提出了由一个3×3单模光纤耦合器和一个2×2单模光纤耦合器级联组成的波长交错滤波器,给出了其基本结构形式.将3×3耦合器中的两边两个输出端口连接在一起,中间端口为反射回路,形成一个3阶级联反射式Mach-Zehnder干涉仪,利用傅里叶级数展开的方法对其输出特性进行了分析.分析结果表明:组成滤波器的两个耦合器分光比和干涉臂的臂长差取一些定值时,可得到输出波形通带平坦的波长交错滤波器,其输出稳定性和隔离度均得到了提高.与通常的3阶级联Mach-Zehnder干涉仪相比,耦合器数目减少,在实际制作时可以对耦合器的分光比和干涉臂臂长差进行准确监测和控制.

采用F-P腔结构研究了包层泵浦掺Yb3+微结构光纤激光器的输出特性.在以二向色镜作为腔镜的实验中,获得了斜率效率57%,波长1 074.5 nm,输出功率为2.65 W的稳定激光输出;在由二向色镜和光纤端面构成F-P腔的实验中,获得了斜率效率87%,最大输出功率为11.69 W的激光输出.

在分析拉曼光纤放大器(RFA)原理的基础上,采用遗传算法对5波长后向泵浦拉曼光纤放大器的波长和功率进行了优化设计.实验采用位于5个波长处的7个泵浦激光器和100.8 km的色散位移光纤,实现了带宽为90 nm、开关增益为15.55 dB、增益平坦度为0.87 dB的拉曼放大,其平均有效噪声系数为-3.5 dB,与理论分析结果一致.

分析了一种具有两个自由度的双驱动行星式光纤连接器端面研磨装置的运动原理,并求解出光纤连接器在研磨时相对于研磨盘(研磨砂纸)的运动轨迹.通过引入定义"速比",建立了研磨装置两个独立主动件之间的转速关系.针对光纤连接器研磨中存在的问题,从速比入手,以运动轨迹曲线、研磨运动路程偏差、切削速度、速度周期变换系数为纽带,将研磨运动、研磨工艺以及研磨质量联系起来,得出了一组优化的光纤连接器研磨装置的运动参数.当系杆的转速设定为132 r/min时,根据粗、精研磨不同的工艺要求,其内齿轮的转速应在31～54 r/min调整.此时,速度周期变换系数小于2.2;运动路程偏差小于0.5%;研磨运动轨迹密集而不重复.实验证明了分析结果的正确.

用光线追迹的方法,理论推导了透镜导管各参数优化的一般公式,给出了优化参数;在此基础上,模拟了导管内光线的传输,统计了透镜导管出射光束的强度分布,讨论了各参数对耦合效果的影响.依据理论优化的结果,设计加工了透镜导管并进行了耦合实验,测量了输出光束的强度分布,给出了光斑图像.实验测得耦合效率高于91%,输出光束强度分布平滑均匀,光斑质量良好,与理论模拟吻合并优于以往的研究结果.

分析了子镜运动和电容传感器极板运动之间的理论关系并探讨了电容位移传感器读数的"结构性"误差的处理方法.基于电容位移传感器的工作原理,对极板为圆形的电容位移传感器提出了采用以位移的测量值和子镜转角为自变量的多项式拟合的校正方法.计算表明该误差处理和校正方法是简洁可行的.对于转角的拟合只需2阶,同时位移测量值只需4阶的多项式进行拟合即可使输出位移达到3 nm的精度.进一步分析表明,直接使用位移传感器读数计算极板转角,并对误差的主动校正控制非常有利于该多项式拟合,可一次性达到优于5 nm的校正误差,完全满足拼接镜面主动光学工程应用的技术要求.

