通过对比和研究电磁感应透明、相干布居振荡、受激布里渊散射和光子晶体波导等几种使光速变慢的主要技术,论述了近10年中的慢光技术重要理论和技术上的发展以及这些发展对慢光性能的改善及存在的问题与不足,重点介绍了近几年慢光产生的一些新技术及初步应用,并预测了慢光技术今后的发展趋势及潜在应用。本文的研究表明,慢光在光纤传感以及其它领域中将会有越来越重要的应用价值。

基于蒙特卡罗方法,对两种典型的接收与发射无公共视场的情况进行了仿真模拟,解决了单次散射近似不适用的传输问题。对于1 W的光源,大气吸收系数ka=1.2 km-1、散射系数ks=1.5 km-1时,对于收发器背向情况,信号能量在距离为50 m处约为0.27 nW,其随距离增大呈指数衰减;对于接收视场受限情况,200 m远处信号能量约0.23 nW,并随距离增大迅速增强。实验测试结果验证了模拟结果的正确性,表明该方法适用于较复杂地形条件,为发射和接收无公共散射体情况下的光传输提供了一种理论模拟方法。

在子孔径拼接和定位算法的基础上研究了环形子孔径迭代拼接算法。该算法可通过精确找出重叠点对和寻找最优位形两个步骤来简化。研究了该算法在环形子孔径拼接测量中出现的如何确定重叠点的问题,并详细介绍了该算法的步骤。最后对160 mm口径的抛物面进行了拼接测量实验, 拼接结果的PV值为0.186λ,RMS值为0.019λ,与自准直全口径测量结果基本一致。结果表明,环形子孔径的迭代拼接算法能够满足非球面镜的高精度测量。

为了实现转镜的高转速、连续可调以及高度稳定性,对转镜Q开关的高速电机及其驱动控制系统进行了设计。采用AVR单片机、栅极驱动集成模块和IGBT设计了控制高速电机的变频驱动系统。实验结果表明:所设计的高速电机转速<60.8 kr/min时,驱动系统可平稳转动且无抖动现象,而且还能实现转镜Q开关的快速关断。将设计的棱镜转镜Q开关应用于二极管泵浦固态激光器(DPSSL)中,在转速为43 kr/min时,实现了具有14 kHz高重复频率大功率快速关断能力的Q开关技术,获得了小于百纳秒的脉宽输出,是目前转镜技术得到的最佳结果。

研制了一种新型的平面移动式车灯配光检测系统。通过同国内通用的转台式车灯配光测试系统比较,建立了误差传递函数,分析了两种系统的误差;与标准照度计比较,测试出测试点的光照度值误差;最后,由多点残差法计算信号灯最佳测试距离。对JT200和AD100车灯进行测试,结果表明,该测试系统的理论定位精度为0.14 mm,是转台式测试系统的31倍,照度测试误差为0.02 lx,精度提高了2倍;该测试系统信号灯发光强度测试误差与测试距离成正比,转台式测试系统的最佳测试距离为2 m,而不是国内通用的3.16 m。该检测系统精度高,车灯测试距离可调,易于控制,能满足国际标准测试要求。

为了控制薄膜反射镜面形,建立了静电拉伸薄膜反射镜物理模型。根据静电力与薄膜变形载荷作用力之间的平衡关系和静电拉伸薄膜反射镜成形的复杂过程,介绍了薄膜反射镜静电成形的控制原理;以三等分环状电极为例,分析了静电场中空间电势分布特性,即从拉普拉斯方程推导出静态场势函数的表达式;然后,利用差分与电势方程结合的方法,对单电极电场力和三等分环状电极电场力进行了数值求解;最后,将计算面形与理想抛物面进行了比较,结果显示,单电极情况下得到的薄膜反射镜面形不是理想抛物面,若采用多电极控制可获得更高的控制精度。模拟结果和实验结果表明:多电极控制情况比单电极情况下受力更接近均布力分布,口径180 mm的薄膜反射镜在相同口径单电极控制下,施加10 000 V电压可得到反射镜最大变形为0.001 094 8 mm。系统长时间工作安全稳定,薄膜变形的对称性较好。

