获取能力的要求不断提高, 使得高分辨率动态遥感成为空间光学领域一个新的研究热点。偏视场同轴三反光学系统具有长焦距、体积小、轻量化程度和成像质量高等特点, 能够满足低轨视频卫星高分辨率、多谱段、多功能性和低成本的要求, 因此在高分辨率动态遥感领域有着广泛的应用前景。以高斯光学和三反射消像差理论为基础, 设计了可见光面阵成像、近红外和中红外线阵推扫成像的共孔径光学系统。可见光系统焦距4.1 m, 近红外系统焦距2.6 m, 中红外系统焦距1.85 m, 三者孔径均为520 mm, 视场均为0.6°×0.6°, 成像质均接近衍射极限, 成像质量良好。系统总长小于f′visible/3.7, 且系统的加工和装配公差较为宽松, 易于实现。

Fresnel透镜是最常见的太阳能聚光镜之一, 曲面Fresnel透镜通常比平面Fresnel透镜具有更加优越的性能。基于非成像光学理论, 提出了一种新型曲面Fresnel透镜的设计方法。曲面Fresnel透镜采用圆锥曲面基底, 在满足Fresnel透镜机械参数要求的前提下, 实现Fresnel透镜第二工作面面型的求解。基于可加工性的要求, 利用该方法设计了不同形状的曲面Fresnel透镜, 通过光学仿真分析了曲面Fresnel透镜的结构参数对聚光镜会聚比、容忍角、光照均匀性的影响, 并分析了超精密加工条件下, 由于加工误差对光学效率的影响。该设计方法为参数化曲面Fresnel透镜的分析提供了一种新的途径。仿真结果表明, 具有小深宽比的曲面Fresnel透镜具有更好的均匀性和更高的能量利用率。

为了满足2 m望远镜系统中消旋K镜伺服系统的速度控制性能, 提出一种基于控制律参数自适应的自抗扰控制新方法。首先, 基于速度回路被控对象, 设计了二阶线性扩张状态观测器, 以实现对扰动的实时观测; 然后, 为了提高速度环动态和稳态性能, 采用回归分析方法, 设计了控制律参数基于输入速度变化而自适应调整的比例控制器; 最后, 搭建了消旋K镜伺服控制实验系统, 在速度阶跃信号激励下开展实验研究。结果显示: 与传统PI和自抗扰控制器相比, 系统以0.001 (°)/s速度运行时, 稳定时间从7.3 s、3.2 s减少至0.9 s; 以10 (°)/s速度运行时, 系统超调量从8%、62%降低至无超调; 在中低频段的扰动抑制能力最大提高了23 dB, 性能得到了提高, 可满足K镜伺服系统高精度的速度控制性能要求。

为满足空间望远镜在轨主动光学控制需求, 需要精密调整次镜相对于主镜的六自由度位姿, 为此, 针对6-PSS Stewart平台构型的次镜精密调整机构, 设计完成了基于并联机器人关节空间方法的运动控制系统。以DSP和FPGA为核心处理器, 编码器为反馈元件, 集成电机三相桥为驱动元件, 设计完成了次镜六自由度调整机构的运动控制电路。基于次镜调整机构的顶层逆运动学模型和底层连杆控制系统, 设计完成了次镜六自由度调整机构的运动控制算法, 该方法参数易于调整, 利于工程实现, 满足空间运动机构高可靠性调整需求。试验结果表明, 该运动控制系统能够满足全行程内0.7 ?滋m(位移)和3"(角度)运动调整精度需求, 能够满足空间望远镜主动光学调整任务。

采用COMSOL有限元分析软件的固体传热模块, 对有机电致发光器件(OLED)的热学特性进行了仿真, 发现器件温度随着输入功率成线性增大。在驱动电流为150 mA·cm-2时, 仿真结果表明, Alq3发光层的最高温度为82.994 3 ℃; 玻璃基板下表面的最高温是77.392 6 ℃; 器件阴极表面中心区域的最高温度为82.994 2 ℃, 其平均温度为78.445 ℃。通过改变功能层热传导率、功能层厚度、对流换热系数、表面发射率等参数模拟其对OLED器件热学特性的影响, 结果表明, 当增加基板的热传导率时, OLED器件温度显著下降而且表面及内部温度梯度大幅减小; 提高空气对流换热系数及基板的表面发射率, OLED的温度可以大幅减小。而其他参数则对其影响并不明显。

