基于光截图像测量技术的轮对在线检测中，面阵CCD 摄像机拍摄的轮对光截曲线畸变严重，摄像机标定方法和标定精度直接影响轮对检测精度。本文根据非线性畸变成像模型，提出了一种基于移动平面标定板的Tsai异面标定算法。根据径向约束条件和一阶径向畸变公式，利用最小二乘法和Levenberg-Marquardt 优化算法标定出摄像机内、外部参数。并根据现场安装位置要求和光截曲线关键点区域分布情况，设计了标定板及其三个安装位置，实现了图像特征点提取和摄像机参数的标定。实验结果表明，Tsai 异面标定算法标定精度在0.1 mm 以内，满足轮对在线检测对标定精度的要求。

针对长距离时外参数标定实际操作难度较大，本文将标定靶杆作为外参数标定的媒介，而后采用双目交会方法进行相关精度验证。通过分析标定靶杆上合作标志物的世界基准坐标系坐标误差对相机内外参数的影响，从而确定最终双目交会时对实测合作目标的世界基准坐标系的影响。实验结果表明，为了使得合作标志物的测量坐标在项目要求的10 mm 精度范围之内，标定杆上合作目标的大地测量X 轴坐标精度须在0.621 9 mm 以内，Y 轴上坐标精度为13.341 2 mm，Z 轴坐标误差为0.729 1 mm。

在对三通棱镜同时偏振测量系统进行详细误差分析的基础上，针对主要误差源，提出了相应的标定方法。采用曲线拟合的方法确定了三路通道中偏振片的实际偏振方向，角度标定误差小于0.5°；通过建立不同曝光时间和光圈下的灰度响应校正系数索引表，解决了三路通道灰度响应不一致性问题；运用Harris 角点提取算法，确定了三路通道中偏振图像的像素偏移量及其有效像素范围。标定实验结果表明，系统偏振度测量误差小于5%，偏振角测量误差小于3%。

为了进一步提高现有工业层叠薄型钢板计数方法的精准性和效率，研究基于面阵CCD 图像检测的薄型钢板计数方法。基于CLAHE(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization)原理、二维均值滤波及形态学膨胀腐蚀优化原理，提出了粗背景分离并修正阈值的自适应OTSU 分割算法。针对传统Hough 变换的参数空间峰值点漏检或误检等不足，提出了基于自相关特征分割的参数空间波峰提取算法。实验表明，本文测数方法对0.5 mm 以上规格的层叠钢板堆垛统计准确，实时性强，鲁棒性好。

本文研究开尔文探针力显微镜(KPFM)中多频率方法的实现。KPFM 中的多频率方法同时激发微悬臂探针的第一次和第二次的本征机械振动模式并分别用于样品形貌和表面电势成像。据此，本文设计了一种基于传统比例-积分控制器基本原理的模拟式反馈控制器，用以实现探针的调控。测试表明，该反馈控制器带宽可达约5 kHz，并利用该反馈控制器研制出了多频率KPFM，其电势测量灵敏度优于5 mV。利用该多频率KPFM，对注入电荷后的介电薄膜样品进行测试，一次成像即可得到样品的形貌图及局域电势的二维分布图。该多频率KPFM 技术可广泛应用于电子材料与器件的电特性表征。

基于光栅干涉原理的高精度微位移测量装置电压灵敏度高，微弱的抖动都会影响测量精度，这些抖动包括空气波动，地面震动，光源波动等，因而如何有效抑制外界抖动对微位移测量结果的影响显得至关重要。本文首先针对实验所用光源线偏振He-Ne 激光器的功率波动性进行实验和分析，得出光源的功率波动范围大于7%，超出1%的波动限制；然后采用两路信号采集的补偿措施，后经比例运算降低光源波动对输出电压的影响，实现抗光源扰动的目的。通过对实验数据的分析得出经过补偿光路和比例运算以后输出电压受光源波动的影响得到了有效抑制，最终输出电压的波动幅度较初始状态降低了60%，位移测量误差从1.95×10-7 m 降低到1.40×10-8 m。

建立了基于双色光干涉的滑块轴承油膜厚度测量系统，对时变工况下滑块轴承瞬态润滑油膜厚度进行测量。首先，介绍了系统的硬件配置及工作原理。接着，分析了双色光干涉的等效波长测量方法与分辨率。然后，给出了利用双色激光干涉图像中黑色特征条纹对等效波长进行干涉级次计数，并结合红绿光强调制的信息判断出对应的单色光的干涉级次，进而得到滑块轴承瞬态油膜厚度的方法。理论和测量结果表明：所搭建系统能够实现滑块轴承时变膜厚测量，测量分辨力为0.6 nm；油膜测量范围为10 nm ~ 5.5 μm，精度为22 nm。

光纤布拉格光栅(FBG)反射谱特性的变化是传感检测的关键，光学低相干反射(OLCR)技术是获得FBG 反射谱特性的重要方法。构建了一套基于Michelson 干涉光路结构的OLCR-FBG 检测系统，给出了系统工作原理和实现方式，研究中提出系统实现的关键是干涉微弱信号采集、均匀分布采样、离散数据处理过程。实验测试了非平衡探测结构和平衡探测结构的系统信号，普通电动平移台驱动和高精度气浮平移台驱动的系统信号。实验结果表明，平衡探测结构提高了微弱干涉信号信噪比；低振动噪声的气浮平移台能实现均匀分布采样，避免反射谱被淹没；通过数据处理，能从干涉信号快速解调出FBG 反射光谱，其Bragg 波长重复性达到4 pm。

