研究了磁射流抛光时几种工艺参数对材料去除的影响.首先介绍了磁射流抛光的原理和实验装置,然后从实验出发研究了磁射流抛光中材料的去除.利用标准的磁流变液进行了一系列定点抛光实验.重点研究了冲击角、工作距离、射流速度和磁场强度对抛光区形状和去除量的影响,获得了相应的关系曲线.运用计算流体力学方法分析了材料去除机理.为进一步研究磁射流抛光的各种参数的最佳匹配,实现磁射流抛光的数控加工奠定了基础.

利用柔性并联机构的动力学模型,定性地分析了动平台质量、转动惯量对柔性并联机构的动态响应、动态应力及固有频率的影响.以动平台惯性参数边界条件、运动误差、固有频率、动态应力、驱动力矩等限制条件作为约束方程,将机构总质量函数和弹性变形能函数采用线性加权组合成多目标函数,进行多目标优化设计,确定了动平台的最佳惯性参数.通过对平面3-RRR柔性并联机构算例的分析和讨论,说明了动平台惯性参数在柔性并联机构的动力学分析和设计中的重要作用.

研究开发了一种新型精密三维微动工作台.采用呈等边三角形分布的三个压电陶瓷和环形平板铰链机构,保证了运动传递的连续性、无洄滞、无摩擦、高精度.建立了工作台的简化模型,并利用结构力学理论推导出工作台沿z方向平动刚度、绕x、y方向转动刚度以及前三阶固有频率解析式.进行了微动工作台沿z方向平动刚度、绕x、y方向转动刚度以及固有频率试验测试,验证了解析方法和有限元方法进行三维工作台刚度及动力特性分析的正确性.有限元分析表明:当工作台的环形平板铰链半径较小而铰链厚度较大时,其刚度、频率及驱动力较高,其铰链根部应力集中也较严重.通过改变环形平板铰链的特征参数,可达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出了一种优选微动工作台环形平板铰链参数的简易方法.

为了验证新型5自由度并联机器人坐标测量机的设计方案和理论模型,缩短开发周期,降低开发费用,提高一次性设计成功率,将虚拟样机技术应用于该并联机器人坐标测量机的设计开发过程.利用SolidWorks软件建立该型并联坐标测量机的虚拟样机模型,应用OLE接口技术实现了该型并联坐标测量机的运动仿真和测量仿真,采用ADAMS软件实现了该型并联坐标测量机的动力学分析和仿真,并给出了仿真建模过程中关键问题的解决方案.计算机仿真结果证实了理论模型的正确性,验证了设计的合理性和可靠性.为此新型并联机器人坐标测量机的结构设计和数控系统设计提供了主要参数和理论依据,为并联坐标测量机的工程设计提供了一套有效的分析方法.

研究了用于扫描探针显微镜,特别是原子力显微镜(AFM)中的扫描器高精度定位问题.压电陶瓷驱动器通常用于这种扫描器中,在无补偿的开环控制期间,它在输入电压和输出位移之间表现出明显的迟滞和蠕变.迟滞和蠕变降低了扫描器的定位精度并使扫描图像出现了畸变.给出了迟滞和蠕变模型及参数的在线辨识方法.在AFM的扫描控制中,使用基于该模型的逆控制算法补偿了压电陶瓷的迟滞和蠕变.在分析中,Preisach迟滞模型和对数蠕变模型被用于描述压电陶瓷驱动器的非线性.由于该方法不需要在控制过程中进行参数设置,因此很容易使用.此外由于是开环控制方法,可以具有更好的分辨率.闭环操作能够给出较好的迟滞和蠕变补偿,但由于在高带宽情况下传感器动态范围的限制,对于小扫描区域或样本特征,它减小了成像的分辨率.三角波轨迹跟踪的仿真结果说明轨迹误差在传感器噪声量级上,证明了这个方法的有效性.

