为了获得较高的天空偏振光导航精度,研究了天空光偏振模式的模型。设计了天空光偏振模式自动探测装置, 用于获取大量的天空光偏振模式信息并构建天空光偏振模式模型。该装置克服了传统天空偏振光分布模式探测仪器操作繁琐, 效率低的缺点, 利用计算机控制角度旋转和相机拍照协同工作, 能够简单快捷地实现一键采集一组天空偏振图像。测试显示, 该装置能够准确地在预期位置完成偏振图像的采集工作。获得的图像偏振模式明显, 对于光强度的探测精度优于0.237 5(3σ)灰度值(8 bits), 平均每个测量点耗时3.02 s, 采集效率较传统偏振模式探测仪器大为提高, 能够实现天空光偏振模式的有效探测。

基于共焦技术独特的轴向层析定焦能力并结合气浮导轨平移台和激光干涉仪测长系统,研制了一套高精度、非接触激光共焦透镜曲率半径测量系统。该系统利用共焦轴向光强响应曲线的峰值点对应系统物镜聚焦焦点这一特性, 使用峰值点对被测透镜的猫眼位置及共焦位置进行精确定位, 并结合激光干涉仪获得透镜猫眼位置及共焦位置坐标值, 从而计算得到透镜的曲率半径。系统由主控软件控制气浮导轨带动被测透镜在猫眼位置及共焦位置附近进行扫描测量, 并实现信号采集和数据处理。实验表明, 利用该系统测量透镜的曲率半径时, 测量重复性优于2 μm, 满足国内高精度透镜曲率半径测量的精度需求。该系统测量速度快、操作简便、结构简单且易于实现小型化。

研究了用掠入射散射法测量光学表面散射分布实验中存在的异常散射现象。首先,介绍了实验装置, 并用原子力显微镜(AFM)测量了样品的表面粗糙度, 给出了工作波长为0.154 nm时不同样品在不同掠入射角下的表面散射分布。然后,分析了异常散射角与临界角的关系。最后,对影响散射强度的因素进行了分析。实验结果表明: 当掠入射角大于临界角时能观测到光学表面的异常散射现象。在波长一定的情况下, 异常散射角与样品材料有关, 与掠入射角和表面粗糙度无关; 异常散射角略小于临界角, 误差变化为-8.6%~-0.9%。另外, 镜像反射强度随着入射角和表面粗糙度的增大而迅速减弱, 但异常散射强度与镜像反射强度的比值(峰值比)反而随着掠入射角或表面粗糙度的增大而增大, 其比值在0.012~2.667变化。结果证明样品的材料和表面形貌是影响异常散射分布的两个重要因素。

设计了一种基于迈克耳逊干涉光路的相位测量系统, 将单臂作为检测端完成了对玻璃平板厚度均匀性的直接测量和分析。该系统由CCD采集干涉图样, 利用傅里叶变换条纹分析术和相位解包裹技术提取干涉图中所包含的待测相位信息; 对于傅里叶变换法中频谱旁瓣中心无法准确定位的问题, 采用三角变换法去载频, 从而不需要准确地得知频谱旁瓣的中心位置就可以计算出相位结果, 消除了人为估算和垂轴方向上的微小载频分量给测量结果带来的误差。实验测量了多块玻璃平板的厚度均匀性。测量结果显示: 使用像元大小为4.65 μm×4.65 μm的CCD相机, 测量玻璃平板两表面在长度方向和宽度方向上的厚度均匀性的理论精度分别达到0.93%和0.92%, 表明本系统基本满足玻璃平板厚度均匀性测量的要求, 且对干涉图频谱旁瓣的定位精度和载频的方向精度要求较低。

自制了一个137单元分立促动器的连续镜面式变形镜, 用于自适应光学相关技术的研究。首先, 利用Zygo激光干涉仪对变形镜的静态性能进行了测试, 包括面形测试、单个促动器的响应测试和耦合测试; 然后, 针对变形镜的校正能力, 分别进行了Zernike多项式拟合和展平测试, 并利用自适应光学实验平台实验验证了变形镜的校正能力; 最后, 利用搭建的快速响应测量平台测试了变形镜及其驱动电路的动态响应性能。测试及实验表明, 137单元变形镜静态展平后的面形RMS值优于λ/50, PV值优于0.18λ(λ=632.8 nm); 能够对前7阶Zernike多项式进行较好的拟合和校正; 变形镜及其高压驱动器的动态响应优于1 kHz; 该变形镜能使系统的Strehl ratio从小于0.1提高到优于0.9, 明显改善了系统的成像能力。

