航空摆扫成像时, 曝光时间内像点的移动是影响成像质量的重要因素。为了研究三面镜各项误差对像移量的影响, 利用齐次坐标变换法建立了像点位移计算模型, 准确地引入了摆扫镜轴系误差等常见误差项。在此基础上, 分析了三面镜加工装调误差对像点位移量的影响, 并比较了像点位移量对各误差项变化的灵敏度。接着, 根据系统调制传递函数的指标对像点位移量的范围进行了限定, 确定了高图像质量允许的像点位移量。最后, 对分配后的三面镜误差进行了蒙特卡罗法仿真。仿真结果表明, 像点位移量在10－5 m量级, 像移的MTF因子为0.97, 满足指标要求。该结论对摆扫相机的结构设计与加工装调有重要的参考价值。

为了实现对液压管路中液压油的压力和温度检测, 研制了一种EFPI-FBG复合压力温度传感器。对该传感器的压力特性以及温度特性进行研究。首先, 介绍了以光纤F-P腔和光纤光栅为敏感元件, 利用环氧树脂将EFPI-FBG复合结构经过封装保护构成压力温度传感器结构以及制作方法。接着, 建立了压力温度传感模型, 对传感器受力进行了理论分析, 并使用Matlab和有限元软件分析传感器的压力灵敏度和温度灵敏度。最后对传感器进行压力和温度实验验证。实验结果表明, 该传感器的压力灵敏度为2.83 μm/MPa, 温度灵敏度为1.97 μm/℃, 温度监测范围为10~80 ℃, 应用于压力测量时的有效工作温度为20~65 ℃。此EFPI-FBG复合压力温度传感器具有良好的线性度, 较小的回程误差, 灵敏度高, 抗震性能好, 可用于液压管路中液压油的压力和温度测量。

多环芳烃广泛存在于大气、土壤和水环境中, 对动植物和人类有着严重危害。为了快速检测水环境中的痕量多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs), 本文提出利用激发-发射荧光矩阵结合自加权交替归一残差拟合算法(Self-Weighted Alternating Normalized Residual Fitting Algorithm, SWANRF)检测湖水中的菲、蒽和荧蒽。与自加权交替三线性分解方法相比, SWANRF能够给出更满意的浓度预测结果, 菲、蒽和荧蒽的平均回收率分别为(99.2±7.2)%, (101.7±7.7)%和(97.9±5.1)%; 菲、蒽和荧蒽的预测均方根误差值分别为0.240, 0.249和0.247 μg/L。实验结果表明, 文章提出的方法能够实现未知干扰物共存的湖水中痕量多环芳烃的快速检测, 且方法可靠。

结构光三维测量技术具有快速、无损接触、重复性好等特点, 被广泛应用在模具检测及工程制造中, 但传统投影式结构具有离焦模糊的缺点。本文采用全视场外差干涉的原理, 使用高精度声光移频外差干涉条纹代替传统光栅投影中的编码条纹, 与传统工业相机结合使用便可获取快速的全视场三维数据。根据对系统参数的建模计算, 设计加工了外差干涉三维测量仪, 联合使用电动平台及棋盘格标定板来获取该系统的相位高度映射模型, 最后对标准陶瓷台阶进行了测量。实验结果复现了原物体的三维形貌及高度信息, 在30°的观测角下系统的高度分辨率为22 μm, 视场内的空间分辨率优于58 μm, 测量标准陶瓷平板, 高度误差为75 μm。该方法具有检测速度快、体积紧凑、抗环境干扰性强等特点。

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射, 搭载了国内第一颗自主研制的极轨红外高光谱大气探测仪(High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder, HIRAS), 数据将在数值天气预报、大气温/湿廓线反演、大气成分探测等方面得到广泛应用。为满足高精度的探测能力需求, HIRAS的光谱分辨率达到0.625 cm-1, 辐射定标精度要求达到1.0 K, 光谱定标精度要求达到10×10-6, 均为目前国内星载红外仪器最高精度指标。由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度, 红外干涉仪器在数据应用之前必须进行光谱定标精度的精确评估和监测。以晴空视场下的高精度逐线辐射传输模拟光谱作为参考基准, 利用互相关法计算光谱频率偏差, 对发射后的HIRAS在轨数据的光谱定标精度进行了全面评估和验证研究。HIRAS在长波、中波1和中波2的光谱精度达到3×10-6, 其中长波和中波1光谱偏差标准差小于2×10-6, 远优于仪器设计指标要求; 长期的光谱精度稳定性显示HIRAS中波1和中波2的光谱定标精度较稳定, 在半年时间内频率变化小于5×10-6, 长波波段在半年的时间内有往负频率偏差变化的趋势, 变化量约为7×10-6, 需要进行持续监测。HIRAS在轨光谱精度可满足后端产品反演和同化用户的使用需求。

