基于Cook结构补偿镜提出了一种球面折反型望远系统.该系统将传统折反结构中的非球面球面化并用基于Cook结构的补偿镜代替传统的前置大口径补偿镜.将该镜置于次镜之后,其直径减小了很多,支撑结构也变得简单易行,整个系统容易制造.系统光学性能如下:全视场为0.5°,相对孔径可以做到F/7,遮拦比为0.42,MTF衍射极限为0.45@50 pl,设计、加工和装校后总的MTF可以做到0.40@50 pl,非常接近衍射极限水平.

在考虑大气闪烁、静态瞄准误差和瞄准抖动的影响下,导出了大天顶角和小天顶角传输链路的强度起伏概率密度函数,给出了跟踪中断概率随衰落冗余变化的关系表达式;最后分析了最佳的光束发散角,并对概率密度分布规律和跟踪中断概率随衰落冗余变化的规律进行了模拟分析.结果表明,对于上行和下行链路,光束发散角与瞄准抖动误差均方值的最佳比值为4和6.在最佳光束发散角下,要想确保链路跟踪中断概率小于10-3,上行链路需要10 dB的衰落冗余,下行链路需要3 dB的衰落冗余,克服了星地光通信中强度起伏对链路跟踪稳定性的影响,保证了在跟踪过程中链路所需要的衰落冗余.

基于MOEMS(Micro-opto-electro-mechnical Systems)的光栅平动式光调制器依靠结构中的蟹型悬臂梁在静电力作用下的上下运动来改变可动光栅和下反射面的距离,从而实现对光能量的调制.本文依据傅里叶光学对光栅平动式光调制器(Grating Moving Light Modulator,GMLM)工作状态的光学特性进行了详细的理论分析和计算机仿真.分析了可动光栅的光栅周期数为偶数和奇数时,由于几何中心的不同,使得采用傅里叶光学分析时透过率函数不同的问题,并对GMLM衍射光能量的分布进行了详细的理论推导;重点讨论了GMLM结构中边框和蟹型悬臂梁对对比度的影响.结果表明,为了得到较高的对比度,应减小边框宽度、悬臂梁的宽度和长度,文章用图形给出了直观说明.

掺钕钒酸钇作为一种重要的激光增益介质,以其受激发射截面大、对809 nm波长存在很强的宽吸收带、偏振发射等优点,在LD端面泵浦全固态激光器中得到了广泛的应用,其中比较有应用价值的受激发射谱线为1 064 nm,1 342 nm和914 nm.由于914 nm谱线属准三能级结构,以及钒酸钇晶体较低的热导率,限制了其向大功率方向的发展.研究了一种具有较高效率的大功率钒酸钇连续输出激光器,通过采用简单的折叠腔设计和对腔镜镀适当的介质膜,抑制了波长为1 064 nm和1 342 nm的高增益谱线.当泵浦功率为29 W时,输出功率高达6.5 W,斜效率为37.9%,光光转换效率为22.4%.

介绍了光纤光栅(FBG,Fiber Bragg Gratings)温度传感器的两种封装形式.推导了两种FBG温度传感器的温度敏感因素并进行了实验验证.实验研究了两种FBG温度传感器在-70～0℃的中心波长低温变化特性,比较了相同条件下两种FBG温度传感器的实验结果.结果表明:细不锈钢管封装的FBG温度传感器的中心波长在-60℃时发生了突变,急剧下降;而镀金FBG温度传感器的中心波长在-70～0℃随温度线性变化,重复性较好并且几乎没有迟滞现象.两种传感器在线性变化区间的温度灵敏系数KT分别为28.2 pm/℃和21.3 pm/℃,分别是裸光纤布拉格光栅的3倍和2.3倍,它们的线性拟合度都超过0.999.

对采用激光照明的测量系统中散斑形成的三个重要因素,即入射光束的相干性、相位差和偏振特性进行了详细的理论分析,并给出了这些因素与散斑对比度的变化关系.计算表明,相干长度降到低于1 mm时,散斑对比度减小到0.5左右,得到的图像细节相对比较清楚,易于检测.基于计算分析,提出了相应的解决及优化方法,为抑制散斑、提高激光照明质量和测量准确性提供了理论依据.

