太阳导行镜(SGT)是空间太阳望远镜(SST)姿态控制的关键技术之一.针对SST姿态控制系统高速高精度的导行要求成功研制了太阳导行镜样机,该样机采用折射望远镜成像,光学口径60mm,焦距810mm,视场1°×1°.SGT样机首次将APS器件应用于空间太阳导行,利用有源像素传感器(APS)行像素可提取的特性,以DSP作为数据处理器,快速提取日像边缘并完成日心坐标计算.利用SGT样机对太阳的周日运动进行了观测,数据分析表明,SGT样机测量精度达到了1.5″(3σ),数据更新率优于30Hz,满足SST姿控系统的要求.

利用光学力来驱动微型器件是一种新型MEMS驱动方式.在几何光学模型近似下,对用TEM00高斯激光束驱动微型螺旋桨结构的光驱动力和力矩进行了理论计算.光驱动力矩与激光功率成正比,和微器件的结构尺寸以及微器件与工作介质的相对折射率等因素有关,设计微器件时必须同时考虑这三个因素.计算得出激光功率10mW时,作用在螺旋转子上的光学驱动力矩为7.4×10-17 N(m,和文献中实验结果基本一致.该方法可以应用在复杂三维微结构的光驱动计算中,对微型转子进行优化设计.

通过研究光刻胶厚度与烘培过程中光敏混合物(PAC)浓度分布的关系,对光刻胶前烘模型进行了修正,得出了光刻胶内PAC相对浓度与光刻胶厚度、烘培温度和烘培时间之间的函数关系.设计了求解光刻胶激活能E0和Arrhenius系数Ar的实验方案,并以AZ50XT正型紫外光刻胶为例开展了实验研究.结果表明,对不同厚度的光刻胶,可以通过调整烘培温度或烘培时间达到所需要的PAC浓度.

优化的拼接算法是环形子孔径扫描测量大口径非球面光学元件的关键问题.针对一种基于离散相位值的环形子孔径拼接算法,从精度评定判据入手,对随机噪声、高阶噪声、重叠区宽度及子孔径数目这几个主要影响因素进行了数值仿真分析.结果表明,该算法对高阶噪声和随机噪声均不灵敏,高阶噪声的影响略大于随机噪声的影响;对口径和相对口径较大的非球面,相邻子孔径间重叠系数应大于0.15,对于非球面度不大的非球面,重叠系数可大于0.25, 能以较高精度求得拼接参量.

传统的经纬仪计量检定系统体积庞大、自动化程度低、溯源和传递不便、测量重复性差.为改变这一现状,将摄远物镜与显微物镜组合在有限尺寸下实现大的物镜焦距;提出了一种基于"A"字型分划板和线阵CCD的二维角度测量方法,有效集成了多目标照准和准直测微功能;提出过筛连通法并结合运用BP神经网络技术,解决了读数图像缺陷字符和相似字符的误识问题.对一次水平测角示值误差指标进行检测,采用多面体或多齿台法的系统不确定度分别为1.14″和1.17″.

设计了一套基于叶尖定时传感的旋转叶片振动测量系统.系统主要由光电传感系统、数据采集与预处理系统、叶片振动数据处理系统三部分组成.叶尖定时传感器采用单根光纤发射、多光纤接收的Y型结构,并用高性能专用集成芯片完成弱光信号的放大检测,使传感器信噪比大于500,信号带宽大于50MHz.利用CPLD和DSP技术,实现了叶尖定时信号的高速实时采集与处理;建立了同步共振条件下叶片振动的数据处理模型,实现了叶片振动的实时监测.整套测量系统在现场某大型压气机上进行了原理性验证,在转速高达9210rpm的情况下测得的同步共振最大幅值为0.4231mm,接近于同等条件下国外的测量结果,从而验证了整套测量系统的可靠性.