为了提高遥感影像产品的定位精度, 研究了星敏感器主光轴和遥感相机主光轴交联角的在轨检校方法。利用高分辨率卫星遥感影像的严格成像模型, 将改进的非直接求解模型引入到遥感相机安装误差的标定中, 提出一种对遥感相机内外方位元素进行统一检校的方法, 实现了星上姿态确定系统和遥感相机之间系统误差的精确补偿。对来自遥感卫星的整轨遥感图像进行处理, 利用最优化模型确定遥感相机和星敏感器姿态关系矩阵, 进而检校出交联角。最后, 利用单像对地目标定位原理, 对检校精度进行了验证。实验结果表明, 校正后地面点经纬度方向平面位置RMS误差分别为9.31 m和9.28 m, 显示通过内外方位元素统一检校, 遥感图像的定位精度得到显著提高。

针对传统激光并行共焦测量过程中存在的泰伯效应, 提出将数字微镜器件(DMD)引入激光并行共焦测量系统来正确辨识正焦面的位置。采用了DMD作为光分束器件, 从理论上验证了它是一种投影式的阵列光源, 对激光分束后不会在光路方向上产生泰伯像; 同时, 考虑DMD不能对分束后的光线产生会聚作用, 并非高效的并行光源分束器件, 本文将DMD与微透镜阵列(MLA)结合构建了单光源双光路并行共焦测量系统。该系统利用DMD光路探测正焦面位置, 利用微透镜阵列光路进行精确的共焦测量。实验结果表明, 两种光路下的正焦面位置仅相差2 μm, 在一个泰伯间距范围之内, 可以较好地克服泰伯效应对激光并行共焦测量的影响, 进而保证较高精度的并行共焦测量。

为了消除HF酸差动腐蚀法测试中环境因素对测试精度的影响, 提出了HF酸分步腐蚀法, 并引入修正系数Ki来对不同腐蚀阶段的环境变化做适当的修正以提高测量精度。采用HF酸分步腐蚀法测量了固结磨料抛光垫(FAP)研磨后K9玻璃的亚表面损伤层深度, 并与HF酸差动腐蚀速率法和磁流变抛光斑点法的测量结果进行了对比研究。结果显示, 用本文提出的方法测量得到的亚表面损伤层深度为3.479 μm, 其他两种测量方法测得的结果分别为0.837 μm和2.82 μm。测量结果表明, 分步腐蚀法的测量精度更高, 其结果更加符合实际情况。另外测试中引入了实验校正系数Ki, 很大程度上减少了操作环境及重复操作带来的累积误差。

设计了动态实时水平基准测量系统, 讨论了用该测量系统测量远望号测量船变形角的可行性及利用该系统测量船体横扭角和纵挠角的原理和误差项。依据测量船的实际需要确定了动态水平基准测量系统的关键技术指标, 并分析了测量船体横扭角和纵挠角的测量精度。分析结果表明: 系统对船体横扭角和纵挠角的测量误差均不大于3″, 测量距离理论上不受任何限制, 远大于200 m(测量船船体长度)。利用现有外场试验条件进行了码头停靠状态下远望号测量船两测量点间的船体横扭角和纵挠角测量试验, 结果表明: 利用动态水平基准测量系统实时测量船体横扭角和纵挠角的方法切实可行, 不仅提高了测量精度, 而且克服了传统的大钢管基准测量法体积大、重量沉, 装调及维护困难等缺陷。实验显示, 该动态实时水平基准测量系统的应用领域相对广泛。

设计了大视场眼底自适应成像系统, 用于扩大现有视网膜自适应成像系统的视场。对人眼等晕角视场下的自适应像差校正成像进行分析, 确定了波前探测与成像校正两个过程对视场的不同要求。在共光源像差探测及成像光学系统中, 采用切变视场光阑的方式先后在波前探测和自适应校正成像过程中进行小-大视场切换, 避免了大视场中眼波像差探测失真问题, 使成像区域由200 μm扩展到500 μm。利用人眼等晕角大视场使眼底液晶自适应成像系统在不降低成像质量的前提下将成像区域扩展了2.5倍, 大幅提升了该自适应成像系统在临床上应用的可行性。

