基于夫琅禾费衍射理论,推导了平行光入射变栅距光栅后衍射光强的角度分布。计算了变栅距光栅参数相同,入射光斑宽度分别为5 mm和10 mm时,衍射光的分布特点和变栅距光栅参数不同,入射光斑宽度为10 mm时,衍射光的分布特点。实验验证了不同入射光斑宽度对光纤式变栅距光栅位移传感器分辨率的影响。结果表明:基于变栅距光栅的衍射特点,入射光斑直径的大小是影响传感器分辨率的一个重要因素。

为检测微弱超声振动信号,设计了一个具有较高检测灵敏度的光学外差干涉系统。采用相干性高的线偏振光作为光源,提高了有效干涉强度;利用光阑消除光学噪声,并有效控制回授光对光路的影响;最后,以1级光作为参照光,使光路调节简单易行。实验结果显示,用主频为62.42 kHz、幅值为74 V的方波信号激励超声探头作为振动信号源时,测得的振动信号频率和幅值分别为62.38 kHz和76.4 mV,表明该系统能满足微弱超声振动检测要求。

为了分析3种不同类型的商业太阳电池片,即P型铸造多晶硅太阳电池、定边喂膜生长硅(EFG)太阳电池和单晶硅太阳电池中存在的影响电池效率的可能性缺陷,对太阳电池的电性能参数如光谱响应曲线、短路电流的二维分布、串联电阻、并联电阻、二极管理想因子、反向饱和电流等进行了表征和分析。对比分析了对太阳电池增加偏置白光前后的光谱响应(外量子效率EQE)曲线,然后采用光束诱导电流(LBIC)法和电流-电压(I-V)(暗,光照)法分别测试了太阳电池中形成漏电缺陷的面分布和太阳电池的电性能参数并借助于太阳电池的二极管等效模型拟合了 I-V 曲线。结合这3种分析测试方法,得出在铸造多晶硅、EGF太阳电池中影响电池参数的主要缺陷是晶界、位错以及材料中的杂质,而影响单晶硅太阳电池的却是存在于体内的金属杂质等。由于原材料中存在不同的少子复合中心,使最终多晶硅,EFG和单晶硅太阳电池的转换效率分别为10.5%,11.7%和15.7%。

利用传统光学系统评价指标斯特利尔比和能量集中度来表征波前编码系统的成像特征,建立了系统"离焦不敏感性"的评价函数。采用所建立的评价函数设计了应用波前编码技术的三片式系统,系统焦深比原系统扩展10×以上。结果表明:新设计方法使得波前编码系统设计得以在流行的光学设计软件CODE Ⅴ、zemax中实现,并可以很方便地控制"离焦不敏感性"和"图像可恢复性"之间的平衡,解决了目前波前编码系统设计时没有现成软件,没有成熟方法的问题。

为了分析气溶胶粒子特别是细粒子(PM_2.5)对能见度的影响,从理论上建立了气溶胶细粒子与能见度的关系,分析了谱分布的变化对PM_2.5/PM₁₀和细粒子消光所占总消光比重的影响。对测量数据与理论计算结果进行了对比分析,结果表明:所建立的气溶胶细粒子与能见度的关系是合理的,理论计算的误差小于30%,这对治理污染和提高城市能见度具有指导意义。

分析了大型光学望远镜副镜位姿精调机构的性能要求,提出了基于Gough-Stewart平台机构的副镜位姿精调机构的2个设计准则:运动精度准则和刚度准则。选取Gough-Stewart平台机构的2个角度尺寸参数和3个无量纲化的线性尺寸参数作为设计变量,分析了各设计变量对机构性能的影响规律;提出了与设计准则相对应的2个全条件性指标:运动传递精度指标和刚度指标,按照统一目标法的乘除法构造统一目标函数,建立有约束单目标优化问题数学模型。针对机构性能比较的实际需要,以普适空间替代全条件性指标中的可达工作空间。针对选定的设计变量定义域,以改进的遗传算法计算得到机构参数的Pareto最优解。结果表明,当动定平台的半径比为1.095时,机构性能最优,相对于动定平台的半径比≤1时的最优解,运动传递精度指标提高了0.7%,刚度指标减少了4.0%。本文的优化设计方法及最优解为位姿精调机构的优化设计提供了参考。