描述了椭圆型晶体谱仪配X射线CCD相机的X射线谱测量系统(EBCS-XCCD),研究了CCD相机记录信号的解谱处理方法,推出了对实测原始谱曲线辨认或标识值的计算公式及激光等离子体辐射X射线在某一波长光谱强度的公式,使之应用在激光打靶产生的等离子体源辐射X射线谱的回推,辨认出了激光等离子体X射线源能谱,并与文献[1]的结果进行了比较,结果基本一致。测试结果证实了解谱方法的可行性,表明X射线CCD相机适用于椭圆型晶体谱仪的光谱测量记录。在已知晶体的积分反射率、滤片透射率和CCD探测效率的条件下,可以获得X射线源光谱强度,为下一步诊断激光等离子体的电子温度和离子密度的空间分布轮廓和进一步细化X射线激光研究奠定了基础。

根据数值传热学的方法模拟了目标表面温度分布,分析了隐身涂料的性能参数(短波吸收率αs、长波吸收率αl与表面发射率εt)对目标表面温度的影响;模拟了这些性能参数对红外探测系统作用距离的影响。分析结果表明:上述3种性能参数均会对目标表面温度产生影响。αs、αl与表面温度成正比,εt与表面温度成反比,影响幅度可达10 ℃左右;探测系统作用距离与背景温度、气象条件、探测器性能等多种因素相关,根据实际情况调整涂料性能参数可使作用距离最小。这些结果基本满足红外隐身涂料设计、选型与使用方面的实际需求。

为了掌握光束入射角变化对激光跟踪仪中角锥棱镜测量精度的影响规律,详细分析了角锥棱镜的工作原理和反射特性,计算了角锥棱镜在不同入射角下的实际有效反射面积,并建立了角锥棱镜有效反射面积随光束入射角变化的理论公式,进而得到角锥棱镜测量精度随光束入射角变化的规律。实验结果表明:角锥棱镜测量精度随入射角增大而减小,在最大允许入射角处发生突变。在最大允许入射角为±35.26°时,其测量误差达到0.050 mm;而在±20°内时,其测量精度优于0.010 mm;入射角在±15°内其测量精度最高,稳定性最好。所得结论证明了当角锥棱镜入射角在±20°内工作时能满足了激光跟踪仪的测量精度要求,这对角锥棱镜设计和实际测量工作具有指导意义。

为了实现超薄球面镜的非球面成形,提出了一种采用非球面梯度法求致动器排布初始解的方法。给出了该方法的理论依据、排布方法以及计算非球面度梯度的两种公式;以一大口径离轴超薄非球面镜为例,用非球面度梯度的两种计算公式分别求出了致动器排布初始解,完成了非球面成形的有限元分析,得到了满足面形精度RMS值为21.09 nm的最终解;最后,介绍了致动器排布的优化步骤,比较了非球面梯度法、正方形法和环形法的差异。结果显示,用非球面度梯度平均值公式求出的初始解与最终解最接近,符合非球面度梯度变化率与致动器面密度的关系,而通过优化还能进一步减少致动器数量和面形残差。在相同面形精度下,非球面梯度法排布的致动器个数约为正方形和环形排布的1/2或更少;在相同致动器个数下,非球面梯度法排布的面形残差RMS值约为正方形和环形排布的1/3或更小。结果表明,非球面梯度法更适合在非球面成形领域用于求解致动器排布初始解。

针对光纤法布里-珀罗(F-P)传感器在实际应用中易偏离工作点,造成输出信号衰减,信噪比降低问题,提出了双波长稳定技术,建立了双波长稳定系统的数学优化模型。采用全局搜索能力强,收敛速度快,鲁棒性好,能有效解决复杂优化问题的微分进化算法(DE)进行了全局结构优化。结果表明,DE算法能在较短的运行时间内得到全局最优解,误差＜10-3,优化目标下降了89.46%,且运行时间有所减少;证明该算法正确可行,高效可靠,为光纤F-P传感器的结构优化设计提供了实验基础。

针对基于交比不变原理的结构光光平面标定方法,利用误差分析理论和矩阵扰动原理分别对系统的测量误差和光平面标定误差进行分析,提出了结构光测量系统的误差传递模型。给出了满足在1 000 mm的测量距离上获得±0.5 mm的测量精度情况下,各标定参数所需要的精度要求,以及标定样本提取的精度要求。通过实测实验结果,验证了误差分析的有效性。该误差分析为提高结构光系统的测量精度提供了理论依据。

