为减小象限探测器输出信号非线性误差对系统测控精度的影响,文中提出了探测器最大线性工作区间的匹配条件,以及分段线性化的探测器输出特性优化方法。通过光能积分建立象限探测器输出信号数学模型,分析了输出信号线性特性与光斑和光敏面半径比、信号采样精度、象限间光电特性均匀性等之间的关系,给出对应探测器输出最优线性特性的光斑和光敏面半径比值,采用分段线性化方法拟合探测器输出特性参数。仿真说明,与多点标定、全区间最小二乘拟合相比,该方法将探测器输出线性区间内最大、平均非线性误差降低至1/10,相应地在探测器光敏面积一定、测量精度不降低的条件下,将探测器线性区间扩展了20%-30%。

多腔窄带薄膜滤光片在倾斜入射时由于偏振光的中心波长会出现分离,会导致其偏振相关损耗迅速增加,严重影响光通信系统的性能。从理论上分析了斜入射时产生偏振相关损耗的原因,并提出了通过优化膜系的方法有效的实现了偏振光中心波长的对准,有效的降低了其通带内的偏振相关损耗。同时还提出了使用偏振分束器的方法,对单偏振光进行调制,在整个透射带内都实现了对偏振相关损耗的抑制。实验结果表明,两种消偏方式都能将窄带滤光片斜入射时的偏振相关损耗减小至0.2 dB 内,根据实际需要可以应用于不同的场合。

微通道热沉是解决高功率半导体激光器阵列散热有效的途径,本文利用有限元方法研究半导体激光器的温度,给出了横向尺寸为200 μm×60 μm 单个及间距100 μm 的3,5,9 的微通道热沉中的温度,得到微通道数量影响激光器最高温度变化。结果表明,单个微通道构成的热沉可以把注入电流为36 A 稳态工作的激光器阵列冷却到342 K,9 个微通道可以冷却到306 K。仿真了增加微通道间距的温度分布,发现为间距260 μm 的5 个微通道热沉,可以将激光器冷却到308 K。

为了进一步提高1.5 μm 波段激光器的频率稳定性,利用声光调制器(AOM)的频移特性使激光发生频移,将乙炔(12C2H2)的υ1+ υ3 带的P9 支吸收峰作为参考频率,通过两条频移的吸收谱线产生类色散鉴频曲线,实现对外腔半导体激光器的无调制频率锁定。实验中把以前直接对激光器的调制转移到声光调制器上,避免了直接调制所引入的额外噪声,通过闭环锁定,50 s 内典型的频率起伏达到5.8 MHz 以内,激光器的频率起伏较自由运转时明显得到抑制,实现了激光频率的稳定。

DF 化学激光器涉及到多组分的高速化学反应流,组分、反应方程、速率常数的选择对计算结果有着重要影响。通过对DF 化学激光器反应动力学模型的讨论,给出了简化模型的依据,并且分别运用几组简化反应模型进行数值模拟,分析与完全反应模型相比,简化对激光器小信号增益系数和DF 激发态分子空间分布的影响。推荐了一个针对(NF3+H2+He)/D2 燃料体系,DF 化学激光器“冷反应”系统的11 组分23 方程简化模型,在很大程度上减少了计算量,有利于反应流场数值仿真的编程实现。

激光自混合能有效用于匀速运动物体的速度测量,为了加速激光自混合用于物体速度测量的实用化进程,对激光自混合用于变速运动物体的速度测量进行了探索。引入了基于多项式相位参数提取的信号处理算法;基于激光自混合的测速原理,推导了激光自混合用于变速测量时输出信号的多项式相位表示式,也即建立了激光自混合用于变速测量的仿真模型。通过仿真分析证明:在激光自混合变速测量中采用基于相位多项式参数提取的方法,可以获得物体运动的速度和加速度信息;该方法在较低信噪比的情况下仍然适用。

分析了小波、脊波和曲线小波等方法用于含噪图像中类线像素恢复的不足。针对它们的缺点,提出了一种用于各向异性检测的方向算子集合的结构和统一规范。利用粗糙检测、淘汰和平均（DWA）方法,通过检测、淘汰和加权平均,实现了含噪图像中类线像素的恢复;利用收缩、选择和记载（SCR）方法,通过收缩、连接和记载操作,实现了含噪图像中类线像素的分割工作。仿真试验结果证明了提出算子的合理性和相关类线像素恢复及分割方法的准确性、有效性、局限性和一致性。

