在利用 CCD闭环的快速倾斜镜 (FSM)控制系统中, 延迟是控制性能最大的限制, 严重制约了闭环性能和控制带宽。本文在 PID控制器的基础上串联一个积分器, 利用 PI-PI控制器提高 CCD闭环的 FSM控制系统的性能。建立了一套详细的控制模型, 给出了控制器参数整定的公式。理论和实验表明, 采用 PI-PI控制器的误差抑制带宽要窄一点, 高频段抑制能力同积分控制器相当, 但是对低频的误差抑制能力要强的多。

针对视频序列受载体的影响, 本文提出了基于 Harris局部特征点的数字稳像方法。局部特征点在图像处理、模式识别、计算机视觉以及目标检测与跟踪领域得到了广泛的研究。首先, 利用 Harris算法提取动载体摄像系统中每帧图像的局部特征点, 采用基于归一化互相关匹配算法进行局部特征点的匹配, 提出了一种双向搜索的匹配策略来提取具有较强鲁棒性的特征点; 然后, 利用随机抽样一致算法进一步筛选所选定的特征点, 并将保留下来的精确匹配特征点带入仿射运动模型求出全局运动矢量; 最后, 提取全局运动矢量中的抖动参数, 并对原始图像进行补偿。实验结果表明, 该方法可以快速有效地处理图像序列的仿射运动, 水平和垂直方向的精确度小于 1 pixel, 并且具有较好的鲁棒性, 可用于动载体摄像系统。

局部二元模式 (LBP)是一种有效的图像局部纹理描述算子, 由于其具有良好的旋转不变性而被广泛应用于图像处理、计算机视觉等领域。本文着重分析 LBP纹理特征的相关特性, 并在其基础上进行适当改进, 提出均匀三模块局部二元模式 (UTPLBP)及其二次统计量纹理特征, 探索其在图像分割应用中的可行性。实验结果表明, 针对 Brodatz纹理合成图像, 利用 UTPLBP算子提取待分割图像的纹理特征, 在 SVM分类器下进行图像分割, UTPLBP纹理算子能够很好的描述图像的纹理信息, 其二次统计量纹理特征鲁棒性强并能对不同纹理图像进行正确区分。相比传统法, 本文方法正确率均在 93%以上。

为了扩大系统的景深, 本文研究了基于“ 0、π”二元纯相位模板增大系统景深的方法, 并设计了一种三区环型二元相位模板。通过相位模板实现对系统光瞳的调制, 使系统的 MTF具有离焦不变性, 从而避免了系统成像信息的丢失, 达到增大景深的目的。最后利用光学设计软件 Zemax分别对传统光学显微系统和增加了“ 0、π”二元相位模板的大景深显微系统进行模拟, 通过对比二者的成像结果可以得出: 利用二元相位模板可以在保证较高分辨率的前提下, 增大系统的景深。

首先介绍了高斯光束平顶整形的应用价值及一些主要整形方法, 由于非球面镜整形的优点, 本文研究非球面镜整形法。选择费米 -狄拉克函数作为平顶光束模型, 并分析了其平顶分布与特性参数之间的关系。理论分析了非球面镜整形原理, 根据能量守恒定律和光线追迹函数推导出非球面面形表达式。考虑到加工因素, 分析了影响非球面度的系统参数, 根据分析, 选择适当的参数, 用 MATLAB软件对映射关系和面形曲线进行数值求解并拟合得到非球面系数。用 ZEMAX光学软件对整形系统进行建模, 通过物理光学传播 POP仿真可以得到输出光束的光强分布和传输特性, 结果输出光束的平顶质量接近理论上的预期效果, 其误差主要来自数值计算精度和孔径边缘衍射。

在经纬仪研制中, 对跟踪控制系统的测试具有十分重要的意义。构建了经纬仪跟踪控制仿真测试系统的总体功能结构, 通过 Real-time Workshop (RTW)完成了跟踪控制算法的快速实现, 通过视景仿真完成了符合经纬仪成像特性和效果, 满足各种仿真测试需求的虚拟目标运动场景实时渲染。实际应用表明, 仿真测试系统达到了对经纬仪跟踪控制系统进行测试的目的, 解决了传统室内测试方法局限性大的问题, 不仅方便快速, 而且具有针对性和可重复性, 十分有利于实际经纬仪跟踪控制系统的分析与设计。

由于不规则的外形, 玻璃预制件的选择直接影响异形非球面透镜的成型。本文通过有限元法探讨不同预制件对成型透镜的影响, 首先选择了一个比较典型的异形非球面透镜作为目标透镜, 将球形玻璃和圆柱形玻璃作为预制件, 采用高级非线性有限元程序 MSC.Marc, 仿真该异形非球面透镜的成型过程。基于仿真, 对比分析其成型性、残余应力、面形精度。结果表明, 圆柱形玻璃预制件更适合成型异形非球面玻璃透镜。

