针对高精度光纤陀螺随机误差,在分析其一般时间序列模型的基础上,提出了一种改进型二阶自回归AR(2)模型,可以在线建立光纤陀螺随机误差模型.根据该模型,采用卡尔曼滤波算法,实现了光纤陀螺惯导系统在对准与导航过程中光纤陀螺随机误差的实时滤波.滤波结果和Allan方差分析证明,光纤陀螺信号中角随机游走、零偏不稳定性、速率随机游走、速率斜坡和量化噪声五项噪声源误差系数都小于滤波前的二分之一,有效减小了光纤陀螺随机误差,提高了光纤陀螺精度.

为了达到好的伪装效果,迷彩颜色应与背景色调相融合,以使人眼及光学仪器难以探测和分辨.因此,背景主色的准确提取是确定迷彩颜色的前提.利用灰度直方图可以确定背景图像中的主要灰度,但无法区分不同色调.而基于颜色直方图的背景主色提取方法的运算量太大.本文提出了一种基于HSI模型和量化颜色直方图的迷彩颜色选取算法.利用HSI颜色模型描述背景颜色特性,通过特殊量化方式对背景的颜色直方图进行量化,接着借助阈值方法选取背景主色作为迷彩颜色.结合迷彩伪装图案设计方法对上述迷彩颜色选取算法进行了实验分析,并通过边缘检测和相关跟踪方法对不同背景下的目标迷彩伪装效果进行了验证.

本文利用对入射光进行相干度调制的方法,在实验上研究了聚焦光场中的部分相干平顶光束,用CCD记录了光束的产生和演变过程,验证了聚焦光场中部分相干平顶光束的存在.此外,还研究了对于不同的聚焦透镜焦距和环形光阑中心拦截比,不同空间相干度对平顶光束的影响.研究表明,两处平顶光束的大小及两处平顶光束之间的距离随着空间相干长度和环形光阑拦截比的增大而减小,随聚焦透镜焦距的增大而增大.

对于人脸定位问题,国内外的研究方法概括起来有基于特征和基于图像两种.本文提出了一种主动照射的人脸定位算法.该算法采用主动结构光照射的方法,同时使用积分投影的结果来分析人脸的几何结构,最后利用鼻子的特征定位人脸.从而做到在背景比较复杂、干扰物体(如杯子,水桶等等)比较多的情况下快速定位人脸中心位置,对摄像头采集到的最大分辨率640×480的有效图像的实时定位速度达到10帧/秒.打破了常规要求图像背景相对简单的缺陷, 从而可以在复杂背景条件下对人脸进行定位.

虹膜定位是虹膜识别系统的重要组成部分,定位的速度以及定位算法的健壮性是需要特别注意的因素.根据对人眼的结构特征进行分析,提出一种新颖虹膜定位算法.利用一种灰度累加算子找到瞳孔内一点,通过边缘检测模板找到虹膜内圆上三个不共线的点,从而快速而准确地定位出虹膜内圆,通过边缘检测模板找到虹膜外圆上四个不共线的点,从而快速定位出虹膜外圆.对已有的756幅虹膜图像组成的虹膜数据库进行定位,本算法只需要1.59min,平均定位时间达到0.126s,准确率达到99.07%.比Hough变换以及Daugman的圆检测算子等经典方法速度上有了很大的提高.而且保证了定位的准确率和算法的鲁棒性.

提出了一种基于方块编码的图像检索算法.首先将图像分成互不重叠的子图像块,根据图像块中各像素间的色差,利用方块编码的思想对这些子图像进行编码,然后根据人眼的视觉特性来定义图像的关键块,最后借助于基于关键字的文本检索技术进行图像检索.同时,考虑到不同类型的关键块在表征图像内容时重要程度的不同而赋予其不同的权值.实验结果表明本文算法在图像的相似性检索时是有效的,并具有较高的检索效率.

