精细导星仪(FGS)是空间天文望远镜精密稳像系统高精度姿态信息的快速检测装置,CMOS图像传感器的成像效果直接影响精细导星仪姿态信息的解算精度。而实际工作时,CMOS成像器件存在最佳的读出范围,超出此范围的入射光强与光生电子数的线性度低,无法获取有效星点来满足后级的质心坐标解算。为解决这一问题,提出一种估算不同星等最佳积分时间的方法,并将积分时间作为探测器参数选择与调整的主要依据。测量结果表明,像元暗电流的读出码值和探测器面阵RMS噪声值均随积分时间的增加而增加。依据星点光斑分布模型给出常用星等的最佳积分时间范围,结合星点的分布情况,得出7等星在视场范围内的星数约为7颗,论证了小型CMOS器件对星斑的探测能力。

指纹的唯一性和终身不变性使得指纹可以验证一个人的身份信息, 在生物识别领域具有广泛的应用。 汗潜指纹对紫外线有着特殊的反射、 散射以及荧光特性, 所以可以利用紫外波段对汗潜指纹进行提取, 并且不污染现场和目标样本。 目前对紫外波段的指纹提取已经有着广泛的研究, 但对指纹随时间变化的研究较少, 一般都是通过化学方法测量汗潜指纹成份含量的变化。 研究发现, 指纹各个组成成份的紫外光谱特性不同, 且这些成份随时间的挥发程度也不一致, 利用多通道紫外成像系统对汗潜指纹进行凝视成像, 发现各通道成像DN值随时间推移的变化程度并不一样, 可通过研究各通道DN值的变化对指纹进行时间分析。 首先, 利用紫外光谱仪和氙灯, 对汗液、 酒精、 食用油等几种手指容易接触的物质的反射光谱进行研究, 得到了这些物质的反射光谱特性。 然后, 针对这几种类型的指纹, 研制了一套多通道紫外成像设备, 分别在240~280 nm(通道1)、 320~340 nm(通道2)以及340~420 nm(通道3)三个紫外通道对其进行凝视成像, 得到清晰的指纹图像, 将指纹图像嵴线上码值最高的10个点的平均值进行比较, 得到不同通道DN值与时间变化的关系。 实验结果发现, 汗潜指纹在紫外波段具有良好的成像特性, 其成像DN值随时间的推移逐渐降低, 其中240~280 nm的通道1中三个指纹在第七天的成像DN值分别降为第一天的0.62, 0.60和0.59; 320~340 nm的通道2中三个指纹在第七天的成像DN值分别降为第一天的0.57, 0.61和0.60; 340~420 nm的通道3中三个指纹在第七天的成像DN值分别降为第一天的0.56, 0.63和0.58。 实验结果表明, 不同类型的指纹在紫外波段的光谱特性并不一致, 成像DN并不相同, 且随时间的变化规律也不一样, 但指纹成份的挥发具有一定的规律, 成像DN值从第一天到第七天降低至60%左右, 可以一定程度上反映指纹的挥发性质。 结合紫外多通道成像系统, 可以很好的研究指纹的变化规律, 为刑侦探测中指纹研究提供了一个重要的手段。

针对精细导星仪(Fine Guidance Sensor, FGS)姿态测量精度受星点提取系统误差影响的问题, 提出了一种基于梯度提升决策树(Gradient Boosting Decision Tree, GBDT)拟合法的高精度星点定位系统误差补偿方法。为了解决拟合样本少、输入特征差别大等问题, 采用对输入范围不敏感、易于训练的决策树作为基模型, 并根据当前模型拟合残差梯度, 结合集成学习中的提升方法生成新的基模型得到系统误差与探测器填充率、采样窗口尺寸、星斑束腰半径以及星点质心坐标计算值之间的函数关系, 以此函数关系为基础对星点质心坐标估计值进行系统误差校正。实验结果表明: 与支持向量回归机(Support Vector Regression, SVR)相比, 基于GBDT的高精度星点定位算法的误差减小了60.6%, 经该算法补偿后的质心误差为0.014 5 pixel, 相比于质心法误差减小了61.5%。