为了测量光学成像系统的径向畸变,提出了基于伸缩窗口傅里叶变换空间载频条纹相位分析的测量新方法。畸变分布测量转化为调制相位测量。首先,将纵向朗奇基准光栅作为模板,通过成像系统成为变形光栅即畸变像。接着采用伸缩窗口傅里叶变换提取畸变载频光栅条纹中心无畸变点的基频和相位信息,获得理想无畸变像的基频成分,然后对变形载频光栅条纹进行频谱分析,滤波提取基频信息、逆傅里叶变换、相位解包,提取径向调制相位分布,计算畸变图像的径向位置畸变分布。最后利用该径向位置畸变分布规律和双线性插值灰度重建对畸变图像进行校正。详细的理论分析和实验结果证明,该方法是可行的。

视频流的一个小时间段的图像序列的中值滤波,可以在动态目标不是特别密集的情况下获得较好的实时更新的背景图像。本文重点针对视频动态目标检测中的背景实时更新问题,采用中值滤波方法,进行了比较深入的研究,并就如何选取图像序列进行中值滤波进行了详细的比较计算,建立了中值滤波的理论模型。研究表明,如果图像序列时间段过短,背景中就会有比较大的目标阴影,如果图像序列时间段过长,则不能反映实时背景,在目标检测中会有较大误差。根据理论模型选取时间段适当的几帧图像进行中值滤波,就可以较好地兼顾背景实时性提取和消除目标阴影的目的。

针对实际的眼底图像中含有噪声,严重影响对病灶的诊断,根据其先验知识,本文采用四种多尺度几何变换技术对其进行去噪处理,即脊波、加维纳滤波的脊波、小波和轮廓波算法;并给出基于高斯波形提取的LMLSD(局部均值和局部标准差)算法,估算处理后图像的SNR(信噪比),对这四种去噪算法的处理效果进行客观的量化评价。实验结果表明,图像经加维纳滤波的脊波去噪算法处理后,图像最为清晰,SNR 提高最为明显,较原始图像提高约5.04 倍,客观量化评价结果与主观视觉感受一致。

针对1~20 mL 安瓿瓶装溶液的在线异物检测,本文分析并设计了基于机器视觉的安瓿溶液在线异物检测系统,介绍了检测系统硬件结构和图像采集卡等配置。根据应用要求,对溶液中的不同异物类型,分别设计了合理有效的成像方法,并设计高速旋转急停法成功地区分异物与瓶壁上的干扰。鉴于溶液中异物在图像上的呈现的弱目标性质,设计了一种快速方便的区域分割方法,并在融合传统目标检测方法的基础上,重点提出基于机器视觉的有效的目标检测方法,文章最后给出实验结果并进行分析,证明了算法的有效性和该系统的实用性。

合成孔径雷达(SAR)的成像过程使其高分辨图像的几何形变呈现局部性。针对高分辨SAR 图像精确配准问题,本文提出一种基于邻域重构模型的局部转换函数. 邻域重构模型首先采用重构系数刻画参考图像中每个像素点的几何位置;接着给出了一种重构控制点的选择标准使每个像素的配准误差达到最小;最后根据重构系数及控制点坐标对输入图像进行再抽样以实现配准。与经典分片线性映射相比,该模型从理论上给出了一种区域剖分准则:对于每个像素选取能使配准误差能达到最小的控制点作为重构控制点。对模拟数据和真实SAR 图像进行了试验,结果表明,该模型能有效地提高配准精度。

为实现微/纳结构三维形貌的高精度测量,提出利用显微干涉技术和偏振技术相结合的方法来研制微/纳结构三维形貌亚纳米级精度测试系统。首先,利用五步相移干涉技术采集5 幅带有π/2 相移增量的干涉条纹图。然后,通过Hariharan 五步相移算法得到包裹相位图。最后,利用分割线相位去包裹算法和相位高度关系转换得到微/纳结构三维形貌。在测试过程中通过偏振片产生强度可调的线偏振光,再由1/2 波片改变偏振光在分光镜中的分光比,补偿参考镜与试件的反射性能差异,可得到亮度适中且对比度高的干涉条纹图,从而有利于实现微/纳结构三维形貌的高精度测量。系统的轮廓算术平均偏差Ra 的重复测量精度可达0.06 nm,最大示值误差不到±1%,示值变动性不到0.5%。通过对标准多刻线样板、硅微麦克风膜和硅微陀螺仪折叠梁的三维形貌测量验证了系统的有效性和实用性。