为了使光学机械结构设计满足成像系统的要求,对机械振动对光学调制传递函数(MTF)的影响做了分析。从光学成像系统物像相对振动的形式入手,基于刀口理论(线扩展函数),用MTF作为评价函数,针对各种振动形式对图像分辨率的影响进行量化分析,并分析各种参数对MTF的影响,为光学机械的强度、刚度、和精度设计提供了理论基础。结合工程实际,提出减小振动对成像质量影响的具体措施;通过对某成像设备中振动对MTF影响的分析,计算出其动态分辨率为22 lp/mm,与实际拍摄结果较为接近;说明了该分析的正确性及其可用性。

研究了精密、超精密圆柱渐开线齿轮的加工方法。分析比较了锥形砂轮磨齿、蝶形砂轮磨齿、大平面砂轮磨齿、蜗杆砂轮磨齿和成形砂轮磨齿的工作原理及当前国内外精密、超精密圆柱渐开线齿轮的加工现状。探讨了ISO1328:1997标准中2级以上精度超精密齿轮的加工。最后,指出大平面砂轮磨齿机Y7125有着结构简单、传动链刚度高、磨齿精度高等优点,具有较大的改装空间。通过一系列的研究工作,有可能将其改装精化成磨削超精密圆柱渐开线齿轮的加工母机,实现2级到1级精度超精密齿轮的加工。1级精度超精密齿轮的研制成功,可提高齿轮的传递基准,从而可提高齿轮制造的技术水平。

针对目前大型望远镜伺服系统调试参数较多的现状,基于内模PID控制方法对大型望远镜伺服系统进行了研究。介绍了内模控制设计思路,讨论了速度回路内模控制算法。分析和仿真结果证明了该算法在高精度应用场合的可实现性和较强的鲁棒性,简化了调试过程。根据一个具体项目验证了该算法的实用性,应用结果表明,该方法调试简单,一个控制环路只需要调整一、两个参数即能满足要求;高速运行时无超调,低速平稳运行达到15″,具有一定的实用性和推广价值。

针对纳米定位平台的构型和定位精度问题,采用体硅加工技术成功地研制出了一种基于单晶硅并带有位移检测功能的新型二自由度微型定位平台,定位平台采用侧向平动静电梳齿驱动。利用力电耦合和能量守恒原理分析了静电致动器的致动机理,对定位平台的主要失效模型、静态和动态特性进行详细建模分析,证明了静电梳齿力电耦合所导致的侧壁不稳定以及驱动器的最大稳定输出位移,给出了平台稳定工作条件下梳齿间隙、梳齿初始交错长度以及复合柔性支撑梁的弹性刚度比之间的关系。动态分析时考虑空气阻尼对平台的影响,给出了平台最大运行速度、位移及动态条件下的临界驱动电压并把分析结果应用于平台闭环控制。实验结果表明:驱动电压30 V时,平台稳定输出位移达10 μm,机械稳定时间仅为2.5 ms。

为提高机载激光指示设备三轴工作系统的控制精度,对其进行了建模仿真分析。根据拉格朗日定理推导出指示设备三轴耦合框架非线性动力学模型,对各框架回转轴之间速度耦合及动力学耦合进行分析,并理论推导出其解析关系。根据执行元件力矩电机的电学和力学方程,建立了被控制对象开环传递函数矩阵,并进一步设计串联解耦控制器来实现系统解耦控制。分析表明,解耦后,在系统中串联添加校正环节,可以使系统在稳定工作的同时达到快速响应的要求。阶跃响应速度最快时间为:方位框达0.45 s,俯仰框达0.50 s,横滚框为0.85 s。最后,通过计算机仿真验证理论模型的正确性,为今后研究和设计高精度机载激光指示设备的控制器以及选取和优化控制参数提供了理论参考和模型基础。