为提高动态环境下精细导星仪的质心定位精度,提出一种两步复原方法来解决因载体角运动和小幅度随机振动引起的星斑拖尾问题。根据模糊星斑两次快速傅里叶变换检测出的模糊核函数,采用约束最小二乘方滤波消除由载体角运动带来的星斑长拖尾。针对残余的载体小幅度随机振动导致的星斑模糊,将清晰星斑梯度分布先验作为正则约束对星斑粗复原结果进行迭代盲复原,并引入半二次优化算法求解非凸代价函数来提高迭代收敛速度。实验结果表明,在角速度为4000 μrad/s的动态环境下,复原后的星斑已接近于高斯分布,峰值信噪比相比逆滤波复原方法及R-L复原方法分别提高了61.9%、32.9%,质心定位误差分别减小了59.9%、43.4%。

为实现水面溢油目标的偏振遥感, 选择合适的波段和观测角度, 需要油膜的光谱偏振特性数据作支撑。 在实验室采用椭偏测量的方法, 针对不同厚度机油油膜和纯净水作为背景样本, 测量了不同观测角度下从紫外到近红外波段（270~900 nm）的镜面反射光谱偏振参数: 辅助角ψ和相位差Δ, 并对在相同条件下油和水的测量结果作对比。 分析表明除布儒斯特角附近位置外, 不同厚度的油膜与水的起偏特性在各观测角都存在差异。 通过在45°入射角所测的ψ和Δ, 得到水/油样本的光谱折射率和消光系数, 水折射率经过偏移修正后, 与Schiebener水折射率模型的标准差为3×10-5。 根据之前得到的油/水参数, 对油膜在水背景的物理现象作薄油膜理想介质层建模, 用菲涅耳定律仿真自然光的镜面反射, 发现在全观测波段相同入射光条件下油膜的反射光存在明显的偏振度（DOP）或偏振角（AOP）光谱偏振可观测性。 模型与实际测量结果对比发现: 在300~350 nm仿真结果和实际测量相符, 油膜的反射光偏振性质趋近于油样本; 在350~550 nm, 油膜模型仿真结果比实验的干涉效应更明显, 油膜实验数据表明其光谱起偏性质依然与油保持一致; 在大于550 nm直到近红外波段, 实验干涉效应开始显著。 说明油膜比油有更强的散射或吸收特性, 辨识参数得到油膜的消光系数存在不同于油的随波长先变小后变大的性质。 总之, 利用光谱椭偏测量方法, 通过多波段、 多角度测量, 分析液体样本的光谱偏振特性和折射率等性质; 偏振观测的恰当角度与油/水的布儒斯特角有关, 在布鲁斯特角之外的位置观测, 油膜的光谱椭偏角相较水都存在分辨能力; 对小于200 μm的薄油膜近红外波段可重复性较差, 而紫外和可见蓝紫波段相比之下有很好的可重复性和区分性, 更适合于对甚薄油膜表面种类的遥感观测。 该实验涉及的方法可以用于其他油种油膜的偏振光谱测量, 实验数据为偏振遥感工作的波段选择与观测角度提供提供参考。

采用蒙特卡罗方法对水云下大气的偏振态分布进行了仿真分析,所建立的水云大气环境在紫外360~400 nm波段的偏振度响应最大。采用紫外-可见光偏振成像技术对同一视场下的楼房、云和天空进行了偏振成像实验,并用霍夫变换分割方法对图像中的每个区域进行了统计分析,发现观测区域内无云区与云区的偏振角均值相对差为1.6%,偏振度均值相对差为-14%,证明了大气偏振角较偏振度稳健。紫外光和可见光在对云目标的偏振观测中存在互补性,采用拉普拉斯金字塔图像融合技术能够提高对大气目标的探测能力,验证了大视场高分辨紫外-可见光偏振成像技术在大气探测中的可行性和有效性。

针对化学方法会破坏指纹样本的问题,提出了一种紫外成像的光学方法。基于氨基酸和尿素的相对浓度关系以及散射光谱曲线理论,推导了指纹在不同紫外波段的辐亮度比值与时间关系的数学模型。搭建了一套紫外多光谱成像设备,在3个紫外波段对指纹进行了无损提取。对不同波段指纹图像的DN值进行反演分析,得到了不同波段的DN值之比与指纹遗留时间之间的关系。实验结果表明:各紫外波段的DN值之比仅与时间有关,与指纹个体差异无关。指纹老化曲线拟合的表达式与推导的数学模型一致,验证了紫外多光谱成像对指纹遗留时间评估的可行性,为无损指纹测龄提供了一种重要的分析方法。

