为了提高成像光谱仪的光谱定标精度,降低定标过程的复杂度, 本文基于单色仪扫描定标法的原理,提出了交互光谱定标的思想,设计了适用于单色仪与成像光谱仪的交互光谱定标系统。分别对单色仪与成像光谱仪进行了光谱定标实验,并对定标数据进行了处理分析。结果显示：单色仪光谱定标精度优于±0.1 nm;成像光谱仪的光谱区大于400~800 nm,光谱分辨率优于3 nm。该交互光谱定标系统避免了对单色仪和成像光谱仪分别定标需要两个探测器的弊端,定标过程中只需切换定标模式,简化了定标过程,能够同时保证单色仪与成像光谱仪的定标精度,具有复杂度低、通用性强、适用范围广及较高的定标精度等优点,可满足实际使用要求。

研制了介电润湿双液体变焦透镜以实现变焦透镜的微型化及无机械部件情况下透镜的自动变焦。基于介电润湿原理制备了双液体变焦透镜。采用CCD图像测量系统,测量了不同电压下透镜的焦距,并与基于高斯光学理论推导的焦距公式进行了比较。然后,采用COMSOL软件,分析了双液体界面面形随电压的变化,讨论了动力黏度系数对透镜性能的影响。结果表明,随着电压的增大,双液体界面从初始弯向导电盐溶液变为平面继而弯向绝缘油,相应的双液体透镜实现了从凹透镜到凸透镜的转变,临界电压为50 V。当电压增大至65 V左右时,透镜焦距不再减小。透镜焦距经历了从负到零再到正的变化(-∞ ,-22.83 mm)∪(33.47 mm,+∞),基本实现了焦距大范围可调。当动力黏度系数为0.03时,液体透镜的响应时间为0.015 s,对应的器件稳定性最佳。

研制了基于气相可逆比色法的小型水样氨氮自动光学检测装置样机,该装置主要由样品室、测试室、自动进样模块和数据处理与控制电路组成。以不同浓度氯化铵水溶液作为氨氮样品测试了样机性能,建立了样机吸光度与氨氮浓度的线性依赖关系式;通过比较样机对氨氮标样的测试值和样品标准值,验证了样机的可靠性。研究结果表明,该样机能够在室温下对水样氨氮进行连续长时间的自动检测,具有较好的测试重复性,探测极限约为0.04 mg/L(以N计),低于国家标准对一类水的检测上限(0.15 mg/L,以N计)。该装置体积小,重量轻,成本低,功耗小,自动化程度高,无需对水样进行复杂预处理,适合水环境现场的快速检测。

针对大气湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量的影响,开展了用自适应光学(AO)技术校正大气湍流影响的研究。定量分析了自适应光学技术在通信波段校正大气湍流的效果。利用中国科学院光电技术研究所研制的安装在云南丽江高美谷观测站的1.8 m望远镜和127单元AO系统,在1 550 nm通信波段对不同高度角的恒星进行了大气湍流校正实验。通过采集校正后的恒星图像,分析了校正后的斯特勒尔比,同时记录下当时的大气相干长度,由此得到了在不同大气湍流条件下的校正效果。实验表明,当大气湍流强度D/r0(1 550 nm)小于6.5时,校正后的波面RMS值可以小于1 rad,即在中弱大气湍流条件下,该AO系统可以有效地对大气湍流进行校正。

为实现敏感元件仅为单一光纤光栅流速传感器的多参数同时测量,提出了一种流速/温度共采的光纤布拉格光栅(FBG)涡轮流速传感器。该传感器通过涡轮实现流体冲击力对光纤光栅中心波长的频率调制,解决光纤光栅温度应变的交叉敏感,理论计算得到其流速检测灵敏度为2.91·10-2 m/(s·Hz-1)。为测试传感器的性能,搭建了传感器测试系统,并选取光纤动态解调仪解调的光纤光栅中心波长动态信号作为试验原始数据。应用快速傅里叶变换(FFT)法分析试验数据,得到传感器流速的检测下限为0.541 7 m/s,检测灵敏度为2.57·10-2 m/(s·Hz-1),检测精度为25 mm/s,略小于理论计算值,其主要原因在于圆管内流体的流速并非均匀分布的匀速运动,管道内壁对流体具有一定的黏滞力。应用经验模式分解分析原始数据获取其趋势项信号,得到该传感器的温度灵敏度为10.6 pm/℃,检测精度为0.5 ℃。