在分析微操作机器人结构特点的基础上确定了待标定参数,提出了一种基于显微视觉的自标定方法.通过动态跟踪随机器人运动的目标来计算其图像坐标,采用最小二乘法拟合目标运动轨迹在显微镜坐标平面中的投影直线,并结合高精度机器人的位移量,经过几何投影和变换,标定出待标定坐标到显微镜坐标的转换矩阵.该标定方法无需特殊辅助测量仪器.实验表明,角度标定重复性好,位置标定误差小于2个像素.

开发了基于针孔像分析法的视频光学传递函数测试装置.测试装置采用CCD为像接收器件,通过针孔像分析,一次获得光学系统的二维传递函数.根据频谱分析理论,结合物频谱校正和空间频率对应等因素,研究了测试组件,包括针孔直径、准直物镜焦距、CCD像元尺寸和显微物镜放大倍数等参数设置对空间频率对应及测试精度的影响;采用胖零设置和多幅图像平均法降低噪音影响,根据各组件自身的传递函数修正其对测试精度的影响.50mm标准透镜的比对实验结果表明,采用本装置和本文建立的数据处理、误差校正方法,调制传递函数测试精度为±3%.

为了检测经过光学系统成像所得图像的边缘,在直线拟合方法的基础上提出了一种新的边缘检测方法.该方法综合考虑边缘过渡区间所有点的信息,利用直线拟合方法求出一组可能的边缘值,再选择它们的中值作为最终的边缘值.基于该方法的采集系统由线阵CCD采集边缘的灰度图像,使用单片机来处理数据,并计算出边缘的位置.实验结果表明,这种改进方法的重复性误差为0.89个像素,而且能够在0.039s内完成一次边缘检测计算.

根据一维正弦条码对位移进行编解码的原理,提出了一种绝对位移和相对位移测量的新方法.该方法通过对一维正弦条码图像进行傅里叶频谱分析, 根据首条码的相位值进行粗定位,并对该条码进行中心几何定位实现连续位移的精确测定.误差分析表明:位移测量误差完全取决于首条码中心几何定位.为此,采用亚像素定位技术建立了正弦条码尺测位移的原理装置,并对2米远处步距分别为1.5cm和1mm时正弦条码尺的两种垂直位移进行了测量,测量值的最大误差为0.036mm,标准差优于0.024mm.

荧光的探测灵敏度是生物芯片扫描仪的一个重要指标,它取决于入射到光探测器(PMT或CCD)上的荧光强度及光探测器自身的探测能力.在理论上,荧光染料的发射强度与其消光系数、量子效率、荧光寿命及激发光强度有关.结合具体的设计参数,计算得到激光共聚焦生物芯片扫描仪针对Cy3荧光染料的探测灵敏度为每平方微米2.89个荧光分子,而实验得到的探测灵敏度为每平方微米4.49个荧光分子.研究表明,提高探测灵敏度的措施是合理增大激光功率、尽可能增大f-θ物镜的数值孔径、提高光电倍增管的探测下限.

以星内角统计偏差为校准精度评价指标,分析了高解析度面阵CMOS星敏感器模型中主要参数,得出焦距对精度影响最大,畸变次之,主点位置影响最小.由此提出了一种星敏感器校准方案,利用高精度2维轴向转台和单星星光模拟器采集数据,采用最小二乘参数估计算法计算主点焦距偏差,并且用10参数的二维多项式基函数拟合焦平面畸变.仿真结果表明在0.03像素误差的噪声水平下该方案能够达到1(精度,可以满足现代空间飞行器的高精度姿态测量要求.

利用粗糙集理论进行图像增强,子图的划分是关键.属性直方图是对直方图概念的推广,是一种由先验知识约束的直方图;将它用于子图的划分,在此基础上提出了一种基于粗糙集理论和属性直方图的图像增强方法.该方法利用属性直方图的Otsu算法确定灰度阈值,根据灰度阈值利用不可分辨关系,将图像划分为背景子图、目标子图和噪声子图,对去噪后背景子图和目标子图进行增强变换,并将它们合并得到增强图像.将该方法用于一种海底小目标图像增强.实验结果表明该方法处理增益为11dB,明显地增强了图像,且不损害图像的边缘.该方法适用于图像有某种先验知识的场合.