针对用光腔衰荡法测量气体浓度时存在严重非线性光学损耗, 输出功率密度偏低, 光源输出不平坦等问题,利用受激拉曼散射(SRS)非线性频移机制, 设计了以Si元素作为拉曼主要增益介质的拉曼激光器。在硅波导结构中设置了p-i-n反向偏置电压, 通过控制调节该电压值来降低由双光子吸收(TPA)引起的自由载流子吸收(FCA)以及由FCA引起的非线性光学损耗, 从而提高拉曼激光器的输出功率。在实验分析处理过程中, 将反向电压分别设置为开路、短路、5 V以及25 V4种状态, 分析比较了不同电压值下激光器输出功率的变化规律。实验结果显示: 粒子自由迁移时间从16 ns降低到1 ns, 表明输出功率在同等标准下得以显著提高, 进而改善了气体浓度测量的稳定性。

通过模式耦合理论, 建立了基于长周期光纤光栅(LPFG)的二层圆光波导模型; 结合传输矩阵法, 仿真得到了外部介质折射率呈线性分布情况下LPFG的透射谱。仿真结果表明: 该结构下的LPFG透射谱特性强烈依赖于外部介质折射率梯度, 当外部介质折射率梯度升高, 透射谱的损耗峰深度逐渐降低, 损耗峰3dB带宽逐渐增加, 且增加量与折射率梯度的增加量呈较好的线性关系; 当外部折射率梯度由1.111 1×10-7 riu/mm增加到1.111 1×10-5 riu/mm时, 其梯度灵敏度可达到2.2×107 nm·mm/riu。这一结果使折射率梯度的高灵敏度测量成为可能, 为设计和制作基于LPFG的折射率梯度传感器提供了一定的理论依据,并有望用于生化反应中微小尺度下折射率呈梯度分布的液相介质的测量。

为了匹配不同类型和规格的工程数字投影机的投影球形幕, 提出了设计通用型投影变焦鱼眼镜头的基本方法。首先, 基于投影鱼眼镜头自身特性和通用性特点, 确定了目标系统采用的光学结构类型; 通过优选配置二组元变焦核初始条件参数, 对补偿组的位移曲线进行了线性改造, 从而使两条凸轮曲线可同步构造为标准螺旋线。之后, 通过合理控制前固定组球差及后固定组焦距, 使变焦过程中的像面保持稳定。设计结果表明, 光学系统采用二运动组元机械补偿式正组变倍负组补偿结构, 在变焦过程中可以保持全视场角160°和孔径F#为2基本不变。通过合理控制过程参量, 可以使系统适配光学引擎中棱镜的有效光学厚度为16.5~26 mm, 满足1LCD、3LCD和1DMD常见技术类型、16~24 cm(0.63~0.95 in)芯片尺寸及16∶9和4∶3两种芯片长宽比的数字工程投影机使用, 像面位移量控制在±0.03 mm以内。该设计可以满足投影鱼眼镜头的常规投影及通用性要求, 结构简单, 工艺性强。

设计了一种适于车载等运动环境下的快速控制反射镜, 用于在具有振动和冲击的工作环境下控制激光发射系统的激光光束稳定及其精确校准。根据某光学系统的性能指标要求, 阐述了用于高能激光的平面反射镜的物理性能以及控制反射镜负载应有的机械特性。采用大行程的音圈电机作为控制反射镜的驱动器, 并设计了精度高、抗干扰能力强的角位移测量装置作为控制反射镜的位置传感器。对所采用的4个音圈电机和4个角位移测量装置进行了合理布局, 既降低了系统的转动惯量又提高了系统的可靠性和环境适应性。实验结果表明: 该快速控制反射镜的定位精度优于1.4″, 满足高能激光发射系统对控制反射镜的精度要求。

提出一种基于圆弧限位压电发电装置来提高发电能力及可靠性。介绍了该装置的结构及工作原理, 建立了其机电能量转换模型。通过模拟仿真分析获得了压电振子厚度比(基板与总厚度比)对最小限位圆弧半径及能量、及压电振子厚度和限位圆弧半径对电压及能量的影响规律。结果表明, 最小限位圆弧半径随厚度比的增加而线性减小, 且存在共同的最佳厚度比(0.35)使不同厚度压电振子的输出电压和能量最大; 在最佳厚度比时, 输出电压和能量随压电振子厚度增加或限位圆弧半径降低而增加。制作了一组限位圆弧半径不等的发电装置, 并进行了相关试验测试。结果表明, 压电振子的最大输出电压(变形量)仅与限位圆弧半径有关, 故采用最小限位圆弧半径可同时获得最大的发电能力和较高的可靠性。