设计研制了一套可控温低温吸收池装置,用于系统研究大气分子的低温光谱参数。在之前研制的低温池的基础上,对新研制的低温池的杜瓦瓶与样品池的安装方式,样品池的构造材料以及具体的制冷方法进行了改进,提高了温度稳定性和均匀性。实验显示：在0.5 h监测时间内温度波动小于±0.3 K,温度梯度约为0.03 K/cm。基于新型低温池,结合可调谐半导体激光吸收光谱技术,开展了6 358.654 cm-1处二氧化碳低温精细光谱测试,获得了二氧化碳吸收谱线的自展宽系数及其温度依赖系数(n=0.738±0.014),并与相关文献报道的温度依赖系数进行了对比验证。结果表明,该装置可以满足大气分子低温光谱实验的需要。

为了解决光纤延迟线研制中高延迟精度和低插入损耗相互矛盾的问题,提高延迟线制作的工程可行性,提出了由基于光纤组合透镜准直器,角锥棱镜反射镜的光学结构和滚珠丝杠等机械结构组成的延迟线系统模型。介绍了光纤延迟线的构成和基本原理;根据项目研制的具体要求,重点设计了波长在1 550 nm的关键器件——光纤准直器和角锥棱镜;然后,进行了光学辅助机械结构的设计和组装;最后,采用光纤激光器完成了光学校准和数据测试。实验结果表明：该延迟线在延迟距离为1~9.6 cm时,耦合效率均在80.6%以上,并且时延的重复性很好,精度较高,可以满足雷达、通讯、电子对抗等各种不同电子系统的需求。

提出了一种二维点列式激光多普勒测量方法, 用于捕捉轨迹有一定波动范围的空间运动物体的速度信息。该方法使衍射光栅产生的多束相干光在空间某探测位置相交,从而形成一个结构可调的二维探测体阵列。当物体轨迹的波动量在二维阵列范围内时,系统即可以获得其速度信息。与扩展光束型的多普勒测速系统相比,该方法具有空间分辨率高及能量集中等优点,因此可以用于远距离探测。另外,对固体表面散射光的多普勒信号进行了分析及模拟。结果表明：测量结果与模拟结果相一致,且经频谱校正后的平均误差可以达到1.63%。该系统结构易于集成,调节方便,适用于轨迹有一定波动量的空间物体的速度测量。

提出了基于线阵CCD相机的动态散斑对比度颗粒测量方法和系统,用于解决动态光散射研究涉及的动态光散射软件相关算法运算量大、实时性较差,以及不能测量高黏度溶液中颗粒的问题。首先,从传统动态光散射理论出发,基于光学统计理论,建立了动态散斑对比度的模型。然后,根据Siegert公式,推导了动态散斑对比度与动态散射光场自相关函数的关系。最后,得到了低浓度和高浓度下动态散斑对比度与颗粒粒径的关系。分别对粒径分布为(490±20) nm的标准乳胶球颗粒水溶液和纳米二氧化钛粉体(粒径分布：450~500 nm)甘油溶液进行了测量。结果表明：动态散斑对比度测量法的运算量小,且能测量高黏度溶液中的纳米颗粒,重复测量误差小于2%,满足了动态光散射的国标要求。

研制点衍射干涉仪时,小孔的形貌和装调误差会对衍射波前质量产生影响,故本文研究了采用相位复原对小孔衍射波前质量进行测评的方法。设计并搭建了衍射波前测试装置,对光纤衍射波前进行了测评实验。为了验证测试方法的有效性,分别对采集的衍射图像与重构的衍射图像,以及测试获得的振幅分布与理论计算获得的振幅分布进行了对比。结果显示。采集图像与重构图像之间的差异为0.32%,验证了采用相位复原技术进行衍射波前测试方法的有效性。同时,对干涉方法测量与相位复原结果进行了对比,二者差异仅为0.001 4λ RMS。

利用离子束溅射沉积技术制备了Ta2O5薄膜,在100~600 ℃的大气氛围中对其进行热处理(步进温度为100 ℃),并对热处理后样品的光学常数(折射率、折射率非均匀性、消光系数和物理厚度)、应力、晶向和表面形貌进行了研究。研究显示,随着热处理温度增加,薄膜折射率整体呈下降趋势,折射率非均匀性和物理厚度呈增加趋势,结果有效地改善了薄膜的消光系数和应力,但薄膜的晶向和表面形貌均未出现明显的变化。结果表明：热处理可以有效改变薄膜特性,但需要根据Ta2O5薄膜具体应用综合选择最优的热处理温度。本文对离子束溅射Ta2O5薄膜的热处理参数选择具有指导意义。