利用基函数稀疏性的极大值特点,本文提出一种改进的基于独立分量分析的图像特征提取算法.通过分析图像的拉普拉斯先验条件,独立成分分析的问题简化为L1范数求最小的问题,但是采用其对偶空间L∞范数求极大值的方法解决问题更加容易.相对其它独立成分分析方法,本文方法不需要对高阶非线性对比函数估值进行复杂的优化.实验结果表明,本文算法相比其它独立成分分析算法,具有更好的稀疏性和更快的收敛速度.

为了提高激光测速系统中信号处理速度,获取更高的测量精度和实时检测能力,本文从硬件结构、传输策略和试验结果入手,提出了利用DSP芯片作为频率分析处理器的多普勒测速系统.通过对A/D控制策略,光电数据采集压缩,DMA传输和DSP处理器中的FFT谱分析和频谱校正算法的研究和对数变频模式模拟电压信号测量试验,实现了多普勒信号处理器在显示采样频率为7MHz,速度显示间隔为0.3ms的实时检测和频率细化能力.

标志识别是近距离空间交会对接中的一项重要的关键技术.在空间交会对接过程中,太阳和月球等各种天体以及飞行器上零部件的辐射与反射都会影响CCD的成像,形成大量杂散光干扰.为此,本文首先设计了具有不变特征的标志系统,然后根据标志系统固有的不变特征,详细设计了左右像点匹配、远场像平面不变特征识别、近场像平面预测识别以及像空间模型匹配全等识别等一套完整算法,可以保证彻底消除杂散光的干扰,正确可靠地完成各个标志灯像点的辨识.模拟图像仿真实验和真实图像仿真实验结果验证了算法的正确性和可靠性.

在可见光通信系统中,光源具有照明和通信的双重作用.不同的光源布局必然会导致室内不同的光功率分布,因此必须对光源的布局进行合理的设计,使得室内接收光功率的分布趋向均匀.本文给出了室内光通信的传输模型,分析了布局设计与接收光功率分布的关系,并给出了房间内的四个通信光源的最优化布局设计.通过对光源布局与接收功率关系的仿真,验证了本文提出的最优化光源布局设计方法.

本文设计一种具有可扩展性的双层并行光互连网络.顶层为数字路由结点和光网络接口卡组成的星型网,底层为光网络接口卡连接而成的环形网.结点机以及数字路由结点影响网络的性能.结点机的吞吐能力限制了整个网络的吞吐率;扩展PCI总线的位数能够提高光网络接口卡的吞吐速率,采用64bit/66MHz工作模式可获得4.224 Gbps峰值传输速率.网络的实际最大吞吐速率为8.448Gbps,环网内平均延迟2195ns,环网间平均延迟4713 ns.可以采用本文设计的数字路由结点对网络进行低成本级联扩展,扩展后网络性能显著提高.

为保证激光测距仪的精度和可靠性,必须要对它进行定期检定.常用的检定法是在经过精密测量的野外基线场上采用六段比较法求得.而这种野外基线场需占用大量的土地资源,检定受地质条件、地理位置、地面建筑构造、气象与温度等环境因素的影响,并且野外作业工作量大,一直是国内外研究所关注的问题.本文通过利用光纤放入室内,代替野外基线来检测激光测距仪这一国内外所关注的问题进行了初步的理论分析与实验研究.分析了用作基线的光纤类型的选择以及耦合方式的选取,研究了耦合、光波、温度对光波在光纤中传输光程的影响.理论分析与实验验证基本符合,说明用光纤在室内代替野外基线来检定激光测距仪是可行的.

本文提出了弱小目标检测和跟踪算法的性能评估框架,并针对弱小目标检测和跟踪的特点,从背景特性、目标特性和跟踪干扰特性等方面对弱小目标序列图像的仿真进行了分析.通过分析弱小目标跟踪中可能遇到的不同的目标情况和由此产生的正确跟踪轨迹、正常轨迹消失、错误跟踪轨迹、遗漏轨迹和虚假跟踪轨迹等目标跟踪状况,以弱小目标仿真模块提供的目标原始真值为基础,采用了有效跟踪评价和有效跟踪精度评价的方法对跟踪算法进行评估.试验表明,该方法能够有效地评估弱小目标跟踪算法.

