采用60Co-γ射线对像增强型图像传感器进行了总剂量辐照实验, 以便评估该器件在空间总剂量辐照下的微光探测性能。当总剂量达到预定剂量点时, 采用离线测试的方法定量测试了器件的光响应度变化情况。实验结果表明, 随着辐照总剂量的增加, 器件的光响应度迅速下降; 当总剂量达60 krad(Si)时, 相对光响应度降低至辐照前的6%。根据像增强型图像传感器的构成, 分析了光响应度下降的原因, 并推导了光响应度随辐照剂量变化的经验公式。实验显示, 提高像增强型图像传感器的增益电压可补偿光响应度的衰减, 总剂量达25 krad(Si)时, 增益提高0.23 V其光响应度即可恢复至未接受辐照前的100%, 并保持良好的微光探测能力。研究表明, 像增强型图像传感器可承受25 krad(Si)的总剂量辐射。

由于大功率TEA CO2激光器系统中的液晶显示模块易于耦合电磁干扰, 从而影响激光器的正常工作, 本文研究了在瞬变电磁场辐照下预测液晶显示模块电磁兼容(EMC)能力的方法。分析了液晶显示模块集成于激光器系统时受干扰耦合的机理; 从场线耦合干扰的角度, 采用Taylor形式的BLT方程对液晶显示模块耦合的场线电磁干扰进行了分析计算, 并采用实验手段对预测结果进行了验证。计算结果显示: 连接线缆耦合电磁场在液晶显示模块数据线上产生的干扰电压为1 V, 超出了电路的噪声容限, 需要采取EMC控制措施保证液晶显示模块的工作性能。验证实验结果表明: 得到的EMC预测的结果能够正确反映液晶显示模块的实际EMC性能。该方法对大功率TEA CO2激光器电磁辐射近场区内电气设备的电磁兼容预测与设计具有指导意义。

为了实现对金刚石砂轮表面形貌的非接触精密测量, 开发了基于干涉原理的金刚石砂轮表面形貌专用测量系统, 研究了该系统的测量原理和关键技术。根据垂直扫描白光干涉显微测量原理以及被测对象的特征, 提出了适用于砂轮测量的方法,研究了系统的自动扫描范围、垂直方向的扫描方法、单次测量三维表面的恢复算法和磨粒的识别算法。结合自行设计的夹具搭建了砂轮测量系统, 并对多次测量拼接算法进行了实验分析。实验结果表明: 基于区域重合大小(重合度为30%~50%)的拼接算法获得的拼接前后重合区域的相关系数均大于0.8, 拼接后重合区域的高度差均小于0.4 μm。得到的结果显示所搭建的系统可以恢复砂轮的形貌, 其测量范围和精度满足砂轮磨粒评定和分析的要求。

设计了1.23 m地基望远镜自适应系统的非共光路标定系统。针对自适应光学系统非共光路像差检测中遇到的问题, 构造了离焦量不可测情况下的相位差异法的评价函数。利用多通道约束波前的解集和像差检测与变形镜调整互相迭代最终收敛的办法, 弥补了测量条件不理想对像差检测的影响。与双通道相位差异法相比, 多通道相位差异法对目标光源形状的容忍力更强, 理论上对波前求解精度更高。将该方法应用于1.23 m地基望远镜自适应系统的非共光路静态像差测量中, 取得了良好的效果, 使光路装调更加方便。通过改变变形镜的初始偏置对测得的像差进行校正, 提高了望远镜光学系统的成像质量。

由于用表面粘贴式光纤布拉格光栅(FBG)传感器测量应变时会影响基体的应变分布, 本文研究了光纤应变与基体应变之间的关系。针对该类传感器建立了基体与光纤之间的应变传递函数用以修正测量应变, 然后研究了FBG传感器与基体之间的相互作用。最后, 利用有限元分析(FEA)和实际实验对提出的理论进行了验证。结果显示: 光纤应变的FEA解与理论解的误差在5%以内, 实验解与理论解的误差在8%以内, 结果表明该理论完全满足表面粘贴式FBG传感器的精度要求。另外, 分析了黏结层和基体对应变传递的影响, 结果显示: 平均应变传递率和应变传递率随着基体弹性模量的增加而增加, 但它们随着黏结层顶端厚度和底端厚度的增加而逐渐减小。

