结合Mach-Zehnder干涉原理和多模干涉(MMI)耦合器的散射矩阵,从理论上推导出梯形干涉链可调谐光滤波器(LTOF)输出光场的表达式,采用优化算法搜索出不同级联级数下MMI耦合器的最佳分光比,并分析了衍射阶数和电极长度对LTOF调谐输出性能的制约关系.结果表明,对应最大峰值功率,存在随级联级数增加而增大的最佳分光比;增加级联级数会导致峰值功率和3 dB带宽减小,峰值隔离度增大;电极长度为原电极的1.4倍时,可实现LTOF连续双向宽调谐的功能.通过比较,验证了理论模型及分析方法的正确性.

采用相位掩模版法实验研究了高非线性掺锗光子晶体光纤中布拉格光栅的制作.实验中采用的光子晶体光纤的非线性系数约为12
W-1km-1,模场直径约为2.4 mm.
分析了布拉格光栅的反射率随着曝光脉冲数的变化,随着曝光脉冲数的增加其反射率逐渐达到饱和,继续增加曝光量发射率开始下降.实验验证了可以在高非线性光子晶体中写入布拉格光栅,得到光栅的反射率为44.4%,这对于研究光纤布拉格光栅的非线性效应和应用具有重要意义.讨论了影响布拉格光栅写入效率的因素.

研制了一种采用微硅片狭缝代替传统机械狭缝的微小型光纤光谱仪.采用MEMS(微机电系统)工艺制造出了体积小、厚度薄的一体式微硅片狭缝,并分析了微硅片狭缝的狭缝不平直度对微小型光纤光谱仪分辨率的影响,通过测试系统分辨率的实验,验证了采用微硅片狭缝的可行性.同时,对微小型光纤光谱仪的光谱带宽和像元分辨力进行了讨论,为波长的标定提供了一种理论依据.通过对采集的汞灯谱线的分析和MATLAB的精确计算,验证了所提出的通用波长-像元迭代公式的正确性,从而研制出了一种采用微硅片狭缝的半峰全宽为0.85 nm,波长标定精度小于0.2 nm,体积为50 mm×46 mm×14 mm的微小型光纤光谱仪.

使用振幅矢量叠加法,通过叠加X射线波带片每一对环带对焦点的贡献,计算和分析了随机环带位置误差、宽度误差、扩散和粗糙度对波带片的效率的影响.用Strehl 比来量化和衡量与理想波带片有偏差的波带片的性能,对两个波带片实例分别用Strehl 极限确定了能容许的4种误差的最大值.计算了Ni软X射线波带片的随机环带位置误差及宽度误差对主焦点效率的影响;计算了SiO2/Ni硬X射线溅射切片波带片的两种材料的相互扩散和粗糙度对衍射效率的影响.结果表明:4种误差越大,主焦点效率越小,对Ni软X射线波带片,随机环带位置误差均方根和宽度误差均方根小于最外环宽度的20%左右时,对SiO2/Ni硬X射线溅射切片波带片,扩散区宽度和粗糙度均方根分别小于最外环宽度的90%和60%左右时,得到的Strehl 比在Strehl 极限之上.

研究了在发散光束中使用色散元件的小型Offner光谱成像系统,分析了Offner凸光栅光谱成像系统和Offner曲面棱镜光谱成像系统的优缺点,与传统准直光束中使用光栅或棱镜的方法相比,Offner光谱成像系统具有体积小、质量轻、无谱线弯曲、色畸变小的特点.给出了两种系统的设计结果,并研究了滤除二级和高级次光谱的方法,给出了与Offner光谱成像系统匹配的不同形式的像方远心前置光学系统,可满足微小卫星超光谱成像仪的要求.

应用基于激光多普勒技术的微小形变分析方法,并引入数字锁相技术,成功实现了PZT(Pb(Zr,Ti)O3)铁电薄膜的压电性能测试.对商用压电陶瓷在小信号激励下的压电性能测试表明,数字锁相技术的引入能有效抑制系统噪声,并提高激光多普勒系统的位移检测分辨率,使其达到皮米量级.此外,研究了用溶胶-凝胶技术和溶胶-电雾化技术制备得到的PZT薄膜的电压-位移曲线和压电位移"蝴蝶线",实验结果表明:在5 V直流偏置下测得两种方法制备得到的PZT薄膜的d33压电系数分别为218.7 pC/N和215.8 pC/N,相应的标准偏差分别为12.7和28.6.

设计并实现了一种平面反射双光程结构的阴影系统,该系统在减小了尺寸的同时还提高了观测的灵敏度;采用直接成像的方法,降低了系统噪声,提高了自动化程度.结果表明:该系统可以清楚地显示小到1.0×10-6 g/cm4的密度梯度变化,可在海洋内波动力学研究中,对实验室中模拟内波的形态结构进行观测,满足试验场地受限的情况下大尺寸内波密度场的观测需要.