针对精密仪器轴系的研制和精度分析,研究了立式三油楔动压轴系的结构、轴承轮廓结构,建立数学模型、分析模型,对轴系动压油膜的动力特性做了分析.对于主轴在动压油膜反力与外载荷作用下处于某一平衡位置(e,θb)运转时,能否经得起任意微扰动的干扰而失稳,建立了油膜运动稳定性的判据.应用数值模拟和计算机编程,深入研究了关键设计参数楔形间隙bm、cm相应的油膜运动稳定特性,揭示了楔形间隙值与轴系失稳的对应关系,给出了油膜稳定性因数Log(Sp)与偏心率ε(ε=e/c)之间的变化曲线图,并指出了楔形间隙参数最佳的取值范围.研究结果指出:楔形间隙是轴系设计和制造的重要敏感参数;最大楔形间隙bm和最小间隙cm值之间应保持一定的比例,否则油膜运动发散,轴系平衡失稳,导致主轴转动中产生较大的晃动.对于低速立式三油楔动压轴系,则bm-cm≥0.8 μm.比较研究结果与成功轴系实例,表明实例中bm、cm取得符合轴系的油膜稳定条件.证明研究结果对该类轴系的设计具有实用性.

在抛物面加工中,对工件的已加工表面上引起的等距面误差进行了理论分析和计算.用三点法求出理论曲线的最小平移距离,再用两点距离法建立磨具加工面上各点误差的数学模型,该模型适合各类二次曲线磨具等距线误差的计算.实验结果表明磨具等距线误差变化范围为 0～0.7 μm,成形精度能满足大多数工件的面形精度要求,且磨具两端的最大误差为0.624 14 μm,同时,等距面误差随刀具或磨具的磨损量,以及抛物面的曲率的增大而增大,结果证明了该方法的有效性.

提出了一种测量星敏感器电路模块带来的图像噪声的方法.在实验室条件下,用星敏感器拍摄多幅背景图像,分析表明:不同背景图像上相同像素的灰度差值代表了电路模块带来的图像噪声,该噪声服从正态分布.模拟产生该正态分布的随机矩阵作为图像噪声加到理想的星点上,采用亚像素细分质心算法计算出带噪声的星点质心坐标,从而得到噪声带来的星点位置偏差.计算结果表明:实验室条件下,星敏感器实测6等星的质心测量精度为1/25 Pixel,而电路噪声将引起1/200 Pixel量级的标准偏差;电路噪声,尤其是DC/DC电源纹波噪声对星敏感器星点定位带来的误差是不容忽视的.

本文针对传统的基于人类视觉系统(HSV)特性的空间域与变换域结合算法的不足,提出了一种有效的自适应盲水印新算法.通过利用图像的局部纹理特性产生伪随机码与水印序列组成扩频水印来增强水印的抗干扰能力.利用密钥产生一串伪随机数控制水印嵌入位置来增强水印的保密性.水印嵌入过程中使用了改进的量化水印算法.通过计算相邻特征平均值来自适应调整待量化小波系数的量化间隔,大大提升了水印系统的逼真度.根据奇偶判决法来实现盲检测.经实验表明水印是不可察觉的,算法对于遭受JPEG、均值滤波、维纳滤波等手段攻击后提取出的水印仍与原始水印具有0.85以上的相似度,具有很好的鲁棒性.

提出了基于小波变换的图像清晰度评价函数.采用大NA(数值孔径)和小NA的显微图像序列,比较分析了本文提出的评价函数和经典的归一化方差函数、熵函数、能量拉普拉斯函数以及另外两种基于小波变换评价函数的清晰度评价性能.同时采用带有标准偏差为25的高斯噪声显微图像序列,比较了这五种评价函数的抗噪能力.实验结果表明:提出的评价函数具有最高的聚焦精度和聚焦分辨率,且具有与抗噪能力最强的归一化方差函数相当的抗噪能力.提出了基于区域选择的自动聚焦方法,实现了处于不同深度的微操作对象的3-D自动聚焦.该评价函数和区域选择聚焦技术可以用于高精度的自动微操作作业中.进一步说明自动调焦是实现自动化微操作的关键技术,而其核心是清晰度评价函数的选取或构建.

利用谱域分析法,从Y环单元的臂长、臂宽、缝宽、加载介质的厚度及介电常数等方面,研究了Y环单元频率选择表面(Frequency Selective Surface简称FSS)结构参数对其频率响应特性的影响;采用镀膜和光刻技术制备出了相应的实验件,并在微波暗室进行测试,测试值与计算值基本一致.结果表明:臂长主要影响中心频率,臂长从3.8 mm增大到4.7 mm时,中心频率从11.9 GHz下降到8.9 GHz;单元间距主要影响带宽,单元间距从0.3倍波长增大到0.5倍波长时,-3 dB带宽从3.2 GHz减小到1.0 GHz;臂宽和缝宽在影响中心频率的同时也影响带宽;介质加载主要使中心频率降低,但是中心频率并非随着介质层厚度的增加单调减小;加载介质的厚度和介电常数都影响中心频率,但中心频率对介电常数的变化更为敏感;介质加载也影响中心频率处的功率传输,如果对加载介质进行合理的匹配能改善FSS的传输特性.