基于新的激光聚变驱动装置的需要, 设计了全孔径背向散射诊断光学系统并介绍了光学设计中涉及的若干关键技术。采用低反射率的楔形反射镜衰减背向散射光能量, 降低后继元件对光学薄膜损伤阈值的要求。通过缩束镜缩小光束口径, 减小光学元件尺寸; 同时采取折叠光路结构来缩小系统体积。对空间滤波器和光学滤片进行组合, 屏蔽了打靶倍频光干扰及不同散射类型的相互串扰。采用光学白板对色散严重的背向散射光进行漫反射匀化, 使光谱测量系统获得完整的光谱信息。最后, 选取抛物面为空间分布成像目标面, 通过分析空间分布成像光束的结构设计了成像镜头。设计的诊断光学系统具有散射时间测量、光谱测量、空间分布成像、能量测量等功能, 光学测量模块尺寸为1.9 m×0.9 m×1.5 m。该全孔径背向散射诊断光学系统在新的激光聚变驱动装置中具有潜在的应用价值。

研制了一台LD侧面泵浦和腔内和频结构的小型全固态589 nm激光器, 报道了利用该激光器激发钠导星亮度的实验研究结果。通过数值模拟分析并设计了谐振腔腔长、晶体位置等, 使其具有体积小、转换效率高等特点。研制了一套时域匹配电源用于补偿两路激光脉冲的时间差。对分束镜双侧进行特殊镀膜, 获得了相应的线偏振光并提高了转换效率和热稳定性。采用插入标准具、特殊镀膜等技术抑制了1 338 nm谱线的振荡。最后设计了相应的发射望远镜和接收系统用于钠激光导星的观测。测试结果表明, 该激光器的输出功率大于8 W, 重复频率为5 kHz, 线宽小于3.5 GHz, 对应808 nm泵浦功率的转换效率达到2%。在长春市内天光背景下, 冬季实验激发的导星亮度可达10.0等。

在空间激光通信应用中, 空间光与单模光纤的耦合效率是影响通信系统性能的重要因素。考虑大气湍流会降低激光与光纤的耦合效率, 本文从湍流强度与光学系统分辨率之间的关系出发, 研究了大气湍流对光纤耦合效率的影响, 导出了接收口径、系统焦距、入射光波长、接收光纤半径、大气相干长度等与单模光纤耦合效率之间的关系。提出了两种在湍流环境中提高光纤耦合效率的方法。 方法一是在外界湍流强度发生变化时, 通过改变耦合系统焦距, 使耦合效率保持在较高值; 方法二则是采用锥状光纤接收来提高耦合效率。最后对提出的方法进行了分析、仿真和室外耦合效率测试, 验证了所提出的改善耦合效率方法的有效性。

为了满足紫外告警相机的特殊应用需求, 分析了超广角光学系统的结构形式、像差平衡以及像面照度的一致性。设计了工作于0.254~0.272 m波段的大视场、大相对孔径紫外光学系统, 其视场角为120°, 相对孔径为1/2。该系统采用反远距, 准像方远心光路设计, 减小了轴外视场和轴上视场的像面不均匀性; 通过优选光学材料并合理分配光焦度优化了系统特性。实验显示, 该系统在满足成像质量要求的前提下, 具有成像畸变小、像面照度均匀等特点。光学系统全视场最大弥散斑半径小于63.5 m, 轴上、轴外视场像面照度均匀性小于10%, 0.71视场的相对畸变小于20%。整个光学系统结构紧凑, 满足设计指标要求, 适合紫外告警相机的使用。

为了快速动态测量树脂基复合材料内部的受力变形情况, 利用光学干涉谱域相位对照B扫描方法, 对存在孔洞缺陷的树脂基复合材料样件内部的离面位移场和应变场进行了测量。分别对机械载荷和热载荷作用下的复合材料样件进行了弯曲变形和热变形实验, 然后对实验中得到的相位差数据进行解卷绕, 计算得出了材料内部的离面位移场分布和应变场分布。实验显示: 得到的结果能够清晰反映复合材料内部缺陷周围受力变形的动态过程, 观测到的材料应力集中区域的位移和应变明显大于完好部分, 透视得到了测量材料表层以下1 mm连续深度的变形情况。该方法能够实现亚微米级的位移场测量精度, 并可对材料的变形过程进行动态测量, 是一种进行材料力学特性分析的有效手段。

