飞秒激光直写技术广泛应用于微加工领域,并在仿生特殊润湿性材料领域取得了重要进展。总结了国内外关于飞秒激光微加工技术在仿生超疏水领域的最新应用进展,并从超疏水表面材料、超疏水相关的功能浸润性和超疏水材料的应用三个方面分别进行了阐述,并展望了该领域未来的发展与挑战。

讨论了国内外提高抗激光损伤性能的技术方法,指出不同方法的优势。主要从微观组织、材料体系、涂层制备方法、损伤阈值、反射率和吸收率等几个角度展开论述。综述了不同材料制备的涂层提高抗激光损伤性能的研究进展,从微观组织、组织颗粒、新研究方法方面展望未来的研究方向:研究颗粒直径对抗激光损伤性能的影响,并将MATLAB、ANSYS等软件应用到提高抗激光损伤性能研究领域。

布里渊光时域分析(BOTDA)系统的空间分辨率、传感距离、测量精度和测量时间等参数存在着相互制约的关系,如何改善BOTDA系统性能一直是分布式光纤传感领域的研究热点。系统传感距离及测量精度等指标均与系统信噪比密切相关,因此提高系统信噪比并兼顾空间分辨率对改善系统性能至关重要。综述了提高BOTDA系统性能的相关技术方法,这些技术在不同程度上延长了系统的传感距离、提高了系统的测量精度,使BOTDA系统能够更符合实际工程的需要。在分析了上述技术存在的问题后,对未来的研究进行了展望。

基于光学原理的三维扫描技术通过光学系统对物体空间外形进行扫描,获取物体的三维信息,具有非接触性、高精度和高分辨率等优点。目前,工作距在1 m内的结构光三维扫描重建精度可达0.01 mm量级,点云数量可达百万量级。而采用纹理重建技术能进一步呈现扫描物体的色彩、材质等信息,提高了重建物体的真实感。由于相机误差和光照环境等因素影响,在纹理映射后纹理图像中容易产生接缝、模糊和重影等现象。通过建立相机模型,推导三维空间点和二维图像间的映射关系,归纳造成纹理残留处理痕迹的原因;分类介绍不同策略下消除纹理重建中残留处理痕迹的方法,总结其研究成果在纹理重建中的作用;针对纹理重建中尚存在的不足,对彩色三维扫描的纹理重建方法的发展方向进行了展望。

基于卫星激光测距(SLR)系统的测距原理,对从角反射器反射的回波光子分布进行数值仿真,分析并讨论了卫星角反射器形状效应与SLR系统测距精度的关系。另外,为验证卫星角反射器形状效应的适用性,利用中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站SLR系统对不同轨道高度的卫星进行了实测。结果表明,卫星角反射器形状效应使从卫星反射的回波光子分布发生明显改变,激光脉冲被展宽。对于Starlette卫星,激光脉冲脉宽由50 ps展宽至72 ps,由卫星角反射器形状效应引起的测距误差约为5.4 mm。对于高轨Etalon-1卫星、中轨LAGEOS-1卫星和低轨LARES卫星,由卫星角反射器形状效应引起的测距误差分别约为15.4,7.4,5.0 mm。因此,要使SLR系统测量精度向毫米级发展,应当考虑卫星角反射器形状效应对测距精度的影响,这也为SLR系统的性能评估与结构设计提供了新的思路与途径。

利用中国气象局南京综合观测基地的Rayleigh-Raman-Mie激光雷达,对南京北郊对流层气溶胶进行观测分析。通过软阈值滤波的小波去噪方法对波长为607 nm的Raman回波信号进行平滑,利用激光雷达Raman通道的实验数据反演对流层高空的气溶胶消光系数,结合波长为532 nm的Mie散射信号反演对流层高空气溶胶后向散射系数和激光雷达比。实验结果表明:软阈值滤波的小波去噪方法可以很好地去除噪声信号,提高反演结果的准确性;在晴空的天气条件下,南京北郊高空气溶胶消光系数的变化范围为0.03~0.07 km ^-1,后向散射系数变化范围为0.011~0.024 km ^-1·sr ^-1,激光雷达比的变化范围为22~52 sr,表明南京北郊高空存在一定含量的气溶胶;实验期间测多次测得卷云,卷云的激光雷达比为17 sr±10 sr。

为了解不同类型气溶胶的消光特性及粒子多次散射效应对可见光传输性能的影响,选取400, 488, 550, 694 nm波长和海洋型、沙尘型、水溶性、烟尘4种常见气溶胶,基于Mie散射理论和建立的稳态蒙特卡罗计算模型,研究了可见光的大气传输衰减特性。结果表明,单个粒子散射强度随入射波长的增大而减小;海洋型、水溶性、烟尘粒子的消光效率因子随波长的增大而减小,沙尘型粒子则相反;海洋型、沙尘型、水溶性粒子的消光以散射为主,烟尘粒子则以吸收为主。利用稳态蒙特卡罗方法模拟多次散射效应,结果表明,光波在海洋型气溶胶中透过率最大,在沙尘型、水溶性和烟尘气溶胶中依次减小;随着能见度的增大,透过率逐渐增大。当能见度达到一定程度时,多次散射过程中的吸收作用可以忽略不计。该结论有助于在特定类型气溶胶光学厚成像路径中,构建更加准确的图像退化模型。

空间激光准直系统常采用位置传感器(PSD)作为光电接收单元,半导体激光器作为光源。由于PSD具有非线性,激光光源出射激光的衍射特性会导致准直系统在空间不同距离处响应情况不同。为了减少空间激光准直系统工作时在不同空间距离处的重复标定工作,提出了一种模拟PSD探测半导体激光光斑位置的方法。该方法通过设计相关光学系统获取PSD靶面非线性数据及激光光强分布数据,完成了PSD对光斑强度重心响应的模拟。之后对仿真结果进行了实验验证,实验结果表明该仿真系统能够较好地重现实际PSD探测过程,在0~4.5 mm的相对位移范围内最大误差仅为0.026 mm。