提出一种新的激光CCD二维自准直仪中圆目标中心精确定位算法.该算法采用变结构元多尺度广义数学形态学滤波算法滤除图像噪声,由Zernike矩定位算法得出目标轮廓的亚像素位置,用最小二乘拟合法精确获取圆目标的中心位置,并进行了实验.结果表明:该算法稳定性好,定位精度高,应用该算法后自准直仪的测量分辨力提高了10倍,在±2′测量范围内测量不确定度优于0.3″,有效地提高了自准直仪的测量分辨力和测量精度.

采用MEMS皮肤技术,在聚酰亚胺柔性衬底上成功研制出8×8阵列铂薄膜热敏电阻温度传感器.实验采用热氧化硅片为机械载体,以便于旋涂液态聚酰亚胺柔性衬底上器件的加工.最后用湿法腐蚀方法将柔性器件从载体上释放下来.试验表明聚酰亚胺衬底上的铂薄膜热敏电阻与温度的变化具有良好的线性,其电阻温度系数达0.0023/℃.与固态聚酰亚胺膜衬底相比,采用旋涂液态聚酰亚胺解决了制备中遇到的两大主要困难:其一,消除了涂聚酰亚胺衬底与载体界面之间的气泡,聚酰亚胺衬底表面能保持良好平整度;其二,制备过程中由于热循环而使柔性衬底产生的热膨胀明显减小.这种柔性温度传感器阵列易贴于高曲率物体表面以探测小面积温度场分布.

在速度滞后补偿的基础上,提出了一种加速度滞后补偿提高光电跟踪系统跟踪快速运动目标精度的方法,并将其应用于提高电视跟踪稳态精度中.结合电视跟踪器补偿技术,在保证最大跟踪误差不大于3′的条件下,将目前光电经纬仪电视跟踪系统跟踪最大角速度30°/s和最大角加速度12°/s2能力,提高到跟踪最大角速度50°/s、最大角加速度30°/s2.仿真和实验结果表明,该方法简单实用,可以在速度滞后补偿提高跟踪精度的基础上,大大提高系统跟踪快速运动目标跟踪精度的能力.在实际工程应用中,所述方法取得显著效果.

针对弹落点坐标测量系统的使用环境及精度要求,提出了一种仅对焦距及光轴水平偏角进行现场校准的相机参数快速获取方法.通过分析坐标解算模型,得出线性的校准方程,利用测量区域内两个坐标已知点(靶标),多个视觉传感器可一次完成校准.通过精度分析给出了该方法下最优的靶标摆放位置.该方法具有校准速度快,精度较高,实用和算法性能分析容易等优点,适用于远距离、大范围视觉坐标测量中相机参数的获取,尤其是野外坐标测量.实际应用中, 在1 200 m外对直径400 m靶区进行监测时,该方法可保证区内各点的坐标测量误差均小于0.3 m.

研究了采用弹性双平行四边形结构的空间傅里叶变换红外光谱仪用全柔性机构,即运动角镜扫描机构(Moving Cube-Corner)的设计.采用双平行四边形结构,使其运动自由度降为一维,并保证运动直线误差为±3 μm.所采用的弹性结构不仅可以用于控制单自由度微位移机构,而且还可以控制微转角机构.结果表明:该机构特别适合空间仪器和机构所要求的无润滑、无磨损、长寿命的需要.

设计了一套粗糙表面精度测量系统,采用线边缘激光三角法实现了亚像素级测量,在图像算法上采用改进的阈值法进行边缘检测,用形态滤波法对被测物表面图像进行处理.研究结果表明,该系统能较好地提高测量精度,并得出较满意的图像边缘,可达到5 m的测量精度要求,且具有一定的通用性,实现了对具有粗糙表面的电池极片涂敷层的厚度及均匀性的测量.

介绍了基于偏摆误差补偿的高速高精度机器人系统组成及偏摆误差补偿原理,利用有限元分析软件ANSYS,设计了双层平行板弹性铰链结构、压电陶瓷(PZT)直接驱动的微位移工作台.采用模糊PI控制算法对微动工作台进行闭环控制,既利用模糊控制灵活、适应性强的优点,又利用PI控制精度高的优点.实验结果验证了模糊PI控制算法的有效性,采用微动工作台补偿偏摆误差,机器人的运动性能得到较大提高.

针对常见的微小型机器人群体定位中单纯依赖外部彩色视觉图像信息以及定位精度较差的问题,提出了一种基于概率方法的多微型机器人分布式定位方法.该方法利用部分可观Markov过程,将外部视觉信息和机器人个体的驱动信息融合,从而提高了定位精度.方法基于分布式形式出现,并且仅需要外部视觉传感器提供灰度图像,从而提高了多机器人系统的可扩展性.

