针对国家同步辐射实验室燃烧与火焰实验站中1 m Seya-Namioka 单色仪对光栅的需求, 采用全息离子束刻蚀工艺制作了1 200 lp/mm Laminar光栅。首先, 通过光刻胶灰化技术调节光刻胶光栅掩模占空比, 在理论设计的误差允许范围内, 对此光栅掩模进行扫描离子束刻蚀; 然后, 将光栅图形转移到光栅基底中去除残余光刻胶; 最后, 采用离子束溅射法镀制厚约40 nm的金反射膜, 采用热蒸发法镀制厚约60 nm的铝反射膜。用原子力显微镜分析光栅微结构, 结果显示光栅槽深为40 nm, 占空比为0.45。同步辐射在线波长扫描测试结果表明, 镀铝光栅效率明显高于镀金光栅, 获得的实验结果与理论计算结果基本符合。镀金光栅已替代进口光栅在线使用3 年, 其寿命大大超过复制光栅, 基本满足了燃烧实验站的实验研究需求。

压电式微质量传感器的测试精度直接依赖于结构频率对质量变化的灵敏程度。本文利用对称槽型梁和压电薄膜组成的对称敏感结构, 提出了一种提高传感器灵敏度的结构设计方法, 并设计了一种高精度谐振式微质量传感器。建立了结构频率变化对吸附质量敏感性的分析模型, 并研究了槽型截面参数、自振频率及振动模态对灵敏度的影响。与矩形截面结构进行了仿真与实验对比, 结果表明, 相同几何尺寸参数下, 槽型截面悬臂梁的一阶自振频率为1 851 Hz, 矩形截面悬臂梁的一阶自振频率为1 610 Hz, 相应的传感器灵敏度则分别为3.12×104 Hz/g和1.5×104 Hz/g, 前者是后者的2倍。该项设计为提高微质量传感器灵敏度提供了一种新思路。

提出一种新型结构的通用型干涉仪, 用于实现不同结构、不同形状的光学透镜、光学晶体等元件的快速目视观察与精确测量。该干涉仪利用可相对旋转的双光楔对条纹周期进行动态调制完成实时检测。以两块雅敏干涉平板为主体结构, 在双光路中各自放入一对楔角完全相同的光楔对, 建立条纹周期和条纹倾斜方向与光楔对相对旋转角度之间的关系, 并采用光学晶体畴反转实时检测验证干涉仪的测量性能。试验结果表明, 干涉仪的相位检测精度约为0.2 rad(λ/30), 条纹周期(一对黑白条纹)为0.105~5.993 mm/pair, 光路中光楔对的相对转角可在0~179°调节。干涉仪具有完全对称的光路结构, 由于较高的稳定性和抗干扰能力, 可针对不同类型光学元件的结构特点进行条纹周期的实时调制, 并可达到较高的检测精度。

提出采用连续多点成形方法来实现旋转曲面件的高效、柔性成形。阐述了连续多点成形原理, 并与传统的旋转曲面加工方法相对比, 分析其所具备的特点。以盘形件为研究对象, 建立有限元模型, 分析成形过程中的等效应力和塑性应变场分布, 通过模拟结果和主应变状态来分析皱曲现象。最后, 研制相应的成形装置并进行了实验。结果表明: 定心装置和柔性辊作用区的等效应力超过了材料的屈服极限, 最大值达到213 MPa; 成形件中心区域塑性应变值最大, 达到0.07; 柔性辊作用区塑性应变值次之, 为0.03; 皱曲区域的壳单元产生的是切向压缩变形, 实验结果和模拟结果基本相同, 都介于605~615 mm。应力应变场和皱曲的模拟结果与实际情况吻合, 表明成形装置能加工出效果良好的旋转曲面件。

