系统误差的存在严重影响了光电跟踪系统的引导精度和测量精度,现阶段用于三轴光电跟踪系统的最小二乘系统误差修正法精度较低,球谐函数系统误差修正法亦不适于Z轴连续转动时的系统误差修正.三轴光电跟踪系统的系统误差是以其三个角度测量值为参数的曲面,而神经网络可以精确拟合复杂的曲线或曲面.分析和仿真证明,基于BP神经网络的系统误差修正法可用于Z轴连续转动的三轴光电跟踪系统,而且可把系统误差修正到约为原来的28%.

在研究傅里叶变换透镜理论的基础上,根据某微粒子观测实验的要求和几何光学像差理论,得出了高分辨率傅里叶透镜的初始参数,分析了系统的消像差方法,并应用ZEMAX软件设计了满足要求的工作波长为532 nm的傅里叶变换透镜.在光机结构设计中,为减少外界环境对成像质量的影响,在频谱面处设计了光阑和低真空腔.工程分析和实验结果表明,抽真空引起的光学间距变化对该系统的成像质量基本没有影响,用目视显微镜法检测系统的分辨率为2.81μm.该系统可以保持12 h的低真空(100Pa以下),并且已成功应用于某微粒子观测实验.

运用"可检测性"概念和Design For Test(DFT)方法,提出了一种基于图像处理技术的光纤准直器封装方法.在装配前利用机器视觉和数字图像处理技术保证插针到达正确相位,然后保持插针相位姿态不变插入不锈钢套筒,同时光纤插针做进给运动,以调节插针和自聚焦透镜在不锈钢金属套筒中的间隙,使插针快速地到达最佳装配位置,保证输出光功率最大.该系统主要由CCD摄像机、图像采集卡、系统控制和图象处理软件构成,由计算机控制其装配全过程.实验证明了该系统的有效性和实用性,其相位误差可控制在公差±3°内,满足光纤准直器装配精度要求.该封装方法已应用于生产,较大地提高了生产效率和产品合格率.

以发射光学系统为研究对象,假设面形误差为高斯平稳随机过程,建立了光学面形误差均方根梯度(GRMS)与远场靶面上环围能量比(EE)之间的数学关系模型,进行了仿真分析并对实际面形数据做了验证.研究表明,环围能量比随GRMS的增加呈指数衰减;同时面形误差低频和高频部分分别形成远场光强分布的中心核和边缘.在GRMS≤7nm/mm时,理论计算与仿真结果非常吻合.与实际分析结果的比较表明,该数学关系模型是正确的,能够用来分析GRMS对EE的影响.

为实现红外热像仪对温度的精确测量,根据热辐射理论和红外热像仪的测温原理,推导了计算被测物体表面真实温度的通用计算公式;讨论了发射率对测温精度的影响,分析了用红外热像仪进行精确测温的条件,探讨了环境、大气和热像仪本身对测量精度的影响,并绘制了各种因素对测温精度影响的理论曲线.结果表明:发射率为0.7时,真实温度为50℃,发射率偏离0.1时,对于3～5 μm热像仪来说,测温结果偏离真实温度0.76～0.89 ℃;对于8～14 μm热像仪来说,测温结果偏离真实温度1.56～1.87 ℃.本研究结果对提高热像仪测量温度和表面发射率的准确性,减小不必要的测量误差具有实际意义.

介绍了一种补偿式光纤位移传感器,对比分析了该传感器在室温(293 K)下和液氮温度(77 K)下的传输特性.结果表明,该传感器能有效地消除外界环境的影响,可用于宽温度范围的位移测量.在液氦温度(4.2 K)下测量超导转子悬浮微位移的实验结果表明,该传感器可在低温下进行位移测量,测量分辨率达到10μm.实验结果为光纤位移传感器在低温环境下的应用提供了参考.

基于光学全息原理,分析了激光全息技术校正光学成像系统像差的机理和方法,建立了全息记录实验系统,用于校正口径500 mm、低质量球面反射镜光学系统对有限远物体成像时的像差.采用原光路再现的方法,通过比较像差校正前后的干涉图样和成像结果,验证了该校正方法的可行性.实验结果表明,校正后该系统剩余波像差约为λ/8.