虽然气候因素和大气本身对船舶大气激光通信系统的性能影响极大,但现有的研究多集中于讨论大气对激光束造成的散射衰减。本文指出在雨中的自由空间光通信主要受雨滴直接遮挡的影响,尤其是雨滴形成的投影间的重叠效应,该效应能够很好地解释大雨甚至暴雨中激光仍能通过的现象。文中结合雨滴尺寸分布模型,建立了船舶大气激光通信中雨滴遮挡作用的数理模型,对光在雨中的最大传输距离及其光强的衰减做了初步计算与实验。结果证明,该衰减模型是合理的,理论模型基本符合实验结果。该项研究为进一步探索船舶大气激光通信系统的性能奠定了基础。

为了降低大磨粒金刚石砂轮磨削光学玻璃时的亚表层损伤,利用纳秒脉冲激光对金刚石砂轮进行了表面微结构化加工,并采用该砂轮研究了光学玻璃的精密磨削加工。首先,计算了金刚石磨粒在纳秒脉冲激光辐射下的烧蚀阈值和激光束腰半径;然后,分析了纳秒脉冲激光在金刚石磨粒上加工的微结构形貌以及微结构化过程中的热损伤;最后,采用微结构化大磨粒金刚石砂轮进行光学玻璃的磨削实验,并分析了亚表层的损伤情况。实验结果表明：金刚石磨粒在纳秒脉冲激光辐射下的烧蚀阈值为0.89 J/cm,激光束腰半径为17.16 μm。在粒度为150 μm的大磨粒电镀金刚石砂轮上可以实现结构尺寸为20 μm的微结构表面加工。与传统金刚石砂轮相比,微结构化砂轮磨削后的光学玻璃亚表层损伤深度降低了40 %,达到了降低光学玻璃磨削亚表层损伤的目的。

为了克服现有双足蝶形直线超声电机驱动的一维平台定位中的摩擦驱动非线性,本文基于电机工作原理和扇形非线性特性建立了电机及平台的模糊Takagi-Sugeno(T-S)模型。基于该T-S模型,采用系统增广的方法设计了无静态误差伺服定位控制算法;设计中考虑了鲁棒H∞性能,使得该非线性系统的模糊控制器具有较好干扰抑制性能和鲁棒性。采用嵌入式微控制器实现了所设计的控制算法,并进行了不同步进值的伺服定位控制实验。实验结果显示,在不同步进值下系统的超调量小于4%;在空载和带载荷的状态下对伺服定位控制实验数据的对比显示,系统最大超调量小于5%。与传统PID控制算法相比,本文提出的控制系统具有较高的定位精度,良好的运动平稳性和鲁棒性。

采用菲涅耳-基尔霍夫衍射理论建立了存在刻线弯曲和刻线位置误差的光栅衍射谱成像数学模型,分析了上述误差对光栅光谱性能的影响。针对刻划刀架系统运行不稳定问题,设计了一套光学测量结构,并提出了刻划刀架系统的机械改进方案：采用双侧柔性铰链式结构代替原有的鞍型滑块与刻划刀架的固定连接方式。最后,进行了刻划刀架系统运行稳定性测试和光栅刻划实验。刻划刀架运行稳定性测试实验表明：改进后的刻划刀架系统运行稳定性比改进前有显著改善,位移曲线重复性误差PV值由127 nm降低到13 nm,降低了约89％。光栅刻划实验表明,刻划刀架系统改进后,光栅光谱性能有明显的改善,光栅杂散光得到了有效抑制。得到的实验结果与仿真分析结果较为一致,为提高机械刻划光栅质量提供了理论及技术保障。

