为了研究适用于描述正弦波扫描波长调制光谱中相对波长响应的方法, 提高正弦波扫描测量气体浓度的准确性, 对现有的描述激光器相对波长响应的方法进行了讨论。首先, 分析现有的几种描述激光器波长响应的方法是否适用于正弦波扫描。然后, 比较由不同方法模拟的相对波长响应和实测的激光器波长响应残差, 残差越小说明激光器波长响应越准确。最后, 用确定的准确快捷的方法测量二氧化碳气体浓度。实验结果表明, 由电流扫描波长响应（CSWR）直接确定相对波长响应（RWR）的方法描述激光器的波长响应更准确。将得到的相对波长响应与通过标准具实测的结果进行比较, 二者残差的标准偏差小于5×10-3 cm-1。利用该方法结合多光程池技术和免定标波长调制技术, 能够准确测量二氧化碳的气体浓度。

为满足我国深海成像设备需求, 针对水下光学像差特点完成了全海深大视场光学成像系统设计。根据深海系统使用环境, 对光学参数与结构形式进行了分析与探讨; 采用常用玻璃及球面透镜设计, 完成了小型化低成本高性能的光学设计实例; 通过控制光线角度来提高光学系统能量利用率。选用YAG透明陶瓷为抗压窗口材料, 通过有限元力学分析仿真获得形变与抗压阈值。通过ANSYS软件分析窗口与支撑结构, 设计满足全海深11 000 m使用环境(120 MPa)要求。光学系统的工作波段为410~630 nm,视场角达80°, 相对孔径为1/2.8, 全视场MTF>0.3(@91 lp/mm)。该系统成像质量及光学窗口抗压性均满足深海成像科考需求。

鉴于输电设施污秽、裂化等问题引起的放电故障一直威胁着输电网的安全, 本文对放电紫外探测技术进行了研究, 使用光电倍增管(PMT)作为探测器设计放电紫外探测方案, 提出一种无人机巡检电力线放电的紫外探测及定位方法。通过舵机的摆动带动PMT进行多角度探测, 记录当前的探测位置和探测角度, 利用测向交叉定位法求解得到放电点的初步定位坐标; 为了精确定位放电点, 对n组数据进行求解得到n(n-1)/2个放电点的初步定位坐标, 剔除放电点的初步定位坐标中的异常点后, 导入到K-means聚类算法中进行二次解算得到放电点的精确坐标。通过实验测试了PMT探测角度与放电紫外信号的关系, 选取θ=90°作为舵机的摆动角度, 实验结果表明, 18 m, 30 m和50 m的放电巡检中, 放电点的定位误差均在9.0%以内。该方法能够在无人机巡检电力线时满足放电点快速定位的需求。

提出一种基于氧化石墨烯（GO）修饰的长周期光纤光栅（LPFG）传感器。利用氢氧化钠溶液对LPFG表面进行羟基化处理, 采用氢键结合的方式使GO固定在光栅表面, 形成基于GO修饰的LPFG传感器。实验研究了GO-LPFG对外部折射率及温度的响应特性, 结果表明: 该GO-LPFG的平均折射率灵敏度较未涂覆GO的LPFG提高1.09倍, 温度灵敏度略有降低。随着光栅直径的减小, GO-LPFG的平均折射率灵敏度进一步提高。当光栅直径为108 μm时, 在折射率1.333~1.448内的平均波长和耦合强度折射率灵敏度分别约为38.99 nm/RIU和57.33 dB/RIU, 与未采用GO修饰直径为108 μm的LPFG及直径为125 μm的GO-LPFG相比, 其平均波长和耦合强度折射率灵敏度分别提高1.45, 2.17, 3.80和3.42倍。该GO-LPFG传感器在各种大分子量的病毒抗原蛋白、生物病菌等生物检测领域具有潜在的应用价值。