应用全细胞膜片钳技术,研究了急性分离的大鼠海马CA3区锥体神经细胞在波长670 nm、功率5 mW的半导体激光器照射时,其瞬时外向钾通道电流特性.实验发现:弱激光对瞬时外向钾电流IA有抑制作用,5 min激光抑制作用达到稳定,去极化至+50 mV时抑制百分比为(40.13±5.19)%(n=10);弱激光对IA的抑制作用呈现电压依赖性和可逆性,对照组、照射组和恢复组的最大激活电流密度分别为(398.55±36.49)pA/pF、(238.62±30.78)pA/pF(n=10,P＜0.01)和(354.08±35.16)pA/pF(n=10,P＞0.05);激光作用可显著地影响瞬时外向钾通道电流的稳态激活和失活过程,对照组和激光照射组通道的半数激活电压分别为(-27.05±4.53)mV和(-2.10±3.14)mV(n=10,P＜0.01),斜率因子分别为(-26.71±6.15)mV和(-20.70±4.38)mV(n=10,P＜0.05),半数失活电压分别为(-70.49±7.21)mV和(-81.27±6.26)mV(n=10,P＜0.01),斜率因子分别为(9.47±3.54)mV和(9.58±3.02)mV(n=10,P＞0.05).结果表明:弱激光作用海马神经元可以改变其瞬时外向钾通道特性,从而影响动作电位的形成和发放,调节神经元的生理功能,有利于受损神经元的恢复和再生.

采用精密修锐修整的圆弧形粗金刚石砂轮在CNC精密磨床上进行了数控成型磨削加工,实现了高效镜面磨削.分析金刚石砂轮圆弧形轮廓的成型修整原理,建立了圆弧形修整的数控模式.通过建立曲面数控成型磨削的行走轨迹算法,实现了自由曲面的圆弧包络成型磨削加工.分析了磨削工艺参数和砂轮出刃形貌参数与超光滑表面形成的作用机制,进行了镜面磨削试验并检测表面微观形貌和粗糙度,分析实现镜面磨削的脆/塑性磨削转换机理.理论分析表明,降低砂轮行走速度,提高砂轮转速以及改善出刃形貌可以获得纳米级粗糙度的超光滑磨削表面.试验结果显示,先将砂轮修锐修整再控制砂轮行走速度小至15 mm/min时,表面粗糙度小于10 nm以下,且微观加工表面没有发生脆性破坏,形成镜面.加工高速钢自由曲面时,面形误差(Pv值)可以达到10 μm以下,表面粗糙度Ra可以达到约16 nm.实验结果表明:利用数控技术和粗金刚石砂轮可以实现自由曲面模芯的高效镜面磨削加工,保证了高精度的光学自由曲面反射镜注塑模芯.

为满足炮射廉价航空CCD摄像机的对地定位需求,提出一种基于四个已知等高地面控制点的航空摄像机参数估计方法.该方法根据单张航空像片估计伞载空中摄像机焦距及摄像机在世界坐标系中的位置和姿态角等外参数,利用直接线性变换算法求取已知等高地面控制点与对应像点之间的单应矩阵,建立了单应矩阵与共线条件方程之间的关联关系,最后根据关联关系推导出计算航空摄像机焦距、纵横比、位置和姿态角等内外参数的数学模型.为考查该方法的有效性,分别运用室内模拟控制点和野外真实控制点进行了实验.实验结果表明:在给定四个等高地面控制点的三维坐标及对应像点的二维坐标的情况下,该方法计算焦距、纵横比、位置和姿态角等摄像机参数的相对误差约为2%,参数估计结果基本满足炮射摄像机对地成像定位需求.

针对激光惯性约束核聚变的大型精密镜架在环境地面随机微振动下的稳定性问题,建立了精密镜架的有限元动力分析模型.以镜架支撑安装基面上实测的地面振动速度功率谱密度为激励,运用ANSYS有限元分析软件的PSD分析模块,对该结构系统的随机振动响应进行了分析计算.分析表明:分析计算结果与实验数据吻合,目前的镜架支撑安装地面振动满足镜架稳定性要求.

介绍了利用柔性铰链机构对弧矢聚焦双晶单色器中第二晶体进行动态压弯的工作原理,优化了压弯机构和晶体的几何参数,然后应用有限元方法模拟分析压弯装置与晶体的力学性质,最后分析了弯晶的形位误差并计算因此造成的弯晶光束入射角的变化.分析结果表明:替换后单色器的水平接收角由1 mrad增加到3 mrad,样品上光斑的水平半高宽由12.5 mm减小到2.5 mm.优化后晶体因压弯产生的鞍形曲率半径约为弧矢曲率半径的1 700倍,造成的入射角误差为2.2 μrad;压弯装置上的最大平均应力约为800 MPa,并由此确定了以铍青铜作为压弯机构的材料,晶体的曲率半径为0.57～1.72 m和驱动力为8～2.67 N时的线性关系.分析结果表明:该单色器的设计完全达到了设计指标,在提高光子通量和光子密度的同时又能满足XAFS光束线测量过程中需要频繁快速扫描的要求.