针对搭载于水下无人航行器(UUV)的磁梯度张量系统的系统误差,提出了一种系统误差补偿方法。该方法利用四面体磁梯度张量系统的差分测量算法,融合系统中单个矢量磁力仪的系统误差和磁力仪之间的安装中心错位误差,建立了四面体磁梯度张量系统误差数学模型;基于此数学模型提出了系统误差补偿算法,并根据磁梯度张量9分量之间的数学关系提出了补偿参数辨识方法;最后,通过仿真实验对该方法进行了验证。实验结果表明：该方法可以有效补偿磁梯度张量系统的系统误差,补偿量达96.2%,且补偿效果优于参考文献提出的系统误差补偿方法。该方法利用补偿参数对磁梯度张量系统的输出值直接进行系统误差补偿,从理论上解决了磁梯度张量系统整体误差的统一补偿问题。

针对采用滤光片转轮配合普通相机实现光谱分离与成像的多谱成像系统体积大, 结构复杂,操作不便等问题,本文基于微机电系统技术提出了一种新的多谱成像系统的设计方案和加工方法。 该方法将人造复眼结构和多通道彩色滤光片集成在同一块基片上来实现多谱成像结构。该结构具有多个光通道,分别对应红、绿、蓝、近红外4个波段,每个通道能独立获取对应波段的图像信息。以这种复眼结构作为镜头搭建了多谱成像系统并进行了成像实验,获取了多组对比图像。得到的图像说明该结构能够实现预期的色彩分离和多通道成像。由于这种复眼结构高度集成且具有可见光及近红外多波段图像并行捕捉能力,因此在多谱成像领域很有应用前景。

研究了用厚胶层进行光学零件之间的黏结操作时,胶层固化后其收缩力对反射镜面形的影响。首先,分析了胶层固化过程中胶层对光学元件产生拉应力的原理,找到了胶层固化过程中产生收缩力的主要因素。其次,建立了反射镜胶结组件的有限元模型,采用等效热变形法仿真分析了胶层收缩对反射镜面形的影响,分析发现胶层的等效线胀系数不能直接采用收缩率代替,而将材料的收缩率转换为胶层的等效线胀系数后,分析结果与试验结果吻合较好。最后,提出了减小胶层收缩对反射镜面形影响的改进方案。试验结果表明：黏胶方案改进后,胶层固化过程中的收缩力引起反射镜中心区域鼓包的PV值从0.574λ减小为0.064λ,镜面面形均方根值从0.127λ减小为0.038λ,这些结果显示胶层固化过程中产生的收缩力对反射镜面形的影响得到了显著改善。

建立了真空封装陀螺的无激励欠阻尼二阶系统模型,用于测量真空封装硅微陀螺的品质因数。对该模型进行理论推导,提出了一种时延常数测试方法。该方法首先利用锁相环路,驱动陀螺实现闭环谐振,获得较大的初始振幅。然后关断激励信号,通过放大电路和解调电路,记录硅微陀螺振荡幅值的衰减过程;用计算机通过Matlab GUI实时采集并拟合振幅衰减曲线,获得时间常数。最后, 通过时间常数解算获得真空封装硅微陀螺的品质因数。对真空封装硅微陀螺品质因数的实验测试结果表明：该方法实测数据与理论分析模型的拟合度为99.999%,测试重复性为4.03%,优于传统的扫频测试法的重复性。对比时延常数法与锁相放大器扫频测试法的测试数据显示：时延常数法具有更高的测量精度和更高的测试效率。该方法可以推广到其它高真空封装MEMS器件的品质因数测量。

建立了柔性压电智能反射面系统的有限元模型和优化控制模型,给出了结构力学建模和形状控制方法以及相应的优化算法。首先,将蜂窝夹层结构的压电智能反射面等效为多层复合板;基于Kirchhoff假设和经典层合板理论,根据虚功原理推导了柔性压电智能反射面的有限元方程;采用蜂窝等效理论计算了反射面蜂窝夹芯等效弹性模量,有限元模型中的单元为四节点四边形压电板单元,每个作动器单元中引入额外的电势自由度。然后,根据建立的有限元方程,推导了反射面变形均方根误差与作动器控制电压的关系式;以均方根误差最小为优化目标,建立了柔性压电智能发射面的静态形状控制优化模型;采用Lagrange乘子法处理了压电作动器工作电压的限制。最后,用提出的方法分析已有模型并验证建模方法。以600 mm口径的平面柔性智能反射面为例,验证了采用压电陶瓷贴片对反射面静态形状控制的可行性及优化算法有效性。仿真结果表明：通过控制压电陶瓷贴片作动器,可以使反射面的静态形状误差减小97%以上,而且作动器的控制电压均在极限电压范围内。

