针对指数变增益迭代学习控制(ILC)算法难以进一步改进且缺乏优化理论等问题, 提出一种指数变增益迭代学习控制(ILC)算法在线性时不变(LTI)系统中的控制增益优化方法。首先,由托普利茨矩阵特性和矩阵迭代理论得到单输入单输出(SISO)离散LTI系统中的收敛充要条件, 并证明算法的收敛性; 其次, 由最优化理论得到算法单调收敛条件, 最终得到最优控制增益的精确解, 并得出指数增益与最优控制增益之间的关系。该方法根据系统状态方程得到最优控制策略, 可计算得到精确最优控制值, 进一步提高系统收敛速度。仿真结果表明, 该方法能有效提高算法学习速度, 具有良好的控制性能。

传统VGA线性度较低，不适用于生物医学应用。文章分析了基于可编程跨导器的传统结构，得出环路增益和失真的关系，并基于此采用增益提升技术提高环路增益，设计了一种新型的基于可编程跨导器的VGA，提高了VGA的线性度。仿真结果表明，在12 V电源电压下，电路消耗电流为10 μA，在0~30 mV的输入信号幅度范围内，VGA的总谐波失真不高于05%，IM3减小14 dB，IIP3为1857 dBm，在01 Hz~100 kHz范围内，等效输入噪声为616 nV。

激光器驱动电路是光通信系统中发射端的重要部件, 为了适应高速电/光转换的需求, 基于28 nm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺, 设计了一种外调制激光器(EML)驱动电路, 整个驱动电路采用了5级级联的架构, 分别包括可变增益放大器(VGA)、两级连续时间线性均衡器(CTLE)、预放大器和输出级, 驱动电路内部采用了新型的互补放大和共源共栅结构, 驱动电路的输入为50 Gb/s的4阶脉冲振幅调制(PAM4)信号。仿真结果表明: 该驱动电路小信号带宽为27 GHz; 在12.5 GHz、0.16~0.312 VPP正弦输入下的输出摆幅为1 VPP时, 总谐波失真(THD)大小为2.21%, 电压增益范围为13.98~20.24 dB, 总功耗为340 mW。

为了研究半主动激光制导导引头信息处理电路中, 4个采集通道响应不一致性导致的制导精度降低的问题, 对造成采集通道间响应度存在差异的原因进行了理论分析和研究, 研究了信息处理电路中的增益控制电路, 分析了其设计要点, 并给出了一种增益控制电路的设计原理图。采用一种基于该增益控制电路的通道间响应度不一致性校正方法, 针对导弹(或者炸弹)实际飞行过程中使用的各个离散增益点, 进行了不一致性校正; 通过对比校正前后的线性区曲线和半实物仿真数据, 验证了该校正方法的有益效果。结果表明, 利用该校正方法校正后, 导引头线性区曲线精度更高, 并且可以将半实物仿真圆概率偏差数值降低约50%。该研究为提高半主动激光制导精度提供了一种有效的方法。

为了进一步提高光电跟踪系统的目标捕获和跟踪性能, 提出了一种基于变增益趋近律的级联滑模控制方法。基于反双曲正弦函数和幂次项设计了新型变增益滑模趋近律, 在提高滑模面趋近速度的同时抑制滑模抖振现象; 基于变增益滑模趋近律设计速度环和位置环滑模控制器构成级联滑模控制, 以提高系统的动态响应性能和鲁棒性, 提高系统对目标的捕获能力和跟踪精度。最后, 以某球形光电跟踪系统的方位轴作为控制对象, 进行了传统级联PI控制和级联滑模控制方法的对比分析。实验结果表明, 相比于传统级联PI控制, 捕获速度为1 (°)/s的目标时, 级联滑模控制可以将目标捕获时间减小32%; 跟踪等效最大速度为4 (°)/s和最大加速度为2 (°)/s2的正弦引导信号, 可将跟踪误差RMS值减小31%, 采用级联滑模控制可有效提高跟踪系统的控制性能。