针对烧结碳化硅在制作过程中形成的孔洞缺陷会造成严重的反射镜表面散射问题, 提出了用等离子体辅助沉积技术镀制硅表面改性层来消除表面缺陷以降低反射镜的表面散射。应用扫描电子显微镜测量了未改性的烧结碳化硅试片, 并分析了表面散射成因。搭建了总积分散射仪, 测试了改性前后的烧结碳化硅试片及抛光良好的K9玻璃试片的总积分散射。结果显示: 烧结碳化硅试片改性前后的总积分散射分别为3.92%和1.42%, K9玻璃的总积分散射为1.36%。使用原子力显微镜测试了烧结碳化硅试片改性抛光后表面和K9试片表面的均方根粗糙度, 结果分别为1.63 nm和1.04 nm, 证明了改性后的烧结碳化硅试片消除了表面缺陷, 显著地降低了表面散射, 表面光学性能与抛光良好的K9玻璃接近。

为了抑制机载激光通信中大气附面层引起的散斑现象, 开展了气动光学效应及相应补偿方法的研究。从理论上分析了气动光学效应对光传输的影响; 根据试验飞机型号和设备安装位置, 对光学窗口形状、厚度等参数进行了优化设计, 并对窗口变形和空气流场分布进行了仿真分析, 完成了光学窗口改造。最后, 根据试验中大气附面层引起的接收光斑离焦现象, 进行了光学仿真, 研制了3种焦距的补偿镜。在飞行距离为10～140 km, 飞行高度为1 500～4 500 m条件下进行了飞行试验, 对不同补偿镜的补偿效果进行了分析。结果显示, 在接收光路中增加焦距为5.5×105 m的凸透镜后, 接收光斑离焦现象得到了抑制, 接收光功率闪烁方差减小了1/3, 表明经过补偿后的光学窗口可有效抑制大气附面层对激光通信的的影响。

提出一种改进的柔性视觉测量系统标定方法。建立了包含手眼关系误差与机器人运动学参数误差的系统误差模型。在机器人末端安装结构光传感器构建了机器人柔性视觉测量系统, 并在机器人工作空间中固定一个标准球作为标定参考物。标定时, 机器人被控制在不同位姿下测量球心坐标。首先, 应用机器人的理论模型初步标定手眼关系; 然后, 基于球心约束, 通过迭代算法同时得到准确的手眼关系和实际的机器人运动学参数。基于ABB IRB2400工业机器人进行了系统标定实验, 并利用激光跟踪仪进行精度验证。 结果表明: 标定前后机器人柔性视觉测量系统的距离测量标准差由0.566 mm降低到0.173 mm, 充分验证了改进方法的有效性和实用性。该方法提高了手眼关系的精度; 不需要采用任何昂贵的外部设备, 适合工业现场使用。

针对采用坐标测量系统(CMM)进行基准轴线测量的特点, 提出了一种基于凸包的基准轴线拟合算法。该算法首先根据计算几何的凸包理论, 利用礼品包裹算法获得轴线采样点构建的三维凸包; 考虑基准体系(Datum Reference Frames DRF)中基准的定义, 确定基准轴线处于不同的基准优先级时被约束的自由度以及基准的评价方法。然后, 利用轴线的数学方程将带约束的轴线分解成转动向量和平动向量并依次建立带约束的基准轴线转动和平动的数学模型。最后, 利用三维凸包的相关定理以及基准的相关实体要求完成基准轴线的变动区域的求解。实验结果显示: 采用该算法进行轴线基准体系建立得到的结果在处理无约束的轴线基准拟合时与CMM最小二乘算法得到的结果近似重叠, 在处理存在约束的轴线基准拟合时两者的误差较大。 不过, 本文算法保证了受约束轴线相对位置关系, 符合基准轴线的建立原则, 满足工程需求。

针对陀螺经纬仪存在限幅效率低的工程问题, 设计了一种两次步进预置北限幅方案。介绍了传统步进限幅方法原理, 分析了陀螺摆动平衡位与静摆零位的关系。将传统步进限幅法中的静摆零位跟踪更改为平衡位跟踪, 通过两次步进使陀螺主轴摆动迅速限幅并以小摆角在真北附近运动。推导了两次步进转动角度及时刻的数学公式, 分析了误差因素, 并针对不同的摆幅和悬挂带扭转系数与陀螺力矩系数的比值进行了仿真运算。采用该方法改进了一个陀螺经纬仪的限幅, 实验结果表明, 该方法能在一个陀螺不跟踪摆动周期内完成限幅, 限幅精度达到1′。提出的限幅方法保留了传统步进限幅法不需要增加系统硬件的优点; 提高了限幅效率, 满足工程应用对寻北时间和精度的要求。

