提出了一种多传感器联合探测天基目标的方法。该方法利用地基雷达预测目标飞行轨道,给出目标飞行轨迹,使天基探测设备在一个置信度较高的区域搜索;然后,结合天基平台的红外探测、主动激光探测以及可见光探测方法,保证在不同背景下获得高的目标捕获概率。有效孔径为0.5 m时,在现有设备的技术能力下,得到如下结论:太阳光照射正常时,CCD探测在距离上有明显的优势,融合后的结果几乎完全取决于可见光探测方式;正照射角>90°或无太阳光照射时,联合探测能力与激光束散角有关;而当束散角≤0.5 mrad时,采用主动激光探测更优。本研究为实施天基目标的瞄准探测提供了一条新的途径。

提出了一种新的基于预热温度轨迹规划和轨迹跟踪的塞曼稳频激光器预热控制方法。根据纵向塞曼激光器稳频控制过程的特点,规划了预热过程中谐振腔的一阶指数温度轨迹,以在不同温度环境下兼顾预热效率和稳频效果。采用预测函数控制(PFC)算法,通过预测输出的滚动优化和反馈校正,使激光器谐振腔温度精确跟踪规划轨迹上升直至逼近预设温度阈值θ_set。最后,建立纵向塞曼激光器预热及稳频控制系统,在不同环境温度下对本文预热方法进行实验验证。实验结果表明,在15～25℃内,基于本文控制方法的稳频系统可在16 min内完成预热和激光频率锁定,且不同环境温度下的锁定温度变化范围<0.4℃,相应的中心频率环境温度漂移<0.25 MHz(相对漂移0.5×10^-9)。该方法为提高稳频系统的预热效率和稳频效果提供了一种新的技术途径。

根据多光束干涉原理制备了非本征光纤法珀(FP)型传感器,用于测量在液体中传播的超声波,分析了传感器灵敏度和幅频特性的影响因素,研究了其输出信号的特征。用镀膜的石英膜、尾纤端面和空气腔形成FP干涉腔。建立了传感器参数确定的方法,对石英膜的幅频特性进行了理论分析和实验验证。最后,建立了非本征光纤FP超声测量系统,讨论和验证了不同工作点状态对系统输出信号特征的影响。实验结果表明,本文制备的非本征法珀型超声传感器可以进行液体中超声的测量;传感器的一阶谐振频率为140 kHz,灵敏度为0.005 nm/Pa。该传感器的输出信号特征决定于工作点状态及输入信号的调制深度,当工作点位于工作曲线的线性区中点时,输出信号的灵敏度最高;当过调制时,输出信号出现倍频,可以扩大测量范围。

针对热容运转模式下的固体激光器,修正了二极管泵浦光强分布,并且考虑激光工作物质的比热容和热传导率随温度变化的特性,建立了三角均布脉冲LD侧面泵浦固体激光工作物质的热传导物理模型。利用有限元方法,模拟分析了激光工作物质的温度变化过程。结果表明,由于泵浦光的不均匀分布,热容运转模式下的固体激光器仍然会受到热效应的影响。分析比较了热容固体激光器和连续泵浦、脉冲泵浦模式下热稳态固体激光器工作物质的热效应,3种工作模式下,激光工作物质内的最大温差分别为3.59、35.51、8.07 K。表明热容运转模式下,激光工作物质内温度梯度非常小。讨论结果对热容激光器的设计工作提供了参考。

针对通用镀膜仪膜厚监控的稳定性、精度和自动化程度不高的状况,研究了一套新的光电控制分析系统。设计了基于双频调制的四光束光电测试系统,采用双锁相电路和复合滤波的综合数字处理系统进行膜厚监控信号处理,并通过控制分析系统实现自动监控。测试结果经方差分析后表明:反映膜厚控制重复性的膜厚标准偏差<0.55%;信噪比达到1 000;数码显示值的线性度非常高,反射率的数码显示分辨极限为0.02%;系统静态漂移的线性程度很高,漂移率<1.95%/h,静态稳定性优于通用系统2倍。提出的系统极大地提高了光学薄膜厚度监控系统的静态、动态稳定性、信噪比以及膜厚控制精度。