介绍了利用平面镜多次反射系统实现二维高精度小角度偏转测量的光学测量方法,构建了实验系统,针对系统的测量精度和测量范围与激光束在平面镜系统中反射次数的关系进行了研究,最后根据应用实例给出了具体的计算分析,研究结果表明,该方法具有结构简单、测量精度高的特点,当反射次数达到10 次以上时,系统的测量精度将达到0.01″,为亚角秒级高精度动态测量提供了一种新的研究方法。

针对时滞光电跟踪提出了一种内模PID(IMC-PID)控制器设计与参数整定的解析方法。首先建立了系统的一阶时滞积分(FODI)模型,并用二阶加时滞(SOPDT)模型进行逼近,然后利用一阶Taylor 表达式代替系统模型中的时滞项,导出了控制器参数的整定规则。特别是为了保证系统的鲁棒性,可以根据最大灵敏度解析计算内模PID控制器的可调参数λn。仿真结果表明,与常规方法相比,所提方法不仅提供了较好的设定值跟踪和扰动抑制特性,而且对于系统参数摄动具有更好的鲁棒性。另外,实验结果也证实了该方法能够提高系统跟踪性能和跟踪精度。

针对减法聚类算法对视频运动目标进行定位时无法获取目标尺度及方向参数的问题,本文提出了一种可获取待定位目标尺度及方向参数的视频运动目标定位算法。该算法在减法聚类算法预定位目标位置及获得目标个数的基础上,进一步采用模糊C 均值聚类对目标前景样本进行归类,最后通过对目标前景样本协方差矩阵特征值和特征向量的分析获得目标的尺度及方向参数,从而实现对视频运动目标的定位。实验结果表明,所提出的方法与原减法聚类定位方法相比可获得更合理的目标定位结果。

以某航空相机为试验载体,以工程中常用的两种陀螺为比较试验对象,本文完成了陀螺三个关键参数:输出噪声、分辨力、相位响应的标定。根据数据手册两个陀螺的噪声功率比为784:1,采用一种适合于工程应用的陀螺噪声功率测试方法,由于系统噪声的影响实测功率比为74:1;其次给出了陀螺分辨力与模数转换器之间的对应关系;再次针对陀螺数据手册中没有相位响应数据这一事实,设计了一个简便新颖的测试平台,完成了陀螺0~16 Hz 频带内的相位标定,标定误差小于5%,最后结合以上试验数据,深入分析了陀螺三个参数对伺服控制系统的影响。实践表明陀螺关键参数在具体设备中的准确标定有助于提高系统的整体精度与增强系统的稳定性。

提出了一种采用小波变换对复杂动态背景变化程度的检测方法。对红外序列图像进行小波变换预处理后,可以提取出若干个特征区域,通过检测这些特征区域的差异来判断背景的变化程度,实现背景抑制。在抑制动态背景的基础之上,运用基于动态先验知识的区域主动轮廓模型的水平集方法来实现红外多目标的数据关联和跟踪,动态先验知识包括形状描述因子、灰度特征和运动特征等。同时,在多目标跟踪中存在目标“合并和分裂”的现象,运用“记忆和填充”方法来实现对多目标的稳定跟踪。通过对实际复杂动态背景条件下的红外序列图像进行多目标跟踪和检测实验,验证了所提方法的可行性和有效性。

针对Camshift 算法无法适应目标的高速运动、复杂背景和遮挡的局限性,本文提出结合帧间差分法和运动估计对Camshift 算法进行改进。首先在颜色概率分布图计算中通过帧间差分法加入目标运动信息,实现自动初始化跟踪并排除与目标相似背景颜色的干扰。之后在搜索窗传递过程中预测目标的位置,根据跟踪状态对搜索窗进行调整,以实现对高速运动目标的跟踪。实验表明新算法在目标高速运动、遮挡、和同色干扰情况下,仍能进行有效跟踪。

针对某型精密光电跟踪系统的工作特点,设计了光电跟踪转台的机械结构,在建立其三维模型的基础上,利用有限元分析软件ANSYS 对主要承受载荷的转台框架结构进行了静态特性和动态特性分析。静力分析结果表明,该转台框架满足强度和刚度的要求,能保证转台的精度;同时,其模态分析表明,该转台具有很好的动态特性,不会发生共振。分析结果验证了光电跟踪转台机械结构设计的合理性,也为光电跟踪转台的优化设计提供了重要依据。