针对采用传统频域数字散斑相关法测量面内微位移受到噪声的影响严重、测量精度低等问题，提出了一种新的频域数字高阶涡旋散斑相关法。首先，通过高阶涡旋散斑图生成实验，发现了高阶涡旋散斑图具有抗噪声干扰能力强、在相关器输出面上能得到面积小且亮度高的相关点，于是将待测物体的高阶涡旋散斑图作为测量对象；然后通过理论计算推导，应用减运算合成位移前后的高阶涡旋图，可以在相关器输出面上同时显示位移前后的两个相关点，突破了传统方法只能显示位移后一个相关点的现状，并且有效抵消了背景噪声；最后设计了一种新型的滤波器对合成图进行匹配滤波，可以生成峰值锐利的相关光斑图。实验结果验证了，该方法使得测量精度和抗噪声干扰能力得到极大提高，在不同噪声干扰下相对误差仍能保持小于2%。

由于光照的变化、形变、姿势的变化，传统的粒子滤波算法会发生跟踪漂移。影响了跟踪算法的准确性和稳定性。发生漂移的主要原因是目标函数不够平滑，从而使得更新的状态存在较大误差。本文提出了一种新型的层叠式粒子滤波算法，该方法在离散域提取基于核的直方图作为目标模型，通过改进传统的粒子滤波算法，实现对目标由粗到细的跟踪。在公开测试集上与当前主流的跟踪算法比较，结果表明本文提出的算法在跟踪精度上提高了20%，并取得了很好的实时性和鲁棒性。

针对目标实时精确分割是制约红外辐射特性测量系统实时处理的主要因素，提出基于脱靶量信息的目标实时精确分割方法。首先分析了测量目标的特点和常用图像分割算法，选用适合目标特点且分割效果好的一维最小误差法(OME)和二维最小误差法(TME)作为主要研究对象；然后在分析OME 和TME 算法实时性瓶颈的基础上，提出利用脱靶量信息进行灰阶降级和缩小处理区域，实现目标实时精确分割。仿真结果表明，该方法帧处理时间低于10 ms，满足红外辐射特性测量实时处理的要求。

针对密集星背景的地基大视场、高分辨率光电望远镜获取的图像，提出了一种改进差分的目标检测方法。该方法首先利用编码器信息和望远镜的硬件参数计算帧间差分的配准量并进行差分，差分时将上一帧图像进行膨胀，减少因大气扰动和配准量取整造成的配准误差，尽可能多的抑制背景星边缘，接着将差分后的图像进行分割、目标聚类和标记，从而得到候选目标，然后利用候选目标的位置信息初步去除残留的背景星边缘，最后再利用配准量信息去除双星。经过这一系列的预处理，该方法能高效的去除密集的背景星背景。实验结果表明，对于2 k×2k、背景星密集的图像，通过本算法处理后的候选目标基本控制在20 个以内。

为了能够准确的测量出单轴光电测量系统的视轴，根据主光轴上的点在线阵CCD 上的成像位置不随物距的变化而改变这一特性，提出了一种利用合作目标测量视轴的方法，并对其进行了理论推导。把合作目标固定在某一位置上，把单轴光电测量系统放置在可移动的水平平台上，移动单轴光电测量系统只改变单轴光电测量系统到合作目标之间的距离，不改变单轴光电测量系统的光轴与合作目标的高度差。最后利用某一实际光电测量系统和合作目标做了实验验证。实验结果表明，利用该测量方法的测量精度可以达到-0.84″。

本文针对交通标志的显著性检测提出了一种新的方法和思路。在Lab 和HSV 两种颜色空间下分别计算L、a、b 和H、S、V 颜色通道的显著图，并通过得到的显著图在高、中、低亮度范围的像素点的多少来筛选Lab 和HSV 中哪个颜色通道的显著图有效，最后融合得到最终显著图。实验证明该方法易于实现，能快速有效的检测出交通标志的显著性区域。

针对制导弹药激光目标模拟系统中对光斑尺度控制的需求进行研究。根据系统对光斑张角的变化范围、变化最大速率和控制精度的设计指标要求，对光斑尺度控制系统进行数学建模，给出了力矩电机与平台负载的传递函数，并利用ELMO 驱动控制器、直流力矩电机构成单向有限角位置伺服控制，内部实现电流反馈、速度反馈和位置反馈的闭环控制。系统测试实验结果表明，直流力矩电机闭环伺服带宽82.1 Hz，光斑张角从0.5 mrad 变化到5 mrad 的最大误差为112.1 μrad，小于设计要求的0.15 mrad；光斑张角从5 mrad 变化到90 mrad 的最大误差为326.1μrad，小于设计要求的0.5 mrad。光斑张角变化范围内，其误差均在设计误差范围内，从而验证了控制策略的可行性。