为实现红外探测器星上大范围高分辨率测温从而提升温度控制的稳定性和成像质量, 针对传统测温系统不能兼顾大范围与高分辨率两种特性的缺点, 研究设计了红外探测器星上温度测量系统。通过全温区分档以及档位自动切换功能实现大范围、高分辨率的温度测量。实验结果表明, 该红外探测器星上温度测量系统对星上70~260 K的大范围温度进行测量, 测量分辨率平均为9.1 mK/码, 最高可达7.6 mK/码, 较以往的测温系统分辨率提升了一个量级, 满足红外探测器的星上测温要求。

光轴指向变化是地面天体测量误差最大来源之一, 对光轴指向变化进行准确测量和修正是获取高精度天体测量数据的必要前提。针对云南天文台多功能天文经纬仪高精度时纬测量工作的需求, 分析和测定了光轴指向变化对时纬测量的影响。首先, 介绍了多功能天文经纬仪实时测定光轴指向变化的原理和方法, 然后对望远镜光轴指向变化进行了实时测定和分析。实验结果表明, 由于镜筒受重力的影响, 相较于测时结果而言, 光轴指向变化对测纬结果的影响更大。在天顶距为55°时, 最大可以达到2.5″。经过光轴指向变化修正后, 测纬精度由1.37″提高到了0.36″, 测时精度由0.033 s提高到了0.023 s。通过分析光轴指向变化的实时测定结果可以看出时纬测量精度有了显著改善, 基本满足高精度天体测量需求。

为了深入研究Wolter-I型X射线聚焦镜片的光学性能, 掌握聚焦镜的对准和测试方法, 研究单层Wolter-I型X射线聚焦镜片性能。在中国科学院高能物理研究所（IHEP）百米真空X射线标定装置中对单层聚焦镜镜片的离焦、聚焦和离轴工况进行了实验测试。分析了焦距、焦斑分布、角分辨（50%能量所占区域HEW为17″和90%能量所占区域W90为44″）等光学性能参数。将得到的结果与德国马克斯普朗克地外物理研究所（MPE）PANTER X射线标定装置的实验数据对比, 性能参数基本相同, 得到的W90甚至优于MPE。实验结果验证了仿真计算结果, 为进一步开展像质研究提供了依据。通过实验掌握了聚焦镜的对准和测试方法, 未来该方法在X射线天文卫星载荷标定测试中将发挥巨大作用。

为了满足国内外空间X射线探测的需求, 研制了可透过X射线同时阻挡紫外可见红外波段杂散光的X射线遮光膜。利用紫外可见分光光度计和同步辐射光源对遮光膜的光学性能进行了表征, 并对其几何结构和光学性能的关系进行了分析。实验结果表明: 在紫外、可见和红外波段, 聚酰亚胺表面铝膜的厚度越大, 其透过率越低, 聚酰亚胺表面蒸镀厚度为120 nm铝膜时遮光膜的透过率已低于1.0×10-4; 且聚酰亚胺表面单面镀铝的遮光膜的挡光效果优于双面镀铝的遮光膜。在X射线波段, 遮光膜的透过率只取决于聚酰亚胺的总厚度和铝膜的总厚度, 与分层结构无关。本课题组自行研制的遮光膜基本满足目前国内空间探测项目的需求。

静电悬浮是一种无接触式研究材料深过冷等特性的重要方法之一, 为此设计了一套地面静电悬浮控制系统。基于双GPU建立图像采集和位置解算系统, 使用实时检测算法完成对目标的实时检测。对样品带电以及动力学建模, 通过开环-赋初值PID的控制策略, 实现材料的融化悬浮等实验, 省去了深紫外灯进行电荷补充的装置。实验证明, 图像处理速度在304×304像素达到了700 frame/s, 同时规则球体控制精度约在±0.02 mm以内。模型仿真控制结果和实际实验控制结果的相关参数基本一致。加入900 V（该电压引起材料的加速度约为1.274 m/s2）的人工扰动下, 静电悬浮约340 ms即可稳定, 证明了基于高速视觉的静电悬浮控制系统的可行性与可靠性和静电悬浮动力学建模的准确性。