设计了一种基于双柔性支承板的快速伺服刀架用于金刚石车削加工非回转对称微结构表面, 并对其性能进行了测试。根据约束条件推导了刀架柔性支承板的刚度解析表达式, 同时给出了柔性板上最大Von Mises应力的计算公式。根据快速伺服刀架设计指标, 优化了柔性支承板的结构参数, 并根据上述结构参数, 加工得到了快速伺服刀架。最后, 搭建了快速伺服刀架控制系统, 测试了它的静态及动态特性。测试结果表明, 设计的快速伺服刀架的刚度为53 N/μm, 最小运动分辨率为3 nm, 工作行程可达20 μm。另外, 它的稳态跟踪误差小于4 nm, 开环带宽为2 kHz, 一阶固有频率可达3 kHz。测试结果不仅验证了所述设计方法的正确性, 也表明采用双柔性支承板结构是设计高刚度、高精度微位移机构的一种有效方法。

介绍了物理性人-机器人交互的定义,对该过程可能对人造成的伤害进行了分析, 给出了物理性人-机器人交互安全评价指标, 并总结了目前该领域采用的安全策略。综述了国内外在物理性人-机器人交互方面的研究进展, 在分析物理性人-机器人交互研究现状的基础上, 阐述了该领域面临的问题和挑战。文章指出,目前物理性人-机器人交互伤害分析和安全评估研究主要集中在钝/锐碰撞造成的骨骼和软组织伤害上, 缺乏对脏器、血管、神经等损伤的研究。安全策略主要方法有碰撞避免、包裹软弹性材料、关节柔顺设计等。通过对比各种安全策略的设计思想和组成方案, 总结出了各种策略的优缺点和存在的主要问题。由于现有的研究表明单一的手段和策略无法保证人-机器人交互的安全性, 提出将认知性人-机器人交互和物理性人-机器人交互相结合来增强后者的安全性将是未来发展的方向。

为了实现直线电机精密定位平台的位置和速度的轨迹跟踪控制, 本文基于内模控制(IMC)的基本原理, 在直线电机精密定位平台参数辨识的基础上, 设计了定位平台速度环的模型状态反馈(MSF)控制器和基于位置环PID和速度环MSF的级联控制器。将PID/MSF级联控制器与速度/加速度前馈控制(VFC/AFC)相结合, 构成了PID/MSF+VFC/AFC的复合轨迹跟踪控制器。该复合轨迹跟踪控制器通过整定速度前馈的增益来改善位置环偏差控制的跟踪滞后现象和动态响应, 增加控制系统的稳定性和伺服精度; 通过整定加速度前馈的增益在不减小级联控制器位置环增益的前提下, 减小速度前馈带来的超调量, 提高轨迹跟踪精度。基于MATLAB/dSPACE实时仿真控制平台, 实现了某直线电机平台的轨迹跟踪控制。仿真和实验结果表明, 该轨迹跟踪控制器的轨迹跟踪精度为±0.028 mm, 定位精度为±4 μm, 满足直线电机精密定位平台轨迹跟踪控制的要求。

考虑帘幕式快门的曝光精度和面阵CCD相机的结构尺寸, 利用正时带在高速运动中能够保证高精度传动的特点, 设计了以正时带为快门帘幕, 以正时带轮为快门辊轴的新型单帘式焦平面快门。分析了影响快门曝光精度的主要因素, 利用系统误差合成法建立了快门曝光精度的数学模型。利用齿轮综合误差组评价了驱动机构的传动误差, 通过分析正时带的传动机理建立了多边形效应的几何模型, 并计算了多边形效应对速度精度的影响。在接入快门负载的情况下测试得到了快门辊轴的稳速精度, 并利用高斯法计算得到了快门的曝光精度0.067。最后, 利用光电法测试了幅面上均匀五点的有效曝光时间, 测量结果显示幅面内快门的曝光精度达到0.056, 可实现宽目标照度范围航空摄影的曝光。