在光子计数模式的激光雷达应用中,回波信号的动态范围大。激光雷达的远场回波信号处于探测器的线性输出区间,无需进行校准;近场信号基本处于探测器的非线性响应区,需要进行校准。为了提高远场信号的信噪比,提出了一种校准方法。依据脉冲激光雷达方程,使用远场信号反演得到修正的近场信号,并与接收的回波信号作比较,得到校准因子。进一步使用校准因子修正前后的数据分别反演了能见度,并与能见度仪的探测结果作比较。结果显示:对于未修正的数据,远场信号反演与能见度仪得到的能见度平均偏差和标准差分别为0.57 km和1.89 km,而近场信号的平均偏差大于10 km。由修正后的数据得到的能见度与能见度仪的结果符合得很好,平均偏差和标准差分别为0.43 km和0.76 km。

光纤光栅的粘贴封装工艺对传感器的性能有重要影响。目前光纤光栅传感器设计中最常用的两种封装方式分别是将光栅全部粘贴后进行封装以及将光栅预拉伸后对光栅两端进行粘贴封装。在这两种封装方式下,对光纤光栅的测量灵敏度、线性、重复性、蠕变、温度补偿等决定传感器核心性能的参数开展了实验研究。每种封装方式下,均将3支参数相同的光纤光栅布置在同一等强度梁上,并布置1支自由状态的裸光栅作为温度参考,开展应变感测特性和温度补偿特性方面的对比实验。实验结果表明,两种封装方式下的6支光纤光栅在灵敏度、线性、重复性方面均具备良好的一致性及抗蠕变能力;温度补偿测试中,同种封装方式的光栅自差分补偿的效果明显优于参考裸栅的差分补偿结果;光栅两点粘贴封装方式的自差分补偿效果最好,达到9 pm以内,优于光栅全部粘贴封装的结果(小于20 pm);光栅两端粘贴封装与参考裸栅差分补偿的效果最差,最大达53 pm。

针对传统布里渊光时域分析(BOTDA)技术测量速度慢的问题,提出并设计了一个基于相干检测数字光频梳(DOFC)的快速BOTDA传感系统。利用相干检测DOFC,在不扫频的情况下重构传感所需的布里渊增益谱(BGS)和相位谱(BPS);结合BGS和BPS,传感光纤的布里渊频移分布可在不作任何平均处理的情况下快速获得,极大地缩短了BOTDA传感系统的响应时间。实验测试可知,传感系统在10 km传感光纤上的响应时间为0.1 ms,其温度和应变的探测精度分别达到了1.6 ℃和44 με,相应的温度和应力测量最大偏差分别为0.3 ℃和小于10 με。实验结果表明,基于相干检测DOFC的BOTDA传感系统可快速实现温度和应力的长距离、高精度传感。

为了精确提取相关干涉信号的峰值位置,为光楔式光纤法布里-珀罗传感器的相关干涉解调机制提供理论借鉴,数值模拟了3种典型的光源光谱分布的相关干涉信号,并对所获得的相关干涉信号进行了详细的对比分析,综合讨论了不同光源光谱分布条件下,光谱带宽对相关干涉信号宽度、幅值以及对比度的影响。分析结果表明,当光源在光谱上具有高斯分布且带宽较大时,得到的相关干涉信号噪声较小、条纹更稀疏、信号对比度更高,更便于准确寻峰和实现高精度的解调。

端接光纤光栅应变传感器具有无多峰、栅区不直接受力和各点受力相等等优点,在基片式和夹持式等传感器封装中得到广泛应用。但黏接层的剪切变形会导致光纤光栅测量应变与基体结构应变不同,从而产生应变测量误差。实际使用中,需要准确获得黏接层剪切变形影响下光纤光栅应变与基体结构应变的函数关系,以提高应变的测量精度。为此,推导了线黏弹性表面黏贴式端接光纤光栅应变传递方程,建立了瞬时响应和准静态响应下光纤光栅和基体之间的平均应变传递模型。讨论分析了影响平均应变传递率的因素,给出明显优于栅区黏接式光纤光栅应变传感器的黏接层参数的影响规律。通过有限元仿真验证了理论方程的有效性。该模型为端接光纤光栅应变传感器的设计与应用提供依据。

提出一种利用光纤布拉格光栅(FBG)测试双壁模型管桩桩身轴力的方法,探讨模型管桩应变变化与光纤光栅中心波长稳定性和漂移的关系。FBG传感器封装在模型管桩外管加工槽体内,模型管桩内管采取直接粘贴光纤光栅的方法,将应变片分别粘贴在模型管桩内、外管光纤光栅同一位置。对模型管桩施加竖向压力后产生的应变进行测试,并将FBG传感器及应变片的测试结果与理论公式进行对比分析,发现两者存在误差,但在测试要求范围内。外管施加5 kN竖向荷载时,光纤光栅测得的最大应变为59.2 με,相对误差为4.9%;内管施加5 kN竖向荷载时,光纤光栅测得的最大应变为122.3 με,相对误差为7.2%,均满足工程测试要求。