基于部分相干成像和分数傅里叶变换理论,建立成像系统的分数傅里叶域滤波模型,提出了可快速设计分数域位相型滤波片的FrPI算法.此算法将逆向设计预设初位相与分数傅里叶迭代技术相结合,针对成像系统中不同的设计要求可快速设计出所需的分数域滤波片结构.模拟结果表明,对数值孔径有限的部分相干成像系统,使用新算法设计的分数域滤波片,可有效补偿由于高频损失带来的图像失真,从而使局部线宽偏差和面积偏差分别由滤波前的36.548nm和39.09%下降到了15.234nm和7.72%,明显减?倭丝占湎窕?

针对在低码率时JPEG2000层1编码的大量计算冗余,提出STDMSD码率控制算法.本算法通过初始设置一个较大的长度—失真斜率阈值,将每个编码块中长度—失真斜率大于该阈值的通道置为"选入"状态,逐次减小该阈值并重复上述过程,直到状态为"选入"的通道的累积码流长度大于设定的码流长度,得到近似的最优截断点,再采用舍弃最小斜率的方法获得最优截断点以实现码率控制.实验结果表明,在0.25bpp比特率时,本算法减少了84.5%的层1编码的计算量,而重构图像的信噪比仅损失0.094dB.

红外序列图像的准确分割是自动目标识别的关键,而当图像背景复杂时,传统的图像分割技术往往难以满足要求,为此,提出了基于支持向量机的红外序列图像分割方法.序列图像中的部分帧被作为训练样本,通过选择适合的模型参数,运用支持向量机方法建立学习机器,将后续图像帧中的目标从复杂的背景中识别出来,从而实现红外图像分割.实际红外序列图像分割表明,基于支持向量机的图像分割方法不需要复杂的预处理和后处理工作,分割效果理想,对于小目标的图像,识别正确率可达99%.

提出一种彩色目标高维检测和空间分集检测技术,它利用RGB颜色的均值趋同性校正色偏,减少光照强度和光源颜色对目标检测的影响;采用检测门限自适应变化的彩色目标高维检测算法检测出疑似目标,进一步避免了传统方法受环境光照影响大的缺点;使用基于区域关联性的彩色信号自适应空间分集检测技术,提高目标检测效果.试验证明,检测并降噪以后,97.5%以上的图像的提取结果可以达到30db以上的信噪比.

针对图像中常见的旋转问题提出一种旋转不变纹理特征进行两级图像检索的方法.粗检中,通过坐标变换把图像的旋转转换为行移,并提取近似行移不变的小波特征,结合粗比较算法对整个图像库进行粗检.然后对通过粗检的图像进行Gabor变换,提取旋转不变精检索特征,并使用Canberra距离进行相似性度量.通过对旋转图像库的测试表明,该方法不仅加快了运算速度,且当参数选择适当时,在相同特征条件下,检索率比直接使用精检索方法检索时还提高了1.625%.

基于面积重构H操作算子的hat变换,提出了一类用于极值区域提取的新型图像处理方法:面积重构H顶变换及其改进变换.该方法依据标识图中相应连通成分的面积和对比度信息,合并或剔除掩模图中部分连通成分,从而实现对掩模图的条件分割,获取峰值区域,滤除小细节干扰.按照灰度值大小依次扫描各像素点,通过标记、合并等操作快速实现面积重构H顶改进变换,可以仅对各像素搜索一次就完成二次面积重构实现的功能,计算256×256大小的灰度图像需约55ms,为实时应用提供了可能.新方法在颗粒分布分析、特征标识提取等领域的试验中准确率都近100%,和其他同类方法结果的对比表明其在实际应用中具有更高的有效性和可靠性.