提出了对飞机-地面间激光通信系统天线视轴进行初始对准的方法。论证了系统的硬件组成和算法原理,对实验数据进行了分析。应用GPS、INS等器件测定通信双方的位置、姿态等参数,通过坐标转换矩阵解算了通信双方互指的方位角和俯仰角。给出了距离为12.5 km两个通信点上的模拟初始对准实验数据,实现了视轴初始对准,确定了捕获不确定区域大小为35 mrad。实验表明,该系统可实现通信视轴初始对准,为天线扫描打下基础。

介绍了一种用玻璃毛细管精确测量微量液体折射率的新方法。该方法基于共轴球面光学系统的成像原理,通过读数显微镜对吸入待测液体后毛细管的焦点位置进行单一参数的测量,进而计算出待测液体的折射率。用此方法测量了纯水、乙醇、乙二醇、丙三醇的折射率,各种待测样品的需要量<0.002 ml;测量结果表明,纯水和乙醇样品的折射率测量精度优于0.0003;乙二醇和丙三醇样品的折射率测量精度优于0.0007。选用适当的毛细管参数,可以进一步提高这种测量方法的测量精度,扩展折射率的测量范围。分析和讨论了实验测量误差以及进一步提高测量精度的方法。该方法具有待测液体用量极少、使用设备简单、操作方便和折射率测量精度高的特点。

为了使夏克-哈特曼波前传感器(HS)在具有高灵敏的同时又能获得大的动态测量范围,介绍了一种能够增大HS动态测试范围的软件处理方法-外推法。在运用外推法时,首先需要找出任意子孔径(A)对应的焦斑位置作为起始点,然后利用外推法得到与A相邻的子孔径(B)内的焦斑位置,再以B内的焦斑位置作为起始点外推得到与B相邻的其它子孔径内的焦斑位置,依次类推,直至把所有子孔径内的焦斑全部找到。文中利用实验对外推法的可行性和实用性进行了验证,结果表明,在超出HS动态测量范围2倍的情况下,利用外推法可以完美地复原波面,基本解决了HS的动态测量范围和灵敏度相互矛盾的问题。

提出了一种用于土壤中农药检测的光纤式荧光测量系统。研究了有机物分子发荧光的基本原理,分析了荧光法检测农药的可行性。基于光纤传感技术和荧光技术设计了测量系统,系统以脉冲氙灯为激发光源,以特制的光纤式锥形探头探测荧光,以小型平场光谱仪实现荧光分光,以高速数据采集模块实现荧光信号的采集转换。该系统一次曝光即可获得农药的荧光光谱。利用该系统实现了不同浓度西维因在土壤中的荧光光谱实验,考察了系统的工作曲线和最低检出限。实验结果表明,系统测得的荧光光谱清晰、分辨率高;在0.005～0.1 mg/kg范围内荧光强度和浓度基本呈线性关系;系统的最低检出限(LOD)可达0.005 mg/kg,相对标准偏差(RSD)≤3%,能够满足土壤中农药检测的需要。

对介质桥串联接触式RF MEMS开关的制备工艺进行了研究。介绍了开关的结构,说明了采用常规制备工艺容易在桥膜上形成应力集中,严重影响开关的机械可靠性。通过改进工艺,提出了一种侧向钻蚀刻蚀介质桥膜下金属的方法,获得了平坦的介质桥膜。最后,给出了完整的开关制备流程。与常规工艺相比,新工艺避免了应力集中问题,提高了开关的机械可靠性,成品率从10%提高到了95%,工作寿命从1000次提高到了2.5×10⁷次。此外,在23.3 V的驱动电压下,开关插入损耗<0.55 dB@DC-10 GHz,隔离度>53.2 dB@DC-10 GHz。结果表明该工艺可满足无线通讯对MEMS开关成品率、寿命和微波性能的要求。

研制了基于单片机的速度测试控制系统,根据超声电机的工作原理和运行速度与其驱动频率之间的关系,利用模糊参数自整定PI方法直接检测超声电机的转速,调节超声电机的驱动频率,控制超声电机以期望的速度运行于真空环境。实验结果表明,利用该系统可控制超声电机长时间稳定运行于真空环境下(最高真空度可达0.003 Pa),速度偏差控制在1 r/min以内,基本满足真空环境下超声电机测控的要求。