研究了基于虚拟立体视觉的气液两相流三维测量系统的标定技术。首先, 基于单台高速摄像机和两组反射镜组构建虚拟立体视觉测量系统, 建立高速摄像机透视投影变换模型以及虚拟立体视觉三维测量模型, 对虚拟立体视觉系统中摄像机及虚拟立体视觉传感器进行标定。用靶标基准球模拟气泡在水中的分布, 以其空间距离作为测量评价指标, 比较了不同标定方法对三维重建精度的影响。实验结果表明, 将标定参照物置于水箱内, 并且分别对左、右虚拟摄像机及传感器进行标定, 三维重建精度最高, 测量空间距离绝对误差优于0.13 mm, 相对误差优于0.49%。实验认为, 对基于虚拟立体视觉的气液两相流三维测量系统进行标定时, 必须充分考虑折光分光光路以及管壁折射对三维重建所带来的影响。

为了使非体外循环心脏动脉旁路移植(CABG)手术中的手术辅助机器人能快速、准确地跟踪心脏表面手术点的运动, 消除心脏与手术工具的相对运动, 提出了心脏运动信号的自适应时变线性回归模型, 将对心脏信号的跟踪问题转化为对心脏运动信号模型的运动跟随问题。应用卡尔曼滤波器动态估计手术辅助机器人系统的运动状态, 并结合最优跟踪理论实现了基于心脏运动模型的随动跟踪控制。实验结果表明, 与以往的相动运动消除算法相比, 运用模型跟随控制算法的机器人系统能将相对运动消除能力提高30%, 跟踪误差减小0.25 mm。因此, 基于心脏运动自适应模型跟随算法能够进一步消除CAGB心脏手术中的相对运动, 大大减小了动态跟踪误差。

对利用超平面、超(椭)球等几何形状实现数据分类的基于边界的主流分类方法进行了研究, 在此基础上, 提出了一种将空间点作为分类依据的最大间隔模糊分类器(MFC)。该方法首先在模式空间中找到一个模糊分类点c, c点距离两类样本要尽可能近且类间夹角间隔尽可能大。然后, 测试样本通过c与训练样本间的最大化夹角间隔实现分类。最后, 利用MFC的核化对偶式与最小包含球(MEB)的等价性, 将MFC的应用范围从二类推广到单类。与主流分类方法的比较实验表明, MFC具有优良的分类性能和抗噪能力, 其分类最高精度可达98.8%。

提出了一种消除零级衍射分量对离轴数字全息影响的方法以提高离轴数字全息的有效空间带宽。该方法在大的物参光强比记录条件下, 用预先记录的参考光强对全息图进行归一化, 并做对数变换和一维离散希尔伯特变换去除零级衍射分量。然后, 通过指数变换恢复出物波光场, 从而实现无零级衍射分量的高带宽离轴数字全息。从理论上对方法原理进行了分析, 给出了基于有限脉冲响应的一维离散希尔伯特变换算法。最后, 通过实验对本文方法进行了验证, 并讨论了光强比对零级衍射分量抑制效果的影响。结果表明, 无论零级与一级衍射谱是否发生混叠, 当参考光强度比物光强度大5倍以上时, 采用本文方法均可以有效去除零级衍射分量的影响。

为了高精度测试火炮稳定精度, 建立了基于CCD与标准靶板的图像测试系统。介绍了测试系统的组成结构与工作原理, 研究了系统采用的图像预处理、模板匹配、靶标十字中心定位和系统标定等关键算法。为消除分划板十字线对靶板十字识别的干扰, 采用了开关中值滤波算法; 在选取灰度变换算法提高图像对比度的基础上, 分析选取了模板制作与匹配算法; 然后, 介绍了靶板十字中心的像素级和亚像素级定位; 最后, 引入基于主动视觉的标定方法确定了系统的像素角分辨率。试验结果表明: 提出的系统测试精度优于0.07 mil, 满足实际测试需要, 实现了带有稳炮功能的现代火炮系统的稳定精度靶场测量。

针对微机电系统(MEMS)特征尺寸小, 常用的动态测试方法和系统还有一定的缺点等问题, 本文在介绍MEMS常见的三种动态测试方法的基础上, 给出了一种基于高速摄影的微陀螺振动动态测试系统。介绍了系统的硬件架构和软件功能。在动态测试的关键算法上, 应用Otsu算法对图像进行分割, 使用感兴趣区域(ROI)和不变矩方法得到振动曲线, 通过幅频分析得到微机械陀螺的振动特性。实验结果表明: 使用这种方法测量振幅的精度达到了0.1 μm; 频域测量的重复性和一致性也较好。这种动态测试方法稳定可靠、精度高、抗干扰能力强, 可以极大地减少计算量, 提高系统运行速度。