平面激光诱导荧光是基于片状激光光束, 激发流场中自由基或示踪粒子辐射荧光, 通过对该荧光成像获得流场空间分布信息的一种成像诊断技术。脉冲串激光器是目前能够满足高速平面激光诱导荧光技术对高重频、大能量激光光源需求的有效光源。本文针对应用于高速平面激光诱导荧光成像诊断中的脉冲串激光器进行了综述, 对比了脉冲串激光不同产生方式的特点, 阐述了发展状况, 并对作为高速激光诊断光源的脉冲串激光器的发展前景做了展望。

针对激光散斑血流成像系统中光源相干性对散斑衬比的影响进行了研究, 提出了一种基于混合遗传算法的散斑图像恢复方案。首先, 分析非完全相干光用于激光散斑血流成像系统时的劣势, 说明混合遗传算法恢复被低相干性光源破坏的散斑图像的原理; 使用对比度与噪声比来衡量由两种光源成像得到的静态白盘散斑图像质量; 最后, 将算法分别用于静态白盘散斑图像和真实的手背血流检测场景。实验结果表明, 相干性较好的单纵模激光器成像得到的散斑图像, 较之于相干性较差的半导体激光器成像得到的散斑图像, 对比度与噪声比高出67.2%; 将算法用于质量较差的散斑图像后, 其对比度与噪声比提高了57.7%; 将算法用于手背血流检测场景, 进行恢复运算后, 验证了手指指尖的血流灌注量平均高于手指关节30%的临床事实。将本算法用于激光散斑血流成像系统, 可以有效消除非完全相干光给散斑衬比分析造成的影响, 获得质量更好的血流图像。本算法的推广使用可以提高激光散斑血流仪器在光源选择方面的灵活性。

为了评价软X射线掠入射望远镜的成像质量, 提出了一种利用ZEMAX和MATLAB相结合的像质评价方法。根据这种方法编写的像质评价程序不仅考虑了孔径衍射、几何像差和装调误差等因素对成像质量的影响, 而且加入了望远镜面形误差和X射线散射效应的影响。利用勒让德-傅里叶多项式和用户自定义表面, 在ZEMAX中建立带有面形误差的筒状反射镜表面模型, 实现对真实面形的掠入射反射镜的仿真; 根据Harvey-Shack散射理论建立了ZEMAX中的BSDF散射模型, 实现对X射线散射的仿真。搭建X射线有限远成像实验装置, 对像质评价程序进行了验证。实验结果和仿真结果对比表明: 实验光斑和仿真光斑的光强分布基本一致, 以实验结果为基准, 仿真光斑的半高全宽横向和纵向的相对误差分别为14.7%和11.3%。说明像质评价程序的仿真结果基本符合真实情况, 对掠入射光学系统的设计和加工具有一定的指导意义。

鉴于光谱分析仪在使用过程中会发生谱图微缓形变, 造成光谱保真度下降, 本文提出一种结合标气定期校验和最小二乘支持向量机(LS-SVM)的方法。在校验时, 比较相同标准气体的当前光谱和出厂标定时的光谱, 利用LS-SVM算法计算谱图形变, 并根据形变分析结果进行复原。由于形变具有长期累积性和不可控性, 所以用激光器驱动电流的可控性变化引起的谱图变化模拟形变。采用TDLAS技术实验, 检测烯烃裂解炉清焦过程中的CO和CO2, 使用20 m光程的Herriot气室和中心波长为1 580 nm的DFB激光器。共采集了50组不同形变程度的光谱, 根据LS-SVM算法的形变分析结果, 利用插值法还原谱图。对比了该方法与不复原以及传统寻峰复原方法的气体浓度分析精度, 发现当分析仪存在复杂形变时, 利用LS-SVM算法和插值法复原的方法比传统的寻峰方法精度提高2~3倍。实验结果验证了LS-SVM算法的谱图形变分析能力以及插值法复原的有效性。