为解决采用原子力显微镜(AFM)系统进行纳米机械性能测试中存在的不能够直接获得载荷-压深曲线以及不能够随意改变加载、保载、卸载时间等问题,对AFM系统进行了改造,开发了一套基于单片机的信号输入输出模块。将该模块与AFM控制系统相联,形成新的纳米机械性能测试系统。该系统信号输出精度为0.15 mV,信号采集精度为0.3 mV,工作台的移动灵敏度为1.53 nm,可以动态改变垂直载荷,并实时获得载荷-压深曲线。通过单片机设置模拟信号的输出速率可以实现加载、保载和卸载速率的改变;结合二维微动精密工作台,可以实现较大范围内高精度的点阵压痕测试。通过在聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷等材料表面进行实验测试表明:该系统可以高速高精度地测量样品的纳米机械性能参数,包括对样品进行纳米压痕测试和对样品的纯弹性变形过程进行检测,如聚二甲基硅氧烷或者各种微梁等微小构件。

提出了一种基于粗糙集模糊控制的微孔钻削在线监测方法,克服了当模糊系统输入维数高时,系统模糊规则过多,计算过于复杂的缺点。在Matlab环境下,应用构造好的模糊系统对主轴电机三相电流信号进行实时数据处理,获取隐含微细钻头磨损状态的信息值,对微孔钻削过程进行在线监测实验。结果表明,当监测阈值设定为76.7时,可以有效地避免微细钻头的折断。该方法可降低制造成本,提高生产效率。

为了实现大型工件的几何量测量,建立了多测量站的测量网络,研究了相应的多传感器信息融合方法以充分融合多测量站的信息。基于奇异值分解的解析形式将多测量站的测量信息进行空间数据配准,统一到全局坐标系下。再建立各测量站的测量模型,得到各测量站的协方差矩阵和雅可比矩阵,按矩阵加权线性最小方差最优融合准则,求取权重矩阵,对多测量站的测量数据有效融合。仿真实验给出了某一空间的平均测量结果,全站仪、经纬仪测量系统和激光跟踪仪的测量误差分别为0.7451 mm、0.0449 mm和0.0327 mm,融合测量误差降低为0.0128 mm。最后,将该方法实际应用于隧道构件的测量网络,理论、仿真和实际实验都验证了本文提出的融合规则可有效提高融合精度,融合精度优于各局部精度,增强了测量网络的冗余性和可靠性。

研究了激光共焦扫描显微镜(LSCM)在微结构分析中的应用,综述了该项应用的优势。LSCM的高分辨率和光强调节功能,使其可用于大角度测量;与图像处理系统相结合,便于微结构的定性和定量分析;而全自动样片台沿X轴和Y轴的自动扫描实现了图像的拼接功能。实验结果表明:运用LSCM测量的斜面最大角度至少可以达到50°;在悬臂梁的形貌分析中,可获得清晰的三维形貌,同时通过二维定量分析精确测得其形变为3.145μm;在100×物镜下,运用拼接功能获得384μm×288μm的视场面积,解决了高放大倍数下,在单帧显微图像中无法获取所观测对象全貌的问题。LSCM在微结构分析中的应用弥补了其它形貌分析设备测量功能上的不足,提升了微机电系统的测试水平。

以狭缝阵列为例,利用模匹配法并结合实验对即贴型频率选择表面(FSS)与介质板的复合结构进行了研究,分析了不同厚度的聚酰亚胺基底膜和粘合胶层对谐振频率的影响以及不同复合方式下的频率响应。结果表明,即贴型FSS结构中,基底膜与粘合胶层等细节的影响不可忽略,影响程度与复合方式和介质厚度均密切相关。复合结构中应当含有粘合胶层,避免空气间隙的影响。仅当基底膜和粘合胶层的介电常数小于介质板或与之相近,且介质板厚度为基底膜和粘合胶层厚度的10倍以上时,采用合适的复合方式,才能使基底膜和粘合胶层对复合结构传输特性的影响降至最低。一系列厚度的介质单侧加载时的FSS结构频率响应测试结果与计算结果的对比表明,粘合工艺的缺陷会导致即贴型FSS结构的传输性能发生变化,FSS的设计应当全面考虑上述因素的影响。

研究了微热板的传热特性,从理论上分析了恒温模式下工作温度和结构尺寸对微热板电阻真空传感器工作特性的影响。设计了一种边长为93μm、四臂支撑的方形微热板结构的电阻真空传感器,支撑桥长65μm、宽21μm,微热板与衬底之间的气隙高度为0.5μm;采用表面微机械加工技术成功实现了该传感器的加工。用恒温电路进行测试的结果显示,该微热板真空传感器气压测量范围约2～10⁵Pa,且响应特性与理论计算结果相符。