基于光学中一种特殊的胶接模型, 设计一种新的实验方案研究恒温下低应力光学结构胶固化过程中内应力随时间的变化, 实验利用电测原理, 通过监测固化过程中被粘物体 (钢片)中心点的变形, 反推胶的固化性质。本文先从理论上分析结构胶固化过程的规律, 然后选取两种低应力光学结构胶 3140RTV和 UV295进行为期一周的测试, 并对实验曲线进行了分析。此外, 通过对实验模型做一些理论上的假设, 并结合有限元软件计算结构胶残余应力对钢片的影响, 进而比较出两种结构胶性能的好坏, 该计算结果和实验曲线分析进一步阐述了实验设计的目的及意义。

在利用 PWM调制实现灰度的显示屏中, 如 LED全彩显示屏, 刷新率高, 灰度信息多是两个非常重要的指标。标准的 LED显示屏控制系统在灰度的实现与刷新率两者之间很难寻求一个平衡。本文提出了一种平均子场分割的方法来实现高灰度高刷新的方案, 这种方案虽然在一定程度上降低了亮度效率, 降低 10%～30%左右, 但是能够更好的提升灰度的显示效果, 同时能够达到很高的动态刷新率。

针对目标跟踪中如何有效地描述目标, 以适应跟踪环境变化的问题, 提出了一种基于分布域描述算子的视频目标跟踪算法。首先, 采用分布域描述算子来建立目标模型; 然后选择粒子滤波算法进行目标状态估计实现目标跟踪; 在跟踪过程中, 采用在线更新模型的方法, 降低了光照变化以及部分遮挡带来的影响, 从而提高跟踪的准确率。在常用的视频序列上进行了实验, 并与目前常用的算法进行了比较。实验结果表明该算法具有较好的跟踪效果, 能实现复杂场景下的目标跟踪。

相机的安装位置及姿态对光电经纬仪成像质量和最终的测量精度均有影响, 本文根据摄影测量原理, 提出一种光电经纬仪相机安装位置及姿态的外场校准方法, 构建了校准计算数学模型, 并在外场环境对多个校准标进行拍摄, 利用影像判读对测量角度进行修正, 最后利用光束法平差方法解算出相机的安装位置和姿态偏移量, 并进行了误差分析。结果表明, 利用该方法得到的校准精度较为可靠。

由于理论上的局限性, 逆向复合模板匹配算法难以在末制导阶段的高动态环境下实现对目标的稳定跟踪。针对这一问题, 本文提出一种基于多分辨率运动先验的逆向复合跟踪算法。算法将跟踪问题分为离线训练和在线跟踪两个阶段。在离线计算阶段, 将目标运动的幅值按 “coarse-to-fine”的顺序划分为多个层次 ,并采用分层训练的方式获得多分辨率先验误差雅可比矩阵。将该先验知识应用于逆向复合跟踪算法, 能够在不增加在线计算复杂度的前提下实现对地面固定目标的实时稳定跟踪。对比实验证实, 在高动态环境下, 算法具有良好的收敛特性, 同时, 对目标图像的旋转、尺度缩放和光照变化等干扰因素也具有良好的稳定性。

双筒多视场太阳光度计可用来测量卷云光学性质, 为了解决当有不均匀云时传统太阳光度计利用四象限光强分布跟踪太阳会不准的局限性问题, 采用 CCD图像处理技术跟踪太阳, 研制了双筒多视场太阳光度计的图像跟踪系统。介绍了该图像跟踪系统的总体结构及原理和成像光筒的设计, 详细阐述了天文视日轨迹跟踪方法和图像处理技术跟踪方法相结合的双模式跟踪算法及其流程, 给出了跟踪效果图, 并对其可靠性和稳定性进行了分析。结果表明, 该系统能很好的跟踪太阳, 可实现非阴雨天气的全天候全自动跟踪, 跟踪精度高于 1′。该系统适于双筒多视场太阳光度计用于测量卷云光学性质, 也可应用于其它对太阳跟踪精度要求较高的场合。

采用分步傅里叶算法模拟分析了飞秒脉冲在所提出的一种新型高双折射光子晶体光纤中的非线性传输及超连续谱产生, 讨论了入射脉冲中心波长、峰值功率、脉冲半宽度及偏振方向对超连续谱产生的影响。结果表明: 在这种高双折射光子晶体光纤中, 可以实现超短脉冲在 550～2 200 nm的超宽波长范围的光谱展宽; 入射脉冲中心波长选择在色散曲线拐点的附近时, 产生的超连续谱最宽; 入射脉冲峰值功率越大, 脉冲半宽度越小, 其超连续谱越宽; 入射偏振方向偏离某一主轴越远, 光脉冲沿该主轴方向所产生的超连续谱越窄。