在碳化硅陶瓷反应连接工艺的基础上研究了一种新型的反应连接工艺,利用该工艺连接了自制的反应烧结碳化硅(RB-SiC)陶瓷。对连接的RB-SiC陶瓷样品表面初步抛光后,测试了焊缝宽度、焊缝处的显微组织结构、连接层的力学性能和高低温实验后连接层对表面面形的影响。测试结果表明:利用新型反应连接工艺连接的RB-SiC陶瓷的焊缝宽度分布在54～77μm之间;焊缝处的显微组织结构非常均匀,接近基体材料;测试了10个样品的室温抗弯强度,平均值为307 MPa,而且断裂都产生在母材上,说明焊缝处力学性能优异;高低温实验后,整块碳化硅陶瓷表面面形无变化,说明连接层的热学性能与母材一致,无残余应力。

用双膜盒作气压的敏感元件,将光纤微位移传感器用于检测膜盒随压力变化引起的形变,避免了其他检测膜盒形变方法的缺点,使气压传感器的性能得到改善和优化。为了提高检测灵敏度、降低检测限,使用了双通道光纤传感器,构造了一个气压测量装置,并以标准空气压力计对这种光纤气压传感器的输出变化随气压变化的关系进行了标定。结果表明,测量范围可以达到900～1 170 hPa,分辨率为0.2 hPa,精度为±0.1 hPa。改变光纤探头到膜盒反射面的初始间隔,实现气压测量区间位置的变化,进一步优化光纤探头的结构参数,可以拓宽大气压力的测量范围。

在分析目前常用的燃烧室计算流体动力学(CFD)几何建模方法的基础上,以美国麻省理工学院(MIT)研制的微型涡轮发动机的六晶片燃烧室为研究对象,利用虚拟装配技术原理,基于三维建模软件SolidWorks平台,构建了该发动机的微燃烧室结构。结果表明,利用机械虚拟装配技术构造该发动机微燃烧室结构的方法可行,优于目前该领域使用的几何建模方法,可降低Power MEMS产品的成本,推动Power MEMS的产业化。

研究了用于微装配操作的毫米级全方位微机器人,重点分析了影响其运动精度的结构设计与控制方法。指出了结构设计的优点和不足,主要涉及传动系统、轮子的安装等;控制方法主要涉及路径规划和驱动器电磁微马达等。提出了对工作区域进行分区的路径规划控制方法,解决了微机器人直线运动的非线性问题。针对电磁微马达的结构特点,提出了矢量合成、力矩自平衡等特殊的控制方法和思想,将微机器人步进运动精度较常规控制方法提高了3倍。实验结果表明,微机器人能够准确运动到微装配目标区域,运动精度达到0.07 mm/step,基本满足微装配的应用要求。

建立了光盘母盘刻录的光刻模型。该模型使用矢量衍射来计算聚焦光斑的光强分布,使用多层薄膜的光传导来描述光在光刻胶中的传播。给出了关键工艺参数,例如光刻胶厚度、显影液浓度和显影时间,实验研究了这些参数对典型坑点的深度和宽度的影响并进行了仿真。研究结果表明,光刻胶厚度的减小会引起宽度的增大和深度的减小。延长显影时间和增加显影液的效果相当,都会引起坑点宽度和深度的增加。实验和仿真结果吻合,两者偏差在±5 nm以内,证明了模型的正确性。分析结果对实际工作中多阶母盘的制备很有参考价值,同时,理论模型还可用于分析其他工艺参数对母盘刻录的影响,或用于分析其他格式光盘的母盘刻录工艺。

建立了基于数控装备的液流悬浮超光滑加工系统,研制了可控制加工压力的柔顺加工装置。应用流体动压理论分析了液流悬浮超光滑加工过程中的流体动压力分布规律,研究了工具转速和加工间隙对流体动压力的影响规律,并通过实验得到了加工间隙和流体动压力对加工效果的影响规律。结果表明,随着工具转速的提高,流体动压力逐步增大,在工具转速为6 000 r/min左右时,流体动压力达到最大值,然后又逐渐减小。随着加工间隙的增大,流体动压力逐步降低,并最终趋于稳定。加工间隙在5～40μm时,加工效果比较明显。在工具转速为6 000 r/min左右、加工间隙在10μm附近时,流体动压力增强为5 N左右,加工效果最佳。