利用马赫-曾德尔干涉仪研究了磁场对铁磁性金属局部腐蚀过程的影响。结合传统电化学方法和动电位极化测量研究了纯铁电极在0.1 mol/L氯化钠溶液中局部腐蚀的情况,先利用CCD采集电极/溶液界面处干涉条纹视频图像,随后采用傅里叶变换和自适应带通滤波器分析干涉条纹,最后通过干涉条纹动态相位重建再现电极/溶液界面局部腐蚀动态过程。结果表明,没加磁场时,电极/溶液界面的中间区域会先出现局部溶解现象,但随着电位的增大,电极/溶液界面局部腐蚀程度加深,最后整个电极/溶液界面达到活化溶解。在外加磁场条件下,电极表面的腐蚀程度与磁感应强度正相关,呈现出明显的边缘腐蚀现象。即外加磁场能够加剧铁磁性金属的电化学腐蚀。

散斑噪声的存在严重降低了数字全息技术再现像的信噪比和空间分辨率。在无透镜傅里叶变换数字全息中,通过对电荷耦合器件(CCD)记录的干涉图进行一次傅里叶变换,就可以重建物光场。根据干涉图上不同的像素点对再现像中散斑噪声强度分布贡献不同的特点,提出了一种新的降噪方法。该方法将CCD输出的干涉图划分为多个区域,并调换各个区域的位置,得到多幅互异的新干涉图,然后将所有新干涉图进行再现处理;对再现像进行叠加平均,就可以得到一幅散斑噪声强度更低的再现像,其等效视数明显提高。相比于空域掩模法,所提方法的处理时间缩短了80%左右,且再现像的边缘保持系数提高了1倍。

提出一种基于最大间隔原理的半监督图像搜索重排序学习算法。所提算法在最大间隔原理框架下,首先利用超图正则化保持标注及未标注样本在原始空间中的局部近邻关系,增强算法的稳健性;其次,利用少量的标注样本构造优先关系对,将样本间先验的相关性等级信息引入目标函数中以更好地指导重排序模型的学习。在公开数据集MSRA-MM 1.0上的实验结果表明所提方法能更好地将符合用户需求的结果靠前优先呈现给用户,提高搜索的准确性。

针对视觉背景提取(Vibe)算法不能有效地去除目标阴影以及不能快速消除鬼影现象的缺点,提出了一种改进的YUV_Vibe融合算法。该方法通过扩大样本的邻域选取范围,从而有效避免了同一样本重复选取;将更新因子从16调整至4,且将样本更新个数变为2,提高背景更新速率,加快鬼影现象消除速率;将YUV颜色信息特征与Vibe相融合,消除了阴影影响;通过融合双模型的构建,有效地减少了阴影误检测率。通过视频数据集对算法进行实验论证,检测结果表明,改进了的YUV_Vibe融合算法在准确度与识别率上都有提高,且实验检测的结果更准确。

提出一种通过种子边缘点提取闭合点云边缘的算法,通过搜索视角控制边缘点云搜索方向,可提取尖锐边缘与相交边缘。算法通过模拟点与点之间拉力的聚集程度来判断一个点是否具有边缘点的特征。首先构建kd-tree以便快速查找点云数据。其次定义点云的邻域半径,通过计算种子点邻域内点的边缘系数来选择新的种子边缘点,并通过搜索视角来控制点云搜索的方向,最终提取闭合的点云边缘。选择不同的种子点与搜索视角可提取不同的边缘。通过实验分析邻域半径和搜索视角对算法边缘提取效果的影响,并采用合适的半径与搜索视角,对尖锐边缘与相交边缘进行点云提取,获得了准确的点云边缘,从而证明了该算法的有效性。

提出一种基于波前像差模式系数求解的相位解缠算法,该算法是基于波前可利用Zernike多项式进行精确表示来实现的。它通过求解对应Zernike多项式的系数,实现快速精确的相位解缠。以基于二元像差模式测量的波前传感技术中的相位解缠为研究目标,利用数值仿真对该算法的可行性进行验证。数值仿真结果表明,相对于最小二乘法而言,该相位解缠算法在解缠绕的精度和速度等方面均实现了大幅度提升。

扫描电镜(SEM)图像能够直观地显示微观世界。在SEM成像过程中,需要反复调整设备参数来保证图像的对比度,这个过程费时费力。提出一种基于多尺度的SEM图像对比度失真的无参考质量评价方法,指导成像参数的选择。首先,建立了SEM图像数据库,进行主观实验,得到相应的主观平均意见分数(MOS);然后,根据人类的视觉系统具有多尺度特性,提取图像不同尺度奇异值分解域相似度、频域和熵共10个特征,结合MOS值通过支持向量回归训练回归模型;最后,利用前述模型预测图像的质量分数。实验结果表明,本文方法与主观评价结果保持很高的一致性,其性能优于主流的全参考和无参考质量评价方法。

针对图像拼接技术中特征精匹配耗时长,图像配准精度低导致拼接区域模糊等问题,提出一种基于改进网格运动数据和加权投影变换的图像配准算法。该方法使用ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)算法进行图像特征提取,再利用暴力匹配算法进行图像粗匹配。然后将图像划分成多个方形网格,进行网格特征数量统计,通过计算五宫格特征分数来剔除错误匹配,得到精匹配特征点集。最后通过引入距离权重系数获得加权投影变换模型实现图像配准。将本文算法与其他方法在拼接序列集上进行测试比较,实验结果表明,本文算法在配准精度上平均提高28.7%,在特征精匹配速度上提升43.6%,拼接的全景图像无明显几何错位和畸变,整体成像自然。

行人检测是实现智能交通与客流监控的关键技术,深度学习方法训练模型已经在行人检测领域取得了良好的效果。但是当训练样本质量不佳时,训练的模型往往不能得到令人满意的效果。为了提高雾霾天气与曝光较强环境下的行人检测效果,提出了将暗通道去雾算法应用于深度学习的样本预处理中,并使用快速深度卷积神经网络训练行人检测模型。在实验中,首先对10000张样本图片采用暗通道去雾算法进行预处理,之后分别使用有无暗通道去雾算法预处理的样本图片训练模型,最后比较这两种模型在不同场景下的模型检测准确率。实验结果表明,使用暗通道去雾预处理后的样本训练得到的深度模型具有更好的检测效果,在多种场景下的检测率都得到提升。