针对复杂场景中多目标跟踪问题,本文给出了目标的出现与消失、遮挡等模型描述,将其统一到粒子滤波的框架下,提出了一种可以处理目标数可变的多目标跟踪算法。对场景中的目标数建立马尔科夫模型,采用转移概率矩阵描述跟踪过程中目标出现、消失的情况;在状态表示中增加辅助变量,明确目标之间可能的遮挡;采用目标空间直方图建立基于唯一性原则的观测似然函数,通过后验概率分布估计目标数及目标状态。实验结果表明,本文算法能有效地处理跟踪过程中的目标数变化、目标遮挡等问题,实现多目标的正确跟踪。

圆结构光复杂深孔内轮廓3D 测量系统中,被测半径与系统成像半径之间关系存在非线性、一次测量所获取的图像中阴/阳线圆光条不属于同一被测深孔截面、膛线遮挡形成测量盲区。通过分析问题的成因,本文提出了改进设计方案。将系统扩束锥镜的半锥角由原来的45o 改进为50.7o,并对系统结构参数相应进行调整,改进后消除了系统非线性误差,提高了系统测量精度;阴/阳线圆光条属于同一被测深孔截面,且消除了阴线圆端部一侧遮挡,能够提高3D 重构精度与效率。

针对随机圆检测算法每随机采样4 点约需计算4 次圆参数,本文提出一种快速的随机圆检测算法。该算法在判断随机采样的4 点是否能确定一个候选圆的过程中,若其中1 点到其余3 点所确定的圆边界的距离大于某一阈值,则重新随机采样四点进行计算。通过该阈值大量减少了圆参数的计算次数,同时结合快速证据积累方法确认候选圆是否为真圆。合成图像和实际图像的实验结果表明:该算法较随机圆检测算法的计算速度有了较大提高,具有对局部信息缺损不敏感和噪声鲁棒性强等特点。

针对人脸识别中的小样本问题,本文提出了一种名为增强联系鉴别分析的方法并应用人脸识别中。该方法利用将人脸局部流形的结构信息和样本的类别信息进行有效地结合进行维数约简,首先构建人脸数据的近邻图与类别联系图,然后通过解决在一定约束条件下的优化问题来获取低维鉴别流形特征,实现在低维空间中同一类人脸数据聚集,不同类别间的人脸数据间尽可能发散,从而可以更好的应用于分类。在AT&T 和Yale 人脸图像数据库上的实验结果表明该方法能有效的提高人脸识别的性能。

本文提出了基于近红外光谱的茶叶成份检测仪的设计与实现。该检测仪采用干涉滤光片作为分光器件,其旋转样品池内嵌了漫反射标准白板,以实现快速交替检测样品及白板漫反射信号,使样品与白板的检测同步完成,简化仪器机械结构, 提高了光谱稳定性和样品检测速度与精度。光电信号检测系统采用了InGaAs 光电探测器,利用仪表放大器和24 位A/D 转换器分别完成信号调理和数据采集,以USB 2.0 实现仪器与计算机的数据传输,再由计算机化学计量学软件完成吸光度计算及茶叶样品的成分分析。实验结果表明,本样机实测茶叶成份值与理化检验值的相对误差小于5%。

提出了一种新型分布式布喇格光纤光栅(FBG)传感系统。为了满足一个大型工程同时监测上百个不同位置的要求,将这一百个点分成若干组,每组构成一个小区域,每个小区域由四个波长相同的光栅组成,这样就满足了在一条光纤上刻一百个光栅的要求。当某点温度发生变化时,该区域的最高温度可测得;若此最高温度超过警戒温度,则系统发出报警信号,进而对这个小区域进行整体降温处理。在理论分析的基础上,对多组不同波长的光纤光栅进行了温控对比实验,在10~110℃的温度范围内,FBG 的中心波长随温度变化呈良好的线性,线性度达到99.6%以上。实验表明该系统具有精度高、适用于分布式多点测量的特点。

为了满足立体测绘系统的定位精度要求,在三线阵立体测绘相机研制基础上,通过建立三线阵立体测绘相机实用构像模型,确立被探测地面点在地面坐标系中的坐标与其像点在CCD 坐标系中的坐标以及在统一的像平面坐标系中的坐标之间的数学关系式;并在此基础上,推导了三线阵立体测绘实用误差模型,分析影响系统定位精度的主要误差源,并根据相机参数进行综合定位精度分析,结果表明该系统可达到无控定位精度50 m 的精度要求,同时验证了构像模型及误差模型的正确性。