为了获得空间环境对MoS2固体润滑运动部件寿命的影响情况并预测运动部件在轨寿命, 分析了空间环境对固体润滑膜层的影响。 分析显示: 影响空间运动机构寿命主要有三大因素, 分别为: 航天发射环境、真空度和温度交变。设计了某空间运动部件的寿命试验, 试验模拟了影响空间运动机构的三个重要因素: 采用力学试验模拟航天发射环境, 热真空寿命试验模拟真空度和温度交变条件。采用X射线能量分散谱仪(EDS)对试验中运动部件的轴承未磨损滚道、磨损滚道表面膜层成分和滚珠表面材料进行了分析, 结果显示试验中未形成转移膜。根据试验结果预测试验中的MoS2固体润滑运动部件在轨寿命至少为107次以上。最后根据影响运动部件寿命的因素, 提出了增加空间运动部件工作可靠性, 提高工作寿命的相关措施。

为提高无人机复合材料机翼蒙皮的强度, 应用遗传算法优化设计了蜂窝夹层结构蒙皮的铺层。针对复合材料结构优化变量离散化的特点, 设计了应用整数编码策略的遗传算法, 并根据Tsai-Wu准则提出了适应度函数, 参考复合材料的铺层原则给出了约束条件。然后, 通过优化设计得到了最佳的蒙皮复合材料结构铺层方案。最后, 通过有限元分析及静力试验验证了复合材料蜂窝夹层结构蒙皮设计的合理性。试验结果表明: 左、右机翼翼梢的最大变形分别为116.02 mm和105.36 mm, 小于性能要求的180 mm。探伤测试显示机翼复合材料结构没有出现损坏, 满足机翼结构的工程指标要求。此机翼结构的无人机已成功完成了首飞试验, 验证了设计结果的可信及工程可用性。

为了克服应用扩展卡尔曼滤波(EKF)的姿态估计算法的线性化误差问题, 提出了一种基于重力/地磁辅助的欧拉角无迹卡尔曼滤波( UKF)姿态估计算法来提升低成本微机电系统(MEMS)的姿态测量精度。应用重力与地磁数据抑制了MEMS姿态误差快速发散问题; 将欧拉角作为状态, 应用四元数完成时间更新过程中的姿态更新, 避免了四元数作为状态的规范化问题及欧拉角姿态更新精度低的问题; 由于UKF滤波器不存在线性化误差, 故其具有更好的稳定性和姿态估计精度。应用实际MEMS数据开展的算法验证实验显示: 与EKF姿态估计算法相比, 提出的UKF姿态估计算法得到的俯仰与横滚角精度提高了近20%, 航向角精度提高了12.1%。结果表明: 本文提出算法的精度更高; 然而由于UKF算法对状态协方差估计不足, 其收敛时间有所增加。

采用不同浓度的三乙醇胺研磨液研磨石英晶体, 基于研磨垫磨损率和工件与研磨垫的磨损比, 分析了三乙醇胺浓度对石英晶体的去除率及其去除稳定性、研磨垫磨损率、磨损比、研磨摩擦系数、声发射信号和研磨后表面质量的影响。结果表明: 随着三乙醇胺浓度的增加, 工件与研磨垫磨损比先增大后减小, 石英晶体的材料去除率和去除稳定性也对应地先增大后减小, 摩擦系数先减小后增大, 声发射信号先增加后减小, 研磨后工件表面质量先变好后变差。当三乙醇胺浓度为5%时, 石英晶体的材料去除率最大, 去除率随时间变化最稳定, 研磨垫使用寿命最长, 表面质量最好。结果表明: 研磨液中添加适量的三乙醇胺, 会稳定石英晶体加工过程, 延长研磨垫使用寿命, 提高工件表面质量, 降低生产成本。