为了实现自由曲面快速精确的检测和评定,研究了检测过程涉及的采样策略。提出采用随机Hamersley采样、简单随机采样和列系统采样3种方法设置自由曲面上的测量点。采用拟粒子群算法优化变换参数,实现被测曲面与设计曲面之间的定位,采用曲面细分法搜索设计模型上与被测点距离最近点以计算自由曲面轮廓度误差。为了对基于坐标测量机(CMM)在不同采样策略下的检测结果进行比较,采用非均匀有理B样条生成零件设计模型,选择相同的加工工艺在不同的加工中心加工多个零件得到粗糙度不同的自由曲面。最后,使用CMM在所设计的采样策略下实测零件,用提出的方法计算零件的轮廓度误差,并与CMM内置软件的计算结果进行比较。实验结果显示：选择随机Hammersley采样法和中等采样点数的采样策略检测效果最佳,不仅测量精度高,而且耗时少、成本低。应用提出的方法计算自由曲面轮廓度误差时,其精度比由CMM内置软件计算结果高10%~22%,表明提出的方法适用于自由曲面零件轮廓度误差的快速精确检测与评定。

为了克服离心式微流控芯片上血清提取对虹吸管亲水性的依赖,保证离心式微流控芯片功能的稳定性和可靠性,在芯片上设计了连接于血液分离腔的压缩空气腔,实现了高转速下血液的分离。基于压缩空气的辅助作用,并通过转速降低导致压缩空气腔内所储存气体压强的释放对血清的泵送作用,实现了离心式微流控芯片上血清的定量提取。基于等温气体的热力学平衡理论,分析了压缩空气腔压缩体积和虹吸管内液面位置与电机转速之间的关系,给出了基于压缩空气辅助作用的离心式血清提取结构的设计规律。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基材,采用CO2激光加工工艺,制作了离心式血清提取芯片,并测试了不同转速下被压缩气体的体积和血清液面在虹吸管中的位置。实验结果表明：转速为4000 r/min时,空气的被压缩量为8.7 μL,虹吸管能有效抑制全血溢出以防止全血进入血清提取腔;当转速降为1 000 r/min时,压缩气体所储存压强得到释放,克服了离心力,并驱动血清流过虹吸管最高点,进而实现血清的定量提取。

研究了利用管道清管器(PIG)搭载惯性测量单元(IMU)实现管道三维地理坐标测量的方法。该方法以捷联惯导系统(SINS)定位为主,并辅以校正信息的Kalman滤波估计算法来解决SINS计算的发散问题。首先,将测量装置搭载在PIG上,PIG在管道中运动的同时记录惯性信号。然后,经离线计算得到管道的三维地理坐标,并利用IMU的姿态倾角和里程轮速度对SINS计算的误差进行校正。最后,建立了9维状态量Kalman滤波模型方程,并利用扩展Kalman滤波算法进行求解。实验结果显示,该系统对于30 m管道的测量精度为0.28 m;表明通过加入校正算法,可以实现内检测条件下对管道三维地理坐标的精确测量。

针对主被动磁悬浮控制力矩陀螺(CMG)磁轴承两径向平动自由度之间存在较强耦合的问题,提出采用α阶逆系统方法对主被动磁轴承系统进行解耦控制。首先,根据主被动磁轴承的结构特点,建立了主被动磁悬浮转子径向通道平动力模型以及动力学模型;利用上述模型分析了两径向自由度之间的耦合特性,并对系统进行可逆性分析,得到了原磁轴承系统的α阶逆系统模型。然后,将原系统与α阶逆系统组合得到二阶积分线性系统,利用最优控制器实现闭环控制。最后,对本文方法进行了仿真及实验。结果表明,当x向有40 μm位移阶跃和18 μm幅值的正弦干扰时,利用本文方法可将y向位移跳动控制在PID控制方法的13.6%和17.9%,实现了主被动磁悬浮转子两径向平动通道之间的解耦控制。