设计了一种基于电容反馈跨阻放大器型(Capacitive Trans-impedance Amplifier, CTIA)像元电路与双Δ采样(Delta Double Sampling, DDS)的低照度CMOS图像传感器系统。采用CTIA像元电路提供稳定的光电二极管偏置电压以及高注入效率, 完成在低照度情况下对微弱信号的读取; 同时采用数字DDS结构, 通过在片外实现像元积分信号与复位信号的量化结果在数字域的减法, 达到抑制CMOS图像传感器中固定图案噪声的目的, 进一步提高低照度CIS的成像质量。基于0.35 μm标准CMOS工艺对此基于CTIA像元电路的CMOS图像传感器芯片进行流片, 像元阵列为256×256, 像元尺寸为16 μm×16 μm。测试结果表明该低照度CMOS图像传感器系统可探测到0.05 lx光照条件下的信号。

相连缺陷元识别一直是面阵探测器研究难点。面阵探测器相连缺陷元的光电信号与正常元基本相同, 因此采用现有面阵测试方法无法识别相连缺陷元。提出了一种新型光学滤光片来识别面阵探测器中的相连缺陷元。在提出的滤光片结构中, 有两种不同透光率、且交错排列的阵列组成。采用该滤光片后, 相连缺陷元的响应电压值是正常单元响应电压的50%, 面阵探测器相连缺陷元可以被显著识别。

基于相位敏感的光时域反射系统(Ф-OTDR)是一种新型的分布式光纤扰动传感系统。随着应用需求的不断细化, 单纯对外部侵扰活动的检测及定位已无法满足实际需要, 亟待对检测到的信号进行准确的分类识别。在检测到侵扰信号的同时, 如何能准确判别入侵事件的类别, 减少误报率和漏报率是分布式光纤扰动传感系统研究的关键问题。文中主要针对分布式光纤扰动传感系统的原理进行了简要的介绍, 将现有的扰动信号特征提取的方法和分类器设计的方法进行归纳和分类, 并对识别结果进行总结和对比以方便研究人员根据应用环境的差异以及待测信号的特征, 准确选择适合的信号模式识别方法, 促进研究人员对分布式光纤扰动传感系统模式识别方法进行更为深入的研究。

针对航空领域对大气压力的测量需求, 基于光纤法珀传感和低相干干涉技术, 搭建了光纤法珀多通道压力传感系统。介绍了系统解调算法及工作原理, 对光纤法珀压力传感器的标定和温度补偿方法进行理论分析, 将非恒温条件下的传感器拟合误差降低至0.134% F.S.。在风洞环境中, 在侧滑角-4°~4°变化范围内, 对飞机实体模型的三个监测点进行压力测量实验, 并将压力测量结果与Ansys-Fluent软件模拟仿真结果做对比。结果显示, 光纤法珀压力传感系统与模拟仿真数据变化趋势相同, 全量程误差为0.38% F.S., 证明此系统能够提供可靠的压力数据, 真实反映飞机模型被监测位置在风洞中的受力情况。

基于光强传输方程(TIE)的相位恢复技术, 可以通过测量一系列垂直于光轴分布的散焦强度图, 直接求解得到光场的相位信息。传统的基于TIE的强度图像采集系统在获得散焦图像时需要机械移动。通过在空间光调制器(SLM)上加载透镜相位图, 使其实现可编程透镜的功能, 任意改变此透镜的焦距值, 可以实现不同的散焦距离, 从而避免采集图像过程中CCD的移动。根据不同的算法理论, 设计了两种光强图像采集系统。由于日常生活中使用相机拍照时, 透镜的相位调制作用不可忽略, 使用SLM代替含透镜的光传播模型中透镜的作用, 设计了第一种实验装置。此外, 通过在4f系统的频率域位置放置SLM, 设计了第二种实验装置。真实实验的结果验证了这两种方法的有效性和正确性。

野外远距离、大视场、双目视觉物体定位监测系统是基于双目立体视觉原理的三维坐标测量系统。存在随机出现的多个无特征目标的正确匹配率低, 导致目标定位精度降低的共性问题。正确判断首个目标出现, 对于同一目标在同侧图像序列连续出现, 形态特征由大到小变化或分裂的情况, 利用质心判断方法排除伪目标, 检测目标正确质心位置; 然后, 两段图像序列时间同步, 同一时刻多个目标基于极线约束进行稀疏匹配, 获得同一目标在两台相机中正确的对应关系。实验证明, 现场连续采集的9帧图像中包含8个目标, 利用上述方法完成目标检测及匹配, 提高了准确率。