给出了一种压电陶瓷驱动系统的控制方法,利用VB中的Timer控件和压电陶瓷电源的DLL动态连接库函数,实现了控制电压的实时可编程输出.针对压电陶瓷驱动器的非线性和迟滞特性,应用MATLAB分别拟合出压电陶瓷驱动器在往返行程中电压与位移值的多项式拟合曲线,得到了电压与位移的关系式,为进一步修正和减少非线性及迟滞误差的影响、提高系统的定位精度,提供了分析的依据.

提出了一种新型压电晶片型喷嘴挡板式电液伺服阀,并对其控制方法进行了研究.采用成本较低的双压电晶片弯曲元件设计了双喷嘴挡板放大器,用其取代原有传统的力矩马达作为双喷嘴电液伺服阀的前置级驱动器.介绍了新型压电晶片型喷嘴挡板式电液伺服阀的工作原理.最后,针对压电元件存在的迟滞、蠕变非线性及系统中存在的时变性因素等问题,采用了具有自学习、自适应和自组织能力的单神经元自适应PSD智能控制算法对系统进行控制.实验结果表明,采用PID控制算法时系统阶跃响应的超调量和稳态时间分别为27.9%和0.13 s,而采用提出的控制算法时系统阶跃响应的超调量和稳态时间只有2.4%和0.07 s,验证了该方法的有效性.新型压电晶片型喷嘴挡板式电液伺服阀结构简单、成本低、精度高,可以满足精密控制系统的要求.

提出了一种测量微型旋翼机桨距角及弹性连杆变形角度的新方法-高速摄像法.这种方法可以准确地测得高速旋转物体的角度,拍摄速度可达15 000帧/s.实验需要处理两个角度--桨距角和弹性连杆变形角度.实验中,首先对拍摄部位进行预处理,然后对微型飞行器在高速旋转时的不同状态进行拍摄,包括从正面拍摄桨距角和从侧面拍摄弹性连杆的变形角度,对拍摄到的图片进行筛选、存储并进行图像处理.图像处理部分是用MATLAB软件进行边缘检测,对比了四种不同的检测方法的效果,最后采用Canny算法.用最小二乘法拟和成直线,得到所需的角度;利用采集电路将角度与电压实时地对应起来,得到了电机电压和桨距角及弹性连杆变形角度的八组关系曲线,并对得到角度的精度进行了分析.实验证明这种方法在微型飞行器高速旋转时信号弱、干扰强、其动态特性难以精确测量情况下,可有效测量微型飞行器的变距角度.

提出了一种单边导角形柔性铰链,以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边导角形柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,利用有限元和实验的方法对柔性铰链的柔度公式进行校验.结果表明:有限元和实验方法与闭环解析式的结果基本一致.对单边导角形柔性铰链的性能进行分析,得出了结构参数对其柔度性能的影响关系,并通过与双边导角形柔性铰链比较,分析了单边导角形柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响,为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了有价值的参考.

提出了利用激光光栅投影技术对硬合金刀具磨损图像进行检测的方法.利用采集待测物体栅线图样中未变形区域包含的相位信息,使用最小二乘迭代法将数据拟合,得到了理想参考面相位分布参数.由于不需另外采集实物参考面变形光栅图像,不仅减少了实物参考面的采集步骤,而且不需要对实物参考面相位进行求解.实验表明:该方法利用数控机床换刀间隙进行检测,实现了在线测量.同时,该方法测量磨损区域的最大宽度、最大面积、磨损区域的周长、z方向最大深度参数的标准差和相对精度都小于0.01,具有较好的三维形貌轮廓检测精度.

介绍了一种干涉波面的Zernike多项式拟合方法,该方法从构造的正规方程入手并对其进行逐步回归分析,从众多的Zernike多项式模式中选取影响显著的模式.采用仿真波前对本文提出的波面拟合方法进行了验证,结果表明该方法可以得到干涉波面的最优模式组合,有效提高波面拟合的精度,拟合的PV和RMS相对误差仅为1.11%和0.07%.

提出了一种基于自组织特征映射(SOFM)神经网络的图像融合二值化方法.介绍了SOFM神经网络的特点及学习算法,根据SOFM的聚类确定图像第一阈值作为循环迭代的初始值,对整幅图像进行循环迭代得到第二阈值,使用第二阈值对原始图像进行二值化,得到第一幅待融合图像;通过改进的Bernsen方法对原始图像进行二值化,得到第二幅待融合图像;最后根据图像灰度值选小的原则作为图像融合方法,得到最终的二值化图像.该方法既能有效地消除伪影,又能较好地分离字符和文字.模拟实验结果表明,该方法的二值化效果明显优于Bernsen方法和Ostu方法,且具有良好的适应性.