利用多孔上电极叠层微结构,以真空镀膜技术形成气敏膜,采用MEMS微加工技术研制了气体传感器。依据等效电路和工艺边界条件,通过电导公式推导出传感器的输出电导提高了10³倍,解决了有机半导体的信号采集问题。通过SEM微观形貌,确认蒸发电流100～120 A、蒸发时间8～12 s为电极成膜最佳条件;气敏膜表面呈现二次化学反应融合的200 nm左右"米粒状"活性颗粒状态,均匀一致,孔隙有序。测试结果表明:比例系数为0.15～0.35的硫酸掺杂CuPc_xPANI_1-x对SO₂有最佳的灵敏度;考虑到减少H₂S气体干扰,选择CuPc_0.35 PANI_0.65为气敏材料,在加热电压V_H为 1～2.5 V时提高了传感器的灵敏度特性和响应恢复特性,响应时间为30 s;传感器输出特性为单对数线性关系,检测范围为0～200×10^-6;经6个月的稳定性考核,其输出阻抗漂移≤±5%,灵敏度漂移≤10%。

提出了一种全新结构的超声波送料器。为了克服电磁干扰和消除噪声,采用基于压电陶瓷的超声波换能器作为送料器的驱动装置,对超声波换能器的振动模式和性能参数进行了分析和设计。为了实现给料器的有效振动,采用了垂直驱动型的结构,对结构进行了设计、计算,并建立了相关的方程。实验表明:在工作频率为17.5 kHz,弹簧片厚度为7 mm时,对直径3 mm的金属薄片的输送速度可达到36 cm/min。该送料器能够实现对微小物体的输送,物料运动趋势明显并且消除了电磁干扰。

用光纤光栅(FBG)设计了曲面传感阵列,利用了空分复用和波分复用技术构建传感网络检测系统。传感器的数目根据检测仪器的最大解调范围确定;传感器的位置分布由振动波传播理论确定。综合考虑曲面应力状况和变形特点,在振幅最大的位置布置传感器,在曲面应变大的位置布置稠密,反之稀疏。根据曲面变形的有限元模型,实现了模拟太阳能帆板柔性曲面传感网络设计,并对传感网络的检测精度进行测试。实验表明,传感网络中传感器波长改变与曲面变形位移具有良好的线性关系,传感网络中传感器位置合理,传感网络能够检测帆板曲面样机的多种变形。传感器封装长度保持40 mm时,传感器测试误差仅为0.4%,柔性曲面测试误差<4%。

为减少表面功能评定中测量数据采样起始点位置对传统小波模型滤波结果的影响,提出了一种基于双密度小波变换的表面形貌分离新方法。将原始轮廓信号通过双密度小波分解为一系列小波函数和尺度函数的线性叠加,对表面各不同成分所对应的小波系数进行重构,即可得到所需的表面形貌的分离信号。仿真和实验验证表明:提出方法得到的分离粗糙度、波度等频率成分的准确性比其它方法提高了4%左右。新方法减小了采样点位置对滤波结果的影响,可以实现对表面特征平移不变的有效分离和提取,并提高了表面测量的精度。

为了有效地组织、管理、浏览、检索图像数据库,提出了一种综合全局统计特征和局部二值位图特征的图像检索算法。分别计算图像R、G、B三通道的均值和方差,获取了图像的全局统计特征。然后,根据块截断编码思想,将图像划分成4×4的图像子块,同样计算其均值。若块均值大于图像全局均值,则该块设为"1",否则,设为"0",由此,得到图像的二值位图特征。最后,对归一化的特征进行有机融合并采用最佳相似匹配函数进行检索。实验结果表明:综合两种特征的效果比使用单一特征的效果好;和同类算法相比,该算法鲁棒性好,前100幅图像的平均检索准确率达到63%,相对本文提到的另外两种算法都提高了4%以上。

针对具有不同亮度的点目标或某点目标亮度不断变化的情形,设计了线阵CCD视频幅值调节器反馈系统。应用固定双阈值法进行边界检测并利用灰度重心法进行像元细分,以实现对点目标的精确定位。CCD视频幅值调节器控制系统通过对光积分时间和程控增益的定量数控调节,使每线视频信号的光点图像目标的尖峰灰度幅值保持恒定,显著降低了对光源和光路的设计难度和成本。固定双阈值边界检测定位法可以截取品质很好的对称边缘,避免了光点尖部不规则对定位结果的影响。与传统的二值化方法相比,该系统不需要额外的二值化参考电平硬件电路,系统简单可靠,算法优越,可以实现<1/10 pixel的细分效果,定位结果保留小数点后2位有效数字,在工程应用上实现了对光点的精确定位,其2变量无级调光数控系统方案可为多变量摄像调光系统的设计提供重要参考。