为了提高空间天文望远镜精密稳像系统中大口径压电快摆镜机构(Fast Steering Mirror, FSM)的控制精度, 采用迟滞前馈补偿和最优PID控制算法相结合的复合控制策略。针对基于广义Play算子的Prandtl-Ishlinskii (PI)模型可逆性受约束条件限制以及求逆过程中模型参数估计误差累加的问题, 提出了一种基于广义Stop算子的PI逆模型进行压电执行器(Piezoelectric Actuator, PZT)迟滞补偿。针对逆迟滞模型的不确定性和直接前馈控制抗干扰能力差的问题, 在控制系统中加入最优PID闭环控制器。采用自适应差分进化算法(Adaptive Differential Evolution, ADE)对迟滞逆模型参数和PID控制器参数进行寻优并引入混沌搜索机制来提高ADE算法的性能。实验结果表明: 与传统PI模型解析求逆方法相比, 基于广义Stop算子的PI逆模型能够更好描述逆迟滞曲线, 拟合频率为1 Hz的迟滞曲线, 拟合精度提高78.04%;实时跟踪频率分别为1、10、20 Hz的大口径快摆机构目标摆动位移, 复合控制策略的跟踪精度相比于直接前馈控制分别提高了38.56%,22.92%和13.5%。

为提高空间天文望远镜稳像系统中压电快摆镜(Fast Steering Mirror, FSM)的动态性能, 对压电执行器(Piezoelectric Actuator, PZT)动态迟滞补偿和控制进行研究。鉴于基于广义Play算子Prandtl-Ishlinskii(PI) 模型的求逆复杂性和迟滞曲线的非对称性, 构造一种基于广义Stop算子PI逆模型来补偿压电执行器迟滞非线性。采用Hammerstein模型对压电执行器动态迟滞特性进行建模, 以广义PI模型和自回归遍历模型(Auto-regressive Exogenous Model, ARX)分别表征Hammerstein迟滞模型中的静态非线性和率相关性, 并针对迟滞率相关模型不确定性问题, 提出一种前馈补偿和线性二次型Gauss最优控制算法(Linear Quadratic Gaussian, LQG)相结合的复合控制策略。利用自适应差分进化算法(Adaptive Differential Evolution algorithm, ADE)辨识和整定模型及控制器参数。实验结果表明: 该动态迟滞模型能够有效描述1~100 Hz频率范围内压电执行器迟滞曲线, 拟合均方根误差为0.077 1 μm(@1 Hz)~0512 3 μm(@100 Hz), 相对误差为0.31%(@1 Hz)~2.09%(@100 Hz); 实时跟踪幅值为24.5 μm的变频目标位移, LQG控制算法的跟踪精度相比于直接前馈控制和PID控制分别提高48.6%和27.02%。

尖端放电是物体尖锐处产生的一种放电现象, 它属于一种电晕放电, 在避雷针、 静电除尘等技术中有着广泛应用。 目前对尖端放电的研究主要集中在放电强度方面, 而对其光谱方面的研究并不多, 研究发现尖端放电在紫外波段具有强烈的辐射。 利用Comsol软件对尖端放电的电离特性进行仿真, 结合数学物理模型分析了放电辐射光谱及辐射强度, 发现其辐射强度随时间的变化先增加后减小, 并可根据N2+的分布强度估算紫外波段的辐射强度。 通过研制一套紫外面阵多光谱成像系统, 对尖端放电进行了三个紫外光谱通道的成像, 实验结果表明, 尖端放电的辐射光谱在240～340 nm波段之间都有分布, 且在315～340 nm之间分布最强。 同时得到尖端放电的紫外辐射强度随着尖端距离的增加而减小, 并与成像积分时间成一定的线性关系。 发现在同一通道, 线性斜率随尖端距离的增加而减小。 通过对尖端放电三个紫外光谱通道的成像码值反演成辐射能量, 得到辐射能量与尖端距离, 尖端电压以及积分时间之间的关系, 验证了尖端放电的数学物理模型, 为深入研究尖端放电的紫外特性提供了有力的支撑依据。