光纤陀螺在摇摆运动条件下存在不可忽略的角速率测量误差, 该项误差制约了光纤陀螺捷联系统在恶劣角动态应用环境下的精度。针对这种情况, 基于自动控制理论和光纤陀螺闭环控制方案, 分析了闭环光纤陀螺摇摆误差的产生机理, 指出角加速度是导致摇摆误差的主要因素。随后建立了光纤陀螺摇摆误差的简化模型, 并提出了摇摆误差补偿算法。最后采用基于等效输入原理的动态特性测试方法, 在不同的摇摆频率下对光纤陀螺进行了摇摆误差测试和补偿试验。试验结果表明, 补偿后摇摆误差减小了一个数量级, 验证了理论模型的准确性和补偿算法的有效性。

结构谐振可能造成系统不稳定, 限制机载光电平台伺服系统的跟踪精度和动态响应速度。根据零极点配置原理, 采用名义控制量进行自抗扰控制器的设计, 利用该自抗扰控制器补偿光电平台伺服系统稳定环的结构谐振。仿真实验结果表明它较好地抑制了结构谐振对伺服系统的影响, 提高了光电平台稳定环的速度跟踪精度, 并且对结构谐振传递函数中参数较大范围的变化具有鲁棒性。

海面及天空区域的视频图像局部或全局极值点匮乏, 传统的二维经验模式分解 (BEMD)失效。本文分析了 BEMD的频率特性, 给出了高频辅助信号的构造方法, 将高频辅助信号加入原视频图像信号, 分解得到的内蕴模式分量(IMC)减去 IMC的辅助信号, 得到原信号的最接近辅助信号的频率分量。以此类推, 分解可得到原信号的不同频率分量。这种基于辅助信号的经验模式分解 (ASBEMD), 解决了局部或全局极值点匮乏的海上视频图像的分解问题, 并应用于海上降质图像的增强处理, 取得了与目前公认去雾效果较好的 HE算法一致的结果。

本文提出一种新的基于曲线拟合的拼接缝消除方法。首先对原拼接缝周围一定范围内的像素灰度值变化进行一次曲线拟合, 使得灰度值平滑变化; 然后对曲线拟合后的值分别加入相应的纹理信息, 以解决只进行曲线拟合造成的图像灰度变化特征损失的问题, 达到既实现灰度的平滑过渡又较好地保持原图像纹理特征的目的; 最后, 将改正后的图像与原图像加权融合并进行微调, 得到视觉效果良好的结果图像。此外, 本文提出了一种根据拼接缝两侧平均灰度差值自动确定改正宽度的方法, 改正范围与灰度差成正比。实验表明本文算法可行、有效, 与目前常用算法相比, 在消除灰度突变, 实现平滑过渡的同时能够更好地保留原图像的纹理特征, 吻合度更高且视觉效果较好, 尤其当灰度差值大于 10时, 本文提出的算法仍具有较高的适用性。

针对自然图像提出了一种基于最大方向梯度的模糊度评价方法。该方法首先对图像进行方向梯度运算, 并进行方向性掩蔽, 然后提取一组最大梯度值, 运用最大梯度值估计的模糊度均值即为全局模糊度评价值。通过算法一致性实验、交叉失真实验和灵敏度实验表明, 本文方法评价值与主观评价值一致性高, 性能稳定, 灵敏度好。

针对基于传统多尺度分析对图像分解得到的方向子带数量较少, 抑制噪声能力弱, 融合图像边缘连贯性不好的缺点, 本文提出一种基于 Surfacelet变换和复合激励模型的多聚焦图像融合方法。通过分别将两幅图像经 Surfacelet变换后得到若干不同频带子图像, 该方法根据低频子带和高频子带的特点, 建立复合激励模型, 即分别把改进的拉普拉斯能量和与空间频率作为复合型 PCNN的外部激励, 采用复合型 PCNN优选融合系数, 改善融合效果。获取的融合图像的灰度级分布更加分散, 图像纹理连贯, 细节突出。实验结果表明, 该算法克服传统多聚焦图像融合方法的缺陷, 客观评价指标显示本方法优于 Laplace、DWT和 PCA等传统图像融合方法。

为了提高超声弹性成像计算速度 , 提出使用 GPU硬件加速基于互相关技术和相位零估计的弹性成像技术。先描述这两种弹性成像技术的实现细节及特点 , 然后分析这两种技术的计算密集操作部分的并行化计算可能性 , 最后通过 GPU程序开发工具 ArrayFire实现了基于 GPU的互相关和相位零估计的超声弹性成像技术。通过模拟和扫描仿真人体组织的弹性成像体模获得的压缩前后数据帧对基于 GPU的超声弹性成像方法进行测试与验证。实验结果表明, 基于GPU的方法可以大幅提高弹性图计算速度 , 在处理单帧弹性图条件下 , 与基于互相关方法比较 , 加速比达到 42×, 而基于相位零估计的方法在提高数据吞吐量的情况下加速比可达到 65×。