为了抑制空间光学载荷的振动,针对大口径、高分辨的光学遥感器设计了一种隔振器, 并研究了隔振器的主要结构参数和布置方式。首先, 使用有限单元法分析了隔振器主要参数与刚度特性之间的关系。然后, 利用BP网络预测隔振器的三向刚度, 搜寻了符合条件的隔振器的结构参数。结合光学载荷的一般结构形式, 提出一种对称辐射式布置方式, 建立了相应的理论模型, 并进行了仿真研究。最后, 设计、加工出了一套隔振系统原理样机, 并对其静态性能及隔振性能进行了测试实验。实验结果显示: 隔振系统的基频在5.31 Hz左右; 对高于25Hz的振动, 衰减可以达到20 dB以上; 仿真和实验结果之差在8%以内。得到的结果表明, 设计的隔振器可以有效降低空间飞行器传递给光学载荷的振动。

提出了一种新的进动气囊抛光驻留时间算法, 用于实现高精度的光学玻璃零件的加工。首先, 通过抛光工艺试验确定抛光去除率函数; 在矩阵迭代算法的基础上, 给定一个合适的驻留时间初值函数。然后, 采用分层阈值去除法进行驻留时间的优化求解, 并加上残余误差方差最小的判定条件, 从而得到完整的驻留时间函数。该算法适用于非球面、自由曲面等光学玻璃元件的抛光加工。用MATLAB对残余面形误差进行了仿真, 仿真结果表明残余误差精度PV值可以收敛到0.1 μm左右。最后, 对光学玻璃平面进行了抛光。实际抛光后, 该玻璃表面粗糙度Ra从抛光前的0.159 μm减小到0.024 μm, 面形精度PV值由抛光前的0.756 μm减小到0.158 μm。得到的结果验证了提出驻留时间算法的合理性, 表明该算法可为以后进行复杂面形工件的气囊抛光研究提供理论基础。

以设计结构紧凑、工作空间大的力/触觉反馈器为目标, 研究了Delta并联机构的运动学和工作空间特性。在改进Delta机构的基础上, 引入支链机构的偏置安装角度α, 利用矢量法求解了机构的位置逆解和正解, 并通过算例验证了方程求解正、逆解的正确性; 根据逆解公式推导出单开链子空间包络体边界方程, 绘制分析了驱动杆与摆动杆长短不同时3种情况下的子空间几何形状。然后,详细讨论了α对整体工作空间和机构总体外围尺寸的影响, 采用数值法得出了偏置安装角度α与工作空间最大内切球体体积的关系图、偏置角度与整体外围尺寸的关系图, 并利用matlab绘制出整体空间截面图。最后, 以上述最大内切球体为设计空间,结合雅克比矩阵条件数给出设计实例。验证结果表明, 采用该设计方法能够满足对Delta机构的优化设计要求。

根据爆炸螺栓防护装置对结构尺寸的需求, 设计了一种并联式联接结构的防护装置。 结合爆炸螺栓阶梯状外形, 采用防护挡板吸能变形的方法实现了星上爆炸螺栓的防护。研究了材料应力应变曲线在屈服阶段的特点, 建立了以强度极限为衡量防护是否失效的阈值, 以破坏应变与塑性应变的比值为评价防护装置安全性能的标准。然后, 采用Abaqus/Explicit对防护装置的防护性能进行了碰撞仿真分析。最后, 通过爆炸螺栓解锁试验验证了防护装置的防护性能。碰撞仿真分析表明: 防护螺杆最大应力为897 MPa, 小于该批次TC4材料的强度极限; 最大塑性应变为2.2%, 小于材料许用塑性应变2.6%; 说明该防护装置在爆炸螺栓撞击下未发生破坏, 具有足够的安全系数。爆炸螺栓解锁试验表明: 防护挡板有轻微残余塑性变形, 防护装置各零件结构完整、无破裂现象发生。这些结果说明: 该防护装置结构紧凑, 且能够安全有效地实现爆炸螺栓防护。