提出了一种新的嵌入式时栅角位移传感器的自标定方法,以提高这类传感器在没有高精度母仪标定以及参数和工作环境发生变化时的测量精度。介绍了嵌入式时栅的特点,提出了利用两个间隔一定角度离散测头之间的误差规律变换来实现自标定的方法。设计了动态自标定系统,采用卡尔曼动态滤波算法来降低动态标定过程中传感器自身稳定性波动和环境干扰的影响。为了寻求最优参数以保证标定精度,提出了残差的控制算法。最后,运用设计的自标定系统对传感器进行了标定实验,并与以往母仪标定方法进行了对比。实验结果表明,传感器的误差从标定前±20″降低到±2.4″,标定参数与实际传感器误差成分相吻合,标定精度与以往母仪标定的精度基本相同,满足时栅传感器的标定要求。

提出一种以圆形轮式片状弹簧作为中间弹性支撑的新型压电骨传导听觉装置以提高它的低频响应性能。通过对听觉装置的动力学建模,理论分析了由支撑弹簧和压电振子组成的振动系统;选择厚度为0.9 mm的片弹簧作为听觉装置的支撑元件,设计了圆形轮式片状支撑弹簧。最后,制作了弹性支撑式压电骨传导听觉装置的试验样机,搭建了试验测试系统,对样机的幅频特性、响频特性和噪频特性进行了试验测试。实验结果显示：当电源激励信号频率为550 Hz时,压电振子的最大振动幅值可达22.21 μm;中低频区域的响度为60~70 dB,中高频区域的响度稳定在80 dB左右;在离听觉装置1 m远处测试到听觉装置的噪声大小为35~40 dB。得到的数据表明：圆形中间弹性支撑式压电骨传导听觉装置具有较好的低频响应性能,其响度基本能够满足佩戴者的听力要求,近距离噪声也不大。

由于压电陶瓷驱动器作纳米定位控制系统驱动元件会导致定位过程中出现超调及振荡现象,故提出了一种新的基于外差干涉仪和自制高频相移电路的光电相移压电陶瓷驱动方法。实验论证了在严格控制的实验环境下,压电陶瓷能实现自主位置锁定并以纳米量级步距值被逐步推进。步距值可控的压电陶瓷驱动器与商用宏动平台结合,可实现纳米精度重复性的大行程定位系统。实验结果表明,对于5 mm往返行程的位移,在靠近目标处执行理论值为5 nm步距值的步进位移时,系统的定位重复性精度小于1 nm。该定位方法规避了压电陶瓷的机械非线性误差,具有系统架构简单,定位速度快等优点,可应用于当前纳米科技和超精密加工等领域。

考虑高能电子束冲击实验中韧致辐射靶丝对精确复位的需求,设计了用于靶丝精确复位的辅助系统。首先,根据双目视觉原理推导了用于复位系统的重要公式;然后,根据实际使用的工况,设计了靶丝精确复位系统方案,包括硬件指标论证和软件算法设计。最后,在模拟真实工况环境下,搭建了实验平台,对系统的复位精度误差进行了测算。测试结果显示所研制的复位系统的复位精度误差为2%。半实物仿真实验结果显示,这套复位系统实现了高能电子束冲击实验中对韧致辐射靶丝的精确复位。由于研究对象是复位系统,而非定位系统,不需要进行标定,因此不存在标定误差,其研制成功保证了高能电子束冲击实验的可靠性。

提出了一种角增量的生成及优化方法,用于解决滚仰式导引头跟踪回路角增量指令的提取问题。介绍了一种滚仰式导引头结构组成及其工作原理;根据脱靶量信息和探测器焦距给出了滚转和俯仰框架的位置回路角增量;将角增量标定为以两框架零位为起点的绝对角位置指令,其中,俯仰框的角位置指令标定区为［0, π/2］,滚转框的角位置指令标定区为［0,2π)。依据减小滚转框角增量的原则,将导引头滚转框的当前框架角在［0,2π)内均分成4个象限,在不同的当前框架角范围内给出了相应的角增量优化策略。最后,设计了角增量优化指令的半实物实验以验证方法的可行性。实验结果表明：文中提出的指令提取和优化方法可以实现对目标的跟踪,跟踪误差为0.149 4°。

对基于嵌入式平台的视觉测量系统进行了改进,将数字信号处理(DSP)中基于双阈值的搜索算法移植至现场可编程门阵列(FPGA),解决了传统的全局搜索与邻域搜索中目标提取准确性与数据更新率之间的矛盾。在嵌入式平台的FPGA中实现了合作目标标记点的像素级算法。在相机图像的传输过程中完成了基于双阈值全局搜索的标记点像素检测、像素区域识别、10级流水运算的质心提取、多标记点并行运算等功能,避免了邻域搜索带来的邻域尺寸设定、系统更新率、合作目标速度之间的矛盾。实验结果表明,应用文中方法后,视觉测量系统在2048×2048分辨率、5标记点的情况下的数据更新率达到186.33 frame/s;与改进前的全局搜索和邻域搜索相比,分别提高了33.5倍和2.7倍,使视觉测量系统的应用范围扩展到了高速运动目标测量领域。