针对复杂背景下运动点目标检测方法存在的局限性,提出从时间空间角度检测运动目标的方法.在时间空间域里,背景的复杂纹理表现为无限长直线,运动目标则表现为有限长线段.针对该特点,运用逐点灰度均值将背景与运动点目标分离,并根据投影关系将目标投影到二维空间,获得直观的目标运动轨迹.试验结果表明,该方法能较好地从复杂背景中分离出速度不大于1像素/帧的点目标,且可同时进行多目标的检测,抗噪声能力强.

为了实现复杂背景下对任意目标的智能检测与稳定跟踪,设计了基于双DSP结构的集视频处理、云台运动控制于一体的实时电视跟踪系统.系统采用模块化硬件结构,并提供直接用户接口可使系统脱离上位机独立工作.同时改进了目标识别算法,提出一种基于区域分割的相关模板提取方法.利用自适应空域滤波器分割出目标区域,再用二次投影法快速提取目标,并以模板评价函数为准则实时更新模板.具有模板自适应性强,目标判断准确,跟踪鲁棒性好等优点.外场实验表明,在目标变化和有物体遮挡干扰的情况下,系统能准确提取任意指定目标,并保持连续稳定的跟踪.

通过合理的假设,将复杂的三维辐射与对流耦合传热问题简化为一维瞬态传热问题,并运用多层有限差分的数值计算方法模拟出目标外表面温度场随时间的变化曲线图与目标波段辐射强度的方向图.在此基础上,根据目标与背景的辐射强度差值,计算出红外成像探测系统对目标的最大作用距离,并绘制出其在探测器工作波段内的方向图.通过比较分析出隐身涂料对作用距离的影响,在3～5μm波段最大作用距离由7km下降为5.5km,在8～12μm波段最大作用距离由13km下降为7.5km.

由正弦信号驱动PZT调制参考镜以实现参考光相位调制,CCD光探测器的曝光时间为正弦驱动信号的四分之一周期,利用频率-同步探测技术,在一个参考光调制周期共提取四帧全视场参考光与样品反射和散射光干涉图像.为了获得最优的参考光信号调制参数,一种基于PID控制器的闭环控制技术与数字移相相结合的方法用于调制系统,采用50Hz的理想正弦曲线的数字离散量来控制PZT的调制幅度,数字移相电路调整PZT的振动相位来保证最优调制参数的获得.CCD(频率f=200Hz)由软件驱动,采用积分算法,实现了由CCD探测器提取微弱全视场层析信号的方法.

针对激光半主动式制导炸弹导引信号形成过程的数学建模,通过对风标式激光导引头光学物理结构分析,本文研究了激光导引头制导信号产生的机理,提出光电建模与几何分析相结合的技术途径,综合应用四象限探测器光电建模和弹目空间与速度空间几何角度转换的方法,建立了速度追踪导引机制下完整的导引头数学模型;基于模型进行了激光半主动式制导炸弹导引回路数学仿真和半实物仿真实验.实验结果表明,在排除盲区、失调角影响因素外,数学仿真中应用导引头数学模型解算的导引信号与半实物仿真中激光导引头的实际输出信号一致,导引头数学模型是有效的,解决了激光导引头仿真中由定性研究转为定量研究问题.

本文在自行设计的放电电极板上实现常压下的空气辉光放电(APGD),产生出一薄层的低温等离子体,利用光栅单色仪及测试声强和温度的仪器对所产生的等离子体的光辐射、声辐射和热辐射特性进行实验测量.数据处理后的分析结果表明,该APGD等离子体的光辐射强度及声辐射和热辐射强度,以及总辐射能量基本上都与电极板的加载功率呈线性关系,而且各种形式的能量各占比例是一定的.研究结果表明可以通过沿面APGD的辐射特性与加载功率之间的关系来描述APGD等离子体的特性,以及控制等离子体的产生量.