利用磨粒流的流变特性, 通过对应力张量的分析, 研究了磨粒流加工中的微切削力。提出了磨粒流加工是兼挤压与微去除方式为一体的复合加工, 微切削动力主要来自于磨粒挤压力、磨粒的犁削力及磨料介质的剪切力。建立了磨粒流动力学模型, 通过改变磨粒流流道的加工条件和测试加工过程的接触区压力、去除量及表面粗糙度等参数, 用量化的方式揭示了磨粒流加工中抽象微切削力的变化规律。最后, 结合COMSOL Multiphysics软件的CFD模块数值仿真了剪切力。结果显示: 基于加模芯的方法有效地提高了磨粒流加工的微切削力, 滑块4经15次循环后表面粗糙度由加工前的2.918 μm下降为1.027 μm, 而去除量下降了0.09 g。实验表明, 磨粒流加工中去除量确有变化, 但随着加工次数增加去除作用迅速削弱, 而表面粗糙度在挤压力的作用下仍有所降低。

为了精确检测机械加工过程中刀具的磨损状态, 分析了刀具磨损图像中背景区、磨损区、未磨损区的灰度值变化, 提出了利用图像处理技术自动检测刀具磨损量的方法。首先, 根据Otsu法和B-样条曲线拟合法, 建立了自动确定上限阈值与下限阈值的算法, 准确地增强了磨损区与背景区、未磨损区之间的灰度对比度; 通过分析刀具磨损图像的稳定区和磨损边缘的非稳定区, 提出了边界提取的局部方差阈值算法, 给出了自适应的局部方差阈值, 清晰地将刀具磨损区从图像中分割出来。在此基础上, 利用形态学描述方法对分割部分进行孔洞填充与边界完整化, 从而直接计算出磨损区域的几何参数尺寸。实验结果表明: 超景深三维显微镜放大倍数为50时, 磨损宽度与磨损长度的检测误差分别为1.024%和1.325%; 放大倍数为100时, 磨损宽度与磨损长度的检测误差分别为0.661%和0.995%。该方法检测精度高、抗干扰能力强、提取的边界完整清晰, 可为提高刀具使用率、保证加工质量提供技术支持。

研究了空间相机调偏流机构运动公式的提取方法, 以便提高运动机构精度, 改善空间相机成像质量。分析了调偏流机构测试数据的分布规律, 建立了它的分布规律模型。采用对角频率ω一维搜索的三参数三角函数拟合方法, 对测试数据进行了最小二乘拟合, 并研究分析了首次拟合残差的分布规律, 提取并修正了其中的系统误差分量, 从而进一步提高了拟合精度。试验结果表明: 使用上述方法提取调偏流机构运动公式后, 调偏流系统控制精度优于30″, 与最小二乘拟合结果(最大拟合偏差20.5107″)相符, 同时满足系统控制要求, 不仅实现了高精度的偏流角控制, 还降低了对零部件加工、装配的要求和制作成本。

介绍了用于一对多激光通信组网控制系统的光斑跟踪闭环系统。在伺服转台位置闭环的基础上, 讨论以CCD相机为敏感器, 以二维伺服转台为执行器的光闭环系统。介绍了跟踪系统的数学原理, 研究了光闭环各环节的静态动态误差及开环闭环响应。在理论计算和数学仿真后, 编写了闭环跟踪程序。采用经典PID控制与前馈相结合的控制算法, 进一步提高了伺服带宽, 保证了系统的稳定性。对星间激光通信的光斑位置进行了跟踪试验, 结果显示跟踪误差为3σ ≈ 136 μrad, 基本符合空间激光通信组网系统激光束的指向要求。得到的结果验证了控制策略的可行性, 为多光束伺服打下了基础。

由于空气静压轴承工作过程中的微振动制约了它在超精密设备中的应用, 本文对空气静压轴承的动态特性进行了实验分析, 并提出用带均压槽的结构设计来解决上述问题。运用有限元软件对空气静压轴承进行仿真, 得到了空气静压轴承的各项性能参数。分析了微振动产生的原因并提出在空气静压轴承工作表面增加均压槽来有效抑制空气静压轴承的微振动的方法。通过实验对提出方法进行了验证, 结果显示计算结果与实验具有较好的一致性。 实验表明通过增加均压槽的方式可以将轴承微振动降低80%, 有效地提高了空气轴承的稳定性和运行精度。本研究为抑制空气轴承微振动和提高整个机床设备精度做出了有益探索。