We established a photoacoustic imaging (PAI) system that can provide variable gain at different depths. The PAI system consists of a pulsed laser with an optical parametric oscillator working at a 728 nmwavelength and an imaging-acquisition-and-processing unit with an ultrasound transducer. Avoltage-controlled attenuator was used to realize variable gain at different depths when acquiring PAI signals. The proof-of-concept imaging results for variable gain at different depths were achieved using specific phantoms. Both resolution and optical contrast obtained through the results of variable gain for a targeted depth range are better than those of constant gain for all depths. To further testify the function, we imaged the sagittal section of the body of in vivo nude mice. In addition, we imaged an absorption sample embedded in a chicken breast tissue, reaching a maximum imaging depth of ~4.6 cm. The results obtained using the proposed method showed better resolution and contrast than when using 50 dB gain for all depths. The depth range resolution was ~1 mm, and the maximum imaging depth of our system reached ~4.6 cm. Furthermore, blood vessels can be revealed and targeted depth range can be selected in nude mice imaging.

针对水体有机物离散三维荧光光谱测量,设计了基于可变增益与积分放大技术的微弱荧光信号高灵敏、 大动态范围检测电路和控制软件,进行了实验验证并应用于水体有机物离散三维荧光在线测量系统。 在电路设计中,自动程控CMOS多路模拟开关根据输入信号强度实现了前置增益放大器的调节,基于 开关型电荷积分器实现了微弱脉冲荧光信号的同步积分放大。结果表明所设计电路最低检测电流为0.09 μA, 动态检测范围为0.09 μA～0.21 mA, 检测限提高了79.25倍。 在水体有机物离散三维荧光测量系统的应用中,保证了系统的检测灵敏度, 并提高了荧光信号的动态检测范围,实现了水体有机物的高精度测量。

微视觉系统中同轴光源和光学衍射的存在, 使CCD相机获取的图像具有灰度值偏低、光照不均匀、动态范围大、对比度差以及微细结构丢失或无法辨识的缺陷。为改善图像质量, 本文提出一种升余弦变增益子带分解微视觉图像自适应增强方法。该算法首先基于图像特性利用自适应Log增益对原图像进行增强, 提高微视觉图像中亮暗区细节特征与背景的对比度; 接着使用自适应升余弦卷积进行快速照度估计; 然后对各通道的输出图像采用自适应变增益子带分解算法获取独立光谱子带; 最后进行亮度校正、图像融合与色彩恢复。将该算法用于微位移测量系统中可使测量结果的相对误差小于20%; 用于处理光照不均的图像可有效降低同轴光源靠近中心区域的亮度; 此外, 扩展至普通图像的处理中可提高对比度, 改善细节特征。3组实验结果的平均图像质量相对提高率为81.46%, 71.18%和93.75%; 平均耗时为386 s, 0.24 s和1.27 s。

为了降低激光制导**系统成本并保证打击精度，设计了全捷联激光制导寻的器，并对影响打击精度的关键技术指标测角精度进行了研究。首先对影响测角精度的主要因素增益控制进行了分析，通过对四通道可变增益放大器进行增益标定和最小二乘拟合得到增益控制曲线，接着讨论了离散量控制下增益补偿的方法及误差，仿真计算得到不同配置模式下增益补偿前和补偿后的光斑重心计算误差。对全捷联激光制导寻的器进行激光照射测角试验，结果表明，增益补偿后能够消除系统误差约5.6 mrad，在中心线性视场范围内，测角精度达到2 mrad。该系统满足某机载轻型空地导弹对激光制导寻的器测角精度的要求，为精确末制导提供保障。

为了提高红外导引头的跟踪精度，降低导气管对导引头控制系统的影响，提出一种新型可变增益扰动观测器。首先，利用搭建的导引头实验系统研究了导气管干扰的扰动特性。然后，在分析导气管扰动的系统特性基础之上，结合经典扰动观测器理论，设计了新型可变增益扰动观测器，并分析了其鲁棒稳定性。最后，针对某实际红外导引头系统，设计了可变增益扰动观测器，并进行了导气管扰动抑制实验。结果表明: 经典扰动观测器无法对导气管的扰动进行有效的抑制，而采用可变增益扰动观测器后，系统速度阶跃响应稳定精度提高71.1%; 位置阶跃响应稳定精度提高42.8%。研究表明可变增益扰动观测器可以有效地抑制红外导引头中的导气管扰动。