为了准确测量远距离炸点平均高度, 采用了双线扫描 CCD成像的方法并建立了测量系统理论模型。首先采用了望远式成像光学系统对远距离炸点进行成像, 采用柱面镜进行成像变换; 采用 Zemax软件对成像光路进行了模拟, 模拟点列图结果表明了系统在物距为 20 m时, 能够在 5 m范围内有效测量炸点光的平均高度。最后, 采用曲线拟合的方法求出光斑中心位置并对测量系统进行了线性标定。经实验验证本测量系统可以在物距为 20 m处测量炸点的平均高度最高约为 3 m, 测量精度可以达到 1.95%。所设计的炸点平均高度测量系统满足了远距离、大范围的测量要求, 系统运行稳定、可靠, 采用双线阵 CCD的测量方法有效的消除了物距不能确定的影响。

直接用稀疏的光束法平差(SBA)优化张正友单相机标定算法结果会得到多组不同的相机内部参数和畸变参数(统称相机参数 )。本文在 SBA数学模型的基础之上增加了相机参数相等的约束, 建立了一种受约束的稀疏光束法平差(CSBA)模型, 提出了一种新的矩阵分块策略, 提高了稀疏线性方程组的求解效率。运用模拟实验, 验证了 CSBA算法在图像特征点像素坐标不具备零均值高斯误差时也能得到唯一的优化相机参数。最后将所提 CSBA算法应用于双目立体视觉系统, 实测实验结果表明, 所提算法能够同时优化立体视觉中的相机内外部参数并提高三维重建结果的精度。

室内空间测量定位系统 (wMPS)是一种采用光平面交会的分布式大尺寸室内空间坐标测量系统, 在众多影响其测量定位精度的因素中, 发射站的网络布局直接影响着系统测量精度和使用效能。为优化系统的网络布局, 本文从该系统的测量方程入手, 提出了测量矩阵的条件数是衡量多平面交会优劣的量化指标, 并建立数学模型, 以此为优化目标, 采用遗传算法作为优化工具, 实现了指定测量空间下最优网络布局。最后设计了实验进行验证, 实验结果表明该方法能有效提高测量精度。

针对目前工程测量领域六自由度测量存在精度低、实时性和便携性差等问题, 设计了一种激光标靶, 结合全站仪能够实现空间六自由度测量。在嵌入式平台上, 研究了一种以重心法为核心的光斑中心提取算法, 该算法重复性精度高、鲁棒性好。通过对相机的非模型化参数标定, 提出了一种姿态解算算法。实验数据表明, 激光标靶在全站仪坐标测量精度基础上, 滚转角和俯仰角测量精度可达 0.005°, 方位角测量精度可达 0.006 2°, 满足多种工程测量需求。

针对基于相位调制的结构光用于深度获取时, 投影系统、图像采集系统光瞳中心不等高而引入测量误差, 提出一种测量系统校准方法。该方法以 N帧正交光栅像与一立方体物体为辅助, 根据光场中立方体边缘的阴影位置及其表面光栅栅线变形情况实现系统的粗校准; 通过计算立方体深度在光场水平方向引起的相位变化量, 指导系统的精校准。该方法可为基于结构光的深度获取装置校准提供理论指导, 为非经验装调工作者提供技术支持, 实验数据论证了该方法的有效性。

航天产品对姿态参数提出高精度测量需求, 立方镜 -经纬仪准直测量法为其中应用最为广泛的方法。本文在对经纬仪自准直原理研究的基础上, 针对产品姿态调整传统测量方法需多次架站、效率低的问题, 提出事先计算调整理论值, 将计算所得的理论值设置为观测参数, 通过垫片对产品进行姿态调整, 在一次架站的情况下, 实现对产品姿态调整; 同时, 对该方法的适应范围进行讨论。经分析, 该方法可实现对产品调整状态的实时测量, 提高测量效率, 减少操作强度, 在实际应用中取得了良好效果。

在高温环境下, 由于不匹配性而产生的热应力是影响薄膜结构及性能稳定性的重要因素。本文使用有限元的方法, 从热应力的角度研究分析了高温环境下导致薄膜损伤的内在机理及相关可能的改善方法。仿真结果表明, 在高温环境下, 基板与薄膜匹配性对系统热应力的大小及结构的稳定性有非常大的影响; 相比白宝石 //TiO2系统, Si//TiO2薄膜存在较高的应力水平及边缘应力集中与突变现象; 采用 TiO2+SiO2复合过渡层的方法对于降低和调控薄膜-基底应力梯度的变化有很好的作用。

在基于微波电光调制的布里渊光时域反射分布式温度传感系统中, 使用微波扫频会造成电光调制器输出的参考光功率波动, 根据相干检测的原理, 参考光功率的波动会影响到测得的后向布里渊散射信号的功率, 将直接影响布里渊散射谱的测量精度, 导致较大的温度测量误差。因此, 提出一种根据电光调制器输出光功率反馈调节微波源功率, 以稳定布里渊光时域反射系统参考光功率的方法。实验结果表明, 该方法可以有效抑制电光调制器输出的一阶边波带峰值功率的波动, 使系统的温度测量精度从 6℃提高到了 2℃。