提出了一种结合金字塔对偶树方向滤波器组(PDTDFB)变换域高斯尺度混合模型及非局部均值滤波的图像去噪方法。首先,建立了含噪图像的PDTDFB系数的局部高斯尺度混合模型,应用贝叶斯最小二乘法估计出去噪图像的PDTDFB系数;然后,通过PDTDFB逆变换重构得到初步去噪的图像;最后,采用非局部均值滤波平滑人工效应,从而获取最终的去噪图像。该方法充分利用了PDTDFB变换具有近似平移不变性、多尺度多方向选择性和对图像纹理边缘等细节信息的高效表示能力,以及高斯尺度混合模型对PDTDFB系数的邻域相关性的概括能力。实验结果表明：与目前几个典型的去噪方法相比较,该方法使信噪比提高了0.3~3 dB,视觉效果也有明显的改善。另外,该方法不仅能有效地去除含噪图像中的噪声,同时也有效地保留了原始图像中的边缘和纹理等细节信息。

针对影像导航手术提出了一种基于灰度距离融合的2D/3D刚性图像配准方法。该方法使用一种新的灰度距离信息对最常使用的传统相似性测度(互信息,互相关及模式强度)进行约束,构建一类新的相似性测度(距离互信息,距离互相关和距离模式强度),并用维也纳医科大学公开发表的2D/3D刚性配准金标准数据来评估新测度的配准性能。与基于灰度的传统相似性测度相比,文中方法构造的新相似性测度在平均目标配准误差(mTRE)的均值和标准差上均有显著降低,其中均值至少降低了28.15%,标准差最少降低了61.17%。以mTRE小于2 mm为配准成功的依据时,新测度的配准成功率比传统测度至少提高了25.56%。此外,新测度在配准优化过程中的迭代次数比传统测度平均降低了35.59%。结果显示：基于灰度距离融合的2D/3D刚性配准方法比基于单一灰度的配准方法具有更好的图像配准性能。

分析了平台式导引头的技术特点与要求,对捷联式导引头视线角提取方法、刻度因数及精度测试方法、制导系统结构等进行了研究。首先,建立了全捷联光学导引头的数学模型,提出了视线角提取方法;接着,分析了全捷联导引头刻度因数的特性及其测试方法,并利用稳态卡尔曼滤波器对体视线角进行滤波;最后,利用“姿态+过载”驾驶仪,结合“近似积分比例导引”进行全捷联导引头的制导与控制系统仿真实验。测试与仿真实验显示：全捷联导引头视场角大于0.289°时的刻度因数误差小于7%,符合刻度因数理论计算结果;0.0056°的分辨率小于一个周期内的体视线角平均变化量0.011°,满足采样更新的要求,可实现末制导1 m的打击精度。实验结果表明大面阵和高分辨率是全捷联图像导引头制导应用的重要手段。

针对传统合成孔径雷达(SAR)图像变化检测方法存在误差大、检测率低等问题,提出了一种基于形态学属性断面(MAP)的SAR图像变化检测方法。该方法利用MAP算法提取差异图像的几何结构特征,构造深入描述图像结构化信息的特征向量空间;在利用阈值法对图像进行分割的基础上,引入偏移因子,实现训练样本的自动选取;最后,用支持向量机(SVM)在多维特征空间中对图像进行变化类与非变化类的分类。实验结果显示：本文算法的检测结果优于基于高斯模型的KI阈值法(GM_KI)、基于广义高斯模型的KI阈值法(GGM_KI)和大津法(Otsu)等3种阈值法的检测结果,Kappa系数保持在0.87以上;当峰值信噪比(PSNR)介于［29,44］dB时,抗噪性能指标保持在0.97以上。这些结果证明了文中方法的有效性和优越性。