针对目前基于韦伯特征的人脸识别算法没有充分利用方向信息且提取信息不充分的问题,提出一种多方向韦伯梯度直方图的人脸识别方法。在原始差分激励的基础上增加邻域像素梯度,提取改进的差分激励和韦伯梯度特征;将改进的差分激励与韦伯方向进行量化并分块提取二维直方图,进而转化为一维直方图特征,将韦伯梯度分块后沿韦伯方向累积提取直方图特征;连接两个特征形成组合特征,并利用最近邻分类器分类。通过在不同人脸库的实验可看出,所提算法具有良好的识别效果,且对光照、表情和部分遮挡变化有较好的稳健性。

提出了一种基于非下采样Contourlet变换(NSCT)的雾天图像清晰化算法,将雾天图像映射到HIS彩色空间,对亮度分量H、饱和度分量S分别处理。采用NSCT处理亮度分量H,对含有大多数能量的低频分量取反,再进行改进的单尺度Retinex算法处理,将再次取反后的图像与直接进行改进的单尺度Retinex算法处理的低频分量线性叠加;采用一种快速双边滤波器对包含图像大多数线性细节的高频分量进行处理;对处理后的高低频分量进行NSCT逆变换,得到处理后的亮度分量。对饱和度分量S进行颜色拉伸,实现颜色补偿;将处理后的各分量图像反向映射到RGB颜色空间,得到清晰化后的雾天图像。实验结果表明,该算法可以获得较好的浓雾图像细节及颜色保真度,与其他算法相比,图像的标准差、信息熵、峰值信噪比都有所提高。

手语特征提取的传统算法仅仅依靠底层特征完成识别,难以获得高层语义特征,进而对手语理解产生分歧。针对这一问题,将图像语义分析的思维引入手语识别研究中,提出一种优化全卷积神经网络算法。采用全卷积神经网络提取手语图像的语义特征,并通过判别随机场进行语义标注做后期平滑处理,恢复像素间的细节信息,从而完成手语识别。实验结果表明,所提出的算法具有较强的稳健性,能有效学习到语义特征。与传统算法对比分析表明,此方法能精准的识别到手语,其平均识别率达97.41%。

针对脑肿瘤磁核共振成像(MRI)中噪声、低对比度、脑肿瘤边界模糊等原因造成脑肿瘤分割不足的问题,提出一种改进的连续型最大流算法脑肿瘤MRI三维分割方法。针对Flair、T1C和T2三种模态MRI图像使用中值滤波和快速模糊C均值聚类进行预处理得到预处理图像;按照大量实验统计确定的融合比例5∶1∶4(Flair、T1C和T2三种模态),对各预处理图像进行线性融合得到三维融合图像;采用快速模糊C均值算法对三维融合图像进行聚类得到三维欠分割图像;使用本文提出的算法对三维欠分割图像进行精准分割,即通过分析三维欠分割图像的结构特征和统计特征,提取参数实现改进的连续型最大流算法,去除散点后得到最终分割结果。实验表明,相对金标准的相似系数为0.90,正确率为0.94,召回率为0.86。使用本文提出算法进行脑肿瘤MRI三维分割能够自动、准确地分割出三维脑肿瘤区域,可以满足医学临床需要。

利用地基大的光学望远镜获得衍射极限成像是许多天文观测的重要目的,受大气扰动限制的分辨率可以通过在望远镜瞳面添加非冗余孔径掩模、采用闭合相位技术来突破。介绍了非冗余孔径掩模技术的发展、原理以及应用;建立了将此技术应用于双星探测的数学模型,并进行了计算机模拟及实验研究。研究结果表明,通过对非冗余孔径掩模获得的干涉图的处理,获得闭合相位,以此对双星模型进行拟合,能够获得双星的对比度与角间距。

在流体密度测量中,纹影设备的灵敏度是实验测量结果的关键。为了研究空气流速、温度以及装置参数对实验的影响,设计了以热风枪为扰动区的灵敏度测量系统。通过成像分析,给出了不同温度和不同空气密度下的像面图。发现纹影系统的灵敏度可以由像面上热风枪的温度变化(像面条纹数)来衡量,即系统的纹影设备灵敏度越高,可分辨的热风枪扰动后成像面中得到的条纹数越多,能够分辨的温度区间越大。利用Zemax进行模拟验证,实验结果和理论分析基本一致。结果表明,热风枪扰动法可以便捷、有效地衡量透射式纹影设备的灵敏度,为纹影系统灵敏度的测量提供了一种简洁有效的方法。

为了提升稀疏采样环境下的图像重建质量,针对广义全变分模型重建图像时不能充分利用图像本身结构自相似性信息的不足,建立了一个非局部约束下的改进广义全变分图像重建模型。该模型引入了变化域非局部自相似性作为图像重建的先验信息,同时在八邻域空间计算多方向的广义全变分正则化约束,从而更好地保护了图像的结构特征,进一步地,使用增广拉格朗日理论对模型进行去约束化、求解,提出了基于改进广义全变分的图像重建算法。仿真实验结果表明,所提出的重建模型和图像重建算法可以有效地去除图像中的伪影和噪声,满足稀疏采样情形下对图像重建质量的要求。与其他重建算法进行比较可知,本文算法所重建的图像不论是主观视觉效果,还是各个客观评价指标均有不同程度的改善和提高。