通过分析三维重构系统视场内3D点的重构不确定度,可以有针对性地优化系统配置,改善实验条件。给出了一种借助于不确定度传递原理估计三维重构不确定度的方法,该方法同时考虑了相机标定和重构3D点过程中的不确定度传递。相机模型参数既是相机标定过程的输出变量,又是重构3D点过程的输入变量,因此可将三维重构过程看作一个两阶系统。针对非线性相机模型给出了三维重构过程中不确定度传递的解析表达式。应用蒙特卡罗算法对文中提出的方法做了验证,并给出了一些典型的应用实例。实验结果表明,三维重构不确定度的估计值至少具有1位有效数字,同时也表明该方法是可行的。

提出了一种新的快速立体匹配算法。该算法根据图像边缘特征自适应地变化窗口,并采用灰度差平方和(SSD)作为相似判定准则计算初始视差图;通过左右一致性校验去除误匹配点,在构造能量函数时,将初始视差作为能量函数的一个参考项;最后采用图切割算法求取使全局能量最小的视差最优分配。用标准图像测试了所提出的方法,并与其他方法进行了比较。实验结果表明,该算法不仅能够保留基于图切割的立体匹配算法能较好地处理大的低纹理区域和遮挡像素的优点,而且匹配时间短,运行时间比原有算法缩短了约2/3。

提出了基于法线方向的点包容检测算法。过待定点作一射线,此射线可能与多边形的某几条边有交点,从待定点向这条边的两端点作两个向量,求这两向量的法线方向。对法线方向进行计数,若法线方向为正向,将计数器加1;若法线方向为反向,将计数器减1。当法线方向的正反次数相同时,待定点在多边形外,否则在多边形内。此算法避免了某些算法的错误,计算量小,复杂度为O(n),简单易行。通过软件实验验证可知,算法简单有效、稳定可靠,对简单多边形、自相交多边形及带孔多边形等多类情况同样适用。

对基于RS纠错码和奇异值分解的多功能数字水印算法进行了研究。算法分为两个部分,版权保护算法和用户跟踪算法。多功能水印的版权保护算法利用RS纠错编码的特性,针对客户端与认证中心分别设计了水印提取算法,保证了两者不同的鲁棒性能要求。该算法在嵌入水印时,并不区分提取时的两种场景,使嵌入与提取时形成非对称,增强了保密性也简化了计算复杂度。多功能水印的用户跟踪算法采用奇异值量化和分组嵌入算法添加水印来实现高强度鲁棒性。实验结果表明:多功能水印嵌入后的图像PSNR值为47.96 dB,版权保护水印利用RS纠错码前后鲁棒性曲线明显不同,用户跟踪水印在受一般攻击的情况下仍能100%提取。

在分析尺度空间理论和Mean Shift跟踪算法的基础上,提出了一种尺度方向自适应Mean Shift跟踪算法。根据起始帧图像中目标和背景的差异,分割出目标覆盖区域,并根据尺度空间理论对目标建立最佳描述椭圆。对于后续帧,以上一帧目标的最佳椭圆描述为初始值,根据Mean Shift迭代原理依次更新椭圆参数。实验结果表明,新算法可以有效、稳健地适应目标旋转缩放等复杂运动。

采用帧转移型面阵CCD FT18作为传感器件,设计了一种高帧频大面阵CCD驱动电路。这种高速驱动电路能够保证在跟踪视频不变的情况下增加成像系统的视场角,满足了大视场搜索目标的要求。在介绍面阵CCD FT18的结构和特点的基础上,完成了FT18的时序电路和功率驱动电路的设计,并采用相关双采样(CDS)技术滤除了视频信号中的相关噪声,提高了系统的信噪比。对系统进行了辐射定标,定标实验数据表明,当CCD积分时间为0.32 ms时,CCD响应度为线性,验证了驱动电路工作正常。整个系统采用现场可编程门阵列(FPGA)作为核心控制器件,完成自上而下的模块化设计,实现了硬件设计的软件化,提高了开发效率。