碳化硅由于其优异的机械性能和热物理性能而成为颇具吸引力的反射镜材料.采用反应烧结碳化硅(RB-SiC)材料制备了空间用反射镜体,用化学气相沉积(CVD)工艺在镜体镜面沉积一层致密的碳化硅薄膜,反射镜采用蜂窝状背面开放式轻量化结构.对直径为250 mm反射镜的组织、性能做了一系列研究测试.结果表明:反射镜体为Si/SiC两相组织,薄膜为单相SiC,反射镜的机械、热性能优异,薄膜与基体结合强度为345.5 MPa,研磨后镜面表面粗糙度达到1.487 nm rms.采用本文工艺方法有能力制备米级直径的空间用碳化硅反射镜.

基于内部照明积分球的辐亮度定标方法,获得了接近理想的大面积辐亮度光源(～2%),标定了在研的空间紫外遥感光谱辐射计的亮度响应度.在假设标准灯为均匀亮度的点光源情况下,对照明因子进行了修正.同时利用两种漫反射板对此修正进行了实验研究,得到了采用两种漫反射板标定的光谱辐射计亮度响应度有很好的一致性(1%)的结论.初步的定标数据分析显示,石英卤钨灯光谱辐照度测量的相对不确定度和距离测量的不确定度是积分球定标最主要的不确定度来源,可用于紫外波段光谱辐射计的高精度辐射定标,并可以极大地降低定标不确定度.

通过建立傅里叶变换光谱仪中动镜、定镜和干涉面的坐标对应关系,对动镜存在多个方向倾斜时的干涉光路进行了详细的分析.建立了非准直状态下干涉面光强分布的二维数学模型,确立了干涉图函数的数学表达式,从调制度、相位误差和频率噪声的角度,对动镜倾斜造成的影响进行了系统分析.在动镜的运动中,左右方向的倾斜和俯仰方向的倾斜对系统的影响彼此具有独立性,又具有叠加性;干涉图中初相位因子随光程差改变缓慢变化或快速变化,对相位误差的影响也不全相同.在倾斜误差分析的基础上,对动镜的最大倾斜角度和减少误差的方法进行讨论,并提出了两种动态准直校正的思路.

提出了一种制作曲面变间距光栅的方法.首先在平面基片上制作光栅,然后通过一种高分子材料(PDMS)作为载体将光栅转移到曲面上,而事先涂在曲面上的混合溶胶-凝胶取代了传统的光刻胶,使得光栅的制作效率大大提高.采用这种方法在曲率半径为100 mm的凹球面基底上制作了平均线密度为80 l/mm的光栅,并用环境扫描电镜以及数字图像处理法检测了光栅的线密度分布.检测结果表明:光栅质量好,条纹清楚,衍射效率也没有降低.所制曲面光栅具有平面光栅和透镜两种光学器件的功能,可用曲面变间距光栅一种光学元件取代透镜和平面光栅两种光学元件,简化了光路,提高了制作效率,降低了成本.

研究了一种测量、分离补偿法检测补偿器非圆对称误差的技术,这种技术基于波面误差可用泽尼克圆多项式来表述.通过使补偿器或被测非球面绕系统光轴旋转到多个不同的角度,得到多个测量结果,根据这些测量结果,计算得到由补偿器误差带来的波面误差的非圆对称项泽尼克圆多项式系数,接着根据这些非圆对称项泽尼克圆多项式系数制作一个校正文件对非球面的测量结果进行校正,利用该技术可有效减轻对补偿器材料、加工及装校的苛刻要求,提高测量精度.实验结果表明:对某一被测非球面不用该技术时测量结果为0.105 λ(RMS),应用此技术后的测量结果为0.026λ(RMS),且被测面在几个任意不同角度时的测量结果相差只有0.001 λ(RMS),效果很好.该技术已被应用到实际的双曲面凸面反射镜的测量中.

环形子孔径拼接技术是一种无需辅助元件就能检测旋转对称大口径非球面镜的有效手段.根据该技术的检测原理,从几何光学的角度建立了子孔径规划模型,给出了模型数值求解的具体方法.以一口径为700 mm、中心遮拦为160mm、顶点曲率半径为3000 mm的抛物面镜为例进行了数值计算,且从物理光学的角度对数值计算结果进行了进一步分析和解释,并进行了初步的实验研究.结果表明,该模型具有较好的预测效果,可为实际检测方案设计提供理论依据,使得检测过程可控、量化和可重复.