透射光栅副的Yaw向夹角误差是影响光栅信号质量的重要因素, 但现有的数学模型不能精确反映Yaw向夹角误差对光栅信号质量的影响规律。建立了同时考虑光电池性能参数、光电池安装位置、指示光栅与标尺光栅夹角误差等因素的光栅信号利萨如图形的数学模型, 研究了光栅副Yaw向夹角误差对利萨如图形形状的影响机理, 发现利萨如图形的离心率和倾斜程度与光栅副Yaw向夹角误差之间存在规律性的数学关系, 通过实测实验验证了该关系。数值仿真与实验测量得到的利萨如图形的离心率和倾角的相对误差分别小于1%和3%, 验证了数学模型的正确性和有效性。建立的数学模型和数值关系为光栅生产中的信号质量调整和运动部件(读数头)Yaw向运动误差实时监测和误差修正提供了理论基础。

通过对空间大口径单体反射镜支撑技术发展现状及发展趋势的调研, 总结了当前大口径单体空间反射镜支撑技术中较为成熟的技术路线。在此技术路线中, 计量卸荷支撑是必须要攻克的一项核心难题。本文介绍了计量卸荷支撑的概念, 并针对计量卸荷支撑研制过程中的关键技术进行了深入的讨论, 包括支撑点数量、位置及支撑力大小的确定方法, 支撑力执行单元的方案设计以及计量卸荷精度的保证方法等; 通过对计量卸荷支撑研制过程中关键技术的总结, 期望对我国空间大口径单体反射镜的研制提供借鉴意义。

为了提高超精密角度计量转台的测量精度, 对转台所用编码器分度误差与细分误差的校准展开研究。首先, 介绍了转台的结构, 设计了方便进行相互比对的双角度编码器测角系统并描述了其多读数头布置方式。然后, 基于直接比较法与自校准法进行了双编码器分度误差的快速、高精度校准。最后, 借助精密电容式位移传感器测量系统, 利用比较法检测了两套编码器各读数头的单信号周期测量误差。校准结果显示: 采用双读数头均布的第一套编码器的分度误差为±0.27″, 细分误差在±0.1″以内; 基于四读数头均布方式进行测量的第二套编码器分度误差为±0.17″, 细分误差在±0.2″以内; 两套编码器的测量精度皆为亚角秒级。双编码器相互比对的校准方式有助于对转台的测角误差进行全面、准确地评估。

为改善惯性压电驱动器的输出性能, 提高驱动器的稳定性, 本文提出了一种利用压电惯性驱动与磁流变液控制共同作用, 将固体-固体摩擦转换为固体-液体/固体-类固体摩擦形成定向运动的新型磁流变液控制式惯性压电旋转驱动器。分析了压电旋转驱动器的工作机理, 设计制作了试验样机, 搭建了试验系统并与机械控制式压电惯性驱动器进行了回退率、线性度、重复性对比试验测试。结果显示: 在1 Hz, 15 V方波信号激励下, 驱动器平均角位移为0.46 mrad; 磁流变液控制式驱动器回退率为5.6%, 机械控制式驱动器回退率为72.2%; 磁流变液控制式十步位移线性度决定系数为0.998, 残差平方和为15.359; 机械控制式决定系数为0.985, 残差平方和为20.872; 磁流变液控制式和机械控制式重复标准差分别为0.136, 0.475。试验结果表明, 磁流变液控制式惯性压电旋转驱动器回退性能、线性度、重复性均优于机械控制式压电驱动器。

球形两栖机器人具有对称的结构和多自由度的运动状态特性, 在环境适应性和运动稳定性上具有优势。本文介绍一种可以用于深海水下探测与救援的新型水陆两栖机器人控制系统的结构和建模方法, 根据机器人的运动控制模式, 推导出具有6个自由度的动态数学模型, 并在动态模型的基础上, 建立并评估了两种控制模型。第一种是基于二次型调节器(LQR)的控制器模型, 第二种是基于非线性状态反馈(FL)的控制器模型。最后对两种控制模型进行水下实验验证及评估, 从而证明两种控制器的有效性和优劣性。实验表明: 非线性状态反馈系统在响应时间(LQR=67.5 s, FL=46.5 s)方面都优于有限时域LQR控制器, 而LQR控制器在上升时间(LQR=24.5 s, FL=39.8 s)方面更加具有优势。