目标位置解算装置是快速、准确地获取空中或地面目标位置坐标的有效手段,由激光测距机提供目标距离参数,由GPS接收机获得观测点坐标参数,方位获取设备提供目标方位角及高低角参数.在目标位置解算过程中,建立目标局部坐标系,根据地球的椭球模型,建立相应的地心坐标系.根据求得的目标局部坐标系与地心坐标系的转换关系,解算空中或地面目标相对于地心坐标系的大地坐标参数.通过对已知WGS-84坐标系数值的地面固定目标进行测试,在30 km的探测距离上,达到了目标定位误差绝对值小于1%的精度要求.

基于共焦模式的OCT蒙特卡罗仿真模型,研究了在OCT系统中高散射生物组织背向散射光的反射率.仿真结果:表明对OCT成像有贡献的背向散射光强是样品臂入射光强的10-8～10-10,这样微弱的有用信号限制OCT系统的成像速度、探测灵敏度、信噪比和图像对比度等系统的性能.为此设计了一种带有特殊镀膜分束器的OCT系统.采用这种结构的分束器,第一,在保证入射光对生物组织无热损伤的情况下,可以尽量提高光源的输出功率,改进之后的干涉仪可以使参考光衰减4个量级,因此不会使光电探测器的输出轻易达到饱和状态.第二,大幅度减小了参考光与信号光之间的能量差距,图像干涉对比度大约提高2个数量级,即使在高速成像的情况下,仍然能够使OCT系统具备较高的成像质量.第三,这种特殊结构的干涉仪可以使样品臂的入射光最强,并将背向散射信号光因分束器反射的损失减少到最低程度,从而使系统的信噪比提高了6 dB,并通过对样品的测试可以测得系统的探测灵敏度可以提高到43 dB.

为消除实测光谱信号中的噪声和基线干扰,给出了一种基于小波变换实现两者同时去除及其参数选择的新方法.该方法通过对光谱信号在小波域内的低频段小波系数置零来实现基线校正,通过对较高频段小波系数阈值处理来实现噪声去除;并利用纯光谱和常见基线、噪声的仿真信号,通过兼顾重构信号整体逼近和特征峰处局部逼近的评估系数η来实现小波基、分解层数、阈值估计方式等参数的选取.仿真实验表明,仿真信号采用sym5、db5或db9等小波基进行5次分解,然后低频成分置0及所有高频成分利用单层Heursure阈值估计算法进行硬阈值处理较为合适.进一步的实验表明,该方法对实测光谱中噪声和基线的消除是行之有效的.

研究了设备噪声监测中主分量特征表示的提取及应用.在设备噪声时域和频域统计模式特征基础上,通过主分量分析探讨了设备噪声模式的主分量特征表示方法,引入相关度的概念分析了主分量特征表示对设备状态的表征能力,提出了选择有效维数的主分量特征表示进行设备噪声监测的方案.通过在EQ6100 型发动机上预先模拟四种连杆轴承磨损故障,测取噪声信号,实例分析显示了低维主分量特征表示可以有效表征设备状态.实验最后对测试集样本进行状态监测得到了100%的准确率,表明了主分量特征表示用于设备噪声监测的有效性.

为提高图像拼接的成功率,提出了一种基于自适应模拟退火和多分辨率搜索策略的图像自动拼接新方法.该新算法先自适应地选取配准区域,再以互信息为相似度评价标准,结合自适应模拟退火和多分辨率搜索策略的思想分别进行图像平移和旋转参数的全局优化和局部搜索,最后实现图像的拼接.通过对含噪声数字图像和医学超声图像进行的24次模拟拼接实验表明,该新算法较传统的多分辨率直接搜索法有精度高、速度快和抗噪声能力强的优点.由于结合了模拟退火算法的高精度和多分辨率搜索法的高效率,改进后的图像拼接算法将拼接成功率提高了12.5%,并将运算时间控制在可接受的范围内.