为了解决垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵中金丝难以键和和电流注入不均匀的问题, 提出了一种非闭合型VCSEL列阵结构。该结构通过腐蚀非闭合环形凹槽形成器件台面, 从而简化了工艺步骤, 减少了器件的损伤。分别对2×2,3×3,4×4阵列的850 nm 非闭合型顶发射VCSEL器件进行了测试和分析, 结果显示其室温连续输出功率分别达到80, 140和480 mW; 阈值电流分别为0.15, 0.25和0.4 A; 平行方向和垂直方向上的远场发散角分别为9°和9.6°, 13.5°和14.4°, 15°和14.4°。在脉宽为50 μs、重复频率为100 Hz 时, 最大输出功率分别为90, 318和1 279 mW; 阈值电流分别为0.2, 0.5和0.7 A。分别测试了芯片在封装前后的功率曲线, 发现芯片在封装之后的热饱和电流要远远高于封装之前, 从而说明良好的封装技术可以提高器件的散热效率, 降低器件内部发热对器件性能的影响。

提出了一种目标分割预检测方法来提高检测红外弱小目标的准确性和实时性。针对红外图像的特点, 利用改进的自适应背景感知算法抑制目标图像的背景以提高目标检测概率; 根据已有的先验知识构造属性集, 把灰度直方图限定在感兴趣区域, 减少背景的影响; 然后, 利用属性直方图的最大熵进行图像分割以检测目标。为了提高分割算法运算速度, 应用了快速递推算法。实验结果表明, 本文提出的背景抑制算法能更好地抑制背景, 提高图像的整体信噪比; 分割算法具有更好的分割检测效果, 候选目标点分割准确、虚警目标点较少, 运算速度提高了91%。对分割图像进行后续处理, 剔除了大部分虚警目标点, 为后续目标准确检测提供了有力保障。

为了实现高效自动目标检测, 提出了一种可用于低信噪比条件下的空间可见光弱小目标检测算法。首先, 建立空间光学图像模型, 利用恒虚警率(CFAR)方法确定分割系数对单帧图像背景进行分割; 然后, 基于恒星结构稳定特性构建距离特征空间, 并针对特征空间构造分类准则函数, 使用迭代最优化分类方法提取出候选目标点; 最后, 依据目标运动轨迹的连续性建立空间目标轨迹关联、合并以及虚假目标轨迹删除规则, 进行轨迹处理, 实现空间可见光弱小目标的检测。文中还提出了单帧检测率、虚警率与序列检测率、虚警率相结合的评价方法。实验结果表明: 在低信噪比条件下(SNR≤3), 得到的序列检测率达到96.02%以上, 序列虚警率达到4.4%以下。该方法在低信噪比条件下显著提高了目标检测率, 并有效抑制了虚警。

针对序列图像内具有低信噪比和低对比度特征的运动目标, 提出了一种基于级联分类器的弱小目标检测算法。该算法从安瓿瓶序列图像内提取绝对差分值、局部差分对比度和局部相关系数3个图像特征。每个图像特征对应一个分类器, 通过三层级联形式实现序列图像中的小目标检测。第一个节点与传统帧间差分法类似, 主要去除大量背景图像并检测出大颗粒运动目标, 后两个节点则用于检测弱小目标、排除光流和瓶身污渍产生的噪声点。实验结果显示, 相对于传统的帧间差分法, 本文算法具有高检测精度和高抗干扰能力等特点, 不仅可以检测出图像中弱小运动目标, 同时也消除了复杂背景下的噪声影响, 弱小目标的检出率达到99.3%, 并且满足安瓿在线检测的实时性要求。