为了研究惯性冲击机构中的旋转运动,设计了一台可调节预压力的旋转型压电惯性冲击马达。分析了该马达的运动原理及过程,研究了驱动信号、结构参数、压电元件等对马达运动特性的影响及规律。实验结果表明,该马达的转动速度与驱动信号的频率、电压成正比,与主体和配重的比值(M/m)成反比,转动速度随压电元件充放电时间增加而减小。研究还显示,旋转型惯性冲击马达的机械特性和正反转特性不同于电磁马达,该马达的转动速度-转矩特性为一折线,马达的正向转动速度始终大于反向速度。当驱动信号频率为1 100 Hz、电压为50 V、充电时间为70 μs、M/m=8.9时,该马达的转动速度为1.75 °/s,最大转矩为0.13 N·m。结果表明,旋转型惯性冲击马达是一个多变量系统,其运动性能受多种因素的控制。

提出了一种基于显微图像的微小尺寸零件复杂边缘识别算法。该算法通过对不同加工方法的边缘过渡区进行提取,建立边缘过渡区的多项式回归模型,然后从多项式模型中根据加工特性和零件的实际应用,利用求导的方法确定边缘点精确位置。实验结果表明:精研磨零级1 mm标准量块的测量误差为0.395 μm。通过对精研磨、冲压、线切割3种常见微细加工方法建模分析得出:加工特性对微小型结构件边缘区域影响较大,边缘精确识别时应考虑加工特性的影响。该算法在思想上考虑了实际加工特性的影响,算法上加入了统计学方法,通过建立过渡区数学模型使边缘检测结果达到亚像素级;而且识别的单像素宽,其连续的边缘能进一步满足精密测量的需要。

针对利用反作用飞轮作为执行机构的小卫星姿控系统,设计了基于xPC实时仿真环境、高精度单轴气浮转台、姿控计算机、光纤陀螺和反作用飞轮的卫星姿态控制系统半物理仿真实验平台,并利用该平台系统对使用反作用飞轮的小卫星姿态控制机动模式进行了半物理仿真验证,在50 s内使姿态机动了31.57°,且有较好的指向精度和稳定度。结果表明,根据光纤陀螺和反作用飞轮现有特性,用设计的姿态控制算法进行姿态机动能够满足控制系统性能指标。

为了设计和制造出性能更加优越的空间遥感器,对一种新型航天材料—石墨纤维增强铝基复合材料(Gr/Al composite)进行了研究。突破了石墨纤维与铝合金的界面反应控制、纤维铺层和缠绕设计等关键技术,成功制备了石墨纤维增强铝基复合材料,材料的密度为2.12×103 kg/m3,弹性模量为129 GPa,线膨胀系数为5.0×10-6 K-1。针对这种复合材料,摸索出一套完整的加工和后处理工艺,并首次把这种复合材料应用在空间红外遥感器镜筒结构设计中,设计的镜筒较之钛合金镜筒减重31.8%。最后,完成了镜筒组件的加工装配、透镜的装校和随机振动试验。实验结果表明,镜筒组件的一阶谐振频率为284 Hz,高于100 Hz的设计要求,振动试验后光机系统没有发生变化。上述工作表明,石墨纤维增强铝基复合材料在航天遥感领域具有较高的应用价值。

提出了一种单相激励的旋转步进超声电机并阐述了其结构与工作原理。该电机采用同一种工作方式实现驱动和定位,避免了现有自校正步进超声电机失步或多步的问题,并解决了现有自校正步进超声电机的定、转子摩擦界面难以设计的问题,具有开环控制下无累积误差的特点。利用有限元仿真方法对定子结构进行了设计,制作的原理样机实验中未发现错步现象,其堵转力矩、步距角和单步运行最大误差分别为0.003 2 N·m,7.5°和0.6°。

为了更好的贯彻国军标GJB151A和GJB152A-97,提出了对传导与辐射测试项目的适用范围、频率范围、极限值大小进行剪裁的方法。通过对整流器和输入平滑滤波器上的共模与异模电流的计算得出,当测试频率为400 Hz时,若被测设备功率＞0.2 kVA且负载电流＞1 A,允许将CE101项极限值放宽5 dB。根据开关电源的拓扑结构模型与典型的开关电流波形,推导出当测试频段低于2 MHz时,允许将CE102项极限值放宽10 dBμV。通过RE101项测试配置图,得出距离发射源7 cm处测量的磁场密度极限值应是:30 Hz时为100 mG;60 Hz时为25 mG;120 Hz时为6.6 mG。根据发射源到接收天线耦合模型,确定在2~30 MHz频段中,RE102项的极限值不得剪裁。依照军标GJB3567-99《军用飞机雷电防护鉴定试验方法》以及在实际飞行场地中采用410A敏感度测试系统进行测试,结果显示,通过剪裁测试的无人机各机载设备能正常工作,未出现任何设备失灵或降级情况,说明该剪裁法能够满足无人机电磁兼容的要求。