简要阐述光电位置敏感器件的特点、工作原理,根据光电位置敏感器件的原理和光电位置方程,分析了背景光与测量精度的关系.在此基础上,利用低峰探测仪的双极性三极管将像素M(i,j)的行与列位线联系起来,用来检测最大光强度的像素,显示出最低输出电压,使位线与其输出电压相对应;采用分布图像的峰值检波器来模拟预处理光电信号,通过数字转换得到图像的重心位置;采用集中平行的模拟计算估算射到感光区的光分布的重心,并通过时钟比较器得到数字化图像.给出了检测位置的二维光电传感器阵列、显示与图像数量的平方根成正比功耗关系式以及几个重要结论.

提出一种基于位置敏感探测器(简称PSD)多光束同步检测技术的位姿检测新方法,采用两个二维PSD从不同角度同时测量出目标物体上多个特征点的二维坐标,然后通过坐标变换计算得到各点的三维空间坐标;根据位姿变化前后的各点空间坐标,采用比较简单的算法计算出目标物体的位姿参数.通过算例验证该方法是可行的;由初步的实验获得目标物体的位姿参数,最大平移误差为1.0574mm,最大旋转误差为0.2851rad,需要通过多种途径进一步提高系统的检测精度.

本文结合随机Hough变换(RHT)抗噪声能力强与最小二乘法(LSM)拟合精度高的特性,提出了一种基于随机Hough变换与最小二乘法进行直线检测的方法.该方法能用于背景噪声较强,直线存在一定弯曲的图像,检测精度高.首先,用随机Hough变换确定直线的大致位置,得到直线参量和数量;然后,利用所得直线参数,计算图像中的点到直线的距离,根据距离,可以确定每条直线附近的点集,剔除干扰点和噪声;最后,用最小二乘法对点集中的各点进行拟合,得到精确的直线参量.把该方法应用于列车动态识别中的制动梁检测,得到了良好的效果.

基于位置传感器PSD和光学三角原理,开发了一种适于空间曲线型微细管孔内表面三维重构的检测系统.该系统主要由管道机器人、形貌检测器和曲率检测器等部分组成.形貌检测器可以采集管道内壁截面信息,并计算出截面环上的点在局部坐标系中的位置.曲率检测器负责测量管孔中心轴线在检测器采样位置处的局部几何性质,并完成管道中轴线的重构.在管道机器人的驱动下,根据上述两方面提供的数据以及其前进步距,可以实现管道内表面的三维重建.实验结果表明,利用该技术检测的管道时,管道曲率半径的相对检测精度可以达到±2%,内表面缺陷及内径的测量精度可以达到±0.1mm.

本文在分析和研究蚁群算法原理、算法实现过程的基础上,针对多膜料设计,以1200～1600nm波段内带通滤波器、1200～1600nm波段内截止滤波器、600～1000nm波段内截止滤波器和400～800nm波段内截止滤波器等4个滤波器实例为优化对象,以理论反射率和实际反射率之差最小为目标函数,采用蚁群算法和MATLAB语言编制了膜系初始结构优化设计的仿真计算程序,计算机仿真结果准确,证明了蚁群算法应用于膜系设计的可行性.

采用激光粒度仪、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外分析测试仪(FTIR)以及紫外可见分光光度计(UV-Vis)等测试手段,研究了在酸性条件下制备SiO2溶胶过程中硅烷偶联剂(KH-570)对二氧化硅(SiO2)溶胶性能的影响.结果表明:加入硅烷偶联剂改性的SiO2溶胶体系分散均匀无团簇,并且由此制得的SiO2薄膜透光率高于没有经过改性的薄膜.