针对空间环境对低轨卫星推进系统的影响, 以某卫星超寿命运行下的肼推进剂泄漏为例, 在讨论卫星轨道倾角、光照角、降交点地方时等参数漂移的基础上, 详细分析卫星无姿态控制下的俯仰角速度遥测参数加速变化与干扰力矩来源, 随后根据气态方程建立模型, 估计质量泄漏率、气体泄漏率、干扰力矩、比冲等参数, 最后利用姿态角速度、储箱温度与压力等遥测数据进行检验。结果表明, 干扰力矩具有分段线性变化特征, 极大值约为3.4 μN·m, 极小值约0.9 μN·m; 肼推进剂的质量泄漏率在7.4~13.4 μg·s-1之间变化, 初始值相对较大, 随后下降并逐渐稳定在8.0 μg·s-1附近; 对应的气体泄漏率在0.56~1.18 Pa·L·s-1之间变化, 稳定值约为0.60 Pa·L·s-1; 比冲在121~249 m·s-1之间, 稳定值接近200 m·s-1。温度对漏气比冲的影响较为明显, 温度高则比冲相对较大, 反之亦然; 温度对干扰力矩也有相应影响, 但对质量泄漏率的影响并不明显。泄漏由密封材料性能下降所致, 温度对材料老化的影响是其中的关键因素, 但肼推进剂的质量泄漏率相对较小, 推进系统的产品质量相对较优, 能够满足长寿命低轨卫星应用需求。

PID控制是飞行器控制中应用最广泛的控制方法, 但是PID参数的调节往往十分繁琐。为了实现飞行模拟器控制系统自主优化PID控制器的参数, 从而完成系统的稳定控制, 本文使用强化学习中的概率推理学习控制算法(Probabilistic Inference for Learning Control, PILCO)自主优化PID控制器的参数。首先, 利用输入输出数据拟合出系统的概率动力学模型, 并使用策略评估的方法对当前PID控制器进行评价; 最后, 使用策略提升的方式对当前PID控制器进行优化。在系统采样频率为100 Hz, 每次采集8 s数据的实验中, 经过10个回合的离线训练之后, 系统控制效果已经可以满足要求, PID控制器参数已经收敛。经过PILCO优化的飞行姿态模拟器在定点实验中表现出良好的鲁棒性, 表明PILCO算法可以优化PID控制器的参数, 并且在解决非线性控制和参数优化方面具有很大潜能。

为满足大口径离轴三反空间望远镜在轨成像质量需求, 设计了一种基于6-PSS并联机构的次镜调整机构, 并针对其精度进行了分析与实测。首先, 分析了次镜调整机构的组成和光学系统对它的精度需求。随后, 以逆运动学分析为基础建立了次镜调整机构的误差模型, 并对结构参数、动平台位置、动平台姿态对整机精度的影响进行了理论分析, 根据分析结果结合实际空间包络及重量等约束确定结构参数, 并采用Monte Carlo模型分析了该结构参数下的次镜调整机构的随机误差和系统误差。最后, 搭建了精度测试系统, 对次镜六维调整机构的主要技术指标进行了实测。测试结果显示, 次镜六维调整机构的位移分辨率优于0.1 μm, 角度分辨率优于0.5″, 双向重复定位精度达到亚微米/亚角秒量级（±0.4 μm/±0.3″）, 其绝对定位精度可以达到微米/角秒量级, 满足大型空间望远镜在轨成像要求。

通过改变预紧力将产品化轴承适应性地应用于不同类型载荷伺服机构, 对降低产品研发成本、提高产品继承性有着极大助益。本文根据启动摩擦力矩和预紧力的关系, 识别出轴端压紧力和过盈摩擦力是轴承装配过程预紧力控制的两项主要影响因素, 并给出了具体数学关系。将轴承过盈配合简化为组合厚壁圆筒模型, 得到了过盈摩擦力计算方程。进一步地, 依据虎克定律和杨氏模量定义, 推导了轴承压装过程中轴端压紧力与轴承预紧力的数学关系, 并在上述基础上, 提出了空间伺服机构装配过程轴承预紧力控制方法。最后, 依托某工程型号伺服机构, 进行了预紧力控制和轴承寿命实验研究。预紧力控制实验结果显示, 所述方法能够有效实现轴承预紧力的控制, 间隙配合、过盈配合理论与实验误差分别为2.6%, 20.3%; 轴承寿命实验结果显示, 采用所述方法装配后的轴承寿命末期回转倾角误差为3.04″, 摩擦力矩为25.8 mN·m, 满足该工程型号空间伺服机构的使用需求。