相位调制器是相干合成孔径望远镜中光束合成机构的关键部件,精确测量相位调制器的运动信息是相位调制器控制的核心技术之一。提出了基于平面法线向量的三自由度(俯仰角、方位角和轴向位移)测量方法,基于法线向量的变化解算角度和位移信息,并对所提方法进行详细描述,分析了影响测量精度的因素。实验结果表明:旋转角α和γ的转动范围分别为0~0.44 mrad和0~0.28 mrad,位移移动范围为0~3 μm;在测量范围内,角度误差小于3.3 μrad,位移误差小于50 nm。所提方法具有结构简单、测量精度高等优势,可广泛应用于相位调制器等的三自由度测量中。

数字图像相关法(DIC)在位移测量中对搜索速度和测量精度均有较高的要求。在亚像素级测量中,一些不错的算法在速度和精度上很难兼顾。提出了一种组合式DIC算法,即以自适应遗传算法为基础快速得到亚像素级的最大相关系数点,然后以该点为拟合窗口,通过样条插值和二次曲面拟合得到亚像素位移值。以模拟散斑图为研究对象,对组合式DIC算法的测量精度、测量稳定度、搜索速度进行分析。结果表明:组合式DIC算法在搜索速度、测量精度、测量稳定性上比单独一个算法有明显的综合优势,可以满足DIC在亚像素级微小位移测量上对速度、精度的要求。

针对传统相机标定方法精度和灵活性不高的缺点,提出了一种基于相位标靶的相机标定方法。该方法首先将液晶显示屏作为相位标靶(LCD)产生红、蓝正交的正弦条纹图案,通过傅里叶变换和空间相位展开算法从一幅条纹图中得到水平和垂直两个方向上的展开相位图;然后将相位标靶任意摆放在相机景深范围内的几个不同的位置,建立世界坐标与像素坐标之间的精确的映射关系;最后标定相机的内部参数,并利用重投影误差评价标定结果的精度。实验结果表明:所提方法在每个标靶位置只需采集一幅条纹图即可得到两个方向的展开相位图,与现有方法相比简化了标定步骤,并且重投影误差仅为0.042 pixel。

采用激光熔覆技术在TC4基材表面制备了TiC+TiB₂增强Ni基自润滑复合涂层,研究了CeO₂含量对涂层物相组成、微观组织、显微硬度和摩擦磨损性能的影响。结果表明,添加不同CeO₂含量涂层的物相主要由基底γ-Ni、陶瓷增强相TiC和TiB₂、金属间化合物Ti₂Ni及润滑相Ti₃SiC₂组成。添加适量的CeO₂可以减小涂层增强相的尺寸,细化晶粒。当CeO₂添加量为1.5%时,涂层的显微硬度为1400 HV左右,涂层的最小摩擦系数为0.22~0.24,最小磨损量为1.7 mg,涂层具有良好的自润滑耐磨性能。

为研究304不锈钢光纤激光焊接模式的影响因素,参考均匀试验设计的思路,以激光功率、焊接速度、离焦量为变量设计了一组试验。通过分析成形的焊缝,获得了光纤激光焊接过程中热导焊和深熔焊的特征形式;定量计算了焊接模式与各焊接参数及其交互作用之间的关系,确定了焊接模式的影响因素。研究结果表明,304不锈钢光纤激光焊共有四种由热输入密度决定的焊缝成形形式。当热输入密度小于43.04 J·mm ^-3时,焊缝为圆弧形,对应的焊接模式为热导焊;当热输入密度大于66.82 J·mm ^-3时,焊缝为钉头形或钉状,对应的焊接模式为深熔焊;存在一种过渡状态,对应的热输入密度处于两种焊接模式的中间值。

采用激光熔覆技术,在16Mn钢表面制备了2205双相不锈钢/TiC复合涂层,研究了TiC含量对熔覆层微观组织、显微硬度及摩擦磨损性能的影响,并讨论了熔覆层中TiC的熔解、析出行为与熔覆层性能之间的关系。结果表明,随着TiC含量的增大,熔覆层的稀释率逐渐增大。熔覆过程中TiC发生了熔解及析出现象。随着TiC含量的增大,熔覆层的显微硬度逐渐增大。当TiC质量分数达到15%时,熔覆层的显微硬度最大值可达612 HV,该熔覆层的磨损失重最小。

基于人工神经网络,对激光切割镍基合金样本进行了训练函数拟合,以电流、脉宽、切速及离焦量作为输入向量,以挂渣宽度、切缝宽度及切割完整度的综合评分作为输出向量,找出了最小误差的隐含层节点,以此模型预测激光切割质量,得到最大误差为7.66%,最小误差为-0.32%。以综合评分作为遗传算法的适应度值,在实际应用的工艺参数范围内随机选择了50个种群作为最初寻优群体,对其进行交叉、变异和迭代等操作,寻找最优适应度值及对应的工艺参数。理论预测的最优适应度值为98.41,实际值为89.53,误差为9.03%。该验证样本的质量明显高于25个实验样本的,挂渣平均宽度为81.5 μm,切缝平均宽度为164 μm。

理论阐述了光谱色散匀滑(SSD)技术的物理内涵,即SSD的焦斑匀滑效果来源于远场基元电场相位随时间的演化,在实际应用中不存在“运动”焦斑的物理图像。在此基础上,建立了远场强度分布形式不变但空间位置随时间变化的“强度扫动”光束的理论模型,通过数值模拟研究其匀滑特性,并与SSD的匀滑效果进行了对比分析。