为了提高机载测量平台的定位精度和引导精度,利用齐次坐标转换法推导了从大地坐标系到望远镜坐标系的转换方程,并在此基础上建立了误差分析的数学模型。运用蒙特卡罗法的思想,综合分析了机载测量系统中各参数对结果的影响。提出了改善平台测量精度首先要解决的就是载机姿态精度;其次是载机(或目标)的位置精度;此外,通过数据处理来提高定位精度也是有效的方法。实验结果表明:姿态精度从0.3°提升至0.1°后,定位精度和引导精度都可提高30%;载机位置精度从20 m提升至5 m后,定位精度可提高9%。分析过程和结果对机载测量平台的设计有一定的参考价值。

针对微小型平面零件给出了一种基于图像的轮廓度测量与评定方法。包括实现轮廓度测量的理论轮廓数据建模方法、对应理论点的扩展极角定界搜索方法以及满足最小条件的最小极偏差轮廓度误差评定方法。通过实例将最小极偏差轮廓度评定方法(LDM)与传统的最小二乘轮廓度评定方法(LSM)进行了分析和比较。结果证明,对于不同实际零件,最小极偏差评定方法较最小二乘评定方法收敛于最小值的迭代次数减少了0~3次,精度优化了4%~12.6%,可以满足微型零件高精度、高效率轮廓度检测的要求。

为了快速识别数字图像中的飞行器类型,在取得飞行器闭合轮廓线的基础上,提出了基于飞行器结构特征点和仿射变换的飞行器识别算法。利用飞行器的对称性,确定飞行器的特征点;将这些特征点作为两幅不同图像的匹配点,计算数字图像之间的单应矩阵;根据所得的单应矩阵进行仿射投影,将一幅图像中飞行器的轮廓线投影到另一幅图像上,并对该图像上的两个飞行器的轮廓进行比对,判断这些图像中的飞行器是否为同一类型。实验表明:在取得飞行器闭合轮廓线的前提下,可在0.2 s内给出判定结果,基本满足指挥自动化系统对目标识别模块的稳定可靠、快速准确的要求。

提出了一种具有子像素级精度的图像配准方法,并通过迭代反投影算法进行超分辨率重建。介绍了基于3参数模型的图像配准方法并提出了基于4参数模型的图像配准方法,由于没有直接将旋转角度参量引入到运动模型中,有效地避免了原方法中泰勒级数展开时的小角度假设。最后,根据配准算法所得到的子像素级运动信息,用迭代反投影算法进行超分辨率重建。分别对多幅具有较大运动的模拟及真实的低分辨率图像进行实验,结果表明:该配准算法取得了更高的精度,平均平移误差减少了0.026 1 pixel ,平均旋转角度误差减少了0.356 4°;重建图像具有更好的视觉效果,平均PSNR值提高0.75 dB。本文方法可以被广泛地应用于相互间主要存在平移和大角度旋转的多幅低分辨率图像的大倍数超分辨率重建,可满足实际应用要求。

为了更好地对图像进行超分辨率重建,对传统的正则化方法进行了改进,提出了更符合实际的新模型:加性广义高斯白噪声与各向异性正则化项。为求得新模型的最优解,引入免疫进化算法并做如下改进:引入记忆单元群,使算法并行地运行在两个抗体群上;提出一种疫苗的自适应选取及接种方法;将混沌算子作为防僵化算子嵌入。分析与实验表明, 基于新模型重建的图像不仅对噪声的类型与方差具有稳健性,而且重建图像的信噪比改善量(ISNR)比传统模型高1.5 dB左右, 同时提出的改进免疫进化算法能够更快收敛,所需步数仅是遗传算法的8%, 传统免疫算法的40%。结果表明,新模型与改进免疫算法组成的图像超分辨率复原系统具有稳定可靠的性能。