针对高超声速飞行器一体化气动布局导致弹性机体与推进系统间的强耦合性, 以及跨大空域及高速飞行过程中导致气动特性存在强非线性、不确定性和明显的时变特性, 提出一种基于小脑神经网络的高超声速飞行器反步滑模控制策略。首先建立高超声速飞行器纵向非线性数学模型, 并采用输入-输出反馈线性化方法, 解除多变量之间的耦合关系; 然后设计基于反步法的滑模变结构控制器解决系统非匹配不确定性难题; 同时为弥补反步滑模控制器鲁棒性不足缺点, 利用自回归小脑神经网络（RCMAC）的在线非线性逼近、自学习能力和相应控制结构, 设计基于RCMAC的反步滑模控制器。仿真试验结果表明, 该方法下高超声速飞行器纵向的高度控制精度可达到0.5 m, 速度控制精度为0.1 m/s, 可以保证闭环系统全局稳定, 且拥有良好的跟踪性能和鲁棒性能。

超薄光学零件由于径厚比大, 刚度低, 抛光上盘时容易产生较大变形, 影响其最终的面形精度。本文通过Ф50 mm×1 mm熔融石英玻璃的胶粘上盘实验, 结合有限元分析, 研究了不同上盘方式和固化顺序对零件变形的影响, 分析了变形产生机理。研究结果表明上盘变形主要由胶层内胶黏剂先后固化顺序引起, 和零件胶结面面形关联性不明显。此外, 由于固化顺序的随机性, 上盘变形是不对称、不规则的, 没有规律可循。基于弱化固化顺序影响的思路, 通过改变粘接方式, 将固持变形由整面上盘的1.88 μm减小到0.51 μm。采用该上盘方法对熔融石英玻璃薄片进行沥青抛光加工, 下盘后面形精度PV值达到0.46 μm, 有效地抑制了零件下盘后的面形恶化。本文研究有助于进一步揭示上盘固持变形的产生机理, 并对实际超薄光学零件加工具有一定指导作用。

针对传统的电容式触觉传感器因存在信号耦合测量, 导致切向灵敏度远低于法向灵敏度的问题, 基于多层电容结构, 设计了一种三轴力解耦测量的高灵敏触觉传感器。传感器分为切向和法向测量单元, 切向测量单元采用对称分布的差分式指状结构保证切向高灵敏测量, 并结合超薄弹性硅胶介质, 提高切向介质层有效压缩刚度,以抑制法向信号的耦合干扰; 法向测量单元的介质层采用一种弹性稀疏网状微结构, 用于法向高灵敏测量, 并通过拓展法向接地极消除切向信号的耦合干扰。在对电容结构参数化设计的基础上, 完成触觉传感器的制备,并搭建三轴力测试系统进行测试。结果显示, 传感器的切向X, Y以及法向的测量灵敏度为0.206 pF/N, 0.251 pF/N, 0.148 pF/N; 切向X-Y以及切向-法向之间的最大静态耦合比分别为7.636%, 1.051%。本传感器实现了三轴力的解耦测量及切向、法向相同量级的高灵敏特性。

针对磁悬浮飞轮低功耗的要求, 对一种经典永磁偏置径向磁轴承进行能量优化研究。介绍了磁轴承的磁路结构和工作原理, 基于磁轴承电流刚度和位移刚度数学模型, 提取出轴承能量优化因子σ。在此基础上, 建立了磁轴承功耗的目标函数, 并对磁轴承功耗进行优化, 得到了最优功耗数学表达式及其对应的σ大小。通过有限元法对轴承功耗优化结果进行仿真验证, 其结果与理论分析结果基本吻合。在此基础上, 基于优化结果研制了一套磁轴承, 并通过改进现有15 Nms磁悬浮飞轮进行功耗测试。结果表明: 振幅为10 μm时, 单组绕组的最优功耗为0.87 W, 与理论最优值0.79 W的最大误差为9%。该能量优化方法提高了磁轴承低功耗设计效率, 对飞轮系统整体功耗优化具有重要意义。