针对目前没有成熟的设计计算S型折叠式悬臂梁刚度公式的问题, 本文利用能量法和胡克定律推导了S型折叠悬臂梁x向、y向和z向的刚度计算公式。推导过程中发现对于复杂的微悬臂梁结构, 其转角处的弯矩对最终结果影响较大, 不可忽略。在ANSYS中对S型折叠悬臂梁建模, 应用有限元法计算了S型悬臂梁的刚度, 并和理论公式进行了对比。与有限元法对比显示, 公式计算值的相对误差分别为0.67%、1.09%和2.95%, 均小于3%。应用图像测位移法对S型悬臂梁进行了x、y向的拉伸实验, 实验显示得到的实验值和理论值吻合, 表明本文推导的 S型悬臂梁的刚度计算公式合理, 能够为该类型悬臂梁的设计和计算提供理论依据。

针对压电陶瓷驱动器(PZT)的迟滞非线性对周期性超精密跟踪精度的影响, 对基于Takagi-Sugeno(T-S)型模糊规则的动态模糊系统( DFS)前馈+PI控制方法进行了研究。介绍了DFS模型前提部分和结论部分的辨识方法; 结合直接逆模型控制和迭代学习控制的思想, 提出了周期性轨迹跟踪的DFS前馈+PI控制方法。最后, 针对20 Hz的三角波和正弦波期望轨迹进行了跟踪控制实验。实验结果表明: 提出的控制方法对三角波和正弦波期望轨迹的最大跟踪误差分别为0.25%和0.27%, 相对于PI控制, 跟踪精度分别提高了52倍和64倍,而最大跟踪绝对误差分别降低到5.1 nm和5.5 nm。结果显示这种控制方法易于实现, 周期性轨迹跟踪精度高。

提出了一种采用垂直梳齿驱动器驱动的大尺寸、大扭转角度、低驱动电压微光机电系统(MOEMS)扫描镜。理论分析了垂直梳齿驱动器的工作原理, 研究了垂直梳齿的制作工艺, 采用体硅加工工艺结合硅-硅键合工艺制作了垂直梳齿驱动的MOEMS扫描镜。制作的扫描镜镜面尺寸为3 mm×2 mm, 谐振频率为1.32 kHz。测试表明,该扫描镜镜面具有很好的光学表面, 其表面粗糙度的均方根只有8.64 nm; 扫描镜在驱动电压为95 V时可以实现最大2.4°的扭转角度; 测得其开启时的响应时间为1.887 ms, 关断时的响应时间为4.418 ms。

研究了静压油垫带来的非线性干扰对大口径天文光学望远镜跟踪精度的影响。分析了油垫干扰的成因; 综合采用加速度计法和编码器法, 精确测得了油垫的非线性干扰频率; 通过分析油垫开启前后的振动曲线、编码器位置曲线及其快速傅里叶变换(FFT)曲线, 提出了油垫液压振动是一种窄带干扰。然后, 采用Notch数字滤波器, 将陷波频率设置在主要干扰频率处来抑制油垫液压振动干扰。给出了滤波器的具体设计过程及其Bode图和零极点图。当需要调整油膜厚度时, 可改变Notch参数来适应干扰频率的变化。最后, 给出了带Notch滤波器的控制系统和滤波结果。仿真和2.5 m天文望远镜的实验结果表明: 通过检测并抑制油垫0.825 Hz的主要干扰, 望远镜可在保证运动控制系统原有的稳定性和响应能力的情况下, 方位轴跟踪精度达到RMS值为0.0837″, PV值为0.571″。相对于脉动衰减装置, 该方法灵活、简单、通用性好。

提出了复合材料和金属预埋件互嵌整体成型的设计方法。根据同轴三反光学系统中光学元件的空间布局和碳纤维复合材料的工艺特点和材料属性, 设计了一种碳纤维基体与钛合金预埋件互为镶嵌的相机主承力板。首先, 以碳纤维复合材料基体为核心, 优化设计了基体的筋格形式和厚度, 并对金属预埋件进行了布局和轻量化设计; 然后, 分析了碳纤维主承力板的模态和变形; 最后, 进行了振动环境试验, 验证了设计及分析的准确性。检测和试验表明, 纤维主承力板的最大外接圆直径为Φ870 mm, 厚度为130 mm, 质量为15.6 kg, 平均体密度仅为0.313 g/cm3, 主承力板一阶频率达到479.2 Hz, 满足了空间相机的高动态刚度、轻质量、高安装精度要求。