利用连续光纤激光器进行了800 MPa级和1000 MPa级双相钢的激光拼焊试验,研究了马氏体含量对双相钢焊接接头组织和性能的影响。结果表明,不同马氏体含量双相钢的焊接接头均由全马氏体区和不完全相变区组成。两种焊接接头不完全相变区的宽度和显微硬度的降幅较小,其拉伸断裂位置均位于母材。1000 MPa级双相钢焊接接头在杯突试验中沿不完全相变区直接开裂并扩展,杯突值达到母材的85.0%;800 MPa级双相钢焊接接头则垂直于全马氏体区方向开裂,杯突值达到母材的91.7%,成形性能好。

针对视觉背景提取(Vibe)算法在目标检测过程中存在鬼影且易受动态背景干扰等问题,提出了一种基于多尺度空间的Vibe算法。在建立背景模型前,对输入的视频序列进行金字塔变换,得到顶层、中层、底层3种不同分辨率的图像;再在不同分辨率下进行Vibe前景检测,并对检测结果进行融合,减少了动态背景的影响,同时提出了一种鬼影消除策略,结合帧间信息,加入二次判断策略,加快了鬼影的消除;最后,为了更好地适应动态环境,提出了一种背景复杂度量,根据背景的复杂程度,自适应地调整阈值。实验结果表明:经改进的算法加快了鬼影的消除,对动态环境噪声的干扰有良好的稳健性。

物体形貌三维重建技术是视觉测量领域研究的热点,当前使用工业相机进行双目视觉测量的方法存在设备费用昂贵、操作过程复杂及需专业软件和相关技术人员进行后期处理等不足。针对这些方面的不足,研究了基于智能手机摄像头的三维重建方法,利用智能手机从不同角度拍摄多张图片,通过手机相机定标、图像预处理、特征点检测和匹配、基础矩阵和本质矩阵计算及奇异值分解的方法来实现图像的三维模型重建。实验结果表明,该方法基本可以达到一般工业相机的测量精度,满足日常应用中基本的三维形貌建模需求,可以极大地拓展视觉测量的应用范围。

驾驶员因素引发的交通事故比例居高不下,因此,研究基于驾驶员活动状态分析从而对异常驾驶行为进行正确识别分类的识别方法具有重要意义。提出一种基于协方差流形和基于二分类思想的多类LogitBoost分类器的异常驾驶行为识别方法。首先,提取图像的纹理、颜色和梯度方向等基础特征,以克服基于单一特征识别驾驶行为的不足;然后,利用协方差流形进行多特征融合,以消除特征冗余,同时降低由于不同特征数值差异过大而可能给图像处理及识别带来的影响;最后,使用基于二分类的多类LogitBoost分类器进行分类识别。实验结果表明,相对传统的直接使用LogitBoost的多分类方法,本文方法较大幅地提高了多分类的正确率,针对不同目标的正确识别率可达81.08%。

提出一种基于深度学习的极光序列分类方法,有效结合卷积神经网络(CNN)特征丰富的空间域信息和长短时记忆(LSTM)网络捕捉序列信息的优势,并利用极光的属性对CNN添加反馈约束调节使特征更契合极光图像。在中国北极黄河站的全天空成像仪(ASI)极光图像数据库上进行有监督的极光序列分类研究和无监督的极光事件检测,实验结果表明本文方法能有效用于极光序列的表征,为海量极光序列的自动分类提供了可能性。

研究了复杂环境下不同形状物体的快速识别、定位以及表面检测,旨在满足智能机器在线作业时对复杂环境中的目标进行同步性抓取以及表面检测等需求,讨论了异形物体的多目标快速识别、定位、立体匹配及点云后处理算法。首先,基于稳健主成分分析识别出场景中的新增目标,再运用改进k均值聚类对各目标进行图像定位。然后,通过支持向量机筛选出感兴趣区域,并借助外极线约束进行一维搜索获取双目图像中的待匹配区域,快速获得局部三维点云。最后,进行特定的点云去噪处理以减小误差。实验结果表明,相比于传统方法,本文算法有效缩短了程序运行时间,并有效抑制了由复杂背景引起的各种噪声,提高了在复杂环境下获取点云的精度和自适应性,是一种稳健、有效、快速的三维点云获取算法。

运用机器视觉技术解决织物探边问题是当今织物探边领域的主要方法,探边算法是定型机中提高织物探边速度与精度的关键。针对实际生产中对探边系统的要求,研究了多种图像处理算法应用于织物探边时存在的问题,通过分析采集到的具有多种特征的织物灰度图像,提出了一种自适应阈值探边算法。该算法可以快速、准确地得到不同织物的边缘位置。实验证明,该算法的探边精度可达0.1 mm,算法运算规模小,满足探边算法对高速度与高精度的要求,为后续探边系统的整体设计提供了支持。

在外部环境和图像视角变化的情况下,传统视觉闭环检测算法的精度和稳健性变得很差。为此,提出一种融合多层次卷积神经网络特征的闭环检测算法。高层次的卷积特征包含较多的语义信息,可以应对图像视角的变化;中等层次卷积特征包含更多的几何空间信息,对光照等变化具有更好的稳健性。通过充分利用中高等层次卷积特征的特性进行组合式相似性度量,提高了闭环检测的精度与稳健性。由于卷积特征向量的维度特别大,因此,首先对卷积特征向量进行降维处理。在Gardens Point数据集上的实验结果证明,利用多层次卷积特征的图像匹配检测效果好于其他单一层。针对不同时刻所拍摄图像中的动态干扰因素,进一步提出图像动态干扰语义滤波机制,利用过滤掉动态干扰的图像进行匹配,在Tokyo24/7数据集上的实验证实了此方法的可行性和有效性。