从理论上分析了ICCD光电响应非均匀性的产生机理,并由此建立光电响应数学模型.基于两点多段非均匀性校正算法给出了ICCD非均匀性校正方程,并通过大量实验得到ICCD在特定条件下的校正系数.在实验过程中发现ICCD的雪花点(主要由探测器的随机噪声引起)和盲点是影响非均匀性改善的主要因素,采取相应照度的响应进行了补偿.结果表明:通过补偿和校正输出图像,可以有效地减小紫外成像仪由探测器的非均匀性所带来的测量误差,使非均匀性降低了37.1%,在一定程度上减少了由于ICCD的物理特性和制造缺陷所带来的固有图像噪声.

利用毫秒脉宽Nd:YAG激光对硅片进行了弯曲试验,给出了长脉宽脉冲激光弯曲硅片的能量阈值条件.研究了长脉宽Nd:YAG激光脉冲频率和脉冲宽度参数对硅片弯曲角度的影响,同时说明了脉冲频率和脉冲宽度参数对弯曲角度的影响可以转换成扫描速度和功率密度对弯曲角度的影响,并对试验结果进行了分析,引入了脉冲占空比来表征能量的时域分布对弯曲现象的影响.试验结果表明,采用毫秒量级脉冲激光可以对硅片进行弯曲加工,弯曲角度可达20°以上.

为减弱激光显示中散斑的影响,在对散斑对比度进行理论分析的基础上,提出了一种利用位相光学元件减弱散斑的方法.实验以绿光为光源,让激光束通过位相光学元件,再经过CCD相机和图像处理系统处理,得到屏幕上散斑对比度和光强的变化.实验结果表明:散斑的对比度降低到3.7%,可满足激光显示中对散斑减弱的要求.该方法具有简单易行、成本低、适合批量化生产等优点.

建立了碳纳米管悬臂梁分子动力学模型,并对该模型的动态特性进行研究.分析了封腔中空气分子对纳米器件的阻尼作用,模拟了真空环境下碳纳米管原子处于平衡状态的自振情况,同时通过在外加激励作用下求解出该系统中碳纳米管的固有频率,绘制出了相应的幅频响应曲线.最后,对低真空环境下碳纳米管共振时的振幅进行分析.模拟结果表明:原子自振频率为2 THz;碳纳米管固有频率为4.79 GHz,且在初始阶段随着外加载荷的增加略有减小,随着载荷的继续增加而加大直到开关达到闭合状态;在相同的气压变化幅度下,低压环境的振幅变化远明显于高压环境下的振幅变化.

在对基片曲率法常用的Stoney公式进行必要修正的基础上,提出了适合计算SU-8胶层内应力的理论模型,并采用轮廓法直观地测量了内应力引起的基底曲率的变化.通过ANSYS仿真揭示了基片直径,胶层厚度及后烘温度三者对基片曲率的影响.仿真结果表明:后烘温度是影响胶层内应力的主要因素.实验测量了后烘温度分别为55℃、70℃和85℃三种条件下的SU-8胶层的内应力.结果表明:降低后烘温度能有效地减小SU-8胶层的内应力,实验测量值与仿真计算值基本吻合.内应力的测量为SU-8胶层内应力的定量研究奠定了基础.

设计制造了一种新型的,适用于大型超精密机床的导轨卸荷系统.分析了卸荷系统中弹簧数量对卸荷系统性能的影响,并设计了连接卸荷浮板与导轨负荷的卸荷弹簧机构用于精确调整卸荷量的大小,并测试了卸荷弹簧的刚度.设计了卸荷浮板结构并对其在不同供气压力下的气膜厚度、气膜刚度与承载能力进行了计算,设计并校核了卸荷梁.用单尺反转法,测试了卸荷系统作用下的主导轨直线度精度,当卸荷量为1 200 kg时,主导轨直线度为0.375μm/600mm;在卸荷系统作用下,该机床加工出了φ1000 mm的铝件,表面粗糙度Ra达到了12 nm.实验结果表明,本文设计的卸荷系统机构,能够保证超精密机床主导轨达到高精度的直线度要求.