针对在激光粒度分布反演中由于迭代算法的迭代步长选取不当致使反演结果存在严重展宽和拖尾的问题, 提出一种调整迭代步长的方法应用于Projection算法来提高测量精度。该方法首先基于测距相似度原理得到光能分布列向量与光能系数矩阵行向量之间的相似度曲线, 经滤波和归一化处理后得到被测粒子群的预测粒度分布; 然后根据预测粒度分布结果确定迭代步长的大小。使用本文提出的改进Projection算法测量国家标准物质GWB(E)120046的D50误差为-0.6%、D10误差为-1.1%、D90误差为-0.6%, 测量GWB(E)120041与GWB(E)120049混合标准物质的光能对数误差为2.167。测量结果表明, 该算法可有效地提高算法的抗噪声能力、测量精度和分辨率。

针对光声成像在实际应用中涉及的采样数据不足, 提出了一种基于全变分法的光声图像重建方法。通过计算重建图像的模拟信号与实际信号的残差来更新图像, 进行迭代以获取重建图像。在迭代重建的过程中引入压缩传感理论中的全变分法, 通过梯度下降法得到全变分最小的图像。通过数值仿真, 模拟了在不足采样情况下的图像重建。结果表明, 全变分重建法的重建效果比滤波反投影法、反卷积重建算法及代数重建算法等3种方法更好。在30个采样点的情况下, 重建图像的峰值信噪比值比上述3种算法的重建结果分别高出30.98, 22.09和8.35 dB。另外, 仿体实验结果也表明该方法能更有效地避免噪声的干扰。

研究了室内可见光通信系统分数间隔均衡技术, 以降低码间干扰对该通信系统性能的影响。针对室内可见光通信系统的传输特点和信号调制特性, 建立了室内可见光通信链路模型; 在此基础上, 提出了分数间隔均衡方法, 并利用最小均方误差准则优化设计均衡器。最后, 通过计算机仿真, 对提出的分数间隔均衡方法进行了性能评估。实验结果表明, 相同误码率条件下, T/2分数间隔均衡器比符号间隔均衡器的性能优1~2 dB, 能够更有效地抑制由信道多径效应等引起的码间干扰, 提高信号传输的可靠性。

为了降低激光直接辐照透明介电材料的表面加工粗糙度和激光能量密度刻蚀阈值, 提高微光学元件的产出率, 介绍了一种用固体介质作吸收层, 激光直接作用在透明光学材料上进行微纳加工的激光诱导背面干法刻蚀工艺。首先, 选用95氧化铝陶瓷作固体材料辅助吸收层, 应用中心波长为1 064 nm的掺镱光纤激光器, 在3.2 mm厚的熔融石英玻璃表面刻蚀了亚微米尺度的二维周期性光栅结构。然后, 对刻蚀参数进行拟合并探讨了激光能量密度对刻蚀参数的影响。最后, 观察该二元光学元件的衍射花样图形并讨论其衍射特性。实验制备了槽深为4.2 μm, 槽底均方根粗糙度小于40 nm, 光栅常数为25 μm的二维微透射光栅, 其刻蚀阈值低于7.66 J/cm2。结果表明,应用该工艺制备二维透射光栅, 降低了激光刻蚀透明材料的密度阈值及加工结构的表面粗糙度。

设计了一套用于控制薄镜面主镜面形的力促动器, 并进行了实验测试。分析了常用的可以实现高精度、高稳定性的力促动器结构形式; 结合实际情况和目前薄镜面主动光学实验系统的要求, 设计了由步进电机驱动谐波减速器、精密丝杠传动, S型Loadcell反馈输出力变化的力促动器结构。最后, 通过开环和闭环实验对结构进行了测试。实验结果表明, 该力促动器行程为0～10 mm, 输出力为-100 ～100 N, 精度优于0.05 N, 满足大行程、高精度微量输出和高稳定性要求, 可以应用于主动光学支撑系统, 同时也适用于其他精密调整结构。