将三维多级树集合分裂(3D SPIHT)算法用于高光谱图像的压缩。根据高光谱图像的特点进行波段分组以得到处理单元,对各组分别进行三维小波变换,去除谱间和谱内冗余;利用3D SPIHT算法对变换后小波系数进行编码,去除系数之间的冗余。采用整数小波和浮点小波分别进行无损和有损压缩仿真,AVIRIS和OMIS实验结果表明,在bit/pixel为1的条件下,平均PSNR比准三维方法分别高0.91 dB和1.38 dB,且算法具有嵌入式、可伸缩性等优点,但无损压缩的平均bit/pixel比基于预测的方法高0.308和0.159。3D SPIHT算法用于高光谱图像压缩可以获得较好的有损性能,但无损压缩性能逊于基于预测的方法。

提出了一种简单的流体密度梯度分布测量系统,该系统在传统纹影系统中引入计量光栅,将光线因流体密度变化引起的偏折转变为投影条纹图的变形,通过分析变形条纹图来提取流体密度梯度分布信息。在分析条纹图时,使用小波变换相位分析法,利用小波变换的局部化特性,有效消除无效数据的影响。实验结果表明:系统的密度梯度测量范围能够达到0.01 g/cm⁴,测量精度能够达到5×10^-6 g/cm⁴。系统装置简单,调节方便,适用于密度变化大的流体密度梯度测量。

通过椭圆形(长轴为225 mm,短轴为161 mm)SiC平面反射镜的全口径面形加工测量实验,验证了一种新的子孔径拼接测量算法—子孔径拼接迭代算法(SASL算法)的有效性。用100 mm口径平面平晶的子孔径拼接测量与全口径测量的对比实验,确定了拼接测量相关参数及测量装置的精度指标。在此基础上设计了SiC平面反射镜的子孔径拼接实验,在搭建的拼接装置上实现了5次离子束迭代加工过程和最终的全口径面形测量。加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差RMS快速收敛到50 nm。实验证明,SASL算法能大大放宽拼接装置对对准运动的精度要求,并能减少拼接过程对拼接结果的影响。

研制了双探测器结构的滤光片型漫反射近红外光谱仪。用分束镜将单色光分成两束,一束光直接被一个探测器接收,另一束光经过积分球后照射到样品上,样品的漫散射光被积分球上的另一个探测器接收。将两个探测器的测量值相比较,计算出样品的吸光度。应用该仪器检测了漫反射标准板的漫反射率,测量值与标称值的相关系数平均为0.995,标准偏差平均为0.01。另外,使用该仪器测定了奶粉、牛奶及酱油相关成分含量,近红外光谱与奶粉的蛋白质和脂肪含量的相关系数＞0.9,与酱油及原奶的相关成分含量的相关系数＞0.8。检测结果表明,自制的双探测器结构滤光片型近红外光谱仪可以准确获得样品的漫反射率。

为了精确设计平板波导凹面衍射光栅,提出了改进的刻槽位置递推计算方法。通过一组约束方程表示光栅刻槽位置,利用递推方法求得约束方程的数值解;为了提高计算精度,在方程组的数值求解过程中引入牛顿迭代算法。设计了两种特殊的光栅结构,即平接收场结构和平顶频谱响应结构,对采用不同方法的设计进行了对比。结果表明:采用改进的刻槽位置递推计算方法计算的结果与采用高级次光程函数级数展开法计算的结果相同,而采用原有刻槽位置递推计算方法的计算结果则随着刻槽序号的增加偏离误差越来越大。结果证明了这种设计方法不仅可以实现平板波导凹面衍射光栅的精确设计,同样适用于设计其它特殊结构的光栅,证明了该方法的实用性和有效性。

为了验证傅里叶望远镜技术的成像可行性,进行了实验室环境下的实验验证。通过不同空间频率的条纹扫描目标获取包含目标傅里叶信息受时间调制的回波信号,利用傅里叶解调及相位闭合技术获得目标的频谱图,并通过二维傅里叶逆变换得到重构的目标图像。最后,给出3 mm目标的实验重构结果,并与计算机仿真结果进行比较。实验结果表明,在实验室环境下傅里叶望远镜成像结果与计算机仿真结果吻合较好,该结果可作为后续的实验室标定和外场实验的参考。