基于机构、驱动、检测一体化的思想,研制出了压电陶瓷驱动的6自由度集成式并联微动机器人,对该机器人的机构、驱动、检测、控制及误差补偿方法进行了研究.采用6自由度(6-SPS)并联结构设计了微动并联机器人的构型,对结构参数进行了优化,并进行了运动空间分析和刚度分析.基于模块化设计思想将压电陶瓷驱动电源、微位移传感器检测电路、中央控制器组合在一起,通过自定义的内部总线相连构成了并联机器人的驱动和控制系统.最后,给出了该机器人位姿测量方法,并分别在压电陶瓷的开环与闭环控制状态下进行位姿测量,进而实现误差补偿.实验结果表明:该并联微动机器人可实现10 nm平动重复定位精度;0.0001°转动重复定位精度;具有定位精度和可靠性高,使用灵活方便的特点,满足多自由度精密定位的要求.

提出了一种基于显微干涉和有限差分法在微悬臂梁上实现曲率精确测量的方法.该方法将使用相移显微干涉法测得的微悬臂梁表面弯曲信息与用有限差分法解析的弯曲量进行对比,再运用拟牛顿算法或最小二乘法得到曲率的最佳匹配值.实验结果表明:使用该方法可获得弯曲量测量值和解析值之间的均方根差值在1.5 nm以内的精确曲率值,并且一定的像素偏移带来的误差对曲率测量的结果影响很小.由于方法保留了光学干涉法高分辨率及高精度等优点,并考虑了非理想边界条件的影响,在MEMS残余应力和应力梯度测量中具有较大实用价值.

提出了一种基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器.运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PT和PZT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用阻抗分析仪测试了PZT和PT/PZT/PT薄膜的介电常数.结果表明,在PZT薄膜退火温度同为600℃时,PZT和PT/PZT/PT薄膜均为完整的钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向;在测试频率为1 kHz时,经600℃热处理条件下制备的PZT和PT/PZT/PT薄膜的相对介电常数分别为525和981.最后应用MEMS工艺制作了基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器.在静态和准静态下对微力传感器的传感特性进行了测试.测试结果表明,力与位移或电荷具有良好的线性关系.两种尺寸微力传感器的灵敏度分别为0.045 mV/μN和0.007 mV/μN,力分辨率分别为3.7 μN和16.9μN,满足了微牛顿量级微小力的测量.

提出了在核直接判别式分析(KDDA)中采用分数次幂多项式核函数的方法,并在ORL人脸库中对多头部姿态、尺度等变化进行了实验.实验结果表明,采用分数次幂多项式核函数比采用整数次幂多项式核函数时的KDDA误识别率明显要低(取36个特征数时,误识别率低2%),且随着使用的特征数不断减少,这种优势愈加明显.实验充分证实了在KDDA中采用分数次幂多项式核函数的有效性及其对人脸的光照、头部姿态、面部表情等变化的鲁棒性.

提出了采用Fourier-Mellin算法对大孔径静态干涉成像光谱仪的原始干涉图像进行配准的方法,用于校正由于推扫平台系统姿态不稳所造成的失真.采用Fourier-Mellin算法和相位相关算法求取干涉图像的旋转角度和缩放及平移参数,并通过多帧未校正的图像和校正后的图像分别拼接成大面积地域图像来验证算法.实验结果表明,通过人眼判断,可以实现对图像的配准,配准精度达到1Pixel,基本满足将LASIS原始干涉图校正为不失真图像的要求.

提出了一种基于贝叶斯理论及蒙特卡罗仿真的粒子滤波算法.该算法通过非参数化的蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟方法来实现递推贝叶斯滤波,适用于任何能用状态空间模型以及传统的卡尔曼滤波表示的非线性系统,精度可以逼近最优估计.给出了算法的理论依据及整个跟踪过程的框架,并通过仿真试验对算法进行了验证.与传统的目标跟踪算法相比,本算法不仅能实现对目标的稳定、准确跟踪,将跟踪精度提高到90%以上,并且,当受到严重遮挡而发生目标丢失时,该算法仍然能够在10帧内重新捕获目标.实验结果证明,算法对于部分遮挡等复杂的非线性、非高斯情况具有良好的跟踪性能.