利用飞秒激光对厚度为20 μm的0Cr18Ni9不锈钢箔进行了表面烧蚀、微细切割等试验, 并研究了不锈钢箔的烧蚀特性。首先, 根据烧蚀区域的直径和脉冲能量的关系, 得到了0Cr18Ni9不锈钢箔的单脉冲烧蚀阈值,并估算了飞秒激光的束腰半径。然后, 对飞秒激光切割不锈钢箔的边缘进行金相观察并测试了切割试件的电阻率, 以确定飞秒激光切割对不锈钢箔的热影响。最后, 对切割试件进行X射线衍射分析(XRD), 以确定飞秒激光切割对不锈钢箔物相组成的影响。实验结果表明: 飞秒激光的束腰半径为10.416 μm; 厚度为20 μm的0Cr18Ni9不锈钢箔的单脉冲烧蚀阈值为0.455 J/cm2; 飞秒激光切割后试件的金相组织处于回复阶段, 因此金相组织不会产生明显变化; 飞秒激光切割后不锈钢箔的物相组成没有变化, 但物相的相对含量发生了改变。

考虑传统光栅成像光谱仪受光学畸变的限制难以同时实现大光学孔径和小型化要求, 利用全息法设计并制作了凸面光栅, 并以该凸面光栅作为核心元件研制了便携式成像光谱仪。该光谱仪以推扫方式进行目标扫描, 获取成像光谱数据立方。仪器的光谱分辨率为2.4 nm, 光谱谱线弯曲为0.1%, 色畸变为0.6%, 体积为209 mm×199 mm×110 mm。介绍了仪器的工作原理和结构设计, 并进行了实验室检测和室外花卉实际光谱测量。测试结果表明: 凸面光栅成像光谱仪的光谱分辨率为2.1 nm, 光谱谱线弯曲为0.09%, 色畸变为0.6%, 均满足设计要求, 实际花卉光谱测试亦取得了较为理想的结果。

为扩大晶粒尺寸并降低晶粒间界缺陷对多晶硅薄膜晶体管的不良影响, 采用准分子激光相位掩模法制备了大晶粒尺寸的多晶硅薄膜。首先, 在无相位掩模时利用不同能量密度的准分子激光晶化非晶硅薄膜, 通过扫描电镜观测晶粒尺寸确定超级横向生长的能量窗口; 然后, 在该能量密度下采用周期为1 073 nm的相位掩模板对入射光束进行相位调制, 在样品表面形成人工可控的横向温度梯度, 使非晶硅熔化并横向生长结晶为多晶硅; 最后, 对薄膜特性进行测量, 并与非晶硅薄膜和超级横向生长制备的多晶硅薄膜进行比较。结果表明: 本文方法制作的薄膜的平均晶粒尺寸提高了一个数量级, 达到了228.24 nm; 薄膜电阻率降低一个数量级, 为18.9 Ω·m; 且晶粒分布规则有序。该方法能有效提高多晶硅薄膜的电学特性, 适用于高质量多晶硅薄膜器件的制作。

考虑将发光二极管(LED)用作空间相机星上定标光源时对LED的发光一致性和稳定性的要求, 研究了对市售LED产品进行试验和筛选的方法。分析了影响LED发光效率的因素及LED作为星上定标光源需要注意的问题, 提出了将多只LED作为空间相机星上定标光源的筛选试验方案, 并设计、研制了筛选装置。为了检验LED的工作稳定性和不同LED的发光一致性, 该装置可同时监测多只LED的发光状态, 并实现了无人值守操控和自动测量。利用该装置对某批次72只随机抽取的白光LED进行测试并根据测试数据对被筛选的白光LED进行了分析计算, 结果显示, 经过筛选的白光LED在连续点亮900 h后, 相对光强变化在1.5%左右。最后, 从中筛选出符合光源要求的10只LED。

设计了相应的电磁力施加装置以实现对超细径光纤熔融拉伸力的精确控制。采用有限元法分析不同线圈参数下电磁线圈与永磁铁之间电磁力的大小, 获得电磁力与线圈各参数间的数学关系式。以拉伸系统性能要求及线圈骨架的外形尺寸为限制条件建立约束方程及目标函数进行优化求解, 得到最优参数。在依据优化参数制作电磁线圈的基础上设计了电磁力控制电路, 通过调节线圈电流精确控制电磁力。最后, 进行电磁力施加装置性能实验。实验结果表明: 光纤拉伸力的范围达到26.073 mN; 光纤拉伸力的分辨率达到7.473 μN, 满足超细径光纤熔融拉伸对拉伸力范围及分辨率的要求。