将压缩感知后引入噪声的信号恢复作为研究对象,建立了信号恢复模型,以解决工程领域中广泛存在的噪声问题。由于传统的算法无法实现压缩后引入噪声的信号恢复,本文提出了用阈值收缩迭代算法来实现含噪信号的恢复。分析了算法原理,对压缩感知后加入高斯随机噪声、5%和10%密度的脉冲噪声分别进行了信号恢复仿真,并与正交匹配追踪(OMP)算法和平行坐标下降(PCD)算法进行了比较。结果表明,阈值收缩迭代算法对无噪稀疏信号基本可以做到完全恢复;对压缩后含噪信号的恢复具有较强的鲁棒性,只在峰值处出现了较明显的误差,通过增加测量矩阵行数和迭代次数可以提高抗噪性能。实验显示：本算法在处理高斯噪声和低密度脉冲噪声时具有明显优势,在处理高密度脉冲噪声时略优于另两种算法。

借鉴针孔摄像机模型,提出了一种锥束CT圆轨道扫描的几何校正方法,用于有效降低由系统几何误差所带来的重建图像伪影。首先,利用共轴旋转的钢球在探测器上所成椭圆像的特征求取圆环点;然后,结合极线约束条件建立绝对二次曲线像的约束方程,通过线性求解获得系统的内参数;最后,在求得内参数的基础上,通过几何方法和椭圆参数建立系统的外参数方程,求解系统的外参数。 实验结果显示：利用本文方法进行锥束CT几何校正的内参数标定精度和外参数标定精度分别为0.193%和0.2%。本文方法能够精确地求解出所有失真参数,建立完整的几何模型,消除重建时因几何误差所带来的几何伪影,而且校正体模制作简单,应用性较强,适用于所有圆轨道CT。

针对高清视频信号处理对动态范围大,运算速度快的模数转换器(ADC)的要求, 提出了一种流水线宽带电流型运算放大器。该运算放大器的主放大器采用套筒式增益提高结构,辅助运算放大器用电流型放大器替代。采用电流共模反馈电路调节主运算放大器的支路电流以稳定输出共模电平;采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺设计电路。实验结果显示：辅助运算放大器采用源极输入,减小了信号主通路上的寄生电容,提高了整个运算放大器的电路速度。运算放大器的增益为83.19 dB,相位裕度为61.6°,单位增益带宽为1.6 GHz,功耗为9.3 mW;在满幅度阶跃输入的情况下,输出建立时间小于1.83 ns。将该运算放大器用于高清视频信号的流水线ADC中,实现了170 MS/s,10 bit精度的模数转换。同传统的电压型运算放大器相比,该运算放大器响应速度更快,功耗更低,可满足处理视频信号的要求。

为了准确获取实际场景中的深度信息,本文通过引入空间距离权重,提出了同时考虑局部区域相似度和接近度的加权支持域立体匹配方法。首先,对输入图像进行滤波,去除图像中的噪声,并通过Mini-Census变换求取Hamming距离。然后,建立加权支持域,求取代价累积;进而通过winner-take-all方法求取最小匹配代价和原始视差图。最后,对原始视差图进行细化处理,得到优化的视差图,并反演出空间的深度分布。实验结果表明,利用该算法在不同光照、不同场景下均能够正确地产生视差图;对标准数据库图片进行处理时,平均错误率仅为6.77％。该算法有效地降低了计算复杂度,具有计算精度高、适应性强、鲁棒性好、便于硬件实现等特点, 可为高精度实时立体匹配专用处理硬件的设计和实现提供基础。

针对高维人手状态空间中的采样稀疏问题,提出了一种基于改进粒子群优化粒子滤波的关节人手跟踪方法,用于从Kinect获取的深度图像序列中恢复三维人手运动。首先,利用简单几何基元建立三维人手模型,并为其添加自由度节点,用于在跟踪过程中生成可与观测特征进行比较的人手姿势假设。然后,在粒子滤波框架下,使用深度图像作为观测输入,融合深度特征与区域特征建立了系统观测模型。最后,将粒子群优化粒子滤波应用于关节人手运动跟踪。为避免在高维空间中的早熟收敛问题,利用模拟退火思想和局部随机化方法对算法进行改进,增强了算法的全局搜索能力。通过合成序列和真实序列上的跟踪实验对该方法进行了评价,结果表明该方法的关节角度跟踪误差均值约为2.3°,标准差约为1.7°,优于标准粒子滤波和标准粒子群优化跟踪方法,可以准确、鲁棒地从深度图像跟踪三维人手运动。