为了解决应用于关节型三维激光传感器的小型谐波转台角度定位精度标定的问题, 提出了一种基于Renishaw双频激光干涉仪的单自由度小型谐波转台旋转角度测量和补偿方法。首先依据干涉仪角度测量原理和光路调节方法, 建立了测量光路系统, 分析了回转台装配误差对角度测量精度的影响并进行了有效调整, 而后提出了小型谐波转台360°范围角度标定的实验方案, 最后通过曲线拟合的方法分析了转台转角误差的测量数据, 总结转台转角误差随位置改变的变化规律, 并将误差补偿函数嵌入控制器中, 对转台的每次运动进行实时有效补偿。实验结果表明: 使用该标定补偿方法能够将小型谐波转台的定位精度提高85%以上, 补偿后的定位误差小于10″。采用该方法能够对小型谐波转台进行小间隔360°标定, 标定后转台满足激光传感器空间精确定位的要求。

为了满足大行程、高精度旋转运动的需求, 以尺蠖型累积步进角位移为原理, 设计了尺蠖型超磁致伸缩旋转驱动器。以超磁致伸缩棒为动力源、直角柔性铰链为回弹元件, 通过施加特定时序的激励信号, 使钳紧机构和驱动机构有效配合, 实现了转子的步进式角位移输出。将直角柔性铰链简化为超静定梁进行了静动态特性分析, 并建立了空间力学模型。搭建了实验测试系统, 对超磁致伸缩旋转驱动器的输出性能、钳紧稳定性和输出角位移稳定性进行了实验测试。实验结果表明: 在驱动电压为4.5 V、频率为2 Hz的条件下, 平均单步角位移为278.81 μrad, 最大误差为7.92 μrad, 最大相对误差为2.83%; 系统钳紧机构的径向跳动小于1.35 μm, 驱动器工作状态稳定可靠, 输出精度高, 可实现360°转动; 模型计算结果与实验结果基本一致, 最大误差为12.11 μrad, 最大相对误差为4.34%。

为满足高机动装甲车辆对光电瞄准系统视轴高稳定精度的要求, 设计了光路中嵌入快速反射镜的反射镜式光电系统复合轴稳定平台。首先, 利用施奈尔反射镜定律的矢量方程, 构建系统视轴矢量方程, 研究其运动特性、稳定补偿原理; 然后, 分析了控制方法、控制系统频率特性, 分析结果显示, 传统稳定平台控制系统的截止频率26 Hz, 而复合控制系统的截止频率为215 Hz, 控制系统带宽提升了8倍以上; 最后, 构建了复合轴稳定平台实验装置、测试装置, 介绍了实验方法、稳定精度测试原理, 开展了复合轴平台与传统平台的稳定精度比较实验。实验结果表明, 在相同的实验条件下, 复合轴平台较传统平台的稳定精度提高了5倍以上, 反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定平台能够实现光电瞄准镜的高精度稳定。

为了实现空间望远镜大型光学载荷的在轨更换, 设计了一种能够实现在轨快速拆装的定位机构, 并针对其核心问题即在轨重复定位精度进行了研究。首先, 选定了一种能够避免热应力的运动学定位方式。在此基础上设计了定位机构, 并根据刚体的微小角位移是矢量并符合矢量合成法则的原则, 利用角位移矢量合成的方法推导出了光学载荷的转角数学模型; 然后, 设计杆系结构模拟了光学载荷及其框架, 同时为了模拟光学载荷在轨拆装的微重力环境, 利用微重力模拟的常用方法悬吊法设计了悬吊装置, 以实现光学载荷模块的重力卸载; 最后, 搭建了试验检测环境, 对光学载荷模块进行重复拆装试验, 利用经纬仪及数显千分表进行检测, 并处理试验结果得到了重复定位误差值。结果表明, 光学载荷模块的重复安装转角误差最大为±28.8″, 平移误差最大为±0.057 mm。本文研究能够为在轨可更换载荷定位机构的设计提供参考, 具有理论意义和应用价值。