在确保制作感性网栅膜后光学窗红外透射率下降小于5%的前提下, 研究了影响感性网栅膜电磁屏蔽特性的主要因素。归纳了感性网栅膜红外透射率公式, 运用含阻抗边界条件的谱域Galerkin法推导了周期结构金属网栅的电磁场积分方程, 用周期矩量法计算出网栅的反射系数及透射系数, 进而求出其电磁屏蔽效能; 计算并分析了采用不同线宽、周期、衬底材料、衬底厚度时透明导电光窗(金属网栅膜)的电磁屏蔽效能。最后, 采用激光直写、真空镀膜等工艺在ZnS基底上制作了周期为360 μm×360 μm、线宽为12 μm, 方块电阻分别为13 Ω、25 Ω的样片, 采用自由空间法测试了2～18 GHz频段的电磁屏蔽效能。测试与分析结果表明: 当感性网栅膜在8～10 μm波段引起的平均透射率下降小于2％的情况下, 电磁屏蔽效能平均达到了20 dB以上。结果显示网栅的光电特性是矛盾的, 线宽与周期越小电磁屏蔽效果越好, 同时应尽量降低网栅的表面电阻。

为了提高精密定位系统中压电陶瓷的控制精度, 研究了压电执行器的动态模型及逆模型。根据Weierstrass第一逼近定理, 提出了以多项式函数逼近Duhem模型中的分段连续函数f(·)和g(·), 并应用递推最小二乘算法辨识Duhem模型的参数α 及f(·)和g(·)的多项式系数, 建立了压电陶瓷执行器的非线性参数化动态模型。利用辨识结果建立压电陶瓷执行器的动态逆模型, 避免对压电陶瓷执行器进行复杂的模型求逆; 介绍了通过逆补偿和PID复合控制对压电陶瓷系统进行的控制。实验结果表明: 仅通过逆补偿, 可在0~200 μm使得控制绝对误差小于0.8 μm; 在前馈逆补偿和PID环控制下, 绝对误差可小于40 nm, 结果验证了算法的有效性。该算法结构简单, 适应性强, 便于工程实现。

基于超窄线宽激光特性和光源波长扫描技术, 构建了高灵敏度腔增强吸收式乙炔气体检测系统。该系统采用超窄线宽可调谐半导体激光器作光源, 使用两块高反射率平凹透镜组成的光学谐振腔作吸收池, 通过扫描腔长使入射激光频率与谐振腔模式相匹配, 利用激光失谐技术快速断开入射激光, 从而实现对微量乙炔气体浓度的衰荡测量。利用腔增强吸收技术测得了激光衰荡时间和6 518.824 cm-1附近的乙炔弱吸收光谱并进行了分析。结果表明, 乙炔气体浓度线性相关系数优于0.999, 最大相对误差小于2.5%, 极限检测灵敏度为2×10-6; 逐次充入一定体积的乙炔气体, 动态响应时间均小于10 s。该检测系统精确度好、灵敏度高, 具有较好的动态响应特性, 可用于电力变压器故障气体实时在线监测。

传输型立体测绘卫星利用测绘相机进行摄影测量时, 需要确定测绘相机在惯性坐标系中的姿态。确定姿态时, 首先由星敏感器测量得到星敏测量坐标系在惯性坐标系中的姿态, 然后通过星敏测量坐标系与星敏立方镜的转换矩阵、星敏立方镜与测绘相机立方镜的转换矩阵, 得到测绘相机测量坐标系在惯性坐标系中的姿态。文中介绍了各坐标系的定义, 根据星敏立方镜与测绘相机立方镜坐标系的关系, 利用4台经纬仪测量系统分别建立星敏立方镜和测绘相机立方镜的坐标系以及2坐标系间的转换矩阵,介绍了2个立方镜坐标系的标定方法, 多次测量结果表明, 最大标定误差为1.011 6", 优于2"(1σ), 满足立体测绘精度的要求。