针对目前微流体混合器多需要外接动力源, 且多数微混合器只能进行液体混合而不能输送液体的问题, 提出将无阀压电泵引入微混合器领域, 并研制了一种集混合与输送于一体的多级“Y”型流管无阀压电泵。首先, 提出了多级“Y”型流管, 进而设计了多级“Y”型流管无阀压电泵, 并分析其工作原理; 然后, 对该无阀压电泵的流管流阻特性及泵流量进行理论分析; 同时, 利用有限元软件对多级“Y”型流管无阀压电泵进行了流场模拟, 结果表明该压电泵具有单向传输作用。最后, 制作了多级“Y”型流管无阀压电泵样机, 并进行了泵流量与背压试验。试验结果显示: 驱动电压峰峰值为100 V, 频率为16 Hz时, 流量达到最大, 为16.2 ml/min; 驱动电压峰峰值为100 V, 频率为14 Hz时, 输出背压最大, 约为64 mm水柱。得到的试验数据证明了多级“Y”型流管无阀压电泵的有效性。

研究了已网格化的曲面片之间的拼接技术并对现有的拼接算法进行了改进。首先, 根据哈特利-贾德的弦长参数化算法求取非均匀有理B样条(NURBS)曲线上的节点向量,利用节点向量和曲线反求出控制顶点, 并采用投影变换的方法求出权因子。其次, 根据要求调整曲面片上的控制顶点, 使曲面片之间达到G1连续。最后, 再对已拼接好的曲面片上的控制顶点进行整体修改, 重新排列整张曲面片上的控制顶点, 从而实现曲面片的无缝拼接。用专业的三维造型软件对拼接后合并的曲面片进行了测试, 结果表明, 该方法在保证曲面片之间G1连续的情况下可使多块曲面片实现无缝拼接, 无缝拼接试验中的平均误差为0.0049°。

针对基于压缩感知的目标跟踪算法中存在的特征单一, 在目标纹理变化、光照变化较大时跟踪不稳定、易丢失目标的问题, 提出了多特征联合的实时跟踪算法。该算法以多个矩阵作为压缩感知中的投影矩阵, 将压缩后的数据作为特征来提取出跟踪所需的多种特征。在更新过程中, 针对不同特征在跟踪过程中的稳定性不同, 采取不同速度的更新方法, 使得在目标环境变化时跟踪的鲁棒性仍然很高。对不同视频的测试结果表明, 提出的方法在目标运动、旋转、纹理变化和光照变化的情况下跟踪准确, 在目标大小为70 pixel×100 pixel时平均帧速为23 frame/s, 满足实时跟踪的要求。与单一特征的压缩感知算法相比, 本算法在目标纹理和光照变化很大的情况下仍能完成稳定的实时跟踪。

针对星上图像整合电路工作频率过高而造成的成像系统工作不稳定的问题, 讨论了相机结构的改进, 提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)平台实现星上时间延迟积分CCD(TDICCD)遥感图像实时合成压缩的方法。介绍了星上多通道遥感图像实时合成压缩的原理。针对TDICCD线阵推扫成像模式的特点, 使用改进的JPEG-LS压缩算法; 通过自适应量化动态地控制码率, 在FPGA硬件平台上实现了图像数据的实时合成压缩。试验验证结果表明, 在无损压缩和2倍压缩时, 系统主时钟从原来的100 MHz分别降低为80 MHz和64 MHz, 整合电路的工作稳定, 恢复图像的峰值信噪比(PSNR)满足大于80 dB的要求。提出算法的存储量小, 处理每行的平均时间为57.5 μs, 小于相机的最小行周期63 μs, 满足实时性要求。本文系统可靠性高, 算法稳定, 实现了星上多通道时间延迟积分CCD相机内部的实时合成压缩。