针对检测及定位紫外电晕的问题,介绍了利用TMS320DM642高速DSP芯片设计的一种紫外电晕探测系统.该系统采用可见光和紫外光两台相机在同一视场采集图像,在LCD上实时显示两路信号经处理后的叠加图像,便于在观测电晕的同时确定电晕产生的部位.用户可将感兴趣的画面截获后压缩成JPEG图像存储到系统内部的FLASH中,并可以在LCD上浏览这些画面或通过USB接口将它们下载到PC机中.设计了一种用于存放截图的JPEG图像文件系统,给出了文件系统的原理框架,讨论了利用RF5参考框架实现JPEG编解码算法的方法,详细设计和实现了文件系统的存储空间组织、目录区结构和初始化、读写等基本操作.经测试,对分辨率为720×576的图像进行JPEG编、解码的平均时间分别为10.5 ms和9.6 ms;耗时较多的截图保存操作所需时间约为4～6 s;文件系统可以存放约70个图像.

基于激光共聚焦检测原理,构建了针对荧光标记生物芯片的检测系统,对用Cy3或Cy5标记蛋白点样的玻片进行了扫描检测,并对采集的荧光数据信号进行了图像重建.针对实际荧光信号可能较微弱并存在较大动态范围的情况,采用形态学方法对图像进行滤波、增强处理,显著增强了图像质量.提出了标定系统信噪比和灵敏度的公式,并据此对检测实验结果进行了详细的分析计算,最终标定此激光共聚焦生物芯片检测系统的灵敏度约为0.1 fluo/μm2.

分析了航空成像系统运动模糊产生的机理,通过建立运动模糊数学模型,进行了消除运动模糊仿真实验.研究表明,由于成像系统与地面目标景物的相对运动,在目标图像上产生运动模糊,图像复原技术可以消除图像模糊.在图像复原技术中,点扩散函数(PSF)是影响图像恢复结果的关键因素,文中给出了估计点扩散函数的一般方法.虽然维纳滤波可以解决在逆滤波中H(u,v)零点噪声放大问题,但是在图像边缘附近误差较大.采用带最优窗的维纳滤波方法可有效抑制噪声和减小边缘误差.对实验平台获取的运动模糊图像进行实验,结果表明在图像边缘像素灰度平滑条件下,可以收到近乎完美的恢复效果.

以全息光盘的重复安装复位误差为主要研究对象,根据体全息存储理论和光线分析法讨论了球面参考波对全息光盘的定位精度要求,对其复位误差进行分析并提出了一种误差补偿方法.根据一种自行设计的全息光盘定位装置,对参考光进行反馈和补偿,即采用在参考光会聚透镜后面增加一个可以精确受控调整倾角的平行平板玻璃,把定位装置的误差补偿到光盘全息存储要求的精度1～2 μm,并且实验验证了方案的可行性.

提出了在室外环境下从胸环靶图像中实时提取弹孔的算法.采用灰度投影法从靶位图中提取胸环靶有效区域,利用数学形态学突出弹孔特征,排除数字的干扰,并克服弹孔间的部分重叠,最后利用模糊理论准确地识别出弹孔.识别弹孔时利用直方图得到阈值,从而去除不可能为弹孔的点以减少计算.提出判断周围像素分布的方法解决区域内脱靶问题.结果表明,本算法可准确地提取胸环靶图像中的弹孔,对不同环境有着较高的适应能力.对于大小为640×480的图像,计算时间仅约150 ms,并且可以识别部分重叠的弹孔.

为了满足小幅面,高分辨率X射线敏感图像传感器的需求,研制了两种采用ICCD的X射线敏感图像传感器,一种由带光纤面板窗口的CCD、Ⅰ代像增强器、以薄云母为衬底的X射线转换屏构成,工作面积为6.4 mm×4.8 mm;另一种由带光纤锥窗口的CCD、Ⅱ代像增强器、以光纤面板为衬底的X射线转换屏构成,有效工作面积为12.8 mm×9.6 mm.测试结果表明两种传感器的空间分辨率大于5 lp/mm,对线缆的实验结果表明,该图像传感器可以清晰地确定线缆的塑料包层厚度和均匀性.

提出了L-曲率流滤波器的图像降噪(滤波)算法,该方法按图像信噪比大小分高、中、低3类,分别由L滤波器降噪、多级L滤波器降噪以及多次迭代的组合滤波器降噪,并进行了实验研究.结果表明:该算法与均值和中值滤波器相比,输入图像信噪比越低,滤波效果越明显.当输入图像为低信噪比时,对于受高斯噪声污染的图像,该算法滤波比均值滤波平均提高2.98 dB;对于受脉冲噪声污染的图像,该算法滤波比中值滤波平均提高11.09 dB,说明该算法对降低不同种类和不同信噪比的图像噪声有较强的适应性.