介绍了液晶空间光调制器的纯相位调制原理,采用泰曼-格林干涉系统对液晶纯相位特性进测试.测量了BNS(Boulder Nonlinear Systems)公司的专利产品-256256像素纯相位空间光调制器的相位与电压(灰度)的响应曲线.给出了对任意图形进行相位恢复的优化算法流程,利用纯相位调制方法对光束进行方向和强度的快速程序控制.设计了实验装置,实际产生了二维任意衍射图形,图形产生时间小于200 ms.本研究对空间目标进行扫描跟踪,具有精确、响应快、无机械惰性等特点,在激光寻的、制导以及多目标威胁预警和反击中有着重要的研究价值.

实验研究了液体喷射抛光技术的材料去除量分布特征,并利用有限元分析方法,分析了抛光头(液体柱)与工件表面相互作用时流场的分布特点.实验结果及计算机模拟的结果表明,材料去除量与射流碰撞工件后流体沿工件表面的速度有关,即材料去除量的分布与抛光液在工件表面速度场的分布有关,速度分布最大的边缘部分,材料去除量最大;相互作用区外,速度逐渐减小,材料去除量也随之渐少.该现象说明,抛光液中磨料粒子的径向流动对工件产生的径向剪切应力是材料去除的关键.

理论上给出了光栅在子午面内弯曲为任意面形后,光栅线密度的变化关系,并采用有限元分析软件ABAQUS/Standard进行了模拟分析.理论与模拟分析的结论说明,压弯后光栅线密度是由光栅本身参数及压弯面形严格决定的.在此基础上设计一个简单的单色器,并在数值上给出了压弯后光栅线密度变化对单色器件性能的影响.由于光栅面形及其线密度的变化,不仅对光栅成像的聚焦特性有所改善,对彗差等高阶次像差的影响也是不可忽略的.

提出了一种基于区域分割的指纹奇异性检测以及中心点计算算法.该算法在对指纹奇异性分析的基础上,采用Gabor滤波、方差分析、图形二值化等分析手段,将指纹图样按不同的指纹脊线方向进行区域分割,根据合成图样每个元素邻域的灰阶变化次数以及相应的灰阶信息来检测指纹的奇异区.最后通过计算各奇异区质心的方法,实现指纹奇异点的定位,并进一步讨论了通过指纹奇异点计算指纹中心点的方法.实验结果表明,本算法可以有效实现不同类型指纹奇异性的检测及中心点的准确定位,算法简单,具有较好的鲁棒性.

提出基于模式搜索法的光纤有源自动对准算法,实现了多自由度同时寻优,解决了不同自由度之间的交叉耦合问题,提高了对准速度和对准精度.通过仿真与实验研究,与传统的爬山法进行对比.仿真结果表明,激光二极管与单模光纤五自由度对准时,模式搜索法只需20次迭代就可以找到最大点,收敛速度是爬山法的9倍.实验结果证明,横向调整两个自由度对准时,模式搜索法搜索速度比爬山法平均快10 s,定位成功率达到90%.

为了提高IC芯片视觉检测中图像拼接的速度和精度,提出一种基于精密光栅运动系统的快速精确图像拼接技术.提出自标定技术解决了传统标定受标准件加工尺寸精度和光强影响的问题,提高了标定的准确度并降低了成本.在准确标定基础上,建立了基于光栅精确定位的拼接模型.实验表明,该方法拼接精度高,拼接平均误差在0.4μm以内,2 σ为0.872 μm,达到亚像素级精度,而且拼接速度快,两幅图像拼接时间约为10 ms.