针对多输出CCD传感器成像存在接缝的问题, 提出了一种基于延时积分(TDI)的校正方法。使用TDI的读出方式对均匀光源成像获得了具有亮度线性渐变的图像数据, 建立了获得图像的行平均灰度和行曝光时间关系的模型, 通过该模型对CCD每路输出特性进行拟合, 校正了CCD多输出的不均匀性, 解决了图像接缝问题,并在模拟前端(AFE)完成了校正过程。本方法仅使用一次成像过程, 避免了辐照度调整精度对校正精度的影响。与传统的两点法和多点法(16点)相比, 提出方法的输出非均匀性分别减少了2.428%和 1.052%, 校正效果明显提高。实验显示: 本方法校正精度高, 实验工作量低, 可以广泛用于多输出CCD的接缝校正中。

为了高效而准确地评价与控制车内噪声品质, 以B级车稳态工况下副驾位置的车内噪声为研究对象, 采用等级评分法对采集到的声音样本进行了主观评价试验, 同时计算了7个客观参数。以客观参量为输入, 声品质主观结果为输出, 引入基于遗传算法的BP神经网络建立了声品质预测模型。实验显示该模型输出结果与实际评分的相关系数达到0.928, 检验组的预测最大误差为±8%。以所建模型的连接权值, 分析了客观参数对主观评价结果的贡献度, 并以影响系数较大的参数为输入重新构建了预测模型。研究结果表明: 稳态工况下, 车内声品质主要受响度、粗糙度和尖锐度的影响, 其预测模型可由这3个参数来描述。

针对传统的图像质量评价方法忽略颜色信息以及与人眼感知信息一致性差的问题, 提出了一种全面利用彩色图像颜色信息, 突出人眼敏感图像结构的彩色图像质量客观评价方法。将图像中人眼敏感的结构分为细节, 亮度和颜色3方面因素, 将四元数矩阵作为载体, 构造了一种用于彩色图像质量评价的四元数矩阵, 并对其进行奇异值分解。将最大奇异值作为度量图像结构相似性的主要参数, 通过分析图像结构差异映射图谱得到了最终的量化评价结果。采用LIVE数据库中包含5种失真类型的982张测试图片验证了提出的算法, 得到的交叉失真实验非线性拟合均方根误差(RMSE)值为9.176, Spearman等级相关系数(SROCC)值为0.929 6, 而结构相似度(SSIM)方法的RMSE值为9.299, SROCC值为0.925 6。试验结果表明, 该方法采用四元数矩阵描述彩色图像的结构信息, 考虑了彩色图像的多方面结构特征, 与人眼视觉感知特性的一致性优于传统方法。

考虑激光超声检测过程中噪声对缺陷和材料特征分析和检测的影响, 本文以激光超声信号去噪为目的, 研究了基于经验模态分解(EMD)的激光超声信号时间尺度滤波过程。针对分解过程中固有模态函数(IMF)上有用信号与噪声的混叠现象对重构信噪比的影响, 结合信号多模态和宽频带的特点, 提出了基于峰度检验策略的时域加窗方法。该方法通过局部峰度检验判断重构起点附近IMF中有用信号的位置及信噪分界点, 利用Turkey-Hanning窗保存有用信号, 抑制噪声, 实现信号与噪声的解混叠, 改善重构信号质量。仿真和实验结果表明, 该方法具有良好的自适应性, 有效识别并分离了信号和噪声成分, 信噪改善比达14 dB以上, 相对原始方法提升了3 dB, 相对性能增强了20%, 并且改进效果随信号受污染程度的加重而愈发突出, 有望在高噪声水平下发挥优势。

针对头盔式虚拟现实系统中的头部位置跟踪, 研究并实现了多摄像机下的高精度光学头部位置定位系统。通过设计初始标定方块来减小系统安装误差, 使摄像机按正交方式布置, 保持其光轴两两相互垂直。定位过程中以某一摄像机为基准, 任意给定目标深度初值; 依据摄像机成像模型计算出目标空间位置, 再将该计算结果作为其他摄像机的目标深度初值进行循环迭代计算, 收敛至给定精度后得到目标三维空间坐标值。最后以3个标记点空间位置为基础, 依据其空间关系计算得到目标姿态角。对比实验表明, 该定位方法定位精度高、计算速度快, 静态位置误差为0.051 cm, 动态位置误差为0.088 cm, 明显超过电磁跟踪器定位精度; 同时该定位系统成本低廉, 不受外界金属和电磁环境干扰, 可满足虚拟现实系统中高精度头部位置跟踪需求。