图像语义分割是现代自动驾驶系统的一个必要部分, 因为对汽车周围场景的准确理解是导航和动作规划的关键。为提高自动驾驶场景的图像语义分割准确率, 且考虑到当下流行的基于卷积神经网络的语义分割模型（DeepLab v3+）无法有效地利用注意力信息, 导致分割边界粗糙等问题, 提出一种融合底层像素信息与通道、空间信息的语义分割神经网络。在卷积神经网络中插入注意力模块, 提取出图像语义级别的信息, 通过学习图像的位置信息和通道信息得到更加丰富的特征; 从卷积神经网络输出的各类别得分值计算出单点势能, 且从初步分割图和原图得到成对势能, 以便全连接条件随机场对图像的全部像素进行建模, 并且优化图像的局部细节; 全连接条件随机场通过迭代得到语义分割的最终结果。在CityScapes数据集上进行了测试, 与DeepLab v3+相比较, 改进后的模型分别提高了均交并比和均像素精度等关键指标1.07%和3.34%。它能够更加精细地分割目标, 较好地解决分割边界粗糙, 有效地抑制边界区域分割的过度平滑和不合理孤岛等问题。

为了解决暗通道先验算法中对大片天空区域或大片白色区域失效的问题, 提出一种结合景深估计的高斯衰减与自适应补偿去雾算法。首先通过RGB通道散射强度的算术平均与雾浓度近似正相关的关系估计场景深度; 然后, 结合景深的边缘信息, 利用相邻像素之间的差异构造高斯滤波器对最小值通道进行滤波处理得到高斯暗通道; 其次, 利用高斯暗通道与其高斯函数之间的关系, 通过调节因子与雾浓度呈负相关的关系, 提出结合景深与高斯环绕函数卷积的策略获取自适应调节因子, 从而对透射率进行自适应补偿估计; 最后, 结合大气散射模型复原无雾图像。实验结果表明, 该算法在确保运行效率的基础上, 可以准确的估计透射率, 与经典算法相比较, 在客观评价中可见边数平均提高了0.02, 饱和像素点数平均下降了0.002。所提算法可以复原出自然清晰的无雾图像, 尤其是在景深远处和天空区域取得了良好的效果。

为解决因边界效应导致相关滤波跟踪算法不够稳健及其不能适应尺度变化的问题, 提出了一种基于双模型的相关滤波跟踪算法。将目标跟踪分为位置预测和尺度预测两部分, 在位置滤波器模型进行位置预测阶段, 先通过对待测样本进行样本增强处理, 使得到的样本更符合实际场景。再通过交替方向乘子法进行位置滤波器的迭代求解, 最后得到估计的目标位置。在尺度滤波器模型进行尺度预测阶段, 通过在估计的目标位置处构建多尺度金字塔来训练尺度滤波器, 再求解得到目标的尺度, 将双模型得到的结果作为最终的跟踪结果。最后通过引入一个遮挡判据来判断是否更新模型以提高算法的鲁棒性。实验表明, 改进算法和经典的相关滤波跟踪算法相比, 在跟踪成功率上提高了18%, 在跟踪精度上提高了11%。在目标被遮挡、自身尺度变化时, 改进算法仍能稳定跟踪。