星点图像坐标的准确性与数字天顶仪的定位精度紧密相关。根据数字天顶仪成像原理, 严格推导出星点图像坐标表达式, 在此基础上推导了星点图像坐标在4个误差因素及综合误差下的误差方程, 分析结果表明各误差之间相互独立。通过仿真4个误差因素及综合误差情况下的星图数据进行分析, 仿真结果表明: 焦距误差与转位误差对各星点图像坐标的影响各不相同, 焦距引起的坐标变化值?驻x和?驻y相对其平均值的最大波动值分别为2.38、3.04 pixel; 转位误差引起的坐标变化值?驻x和?驻y相对其平均值的最大波动值为1.06、1.41 pixel; 光轴倾斜误差与主点偏移引起的星点图像坐标变化是整体性偏移。另外, 提出了一种误差参数求解的方法, 利用解算出来的误差参数对星点图像坐标进行补差, 数字天顶仪的定位经度精度提高了约1.98 m, 纬度精度提高了约1.65 m。

针对运动车辆目标识别问题提出了一种自然场景下车辆识别方法。首先采用图像差分技术对目标车辆的显著特征进行统计学习, 并将学习所得目标局部特征以及图像进行编码, 根据以上两个信息实现目标车辆的显著性检测。其次针对车辆运动的复杂性, 采用分块投影匹配方法进行全局运动估计和补偿, 并利用差分技术进行运动特征检测。然后将目标车辆的显著性特征与运动特征进行融合, 从而获得更精确的候选目标区域。最后对候选区域进一步使用视觉显著特征进行目标判别。实验表明该方法具有较好的目标判别性能, 能较好地解决自然场景下运动车辆的识别问题。

针对转炉冶炼终点传统人工肉眼看火判断存在着诸多不确定性问题, 研究了一种基于模糊支持向量机的光辐射状态识别实现转炉终点判断的方法。设计了非接触式炉口光辐射采集系统, 基于炉口火焰辐射规律分析, 分别提取了通过高斯函数拟合表征光谱整体特征的三参数和两个发射峰离散谱参数作为支持向量机的输入, 通过相关性分析选出生产过程中氧量、动枪幅度、爽枪时间、加料量参数构建子样本特征量, 采用样本到类间距离的方法计算隶属度因子, 建立了模糊支持向量机识别模型并进行了测试实验。实验结果表明, 提出的方法对不同操作工况下的终点光辐射识别精度优于人工方法和传统SVM方法, 可为转炉终点的准确判断提供依据。

非平稳信号的去噪是信号处理中的热点和难点。文中以冲击原子作为稀疏表示基, 构建了仅对人文噪声敏感的冗余字典。并使用粒子群优化算法对匹配追踪算法进行优化, 提出了基于稀疏表示与粒子群优化算法的非平稳信号去噪方法。为检验方法的有效性, 论文首先进行了针对性的仿真实验。然后将所述方法用于实测的大地电磁信号处理。结果表明, 所述方法可以在保留有用信号的前提下, 有效分离出类充放电噪声、脉冲噪声以及其它多种不规则噪声, 显著提高非平稳信号的信噪比。

提出并设计了一种基于飞秒激光直写制备光纤布拉格光栅阵列的C+L波段掺铒光纤激光器, 实现了波长可切换的单波长及双波长激光输出。采用飞秒激光透过聚酰亚胺光纤保护层在纤芯直写的方法, 分别实现周期为538、542、547 nm的光纤布拉格光栅刻写, 单个光栅栅区长度3 000 μm。作为选频器件的光栅阵列反射波长分别为1 555.5、1 569.6、1 583.8 nm; 选用长度为 3 m的C波段和10 m的L波段掺铒光纤组合作为激光器增益介质, 结合泵浦源、光纤布拉格光栅偏振控制器及宽带全反镜构成线形腔结构光纤激光器。实验结果表明: 激光器工作阈值为35 mW, 通过调节偏振控制器能够实现1 555.4、1 569、1 583.2 nm单波长激光可切换输出, 激光3 dB线宽0.05 nm, 边模抑制比大于35 dB; 实验中分别对单波长激光的光谱稳定性进行了测试, 10 min内最大功率波动小于0.98 dB; 通过调节偏振控制器可分别实现1 569、1 583.2 nm以及1 555.4、1 569 nm双波长激光同时输出, 在10 min监测时间内, 输出激光功率变化分别小于1.14 dB和 4.48 dB。