给出了一种基于并行结构的Gabor小波神经网络算法.根据多CPU系统的并行结构和神经网络本身并行性的特点,设计了用于图象目标识别的Gabor小波神经网络算法,算法的输入层包括Gabor小波尺度、平移和频率调制参数的运算;隐层是在并行CPU中实现神经网络算法及优化;输出层是Gabor小波神经网络的分类结果.对4类飞机图像目标进行了仿真实验,识别率达到98%以上,识别时间为40 ms.

纬线与纬线相交可形成球面等距网栅,而采用"同心扫描"的运动方式可在凹球面上生成纬线."同心扫描"要求直写物镜光轴、直写物镜水平转轴、工件回转轴和工件分度轴四轴交于工件凹面球心.采用两两相交误差几何分析的方法,得到了同心误差与离焦量和栅距误差的变化关系:随着同心误差增加,系统离焦量和栅距误差也增加,且二者的变化趋势基本一致.因为网栅线宽一般要求达到微米量级,与之匹配的栅距则往往为几百微米,所以栅距误差与栅距相比可以忽略,系统离焦量对网栅线宽的影响却必须认真考虑.采用几何光学基本公式对物镜系统的进一步分析表明,为了制作细且均匀的网栅线条,必须采用小光斑,而小光斑对应的焦深也小,从而要求离焦量小,对同心误差要求严格;反之,则可放宽对同心误差的要求.

提出了将粒子群优化算法用于圆柱度误差评定的设想.对算法的基本原理和实现步骤做了具体阐述,给出了圆柱度误差评定的基本问题,及其优化目标函数及算法的适应度函数和编码方式,对算法进行了可行性和准确性验算.计算结果表明,该方法对于圆柱度误差评定这类具有复杂目标函数和较多参数的非线性优化问题有很好的计算性能,优于最小二乘法;与遗传算法和其它满足最小区域条件计算方法相比,计算精度略优于前者或者与前者相当,能够获得精度较高的结果,而突出优点是简单,易于实现而且计算效率较高.

提出了一种数字影像输出设备色域边界的插值计算方法,并对其精度进行了实验分析.基于CIELAB色空间中色域的连通性和三角形插值技术,该方法直接在CIELAB L*a*b*坐标中进行插值计算,得到有规律变化的色域边界点.对3个不同类型的输出设备进行了精度分析,采用386个采样点确定色域边界,296个检验点的色度值与实际输出色度值CIELAB色差△Eab的平均值/最大值分别为2.31/6.93、2.03/6.70和0.40/2.11,接近于各自设备机械稳定性引起的色差.此外,将色域表面映射为色域球,在色域球上进行插值三角形的预查找,使得插值三角形的确定时间由2.5 min缩短到10 s,降低了15倍.

提出了一种基于离散余弦变换(DCT)以及一种结合小波变换与DCT变换的图像融合新方法.前者将源图像进行分块DCT变换,依据DCT系数的高频能量,对源图像的对应区域进行融合.后者利用DCT系数的高频能量对小波分解后得到的低频子图进行融合,同时以此为依据对小波最高分解层的小波高频系数进行选择,其他分解层的小波高频系数依据最大局部方差准则进行融合.依照平均误差、峰值信噪比以及均方根误差等客观评价标准,将新方法与其他常用的基于小波变换或DCT变换的融合方法进行了比较.实验结果表明,结合小波变换与DCT变换的图像融合新方法获得的融合效果优于其他方法.该方法与常用的基于小波变换的融合方法相比,其平均误差减少了40.8%～69.5%,峰值信噪比提高了9.9%～15.6%,均方根误差减少了34.8%～47.5%,评价结果与目视效果相吻合,表明该方法能有效地提高图像融合的质量.基于DCT变换的图像融合新方法的融合效果仅次于结合小波变换与DCT变换的图像融合新方法且其计算量相对较少,适用于实时处理.