针对目前图像增强算法对于电子内镜图像光照不均匀、低照度区域边缘细节不明显以及高噪声等问题的局限性, 设计了一种用于电子内镜图像的融合低噪声、均衡光照和细节增强的Retinex框架, 并根据此框架设计了增强算法。算法首先利用基于位置信息与相邻频率的滤波器得到低噪光照值; 为了有效区分噪声与细节信息, 设计了一种基于最大后验概率估计(Maximum A Posteriori estimation, MAP)的反射率估计方法, 引入光照因子控制概率权重, 对于低照度区域反射率平滑项施加强约束, 并通过最大化其后验概率以应对低照度区域的高噪声问题; 为均衡光照、应对人体内黏膜和消化液的散射和吸收导致的图像退化, 基于暗通道先验(Dark Channel Prior, DCP)算法设计了反向均衡化模型以得到均衡光照值; 为应对低照度区域细节信息不明显问题, 利用对比度限制自适应直方图均衡化得到细节增强结果。通过使用均衡光照值补偿增强后的反射率, 实现噪声抑制、光照均衡、细节增强提高之间的有效融合。实验结果表明, 本算法较于近期的同类算法NIEIE(Non-uniform Illumination Endoscopic Imaging Enhancement), 能够在保持信息熵与峰值信噪比的基础上, 增强度提升23.94%, 对于电子内镜图像具有良好的适用性。

为了提升对光学遥感图像中弱小运动目标的检测能力, 提出一种基于鹰眼视网膜视觉系统层次结构的运动检测方法。首先, 基于鹰眼视网膜的分层特性, 结合各层主体细胞的生理结构与功能, 构建各层相应的滤波器, 抑制背景微位移和杂散噪声; 然后, 在Reichardt运动检测模型的基础上增加时域高通滤波与ON-OFF双通道滤波来估计目标运动矢量, 这样不仅能克服传统Reichardt运动检测器对阶跃边界响应复杂, 而且能有效增强运动检测的敏感性; 最后利用高级视觉神经系统的分层特点, 以空域相似度大小为基准进行多尺度映射与运动矢量显著图融合, 构建多尺度处理精细检测运动特征。试验结果表明, 本文算法的平均信杂比改善为56.20 dB, 正确率为99.71%, 综合评价指标F1值为3.63e-02, 相较于传统Reichardt模型的F1值提升了27.82%。本文方法较传统运动检测算法不仅能提高复杂背景的干扰抑制性能, 而且能显著提升小目标小位移的检测能力。

大气中水分子及微小颗粒对光的散射和吸收, 使得在雾天条件下获取的图像严重降质, 本文提出一种结合自适应雾气估计的快速单幅图像去雾算法。首先, 该算法从大气散射模型出发, 通过分析景深与亮度分量之间存在的相关关系, 提出线性系数利用亮度分量来近似估计出景深, 并通过最小滤波对明亮区域进行修正, 得到粗略透射率; 其次, 观察到散射系数值与雾浓度呈正相关, 从而结合雾浓度模型与指数函数提出自适应散射系数概念, 估计出较准确的透射率; 最后, 根据大气散射模型复原出无雾图像。实验结果表明本文算法可以复原出清晰自然的无雾图像, 明显提高了图像可见度, 且具有较低的时间复杂度。

在空间大口径追踪相机应用系统中, 像面畸变和主点主距标定误差是影响其在轨定位精度的重要因素。为了满足空间大口径追踪相机高精度的标定要求, 像面畸变类型、主点主距标定误差及探测器面阵旋转、倾斜对像点坐标带来的误差等因素均不可忽略。针对以上问题, 本文对该类系统的畸变特性进行了研究, 提出了一种改进的大口径追踪相机畸变校正方法。首先, 在视场中央无畸变区域测量13个样点, 根据最小二乘法获取光学系统的主点主距; 然后, 依据所求主点主距, 解算像面25个均匀分布样点的理论位置坐标; 最后, 由样点的理论坐标和测量坐标解算畸变模型, 实现畸变校正。实验结果表明, 该方法畸变校正精度在近红外波段优于0.32 pixel, 在短波红外波段优于0.28 pixel, 其相对传统畸变校正模型分别提高了44.6%和50.9%。该方法可为大口径追踪相机的焦平面倾角解算研究提供有益参考。