提出了一种局部区域提取星像的算法.该算法采用星跟踪方法提取已知恒星星像坐标,根据这些已知恒星信息在星图中适当范围内提取未知恒星星像坐标并且识别这些未知恒星.对该算法进行了观星测试和在轨验证,实验结果表明:提取星像坐标时只须扫描星图的45%,从而提高了数据更新率;识别未知恒星时由全天球变为整个天球的0.3%,从而提高了识别率.

以一种机载斜视画幅遥感相机为例,介绍了基于该相机建立像移数学模型的全过程.为交流方便,采用飞行力学国家标准的符号和转角正负,并选择与飞机相关的坐标系;提取相机几何模型,并将机体坐标系建立在相机适当位置,将目标航迹速度经飞机姿态矩阵、相机俯角矩阵、光学系统变换矩阵转换为像面坐标系下的像移速度,由此得到视场中心像移矢量计算公式.定性、定量地分析了像面旋转与姿态像移之间的关系;基于异速像移产生的原因,论证了像面旋转机构在姿态像移补偿过程中的作用.

给出了一种基于随机空间点的立体视觉传感器高精度标定方法.该方法无需求解单个摄像机的内外参数,而是将立体视觉传感器透视变换矩阵中的元素作为未知量,当已知一组由高精度三坐标测量机提供的三维空间点坐标及其对应的图像点坐标时,即可利用奇异值分解法求解出各未知量的最小二乘解,从而避免了使用各类标定模板时由于加工和测量误差引入的标定误差.最后用标定过的立体视觉传感器对一组随机空间点进行三维坐标测量,与坐标测量机给出值进行比较表明,在误差最大的X轴方向,测量误差＜0.05 mm,在Y轴和Z轴方向,测量误差＜0.01 mm,证明了该方法的有效性.

利用小波消失矩与其对应的滤波器在z=1处零点阶数的关系,提出了一种设计最佳提升系数的迭代算法.该算法克服了用提升格式方法时求解高阶导数计算复杂的缺陷,通过求解一组简单的线性方程组来设计基于任意双正交小波的提升系数,从而实现了根据具体要求动态地、迭代地设计小波的目的.该算法可以用于设计对称和非对称的小波,并在航空图像压缩中取得压缩倍数为49.913 2,峰值信噪比(PSNR)达46.279 61的良好效果.

针对图像实时高速压缩、传输的需求,设计了一套新型的多DSP图像压缩实时并行处理系统.选择整数CDF(2,2)双正交小波变换结合改进的SHHT算法作为系统的实现方案,利用整数CDF(2,2)双正交小波变换实现图像变换,提高了运算速度,便于硬件实现.根据各个子图像的不同特点,改变扫描路线,采用四路并行分块处理的方法对SHHT算法加以改进,提高编码速度,降低了编解码过程的运算复杂度和时间消耗.根据系统的实时性要求,使用四片DSP处理器构建了一个兼有紧耦合并行系统和松耦合并行系统优点的图像压缩实时并行处理系统.仿真实验表明,基于并行系统的图像压缩算法与传统的压缩算法相比,压缩的峰值信噪比(PSNR)提高了10%左右,压缩时间达到30 ms.

为了提高合成孔径雷达(SAR)图像相干斑抑制能力,建立了二维双通道滤波器组多级结构的相干斑抑制模型.对双通道一维滤波器组进行Mcclellan变换,得到相应的二维双通道滤波器组;由于Mcclellan变换采用零相位映射方式,使二维双通道滤波器组保留了原一维滤波器组的相位和频率响应的特点.建立了双通道二维滤波器组的多级结构,在分解结构中,每级都采用非下采样方式,使其具备平移不变性;最后建立相应的SAR相干斑抑制模型,即对SAR图像先进行同态变换,将乘性噪声变为加性噪声,再利用双通道二维滤波器组多级结构进行分解,对得到的各级高频部分利用简单阈值方法实施信噪分离.模拟实验结果表明,对实验中受噪声污染的航拍图像,本文方法比二维向量积小波降噪方法的信噪比提高了近1 dB;而对原始SAR图像,去噪后等效视数相近,峰值信噪比提高了4.5 dB.因此该方法在噪声抑制和细节保持上要优于二维小波变换.