提出了一种新型的基于Stewart平台的预紧式六维力传感器结构,并对其进行了位姿误差分析。以经典Stewart平台六维力传感器为比较对象,描述了新型预紧式六维力传感器的结构特点;综合利用影响系数法和矢量法建立其位姿误差模型,定义位姿误差灵敏度指标并据此绘制误差灵敏度直方图以分析不同误差因素对传感器位姿误差的影响;最后,研制出传感器样机并完成了标定实验。实验结果表明,该传感器测力精度在1%以内。所研究内容对六维力传感器的设计制造和实验标定具有理论指导意义。

提出了基于内积的压电陶瓷动态神经网络非线性、非光滑迟滞逆模型,采用反馈误差学习方法,快速地在线得到压电陶瓷的逆模型,避免了通过正模型求取压电陶瓷的Jacobian信息。结合PID反馈控制,在dSPACE系统平台上实现了压电陶瓷的神经网络自适应逆控制。为提高实时性,采用了效率高、速度快的C-MEX S Function编程。实验结果表明:神经网络自适应逆控制的控制精度为0.13μm,而PID控制精度为0.32μm。所提出方法有效地消除了迟滞的影响,控制精度高。

针对太阳观测中产生的极大数据流量,提出了一个遵循xDM标准的渐近式图形文件(PGF)压缩编码器对太阳观测图像进行实时压缩以节省存储空间和网络带宽。分析并裁减了在自然图像压缩和压缩速度方面都有很大优势的PGF压缩算法;按xDM标准要求的接口设计了一个PGF压缩编码器,并针对达芬奇硬件架构的特点在软件设计、C语言编程和线性汇编等多个方面进行了优化;最后,对压缩比、压缩时间和压缩信噪比等性能参数进行了在线实时测试。测试结果表明,优化后的PGF压缩编码器的压缩速度是原有编码器的18.7倍,完全满足太阳望远镜实时图像处理终端的要求。

提出了一种基于自适应窗口选择粒子图像测速(PIV)技术的序列星图运动参数估计算法。算法通过自适应选取窗口,使得分析窗口内恒星的成像密度达到最大,且窗口边缘区域不存在高亮恒星成像,然后对分析窗口进行互相关计算,求得序列星图的运动参数。仿真试验表明,本文的算法克服了恒星进场或出场导致分析窗口互相关计算精度降低的现象,提高了互相关运动参数估计的精度,将估计误差降低到了0.01 pixel 以内。该算法可以准确、快速地对星图的全局运动参数进行估计,为序列星图配准奠定了基础。

选择多层介质作为样品,根据波恩一阶近似理论建立了单次散射的无限细直光束频域OCT模型,并分析了散射积分方程很难得到精确解的原因。蒙特卡罗仿真结果表明,一类和二类光子出射后在空间的分布存在着一定的差异,通过调整接收器的面积,可以在一定程度上很好地抑制二类光子,尽可能多地接收一类光子;通过分析时域OCT与频域OCT的区别,进一步确立了频域OCT的优势地位;通过改变复杂生物组织的模型结构,对由于能量衰减而造成的图像灰度失真做了近似的补偿。

为了提高图像信息隐藏方法的鲁棒性以及增加隐藏容量,提出了一种可以抵抗SPA分析的HSBH算法。介绍了SPA方法的思想和原理,分析了高位空域隐藏算法HSBH,得出其并不能抵抗SPA分析的结论。进而对HSBH算法进行了改进,提出了一种有效的可以抵抗SPA攻击的方法。实验结果表明:借助SPA方法的思想,可以在隐藏率>3%的情况下,准确检测其是否含有隐藏信息,正确检测率达到95%以上。改进后的HSBH算法,无论嵌入量多少,SPA分析都将得到一个非常小的估计值,并做出未隐藏信息的错误判断,从而达到安全隐藏信息的目的。