研究了大型天文望远镜摩擦传动系统的运行原理和特性,并进行了实验.结果表明,影响摩擦传动低速稳定运行的因素很多,主要有:编码器的测量误差,环境变化引起的误差,摩擦力矩和电机波动力矩等引起的误差,以及加工制造和安装引起的误差.另外在整个传动链中其它部分的摩擦力矩也不可能是一个定值,也存在力矩波动.结果还表明,利用非线性PID控制算法增益参数非线性变化的特性,可以使得控制系统既能达到响应速度快,无超调的目的,又能增强抵抗影响摩擦传动低速稳定运行因素的能力.实验中,低速可以达到0.2″/s,位置精度为0.032″(RMS),证明了这种方法是行之有效的.

等效复合控制技术是一种比较理想的高精度跟踪技术手段.阐述了复合控制及等效复合控制技术的基本原理,分析了机动目标的随机加速度模型,给出了卡尔曼滤波预测算法的实现过程,并在假定目标满足随机加速度模型的基础上,建立了基于卡尔曼预测滤波技术的光电经纬仪的等效复合控制系统.针对脱靶量滞后问题,提出了一种人为将编码器延迟再和脱靶量合成,而后采用卡尔曼滤波进行外推来克服该问题对系统影响的新方法.仿真结果表明,所建立的等效复合控制系统,可以对60°sin0.573 t的等效正弦目标达到0.2′的跟踪精度,相对于传统的速度滞后补偿方法,精度提高了10倍.最后实验验证了等效复合控制系统的有效性.

针对视觉延迟的问题,提出采用改进的Smith预估器(MSP)来改善视觉伺服系统的控制品质.在对基于位置的动态"look-and-move"视觉伺服系统特性分析的基础上,建立了基于MSP视觉伺服系统的结构,同时建立了视觉伺服系统的分时模型.在微操作机器人平台上进行了点到点、抗干扰和微齿轮的跟踪抓取实验.结果表明,与只有PID控制器的视觉伺服系统相比,带MSP的视觉伺服系统具有更好的控制品质.克服了由于图像采集、传输和处理导致的视觉伺服延迟而严重影响控制系统的品质局限,并克服了传统方法通过减小系统增益来增强系统的鲁棒性,但同时降低了系统响应特性的缺点.

针对基于推扫技术的TDI CCD空间光学遥感器动态成像试验,研制了一套检测系统.在系统中,设计了模拟卫星推扫的双支承U型结构精密转台.搭载遥感器,以角速度0.555°/s在±5°的范围内转动时,转台稳速控制精度达到0.3%.设计了一种奈奎斯特频率靶标,在每组矩形垂直靶条间加入公差为a/n的等差级数间隔靶条,解决了遥感器推扫时CCD像元与垂直靶条像匹配不确定性问题,使配准简化,提高了测量结果的准确性.试验结果表明:遥感器获得了垂直、水平及45°方向的0视场,±0.86视场奈奎斯特频率靶条像,验证了采用推扫技术的TDI CCD遥感器所具有的高品质.

对组合高分辨率航空CCD图像和机载稀疏激光扫描测距数据自动提取城市建筑物的三维信息进行了研究.航空CCD图像能清晰地给出建筑物的几何形状和分布,因此采用了自适应的Canny边缘检测算法来提取CCD图像上的全部边缘信息,然后根据双向投影直方图和线段匹配方法来自动而准确地提取建筑物的平面轮廓信息,最后根据CCD提取的轮廓信息从机载激光扫描测距数据中提取建筑物的高度信息,从而实现了每栋建筑物的三维信息提取.通过实际数据的处理和提取,说明了组合CCD图像和机载激光扫描测距数据可以自动重建建筑物的三维信息.

提出了一种基于正交基函数的多项式实时拟合方法,并应用于轴角编码器测速,解决了常规算法中拟合多项式阶数大于3阶时法方程组容易出现病态,进而使测速精度降低的问题.光电跟踪测量设备地面目标跟踪实验表明,该算法通过对拟合处理后的角度值进行微分运算得到角速率,能有效地降低编码器角度输出中随机误差对测速的影响.在典型实验条件下,与采用同阶拟合多项式的常规方法进行了比对,前者的测速误差标准偏差为0.013 43°/s,后者为0.028 15°/s,采用本算法提高了编码器的测速精度,适合在工程上应用.

