针对Tiny YOLOV3目标检测算法在实时检测中对行人等小目标漏检率高的问题, 对该算法的特征提取网络、预测网络、损失函数等进行研究改进。首先, 在特征提取网络中增加2步长的卷积层, 代替原网络中的最大池化层进行下采样; 接着, 使用深度可分离卷积构造反残差块替换传统卷积, 降低模型尺寸和参数量, 增加高维特征提取; 然后, 在原网络两尺度预测的基础上增加一尺度, 形成三尺度预测; 最后, 对损失函数中的边界框位置误差项进行优化。实验结果表明, 改进后的Tiny YOLOV3算法的目标检测准确率比原算法提高了9.8%, 满足实时性要求, 具有一定鲁棒性。本文方法能够更好地提取目标特征, 多尺度预测和边界框位置误差的改进能更准确地对目标进行检测。

针对目前人工进行光束精密耦合所存在的装配效率低,质量一致性差的问题,开发出了一套激光陀螺光束精密耦合装配系统。分析了激光陀螺光束精密耦合原理,发现耦合光束的光场强度具有高斯分布特点,提出了光电探测器位姿的调整方法。分析了合光棱镜转动时的光路变化,提出了合光棱镜位姿的调整方法。并制定了光电探测器位置和合光棱镜位姿调整策略。依据上述调整方法和策略,在激光陀螺光束精密耦合系统上进行了光束耦合装配实验,实验结果表明该实验装配平台能够完成光束精密耦合装配任务。

针对图像特征误匹配数量大的问题，提出一种基于稀疏光流法的ORB图像特征点匹配算法。对特征点进行暴力匹配得到初始匹配点集，利用稀疏光流法计算特征点运动向量，估计出特征点在待匹配图像中的二维坐标位置，剔除偏离估计位置较远的特征点匹配对，最后利用随机抽样一致算法进行几何校验进一步优化匹配结果，达到剔除误匹配的效果。实验结果表明：该算法相较于ORB算子、SIFT算子、SURF算子准确率平均提升了21.6%，较RANSAC-ORB算法准确率平均提升了2%，且该算法对图像光照变换、视角变换、模糊变换、旋转和缩放变换和光照变化具有较好的通用性。

为了提高由直线电机驱动的精密定位系统的定位精度, 建立了优化Stribeck摩擦模型, 对摩擦力这一影响定位精度的主要因素进行补偿。首先, 对于传统的Stribeck摩擦模型进行优化, 采用改进的最小二乘算法对模型参数进行辨识。然后, 对所建立的摩擦模型补偿算法进行仿真并与扰动观测器的补偿算法进行比较, 发现前者速度比后者速度在补偿后提高了4.33%, 对摩擦力具有更好的补偿效果。最后, 在大行程二维精密定位平台上进行验证, 根据平台能够达到的最大速度定义0.005 m/s为低速运动, 0.05 m/s为高速运动, 在这两种速度下进行实验, 并与基于库仑摩擦前馈补偿模型比较。实验结果表明: 精密定位平台在速度为0.005 m/s的低速运动时, 优化模型的跟随误差减小了67.67%; 在速度为0.05 m/s的高速运动时, 优化模型的跟随误差减小了51.63%, 验证了优化Stribeck摩擦模型补偿算法的有效性。本文提出的优化Stribeck摩擦模型可用于提高由直线电机驱动的精密定位系统的定位精度。

在激光陀螺谐振腔上精确装配微小光学器件合光棱镜和光电管的过程称为合光, 它是激光陀螺制造过程中的关键环节。传统的人工合光装配效率低、质量一致性差, 已不能满足激光陀螺的生产需求。因此, 本文在分析合光原理的基础上, 开发一套由合光机构、信号处理、视觉检测及控制模块等组成的自动合光装配系统。根据合光装配特点, 设计了双臂协同运动的合光机构, 保证操作精准度的同时提高装配效率。激光陀螺合光信号易受干扰, 提出采用Sallen-Key低通滤波器对合光信号进行滤波处理, 有效地滤除了残杂噪声。控制模块通过机器视觉辅助完成合光棱镜的粗调, 采用层次分析法综合多个评价参数确定光学器件的最佳位姿, 实现合光装配自动化。试验结果表明, 开发的激光陀螺合光装配系统能够成功地完成光学器件的精确装配。

本文设计了一种由压电陶瓷驱动的应变片进行检测的平面三自由度纳米定位平台, 该平台采用的是平板铰链、直圆铰链及单边V型铰链导向的3-PRR结构。通过建立平台的伪刚体模型及对其进行位姿分析, 获得了平台的正、逆解。同时, 运用有限元分析方法对平台进行了仿真分析。搭建了3-PRR平面三自由度纳米定位平台测试实验系统对所设计平台进行试验。实验结果显示: 3-PRR平台沿x轴、y轴的行程及最大转角分别为-11.32~11.41 μm、-12.47~12.76 μm、3.63′, 对应的分辨率分别为71 nm、83 nm、1.35″。理论分析结果、有限元仿真结果与实验结果的最大误差分别为587%、6.19%, 验证了理论分析和有限元仿真的正确性。x轴及y轴的位移输出与应变片的输出电压近似呈正比关系, 证实了利用应变片来检测3-PRR平台运动的可行性。

针对φ-OTDR振动传感系统中的相位模糊问题，推导了背向瑞利散射光功率与干涉光场相位差、干涉光场相位差与光纤应变的关系式，分析了相位模糊现象的发生原因及表现形式，研究了相位模糊对传感系统性能的影响及系统最大可检测应变与空间分辨率的关系，并进行了仿真验证。结果表明：相位模糊是限制系统应变测量范围的主要因素，它会引起振动频率的误判和振动幅度的测量错误，还可能导致大应变信息的漏报；系统空间分辨率越高，应变测量范围越大，说明φ-OTDR振动传感系统适用于高空间分辨率振动的测量。研究结果为φ-OTDR振动传感系统参数设计和系统优化提供了理论参考。

基于射线光学和波动光学理论分析了多模光纤的布里渊散射特性, 提出了确定布里渊散射角取值范围的方法；推导了阶跃型和渐变型多模光纤不同模式群布里渊频移、线宽、散射谱和散射功率的表达式.结果表明, 阶跃型和渐变型多模光纤布里渊散射角的最大取值范围为全反射临界角的2倍到π；阶跃型光纤的布里渊频移、线宽、归一化峰值增益和散射功率随模式群的变化比渐变型光纤缓慢, 且随着模式群编号的增加, 阶跃型光纤的上述参量分别在11.084-10.932 GHz、21.760-21.168 MHz、1-0.933和1.990×10-9-1.857×10-9 W范围内呈曲线下降；渐变型光纤的上述参量分别在11.064-10.969 GHz、21.683-21.314 MHz、1-0.957和2.052×10-9-1.965×10-9 W范围内呈直线下降.

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器, 用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构, 在保证钳紧力的同时, 可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理, 对杠杆式柔性放大机构的位移损失、压电陶瓷与柔性机构的耦合特性及箝位机构与中间驱动机构的刚度进行了分析。利用有限元软件Ansys对钳位机构和驱动机构的变形、应力、输出位移和固有频率等参数进行了仿真分析。最后, 搭建了实验平台, 测试了驱动器的各项性能。测试结果显示, 该驱动器的行程为±25 mm, 钳紧力为17 N, 承载力为11 N, 最大和最小步距分别为55 μm和60 nm。当驱动电压为150 V时, 驱动器的最高驱动速度为1.259 mm/s。得到的性能指标满足光学领域精密定位需要。