介绍了一种基于高分辨率超感光度(EXview)CCD的光纤远程传输采集系统的设计方法。该系统利用专用集成芯片实现其时序驱动; 双复杂可编程逻辑器件(CPLD)完成系统的逻辑控制; 采用带相关双采样的16位高精度模数变换器(ADC)对模拟视频进行数字化, 从而提高系统动态范围。为满足其极端实验环境的应用, 基于TLK1501进行大容量视频数据的远程传输; 利用USB接口实现了计算机终端采集。最后, 实验测试了系统的两个重要的评价参数: 动态范围和系统灵敏度。该系统具有140万像素、16位高精度数字化位数、30 km以上的远程传输能力,其动态范围为1000~1500倍、灵敏度为2.34 ADU/e-左右, 暗电流约为6 e-/pixel·s-1［>32 ℃］。实验显示该系统适用于对分辨率、灵敏度、安全性等要求高的科学研究中。

针对双目视觉测量系统存在误差因素繁多、分析困难等问题, 提出了一种基于灰色关联技术的误差分析方法。考虑视觉系统的灰色属性, 将灰色系统理论及其相关技术运用于视觉测量系统的误差分析。以镜头畸变、质心定位误差及双目视觉系统内、外参数等9项因素或参数为自变量, 通过基于单项因素变化的实验, 获取了误差分析的数据样本; 采用灰色数据处理方法及灰色关联分析技术, 从无明显规律的数据样本中明确了视觉系统各项误差因素对最终测量精度的影响。分析结果证明了灰色理论用于定量分析视觉系统误差的正确性和有效性; 在灰色理论意义下, 镜头径向畸变、切向畸变、摄像机夹角及特征点质心定位误差4项因素对测量精度的关联度均大于等于0.859, 高于其余误差因素。

针对高速湍流场导致的红外成像模糊, 提出了一种基于图像质量评价的湍流退化红外图像降晰函数辨识算法。利用先验知识将退化过程简化为可用参数描述的二维高斯函数形式, 将退化图像分割为边缘区、纹理区和平坦区, 计算不同支持域下复原图像在不同参数时的峰度值; 利用曲率最大准则对得到的“峰度-参数”曲线进行相应的降晰函数参数估计, 进而由支持域和对应的估计参数得到对应降晰函数并用于复原退化图像; 最后对复原图像进行无参考图像质量评价,评价指标最高的复原图像对应的降晰函数即为最终辨识结果。实验结果表明: 该算法能较好地辨识降晰函数参数和支持域大小, 当退化图像信噪比大于30 dB时, 估计参数与真实值的最大偏差小于±5%。该算法所得结果可以作为湍流退化红外图像其他复原算法的降晰函数起始估计。

为了提高全自动视觉印刷设备的精度, 提出了一种简易、有效标定基于三自由度平面并联调整台的视觉丝网印刷设备的算法。首先, 分析和标定了视觉测量系统, 并通过激光干涉仪验证了结果的准确性。然后, 分析了三自由度平面并联调整台的几何参数误差; 基于印刷设备自身的视觉测量系统, 分步标定了并联平台的动平台坐标系、传动比误差和仅需的部分几何误差源。提出了一种满足全姿态且适应不同制程的三角形面姿态插值方法和纠偏调整算法, 从而避免了较为复杂的几何全参数辨识, 降低了对调试人员的技术要求。实验结果表明: 在并联调整台工作空间内, 标定后的最大位置误差从标定前的161.6 μm下降为12.3 μm, 最大姿态误差从标定前的2.232″下降为0.720″, 基本满足印刷设备对精度的要求。

基于视觉注意模型和最大熵分割算法, 提出了一种自适应显著目标分割方法来分离目标和复杂背景, 以便快速准确地从场景图像中检测出显著目标。首先, 通过颜色、强度、方向和局部能量4个特征通道获取图像的显著图; 通过引入局部能量通道来更好地描述了显著目标的轮廓。然后, 根据显著图中像素灰度的强弱构建不同的目标检测蒙板, 将每个蒙板作用于原图像作为预分割的结果, 再计算每个预分割图像的熵。最后, 利用最大熵准则估计图像目标熵,根据预分割图像的熵和目标熵判断选取最优显著目标分割图像。实验结果表明: 本文算法检测的显著目标更为完整, 分割性能F-measure达到0.56, 查全率和查准率分别为0.69和0.41, 相对于传统方法更为有效准确, 实现了在复杂背景下对显著目标的有效准确检测。