本文提出了一种简易的三维深度分割技术, 该技术能够对存在突变表面的物体的不同深度区域进行分割。为实现该项技术, 首先需要搭建由投影仪、相机和物体组成的深度分割平台。由投影仪向被分割物体投射一系列相移数字光栅; 数字光栅经物体表面调制, 被相机采集并存入计算机中待后续处理。将所采集的序列数字光栅进行顺序置换操作, 依次获得三种序列的数字光栅组, 通过最小二乘法对不同序列光栅组进行解相位并因此得到包裹相位组。包裹相位组经差分与相交运算后, 可获得相交边缘; 对相交边缘进行图像增强操作后即可对不同三维深度的不连续区域进行分割。仿真结果表明, 对于900 pixel×900 pixel范围的复杂面型, 该算法的分割偏移误差仅为2 pixel。实验结果表明: 该技术能够对多个不同深度的相似颜色物体进行精确的分割。因此, 本方法具备低消耗, 高精度三维深度分割的能力。

星图识别算法是星敏感器快速获得姿态信息的关键, 传统的星图识别算法, 例如三角形算法、多边形算法以及一些改进算法, 大多是以星对间的角距作为识别特征, 而星对角距的计算精度严重依赖于星敏感器相机的焦距f的校准精度。如果校准精度不够或者由于环境原因导致相机焦距有较大变化时, 这些基于星对角距的识别方法将无法正常工作, 本文提出了一种基于相似三角形的星图识别算法, 该算法利用观测星组成的三角形与CCD相机所成像点三角形相似来进行识别, 由于识别过程不需要焦距信息, 在焦距有较大变化时仍能正常工作。最后用蒙特卡罗方法进行了仿真验证, 结果表明该算法在引入较大焦距误差时识别率无明显变化, 其平均识别率为95.2%, 平均识别时间为5.3 ms, 而相同仿真实验条件下传统三角形算法的平均识别时间为7.6 ms, 在引入0.5 pixel的像面位置误差时该算法识别率为93.3%, 而传统三角形算法识别率仅为86.5%, 该算法较传统三角形算法在识别速度方面有一定优势, 同时对像面位置噪声的鲁棒性更好。

针对遥感影像中建筑物目标与背景环境区分度低而造成的提取效果较差的问题, 本文提出了融合高阶信息的编解码网络方法以改善建筑物自动提取的精度。首先, 针对遥感影像建筑提取任务, 使用深度编解码网络完成对建筑物目标的低阶语义特征提取; 其次, 使用多项式核完成对深度网络中间特征图的高阶描述, 以提升网络对于模糊特征的辨识能力; 最后, 将低阶特征与高阶特征级联后, 送入编解码网络的末端, 得到对建筑物的分割结果。在Massachusetts Buildings数据集上进行试验, 其召回率、准确率和F1-score指标分别达到了85.1%, 77.5%和80.9%, 综合指标F1-score相比于基础深度编解码网络提升约4%。本文所提方法改进了编解码器网络对于遥感影像建筑物自动提取任务的表现性能, 能够更加精确地提取与背景区分度较低的建筑物目标, 具有良好的实用价值。

颗粒浓度对油液的湍流脉动特性有一定的影响, 利用Hilbert-Huang变换方法对含不同颗粒浓度的油液脉动流的压力信号进行分析, 探讨颗粒浓度对压力信号的振动特征的影响规律。利用经验模态函数（EMD）、Hilbert变换和包络解调等方法, 获取压力信号的Hilbert谱和信号能量特征, 分析了不同颗粒浓度的油液压力信号的能量分布和调幅调频特征以及调制信号的瞬时频率。结果表明以IMF能量作为特征向量将各阶IMF分量划分为3个信号特征频带, 随着颗粒浓度的增加, 高频率区的累积分布基本稳定在0.7范围内, 而中频率区出现下降、低频率区呈现上升的状态; 高频率区的边际谱平均幅值随着油液中颗粒浓度的增加呈现先增加后降低的发展趋势, 中低频率成分的幅值呈增加的趋势; 对压力信号在不同频带内的瞬时能量谱进行积分, 得到压力信号的总能量随着颗粒浓度的增加出现下降趋势, 中频率区的能量特征值呈逐渐衰减的变化趋势; 含不同颗粒浓度的油液压力信号具有调制特征, Hilbert包络解调信号的瞬时频率均值呈先增加后下降的发展趋势。