提出了一种针对航空视频图像的编码优化方法,在工控计算机上实现了两路PAL制式彩色视频的同时实时压缩存储。选择离散余弦变换(DCT)去除图像的相关性,在比较各种DCT方法后,对AAN算法进行优化改进,并给出优化的依据,同时优化了可变长编码(VLC)中VLC表的检索方式。通过对视频压缩算法中运算量最大的两个算法模块进行优化改进,在P4 3.0G处理器上实现了8 ms内压缩一帧768×576的彩色图像。算法在32∶1的压缩比下,峰值信噪比(PSNR)为29.47,接近小波压缩算法在该压缩比下的PSNR值,确保了压缩质量。实验结果表明,优化方案在压缩速度、压缩率与压缩质量3者间取得了平衡,能很好地满足航空视频图像实时压缩的需求。

自由立体显示器的再现立体深度与视差图的视差大小有关系,而视差的大小与获取视差图时相机摆放方式密切相关。本文采用平行结构放置相机,通过设置相机间距使得拍摄到的视差图在相对平移后某一深度物点具有零视差,而另一深度物点具有所期望的视差。视差大小体现了再现立体深度大小,从而得到再现立体深度与相机间距间的定量关系。通过实验验证了推出关系的正确性。该研究结果可用于指导拍摄立体影像时相机的摆放,便于获得适当的视差图以达到最佳的立体显示效果。

提出了结合全局信息的SIFT(Scale Invariable Feature Transformation)特征匹配算法,解决了图像中存在多个相似区域时造成的误匹配问题。在尺度空间检测出特征点,生成包含两基于局部信息的SIFT向量和基于全局信息的全局向量;采用BBF(Best Bin First)算法进行搜索,并采用欧氏距离作为度量函数进行特征向量的匹配。实验结果表明,由于在基于局部信息的SIFT向量中加入基于全局形状信息的全局向量,使得当特征点的尺度较小时,可以借助更大邻域范围内的信息对其进行描述,从而降低了由于局部信息相似而造成的误匹配的概率。所用图像误匹配的概率由19%下降到了11%,极大地改善了匹配效果。

为了克服船体变形对航天测量船船载设备外测数据的影响,需对船载设备外测数据进行船体变形修正,为此建立了船体变形修正数学模型。从航天测量船船体变形测量系统的基本构成、测量原理和测量元素入手,建立变形测量坐标系,讨论变形测量角与欧拉角的关系,详细推导了船体变形数据处理计算公式,给出了变形数据处理的数学模型。工程应用结果表明:船体变形对飞行器初轨半长轴a的影响比较大,对于近地近圆轨道,影响值是几百米的量级,最大达到800～900 m,而对于大椭圆轨道,影响值则达20 km,经船体变形修正后可以消除这项影响。建立的变形修正数学模型反映了船体变形的客观规律,能有效消除船体变形对船载设备外测数据的影响,提高测量船外测数据处理的精度。

为分析飞行器的速度、航高、姿态角与姿态变化对推扫式航空遥感器成像质量的影响,采用光线矢量与光轴旋转变换相结合的方法建立了系统的像移模型,计算遥感器像移补偿的精度。分析了平移与旋转运动所引起像移的特点,通过运动的分解建立了推扫式航空遥感器的像移模型;以两组工作参数为条件,分析速高比、姿态角与姿态变化对像移的影响,并提出相应的像移补偿方法。应用蒙特卡罗法,依据与模型相关变量的误差分配,计算推扫式航空遥感器像移补偿的精度。在满足表3的误差要求,速高比为0.3～0.5(1/s),TDI基数不超过32级的情况下,像移补偿残差的3σ值为16 μm,达到了遥感器的指标要求。

红外成像匹配辅助导航系统中由于基准图像和实时图像是从不同的观测角度,在不同时间、不同高度条件下获取的,实时图像与基准图像之间会产生仿射变换与像质差异,增加了成像匹配的难度。为了提高实时图像与基准图像的匹配正确率,提出了基于改进不变矩特征的成像匹配方法。从红外成像的基本原理出发,重点讨论了实时红外图像地面分辨率不同对统计不变矩特征不变性的影响,并从理论上推导出了6维不变矩特征向量的表达式。综合得出,在一定的条件下,该特征向量对平移、旋转、加噪、分辨率变化等多种复合变换下的图像具有不变性,可以作为成像匹配定位应用的特征量。文中选用Camberra距离作为实时图像和基准图像匹配测度,仿真实验部分验证了方法的可行性和正确性。