从模耦合方程出发,分析了直流切趾对光纤光栅特性的影响,给出了直流切趾和光栅啁啾之间的关系,提出了用线性直流切趾来实现均匀模板制作啁啾光栅和同一啁啾模板制作不同色散特性光栅的方法.实验上,用均匀模板制作了色散量为-2 126 ps/nm的啁啾光栅,并用同一啁啾模板制作出了色散量为-1 599.362 71 ps/nm、-1 250.4 ps/nm和-2 011.4 ps/nm的光栅.实验结果表明,理论和实验符合较好.

基于Xe的惰性和在13～14 nm波段高的辐射强度,Xe被认为是极紫外投影光刻(EUVL)潜在的靶材,为此设计和研制了一台液体微滴喷射靶激光等离子体(LPP)极紫外光源.详细地研究了Xe液体微滴喷射靶的光谱辐射特性、在13.4 nm的激光-EUV转换效率、辐射稳定性及碎屑产生状况.实验结果表明,Xe在13.4 nm的最高转换效率可以达到0.75%/2πsr/2%bw,辐射稳定性±4%(1σ),在激光打靶105次后无碎屑产生.

描述了一种能同时快速地测量多达八组的光谱信号并具有实时光谱处理能力的新型多路型光纤光谱仪系统.该多路型光纤光谱仪以多个CCD作为光电探测器,以FPGA作为控制核心产生各种控制时序,利用DSP进行光谱数据处理并实现与PC机的USB通信.概述了整个系统的构成,给出了光谱采集的光学平台设计,研究了在DSP和FPGA控制下光谱数据的采集和处理过程.为了避免测量时各个通道光谱数据的相互串扰并控制光谱峰值的随机漂移,除采用传统的滤波电路和电源稳压技术之外,提出了利用FPGA内部编程的方法来解决IC芯片内部电容效应的新技术.光谱测试结果表明,该系统具有良好的长期稳定性、较大的信号动态范围和较高的信噪比,适合于各种场合的光谱及相关参数测量.

基于Ulrich半实验方法、LZ等效电抗模型和Kohin等效膜方法,建立了一种新型的高通光率金属网栅屏蔽效率分析的等效折射率模型.该模型精确地建立了金属网栅的等效折射率与其结构参数和边界材料折射率的关系,便于分析电磁波任意入射方向时的金属网栅屏蔽效率,并可克服Chen倾斜模型在分析高通光率金属网栅屏蔽效率时的失效问题.为验证建立模型的有效性,用紫外光刻法制备了周期320 μm、线宽4.5 μm和周期160 μm、线宽5.5 μm的两种网栅,并用微波网络分析仪测试了12～18 GHz波段的屏蔽效率.实验与分析表明:建立的新模型的原理计算误差＜2 dB,优于Chen模型和LZ模型的8 dB的原理计算误差和Ulrich模型的4 dB的原理计算误差,说明新模型能更精确地分析高通光率金属网栅的屏蔽效率.

多指指纹采集仪是一种大视场、高分辨率的指纹采集设备,它代表了生物特征识别领域的发展方向,其核心技术是高分辨率光学系统的设计.对采用"独立镜头"、"两组远心"、"单片前组和独立镜头组合"三种方案进行的设计进行了比较,指出了各种方案的优缺点.其中单片前组和独立镜头组合的方案在150 lp/mm的传递函数＞0.6,采用该方案的实验样机取得了良好的图像.

围绕空间外差光谱仪系统参数设计进行了理论分析和实验研究.介绍了空间外差光谱仪系统的基本结构和原理,并针对其光学系统设计,详述了系统的主要指标:光谱分辨率极限、分辨能力、光谱范围与关键光学器件:光栅、探测器、成像系统等参数的匹配关系.给出了一个完整的系统参数设计实例,并根据光学系统参数对干涉图进行了理论仿真.以搭台的方式建立空间外差光谱仪原理试验装置,并进行了典型光谱实验验证,系统检测结果表明光谱分辨能力在591 nm达到了17 700,光谱范围为574～591 nm.实验结果与仿真结果比较还表明,系统的光谱范围、光谱分辨率等指标达到了设计要求,验证了设计方法的可行性.