提出一种用于计算人眼波前像差函数中Zernike多项式拟合系数的精确算法.介绍了人眼波前像差的概念以及用Zernike多项式表示的人眼波像差函数,采用Householder变换对矛盾方程的广义增广矩阵进行正交三角化,导出求解拟合系数的算法.给出了人眼大、小瞳孔的像差测量计算实例,并对比了直接构造法方程组的计算结果和精度.对比多只眼睛的计算结果表明,该算法与直接构造法方程组的计算精度相当,各项拟合系数的相对误差都在10%以内.该算法避免了构造法方程组引入的计算误差,易于编程,是一种比较理想的求解Zernike多项式拟合系数的算法.

提出了一个新的能够同时去除图像噪声和锐化边缘的扩散方程模型.根据图像特征,例如边缘,纹理和局部细节,这个特征驱动的双向耦合扩散模型沿着等照度线(边缘)的梯度方向从前向扩散转变为后向(逆)扩散;而相反地沿切线方向实施前向扩散.为了消除前向力和后向力之间的冲突,将扩散方程分裂为一种耦合的形式;同时为了保持图像特征,利用图像的方向导数局部地调整非线性扩散系数.实验结果显示,本文算法能够在去除图像噪声的同时,有力地增强图像的特征.

基于人眼轮廓所具有的椭圆特性,提出了一种眼睛定位算法.首先对人脸图像边缘提取,并对边缘所有点进行最小平方椭圆拟合,根据眼睛宽度与高度比例,给定一个阈值,确定眼睛候选区域;然后运用训练过的支持向量机(SVM)分类器验证眼睛区域;最后在眼睛区域,采用一种基于方向性圆形霍夫变换(Circle Hough Transform(CHT))的检测算子定位眼球中心,并对ORL及自建人脸库进行了测试.结果表明:分别在1.25 s,3.0 s内,验证率为91.6%,95%的情况下,该方法可以获得7.26和3.45个像素的平均定位误差,同时也证实了该方法对人脸的平面内旋转、尺度、表情等变化具有较强的鲁棒性.

提出了一种结合多分辨率直方图特征表示与核学习算法的数字X光乳腺图像的分类方法.该方法不依赖特征选择步骤,而是基于感兴趣区(ROI)的高维多分辨率直方图特征,通过从训练实例中学习,同时检测多种异常的ROI.对该方法进行接收器工作特性(ROC)分析,敏感性约为89%,ROC曲线下面积(AUC)接近0.91.与以前所提出的检测方法相比,该方法不需要针对特定类型病变选择特征表示,因此可以同时检测多种类型的病变,简化了检测过程,提高了检测效率,而且分类性能也达到或超过了以前方法的平均分类性能.结果表明,利用多分辨率直方图特征表示能够很好地区分乳腺图像中正常和异常区域,同时也显示了借助核学习算法消除或限制分类任务中特征选择步骤的可能性.

乳腺肿瘤超声图像的形态特征对判别肿瘤的良恶性具有重要的价值.为提高乳腺肿瘤超声诊断的准确率,提出一种基于其形态特征进行分类判别的计算机辅助诊断系统.该系统首先采用灰度阈值分割和动态规划相结合的方法提取超声图像中乳腺肿瘤的边缘,然后对所得边缘计算相应的三种形态参数,最后分别采用Fisher线性判据、误差反向传播神经网络和径向基函数神经网络对形态参数进行分类.该系统在157幅乳腺肿瘤(包括良性81例、恶性76例)超声图像上训练和测试,三种分类器均能取得较高的判别精度,其中误差反向传播神经网络和径向基函数神经网络的判别准确率、敏感性和特异性分别高达94.95%、95.74%和94.23%.结果表明,基于乳腺肿瘤超声图像的形态特征建立的神经网络系统对肿瘤的良恶性具有较好的判别能力.