将激光焊接头与CCD视频跟踪模块集成在一起,提出一种采用一字线激光进行自动化焊缝检测的方法。该方法利用激光三角测量法,得到焊缝的高度、宽度等形状信息。在图像处理方面,对所获得的焊缝区域图像进行中值滤波和二值化处理,获得焊缝特征点二维坐标,实现目标定位,并计算其在世界坐标系下的三维坐标。在跟踪算法方面,采用精度高、速度快的核相关滤波器目标跟踪算法,分别对常见的直线型和曲线型焊缝位置进行跟踪。实验所得数据拟合曲线与焊缝形态误差在5%以内,吻合度较高,实时跟踪效果良好。

通过建立高强化柴油机气门座激光相变硬化温度场的数值模拟模型,分析了激光相变硬化过程中工艺参数对气门座温度场的影响。结果表明,随着激光功率的增大,气门座相变硬化的峰值温度升高,温度场呈拖尾的彗星状,硬化层的深度和宽度增大;随着扫描速度的增大,气门座相变硬化的峰值温度降低,温度场拖尾的彗星形状减小,硬化层的深度和宽度减小;随着光斑半径的增大,气门座相变硬化的峰值温度降低且位置发生偏移,温度场拖尾的彗星形状增大,硬化层的深度减小。

以钇铝石榴石(YAG)∶Ce ³⁺荧光粉为原料,采用固相烧结法制备了YAG陶瓷。通过溶胶-凝胶法在粉体表面包覆活性SiO₂,添加CuO-TiO₂复相烧结助剂以改善YAG陶瓷的烧结性能。对粉体粒径、包覆前后的光学性能、显微形貌进行了分析,研究了YAG陶瓷结构和力学性能。研究结果表明,臼式研磨与球磨能有效降低粉体的粒度,SiO₂包覆促进了陶瓷的致密化烧结过程;当包覆量(质量分数)为2%时,YAG陶瓷的烧结温度降至1575 ℃,致密度达到96.3%,洛氏硬度为87.6 HRA,断裂韧性为1.8 MPa·m ^1/2。CuO-TiO₂复合烧结助剂的助烧效果优于CuO单一烧结助剂的,当CuO-TiO₂的质量分数为2%、 CuO与TiO₂的质量比为1∶2时,YAG陶瓷的烧结温度降至1450 ℃,洛氏硬度为88.5 HRA,断裂韧性为1.7 MPa·m ^1/2。

为提高新生儿黄疸病的光照治疗效果,通过光谱匹配技术,设计并研制了一种新生儿黄疸治疗光源;采用研制的特殊蓝光LED光源与市售蓝光LED光源、蓝光荧光光源以及白光光源对浓度为130.932 μmol/L的体外胆红素标准液进行光照实验,光照时间分别是1,2,4,8 h,以研究胆红素的降解情况。结果表明:蓝光LED光源与蓝光荧光光源对胆红素溶液均有显著的降解效果,且自制的特殊蓝光LED光源的降解效果最佳;光源光谱是影响新生儿黄疸病治疗效果的重要因素,特殊蓝光LED能够有效降低胆红素溶液的浓度。

为了提高天波超视距雷达的目标定位精度,提出一种改进蜻蜓算法优化极限学习机的多基地天波超视距雷达目标定位模型。为了避免蜻蜓算法陷入局部最优,将Logistic混沌映射、反向学习策略和变异过程引入蜻蜓算法,形成改进的蜻蜓优化算法;用改进的蜻蜓算法对极限学习机的权值和隐含层偏置进行优化;将优化后的极限学习机应用于多基地天波超视距雷达定位。理论研究和仿真结果表明,该方法能够实现目标的高精度定位,且定位精度和可靠性优于目前常用的天波超视距雷达定位方法和基于误差反向传播神经网络、径向基函数神经网络的目标定位方法,为多基地天波超视距雷达系统提供了一种新的目标定位方法。

车载平显系统(HUD)可以让驾驶员更快速地查看车速、导航等相关信息,缩短驾驶视觉盲区时间,减少交通事故,改善驾驶体验。为加快车载HUD的普及,研究基于数字微镜元件(DMD)的微型投影系统,并以符合车身结构的反射式光学系统为核心,给出了仿真模型。借助投射投影屏,图像多次反射后进入人眼,形成位于挡风玻璃前端的虚像。设计目标显示,虚像距离为2.5 m,驾驶员不需要改变视距便可查看图像内容;水平可视范围为140 mm,垂直可视范围为60 mm,得到眼睛在不同位置看到的图像的光学传递函数,均接近衍射极限,表明图像清晰,设计效果较好。图像视场角为水平12°,垂直6.75°,在不干扰驾驶员视线的情况下提供了足够的显示面积。

在密闭狭小空间,散热问题是制约大功率LED在汽车大灯领域发展的因素之一。提出了一种用于汽车LED大灯的以铜粉为烧结芯的平板微热管组散热装置,针对车灯运行的不同工况,研究了热阻、环境温度及翅片组上的对流换热系数等参数对散热器性能的影响,最后进行了微热管车灯散热实验。结果表明:正常工作环境下,当LED灯的功率为60 W时,LED结点温度为67 ℃,散热器的热阻稳定在0.61 K/W;复杂环境和高功率工况下,LED结点温度都低于120 ℃,在翅片上的对流换热系数大于80 W/(m ²·K)后,LED结点温度趋于平稳。同时,实验验证了散热器的性能,在输出功率为50 W的情况下,热管式散热器LED结点温度为58 ℃,说明该新型热管式散热器能满足汽车LED大灯散热的要求。

利用晶体的双折射、双反射现象及电光效应,设计了一种具有集成结构的2×4的90°空间光学桥接器,其由一块电控双折射晶体和一块检偏双折射晶体构成。电控双折射晶体通过4次全内双反射和电光调制实现信号光与本振光的分束和耦合,通过调节电控双折射晶体的控制电压和检偏双折射晶体的双折射效应,输出了4路具有90°相移的信号光与本振光混合光束。该桥接器具有结构简单紧凑、损耗小、性能稳定等优点,适用于空间相干通信系统。