根据光纤光学传输理论建立了偏芯光纤的理论计算模型, 通过菲涅耳公式推导出偏芯光纤倏逝波的表达式, 进而求出了倏逝波的穿透深度。运用 RSoft软件中的 BeamPROP模块对偏芯光纤进行光学结构建模, 仿真出偏芯光纤中的模场分布、倏逝波场以及基模有效折射率随纤芯偏移距离的变化趋势。仿真结果表明: 偏芯光纤的包层倏逝波散射随着纤芯与外界介质距离 δ增大而显著减小; 同时基模有效折射率随纤芯与外界介质距离 δ的增大而显著增大, 当 δ达到 8 μm时, 有效折射率趋于稳定。

为解决长周期光纤光栅 (LPG)折射率测量时的温度交叉敏感问题, 利用布喇格光纤光栅 (FBG)对环境折射率不敏感的特点, 将其与长周期光纤光栅 (LPG)级联, 构成具有温度补偿的折射率传感方案。实验结果表明: 随着温度的变化级联光栅的两个透射谐振波长都有线性变化, 而改变溶液折射率时只有一个透射谐振波长改变。因此, 可以利用级联光栅对折射率和温度双参量进行同时测量, 补偿因温度变化产生的测量误差。

在相位敏感光时域反射计 (φ-OTDR)识别入侵事件中, 时间域单点振动判断和空间域相邻点振动判断算法是以一段时间和相邻区域内的数据变化幅度为依据, 来检测由入侵者产生的光强差异, 定位入侵位置。本文在这种算法的基础上, 重点研究了三个方面的内容: 即研究自适应均值去阈值的方法、分析了该算法可以识别的振动事件的频率响应范围、设计算法对振动事件所包含的频率信息分类, 并通过 25组不同频率的振动实验验证算法和分析。实验证实研究出的阈值处理方法适应性非常好, 频率响应范围与理论分析一致, 且设计的频率分类算法能够实现对振动事件所包含的频率信息正确分类, 为 φ-OTDR的实际工程应用提供参考。

为了测量被测物面的微观特征量及这些特征量间的关系, 提出基于数字微镜器件 (DMD)的跨尺度测量方法, 研究针对 DMD的控制方法及基于 DMD的测量策略, 在不对测量系统硬件做任何修改的前提下, 仅通过软件编程实现对 DMD结构光参数的改变, 理论上可实现从 0.1 μm到 1 mm的跨尺度测量。搭建了基于 DMD的跨尺度测量平台, 实验结果表明, 轴向测量精度与横向分辨力均可达到微米级, 可实现对表面微观结构的快速扫描。该方法可以较好地解决目前诸多表面形貌测量中存在的多尺度问题。

针对液滴分析仪光纤、电容传感器多次测量重复性不高, 影响液滴分析测量精度的关键问题, 重新设计了传感器结构, 在电容环形极板外部增加屏蔽结构。采用数字电容信号测量法代替原有激励模拟测量方法, 电容传感器测量极小值标准差为 0.001 7 pF, 极大值标准差为 0.002 4 pF。改进光纤信号测量电路, 利用无限增益低通滤波器避免由于放大倍率过高引起的自激震荡, 光纤传感器测量峰值标准差为 0.019 9 V, 提高了液滴分析仪测量精度。

针对室内可见光定位采用的三边定位算法普适性不高、定位区域较小的问题, 提出了一种四 LED加权定位算法。该算法结合室内照明 LED布局实际情况, 从可见光传输距离短定位精度高的特点出发, 将传输距离信息作为加权因子引入定位算法中, 提高了定位精度及扩大了定位区域。仿真实验结果表明: 提出的定位算法在 5 m×5 m×3 m的空间区域中可以获得约为 18 cm的平均定位误差性能, 有效地提高了室内定位精度和系统应用的普适性及鲁棒性。

透镜面形精度是影响透射式光学系统性能的主要因素之一, 支撑结构、自重和热载荷是引起透镜面形发生变化的三个主要原因。为了实现大口径透镜 (Φ>200 mm)的高面形精度, 本文设计了一种新的基于多点柔性支撑的透镜支撑结构, 通过有限元分析, 给出该柔性支撑结构下自重和热载荷对透镜面形的影响。分析结果表明: 重力作用下透镜上、下表面面形 RMS值分别为 6.78 nm和 3.46 nm; 热载荷作用下透镜上、下表面面形 RMS值分别为 8.30 nm和 5.57 nm。由此得出, 本文设计的多点柔性支撑结构可以有效减少自重和热载荷对大口径镜面面形的影响, 满足透射式光学系统对透镜面形的精度要求 (RMS<λ/50, λ=632.8 nm)。