分析了光学相干层析(OCT)成像系统的色散特性.分析表明,系统色散与振镜离焦量成正比关系,且在一倍焦距以内为负色散,在一倍焦距以外为正色散.设计了纵向分辨率为8 μm的OCT系统,测得振镜位于傅里叶透镜焦点外0.5 mm处时,系统产生的色散值约为77 fs2,实验结果与理论相符合.

为了在实验室模拟空间环境,检测极紫外太阳望远镜成像质量,提出了由激光等离子光源、Newton型准直光管系统、背照射CCD相机、真空系统等组成的工作波段为17～30 nm的极紫外准直光管检测系统,给出了详细的物理分析、光学设计和真空系统设计方法和结果.真空实验测试结果表明,系统在80 min内,真空度即可达到5×10-4 Pa的设计指标,满足极紫外波段检测太阳望远镜的要求.

对应用需求、卫星可提供资源和技术能力等方面进行综合工程技术权衡,提出了总体优化的光学结构设计方案.设计了在0.4～2.5 μm工作,焦距为800 mm,焦比为4.5,视场为1.43°的非球面三反射镜望远镜和棱镜色散非球面准直-成像光学结构的新型成像光谱仪,其调制传递函数(MTF)达到0.44～0.62,光谱分辨率为3～23 nm,仪器的总重量约为70 kg.在焦平面器件性能和信噪比等技术指标相同的情况下,如果用光栅或干涉式傅里叶变换光谱仪,则需要FN在3以下,仪器的总重量将＞100 kg.取得了成像光谱仪分辨率高、积分时间短,焦平面器件接受的辐射能量弱等参数条件下的权衡优化设计.

分析了双基圆盘式渐开线测量仪的测量原理,其具有结构简单、测量过程中无测头位置引起的阿贝误差等特点.该仪器采用交叉弹簧片的铰链结构作为误差传递杠杆,其灵敏度高、无间隙.经过对仪器的主要测量误差源进行补偿后,其系统的测量不确定度(U95)＜±0.5 μm,测量精度可以满足1级渐开线齿形的测量要求.通过与其它渐开线齿形测量方法的比较,双基圆盘式渐开线测量仪仅在测量自动化和多功能性等方面不如CNC齿形量仪,其在测量精度与制造经济性等方面更具优势,是超精密渐开线齿形测量的理想方法.

对压弯光栅的线密度进行了实验研究.首先制作了大变化率的变线距光栅(约9.2 line/mm),并选取薄玻璃(0.16 mm)作为光栅基底材料.其后采用长程面形仪测试压弯后光栅面形,使用衍射法测试压弯前后光栅线密度,从而得到线密度的变化曲线.实验与理论计算结果误差小于0.41 line/mm rms.

研制出了一种采用微硅片对准技术和微硅片狭缝的新型微型分光光度计.采用MEMS工艺制造出了体积小、精度高的微硅片对准机构和微硅片狭缝,并且对其性能进行了分析和论证.同时对影响分光光度计线性度精度的样品池的光学特性进行了分析,推导出了透射光强与样品池的折射率、被探测介质的折射率关系式,并进一步分析因折射率引起光强的变化对吸光度的影响.实验结果表明,该微型分光光度计可以分辨出介质折射率相差0.01介质,同时参比介质的不同仅仅对A-C曲线产生平移,而对相关系数和斜率无任何影响,通过对实验数据的计算得到以空气和蒸馏水两种折射率的介质为参比时的系统相关系数都大于0.999,说明所研制的基于MEMS技术的微型分光光度计具有高度显著线性相关性.

设计了微细电极在线检测系统.系统由卤素灯光源、变焦显微镜头、CCD摄像机和6自由度支架组成,具有1.61 μm的分辨率和113～729的放大率.在Linux平台下,基于V4L2 API开发了图像采集程序,使用mmap()内存映射方法获取图像数据.实现了IplImage数据结构和QImage类的转换,使图像既可以基于OpenCV进行处理,又可以基于Qt进行显示,通过Canny边缘检测算法提取了微细电极的边缘轮廓.实现了电极在线观测的G代码功能,进行了块状电极电火花磨削微细轴的实验.实验结果表明系统可以在线观察电极状态和在线测量电极尺寸,在线测量值与扫描电镜离线测量值的相对误差在5%以内, 解决了微细电火花加工的微细电极在线制造和检测等难题.