针对复杂的水岸景物彩色图像水岸界线识别,提出了融合多特征的分数维方法.该方法用提取边界来降低维数;再将横向细长窗口内的Lebesgue测度(μmin =260)和水岸界线形状位置等特征作为限定条件,只对符合条件点应用基于ε-blanket方法的覆盖技术进行迭代计算,找到分数维数最接近1的窗口;用经过部分改造的最小二乘法拟合窗口内符合条件点即为水岸界线.这样可以大幅度减少计算量,需迭代计算像素点数量仅为原算法的0.88%.对多种自然条件下水岸图像1026幅进行识别,完全识别率达85.3%,反应出该方法的鲁棒性与实用性.

研制了一种六维宏微位移可控精密工作台.设计中采用粗精分离的原则,有利于提高工作台的精度,并减小了研制难度.宏位移使用精密燕尾导轨结构.微定位系统使用了压电陶瓷驱动器、柔性铰链和计算机控制,使系统具有极高精度的补偿定位能力.该工作台可在100mm范围内运动,平移分辨力为0.05(m,转动分辨力为0.3″.

为提高JPEG2000小波变换的数据吞吐能力,提出了一个新的基于用行列模式二维小波正/反变换VLSI体系.在此体系中,块存储器以对角存储的方式被划分为八块双口SRAM,一维离散小波运算单元采用流水线技术设计.此体系可支持JPEG2000 5/3和9/7两种小波,并且可以节省熵编码所需的码块存储器.设计的一维离散小波运算单元,可以在一个周期内处理四个像素的数据.经测试,此设计工作在20MHZ频率下,外加数据缓存时,完成一张512×512×8比特的灰白图像"lenna"的三级小波分解需要13.31ms,不加数据缓存,需要16.6ms.

提出了一种由单个光纤光栅和一个光纤方向耦合器组成的新型全光纤反射器,推导出了当光栅为均匀Bragg光栅、器件任意端口输入时,任何一端口的输出解析式.分析表明器件具有法布里-珀罗腔干涉仪的特点,耦合器的耦合比系数类似于法布里-珀罗腔的反射率, 耦合比系数越大,输出光谱半高全宽度(FWHM)越窄, 消光比越好.当耦合比系数大于0.8时,FWHM可以窄到0.02nm,消光比大于0.9.如果光栅是"强"耦合,器件具有均匀分布的多通道梳状输出特性;光栅为"弱"耦合时,则能实现FWHM小于0.02nm的单频输出.器件只需单个光栅,克服了制作两个完全相同光栅的困难.

设计了一种新颖探测对流层二氧化碳气体的1572nm差分吸收雷达,它的发射系统基于脉冲的种子注入KTP参量振荡器(OPO).OPO由1064nm Nd:YAG多模激光泵浦,转换效率10%,重复频率20Hz,OPO的腔长由PZT单元和二氧化碳多通道吸收池精确控制,种子注入时,它可以产生单模窄带的信号光脉冲输出, 对应的空闲光输出仍然是多模.窄带on光源(线宽小于600MHz)对应于二氧化碳光谱的强吸收线,宽带off光源(150GHz)对应于光谱的弱吸收线.on?蚾ff双波长工作是通过对种子光的10Hz开关来得到的.雷达接收系统的核心是近红外光电倍增管和光子计数器,光电倍增管制冷到-60℃以降低其噪声.实验表明,该雷达的信噪比在6km以内大于10 :1(10分钟6000个脉冲累加).

提出了一种基于动态均值滤波、二次曲线法解调和拟合法求光程差的数据处理新方法.与传统的算法比较,动态均值滤波避免了耗时的快速傅立叶变换,二次曲线法解调有更好的解调精度,拟合法求光程差可去除噪音较大的数据.新算法有快速、可使用的测量范围大和抗干扰能力强的优点.新方法可适用的白光干涉谱数据距离范围为10(m到100(m.在样品上采集到的白光干涉谱数据的对比度约为0.06、信噪比约为18dB.用新方法和传统方法分别对这些数据进行了处理.新方法处理结果的短期数据方差小于10nm,精度比常用方法好4倍.