大光斑激光测高的全波形数据分解是获取待测物体有效信息的关键环节。目前,大光斑激光测高的全波形数据分解方法主要采用高斯分解和小波分解。但是,对于不同地物反射的回波信号,这两种方法的分解效果与精度不明确。针对地球科学激光测高系统(GLAS)全波形数据,利用高斯分解与高斯小波基分解对平坦和斜坡区域中几种典型地物的波形数据进行分解,并采用最佳拟合优度与达到最佳拟合优度拟合次数等指标进行定性、定量比较与分析。实验结果表明:在最佳拟合优度上,高斯分解和高斯小波基分解数值接近,但随着地物复杂程度增加,高斯分解达到最佳拟合优度拟合的次数少于高斯小波基分解。

机载激光雷达系统可以直接有效地获取地物的三维点云信息,为数字高程模型生成和建筑物检测与三维重建提供强有力的数据保障,但原始点云数据不可避免地会产生噪声点。提出了一种基于多窗口顶帽变换的机载激光雷达点云噪声去除算法。首先,根据原始点云间隔对点云进行内插生成网格,分别获取了最大和最小网格数据;然后,对网格数据进行聚类,根据每个聚类区域的尺寸设置阈值,检测出初始噪声点所在网格区域;最后,利用白、黑顶帽变换理论分别对最大和最小网格数据进行处理,检测出最终的噪声点所在网格区域。利用ISPRS数据对此方法和其他方法进行对比实验分析,结果表明,本文方法不仅可以较好地去除噪声点,还可以较完整地保存原始点云的细节信息。

提出了基于经验模态分解(EMD)的多次去噪方法来降低多光程吸收光谱中的干涉噪声。从理论上分析并确定了降噪的次数,对采用直接吸收和波长调制二次谐波光谱技术探测得到的不同体积分数的CO₂谱线进行了多次EMD降噪处理,并与多次平均和低通滤波的降噪方法进行了对比。结果表明:多次EMD去噪能更有效地滤除光谱信号中的干涉噪声和随机噪声,且降噪后的信号幅值与待测气体的体积分数满足较好的线性关系,系统的探测灵敏度能达到3.5×10 ^-5。测量了不同压强和温度下CO₂标准气体的光谱信号,经多次EMD去噪处理后的光谱信号,其干涉的幅值相对于去噪前减小了近两个量级,信噪比增大了约两个量级。

为了更加精确地分析土壤光谱中不同水分吸收带内的光谱吸收特征参数在估测土壤水分含量(SMC)中的重要性,以新疆渭干河-库车河绿洲为研究区,采集38个土壤样本进行土壤光谱反射率及SMC的测定。利用去包络线消除法提取反射光谱水分吸收特征参数,包括最大吸收深度D、吸收谷右面积R_a、吸收谷左面积L_a、吸收谷总面积A、面积归一化最大吸收深度D_A和对称度S, 将反射光谱水分吸收特征与SMC进行相关性分析,通过随机森林方法对光谱水分吸收特征参数进行分类,获取各参数对SMC的重要性。运用多元逐步回归模型建立SMC反演模型。结果表明:D、A与SMC的相关性最高,同时2200 nm及1400 nm波段范围内的光谱吸收特征参数与SMC的相关性优于1900 nm波段范围内的光谱吸收特征参数;对SMC影响较为重要的前5个参数分别为D₂₂₀₀、L_a2200、A₂₂₀₀、D₁₉₀₀和R_a2200;SMC的最佳预测模型是采用A₂₂₀₀、D₂₂₀₀建立的多元逐步回归模型,其建模集决定系数为0.88,建模集均方根误差为2.08,测试集决定系数为0.89,预测均方根误差为2.21,相对分析误差为2.80。随机森林分类能得到对土壤含水量影响较为重要的光谱水分特征参数,为干旱区精准土壤水分快速估测提供了新方法。

提出了一种基于紫外和荧光多光谱融合的水质化学需氧量(COD)的检测方法。实验样本为包含近岸海水和地表水在内的53份水样,采用标准化学方法获取样本的COD理化值,利用紫外-可见光谱仪和荧光分光光度计采集样品的紫外吸收光谱和三维荧光光谱,对光谱数据进行处理后建模。采用蚁群-区间偏最小二乘法(ACO-iPLS)作为特征提取算法,采用粒子群优化的最小二乘支持向量机(PSO-LSSVM)算法作为建模方法,分别建立基于紫外吸收光谱数据和单激发波长下的荧光发射光谱数据的预测模型,以及紫外-荧光多光谱数据级融合模型和特征级融合模型,并对各类模型的预测效果进行对比。结果表明:基于紫外-荧光多光谱特征级融合模型的预测效果最优,该模型预测水质COD的精度更高,其校正集决定系数为0.9999,检验集的预测决定系数为0.9912,外部检验均方根误差为1.1297 mg/L。本研究为水质COD的快速检测提供了一种新的研究思路和解决方法。

为解决传统光谱匹配算法对同色系不同颜料物质光谱数据匹配识别精度不高的问题,提出了一种自适应阈值的编辑距离光谱匹配算法;研究了如何利用编辑距离对光谱反射率曲线差别敏感的特性来提高匹配精度的方法,同时通过自适应设定编辑距离的判定条件来减小算法匹配同种物质时在不同条件下光谱数据的误差。结果表明:与传统光谱匹配算法相比,自适应编辑距离算法的匹配精度更高,对颜料的识别结果更好。