将小波变换和均值滤波相结合提出了一种有效的图像去噪方法,先将含噪图像进行小波分解,获得不同频带的子图像.将低频近似图像保持不变,对水平、垂直和对角三个方向高频细节图像根据其特性采用三种不同形状的模板进行均值滤波,最后将低频近似图像与三个均值滤波后高频细节图像合成得到去噪后的图像.实验结果表明,该方法在降低了图像噪声的同时又尽可能地保留图像的细节,其去噪效果优于单一小波阈值法和均值滤波法.

针对图像的自动分割问题,利用二维熵建立的一般方法和二维熵的性质提出创建二维直方图的两种新方法.第一种方法选择4邻域中心像素灰度值和其余像素的灰度最大值来构造二维直方图,第二种方法选择4邻域中心像素灰度值和其余像素的灰度最小值来构造二维直方图.对典型图像进行对比试验表明,与传统方法相比,采用由4邻域中心像素灰度值和其余像素的灰度最大值构造二维直方图的方法,可以很好地保留目标的细节信息,而采用由4邻域中心像素灰度值和其余像素的灰度最小值构造二维直方图的方法,可以在保留目标轮廓信息的基础上,很好地抑制噪音.

图像校正需要对图像进行透视变换,不可避免会产生欠采样或过采样问题,同时射影变换会引起图像扭曲,造成图像对之间相似性丢失.为了降低图像校正后的畸变程度,重点研究了图像校正过程中不同类型图像畸变问题.通过图像对规范化简化基础矩阵,并通过考虑几何约束简化校正变换矩阵;然后求取射影变换权值变化测度之和的极值以实现最小化射影畸变;最后采用Jacobian行列式度量校正前后的局部区域变化,求得最小化重采样效果的矩阵系数.采用该校正变换矩阵对非标定图像对进行平面校正可以减轻射影扭曲程度和重采样效果.

本文提出了一种新的消除图像中混合噪声的自适应α-剪枝均值方法.该方法基于α-剪枝均值理论和噪声模型的对称特性.与基于渐进方差最小化的自适应α-剪枝均值方法相比,两者在滤波效果上接近,在滤波速度上本文方法提高了近一倍,降低了算法复杂度.对偏离对称分布模型的混合噪声模型,此方法也有很好的鲁棒性.通过实验,其有效性和速度得到验证.

阐述了基于星体中心位置信息匹配的跟踪原理,提出了一种基于匹配的星跟踪方法.采用FPGA实现实时的星点位置信息的获取,解决了传统星跟踪过程中图像数据获取的瓶颈,增加了跟踪星体的个数,加快了匹配跟踪的速度;并且采用先排序后匹配的匹配方法,减少无谓的星体间的比较.仿真测试结果表明,此方法使得匹配跟踪的时间大约降低为原来的10%,提高了整个跟踪算法的计算速度,对星敏感器整体效能的提高也非常明显.

针对光电跟踪系统中两种高低不同带宽的惯性传感器,采用小波滤波的方式滤除噪声,并在此基础上,引入小波系数方差作为信号的特征量,构造低频系数的权值,实现两种不同带宽的惯性传感器信号的融合.通过采用提升小波变换,使设计更为灵活、计算简单、速度更快.最后的实验验证了该算法的有效性,从其结果可以看出,在融合的整个频段,除了在频率的交接处(30～40Hz)有轻微的波动外,在别的频段都与真实数据吻合的比较好.在融合的整个频段,幅值最大衰减为-2.5dB,相移最大滞后大约为30o.

在立体匹配算法中引入色彩相似性约束条件.首先加入权值模板来对用于灰度空间匹配的SSD算法进行改进,在抑制噪声的同时,可以最大程度的保持景物的细节信息,从而有效的解决SSD算法对于噪声比较敏感的问题.然后引入色彩相似性约束将灰度空间的匹配和彩色空间的匹配有机的结合起来,大大提高了匹配的精度.实验结果表明,该算法能够合理利用彩色立体像对中的色彩信息,从而生成准确度较高的视差图,是一种有效的立体匹配方法.