针对光切法测量受太阳光照、被测物体表面纹理信息、被测表面低反射特性等干扰因素的影响,很难准确地提取激光光带信息的问题,提出了一种有效消除这些因素的方法。控制激光光源,连续采集两幅图像,保证其中只有一幅图像包含激光光带信息;然后进行背景运动补偿,使两幅图像只在激光照到的位置处稍有不同;将两幅图像相减,使激光光带信息突出;最后,对光带数据进行细化、修补,获得完整的光刀中心轮廓线。实验结果表明,所提出的方法有效地消除了上述3种干扰因素的影响,非常适合于现场运动工件的表面形貌测量。

提出了一种在一个编码区内利用立体视觉传感器两次单元测量重叠区域内的公共光学编码点来完成多视点三维数据拼接的方法。通过奇异值分解法求取立体视觉传感器位姿变换的R和T矩阵,将后一次单元测量结果转换到前一次单元测量的坐标系下,完成坐标系的归一化。实验证明,该方法在使用12个编码点求解时,坐标归一化后在X、Y、Z方向上1.2 m×1 m×0.4 m范围内的平均误差分别为0.08 mm、-0.07 mm和-0.02 mm,达到了较高的拼接精度,同时该方法无需在被测目标上粘贴任何特征点,真正实现了非接触测量。

针对小波编码算法在编码过程需要占用大量内存的问题,提出了一种基于块位长的小波嵌入零块编码算法。该算法通过以下几项措施来减少编码过程的内存占用,同时提高编码的工作效率:(1)LL_n子带单独编码;(2)提出位长定义,建立块位长位图;(3)通过位长位图代替排序,细化链表,减少内存占用;(4)通过位长位图的树结构来快速搜索重要块,克服重复扫描,加快编码速度。软件测试结果表明,对一幅512 pixel×512 pixel×8 bit的图像,该算法占用的内存空间为SPECK算法的1/27;硬件实现结果显示,雷达图像质量测试完全达到国际标准;该算法在保持高信噪比的同时,有效地减少了编码过程的内存占用,易于硬件实现。

针对海洋监视卫星遥感图像的特点,提出了一种基于感兴趣区域(ROI)的自适应海洋遥感图像近无损压缩算法。对图像进行了形态Harr小波最大提升后,在一个分辨率低的高频子带中利用阈值和八邻域连通分析方法检测出目标,使用外接矩形与环面的交集来描述ROI,其他分辨率高频子带的ROI通过Mosaic放大得到。高频子带中的ROI采用Rice无损熵编码方法,非ROI进行比特平面编码。低频子带采用DPCM和Rice结合的无损编码方法。实验结果表明,该算法能有效地划分ROI,且没有明显的ROI分割痕迹。在中低比特率时,本文算法的峰值信噪比(PSNR)比JPEG2000的高2～5 dB,在高比特率时,两者的PSNR均在45 dB以上。本文算法计算复杂度低,易于硬件实现,且具有自适应性和数据包独立的优点,适用于海洋监视卫星遥感图像的近无损压缩。

提出了一种基于序列图像特征点配准和基于最小二乘估计的摄像机绕轴旋转运动精确估计算法。该算法利用序列图像帧间的强相关性,通过分析相邻两帧图像的运动,由Harris算子进行特征点检测。基于这些特征点用模板匹配方法对帧间图像进行配准,然后根据多个特征点的运动矢量用最小二乘估计获得摄像机的运动参数,并用获得的运动参数实现对摄像机绕轴旋转运动的精确补偿。实验结果表明,该方法在帧间旋转角度<10°时,摄像机绕轴旋转运动角度估计误差<5%,但是当旋转角度>14°时,相对估计误差>20%。从系统实际应用(帧间旋转<5°)来看,该方法克服了成像测量中摄像机旋转对图像处理和测量精度的影响,弥补了因像机旋转引起的测量误差大的缺陷,提高了测量精度,可满足使用要求。

描述了光学相干层析方法在玉石检测中的应用。利用中心波长1310 nm的宽带光源和傅里叶域光学延迟线实现了扫描速度1 frame/s、纵向分辨率15μm、成像深度3 mm的光学相干层析成像系统。通过实验现象和物理解释阐述了光学相干层析图像信息与玉石结构特征的对应关系,并根据翡翠样品在层析成像中光学散射特性随深度变化的梯度和在二维被测切面内的强弱分布,提出了评估翡翠透明度和净度特性的光学方法,指出OCT图像特征亦可直观显示古玉钙化沁色部分的光学特性差异。实验结果验证了OCT检测方法用于区分翡翠透光特性的可行性,显示了OCT成像在辨别古玉钙化沁色特征中的应用潜力。