给出了新型大型激光装置阵列化空间滤波器结构优化设计.对大口径阵列化光束超长程传输、光路控制、光束质量控制,以及支撑稳定性、震动隔离、离轴调节等关键技术进行了分析研究,对物理方案和参数进行分解.运用Pro/E软件建立阵列化空间滤波器三维实体模型,给出了阵列化空间滤波器的总体结构解决方案.对关键部件和技术指标进行了详细分析,采取了新颖的结构和相应的技术措施;运用ANSYS分析软件对结构刚性、强度、振型等指标进行分析,通过有限元仿真与CAD环境的双向嵌入优化结构;为给装置结构的适应性找到可靠的评估依据,对影响稳定性较大的器件和单元进行了微振动测试和分析.理论分析和测试结果表明,该方案达到了优化设计,是可行的.

通过分析电子稳像技术中灰度投影算法及其相关函数特点,提出了一种基于单峰特征的快速搜索算法,并同全局搜索算法进行了比较.在搜索区间[a,b]内,计算并比较区间两个端点a,b的相关函数值,判断搜索方向,缩小搜索范围,确定一个新的搜索区间,新搜索区间的长度是原区间长度的一半.重复上述步骤,当区间长度缩短为1时,即可获取图像运动矢量,在此基础上通过运动补偿技术实现电子稳像.当搜索长度为2n+1时,全局搜索算法运算量为2n+1,该算法仅为n+2,运算量显著减少.该方法已应用于船载电子稳像器中,实验结果表明,该方法计算速度快、精度高,具有较好的稳像效果.

给出了光波导式小波滤波器的设计方案,该方案采用单模光纤耦合器作为系数实现载体,通过控制特性参数实现了具有不同分光比的耦合器基本单元,然后组合和级联基本单元实现特定的小波滤波器系数,具有精确度高,集成度好,稳定性强的优势.分析了与系数实现相关的熔锥型单模光纤耦合器的形状特性,横截面沿纵向变化的锥形区和横截面近似不变的耦合区内的耦合特性,根据理论推导,用仿真手段设计3 dB单模光纤耦合器,实现了Haar小波的滤波器系数,误差在3%以内,证明了光波导式小波滤波器设计方案的正确性和有效性.

在综合分析了多种线性及非线性畸变后,建立了三次多项式图像系统畸变模型.采用基于控制点偏差目标函数最小优化法进行畸变模型的求解,并通过计算自标定偏差均方差与互标定偏差均方差对标定结果进行了评定.结果表明,模型求解误差为0.22 μm,通过校正标记图像几何畸变引入的定位误差由2.5 μm降低到0.25 μm,可实现压印对正系统中标记图像几何畸变的校正,实现精确定位.

提出了一种基于优化小波特征的,应用于复杂背景干扰环境中的非线性目标跟踪算法.选取Gabor小波网络来表征目标的空域特性,即运用一定数量的小波构成一个集合,利用优化方法优化小波参数,从而获得稳健的Gabor小波集合来表示目标特征.运用优化的非线性粒子滤波算法,使每个粒子表示目标特征的一组估计运动参数,并通过L-M优化方法使粒子向局部峰值点移动,呈现出"多峰"的跟踪形式.实验结果表明:该算法对光照、噪声不敏感,具有较强的抗局部遮挡能力,平均跟踪误差小于一个像素,与标准的非线性粒子滤波跟踪算法相比,平均跟踪误差减小了50%.

为了实现在车载CAN总线控制器故障产生不可预知干扰信号的情况下正确读出CAN总线上的故障码,提出了一种基于小波包分解的阈值消噪方法.将信号进行基于最小Shnnon熵原理的最佳树小波包分解后,针对CAN总线传输信号特点,对高频和低频系数采取不同阈值处理的混合阈值消噪处理.对于高频系数,采用基于Stein无偏似然估计原理的自适应阈值;在干扰信号的统计特性未知的情况下,对低频系数阈值的选取采取保持频率单一和能量损耗小的双重标准.最后,由阈值处理后的系数重构信号,得到正确的传输码.实验结果表明,该混合阈值消噪处理方法对消除这种由CAN总线上的控制器故障引起的干扰,较传统的消噪技术提高1/3以上的信噪比,增加了后期读取CAN总线故障码的准确率.