从圆柱度误差的测量要求和圆柱度误差评定搜索算法两个方面研究了提高测量精度的方法。为了减小圆柱度误差测量中的工件倾斜误差, 设计并分析了两点垂直布局的调平方法; 根据工件轴线的方向余弦, 计算得到了两点调整的高度值, 克服了手动调整存在的问题, 实现了工件快速精确调平并提高了工件圆柱度的测量精度。由于圆柱度误差评定是对满足最小条件的圆柱轴线的搜索, 文中针对Nelder-Mead单纯形法的收敛精度依赖于初始解和收敛速度较慢, 提出了拟牛顿法和Nelder-Mead单纯形法相结合的联合算法来实现全局最优解的快速准确搜索。对经典测试函数的Matlab仿真及实际测量数据的应用表明, 该联合算法能有效地提高收敛速度和收敛精度, 其收敛速度提高了50%, 收敛精度提高了1倍, 从而提高了工件圆柱度误差的测量精度。

研究了多视点下三维目标的识别问题。针对传统的采用单一特征的方法在目标描述方面的不足, 提出了一种融合多种特征的识别算法。首先, 利用各向异性高斯方向导数相关矩阵提取目标角点, 采用骨架约束提取特征角点, 将各特征角点到目标质心的归一化距离作为角点描述子。接着, 分别提取目标的几何矩不变量、仿射矩不变量、目标边界的傅里叶描述子; 计算4种特征的类内和类间散布矩阵; 以样本散布矩阵的迹作为权重, 加权融合4种特征。然后, 对融合后的特征向量进行独立成分分析(ICA), 得到相互独立的特征分量。最后, 采用支持向量机的分类方法进行分类。实验结果表明, 本文提出的方法比采用单一特征的方法的正确识别率平均提高10%以上, 且在小训练样本(10%总体样本)情况下仍能获得80%以上的识别率, 可满足经纬仪实时目标识别系统的要求。

针对测试环境中常存在的超声波频段的有色干扰噪声, 设计了一种基于横向滤波器和最小均方误差自适应滤波算法的自适应对消器结构, 并提出了固定步长和自适应步长相结合的自适应滤波算法流程。该方法增设了一个接收环境噪声的专用探头来自动跟踪噪声特性的改变, 无需手动设置自适应滤波器参数和期望信号。通过自适应步长调整算法与固定步长方法结合, 该方法能够在实现良好滤波效果的同时兼顾快速跟踪环境的变化。实验表明, 提出的方法可以有效滤除目标超声波信号频带之外频率点处的有色干扰噪声, 信噪比改善幅度可达16 dB; 时间复杂度为O(n), 可实现实时处理。本文方法可以在无人工干预下自动、实时、有效地滤除与超声波信号频率接近的有色干扰噪声, 已被成功地应用于气体超声波流量测量中。

提出了一种改进的Sage-Husa自适应扩展Kalman滤波算法, 用于保证多旋翼无人机在噪声统计特性未知且时变、振动为主要扰动源、姿态角高动态变化等飞行条件下飞行姿态角解算的精度与稳定性。该算法采用微机电系统陀螺仪实时动态解算的姿态角方差估计系统噪声方差; 并采用自适应滤波算法在线估计量测噪声方差, 从而保证滤波的精度与稳定性; 同时引入滤波器收敛性判据, 结合强跟踪Kalman滤波算法来抑制滤波发散。飞行实验与分析表明: 改进算法解算的俯仰角与横滚角均方根误差分别为1.722°和1.182°, 明显优于常规的Sage-Husa自适应滤波算法。实验还显示: 改进的算法自适应能力强、实时性好、精度高、运行可靠, 能够满足多旋翼无人机自主飞行的需要, 若对参数进行适当修改, 还可应用于其它动态性能要求较高的导航信息测量系统中。

基于三维数据的人脸识别克服了二维图像数据受光照和姿态影响较大的问题, 但其较高的数据维数约束了它的实际应用。本文针对三维人脸数据的简化描述, 提出了将三维人脸映射至二维表示的本征形状描述图方法。该方法首先基于约束离散保形映射将三维人脸数据微分同构映射到一个局部几何特征保持的二维区域。然后基于人脸曲面几何结构特性和表观特性, 构建二维本征形状描述图, 用于简化对三维人脸数据的描述, 并进行识别验证。基于国际公共人脸数据库FRGC2.0和GavabDB的三维人脸识别实验显示, 本征形状描述图法在姿态变化大于60°时的识别率达到90.6%, 比现有方法高5.9%, 单次匹配时间为7.89 s。该方法将三维人脸识别问题转换为了二维平面图像的识别问题, 有效降低了数据描述的复杂度。得到的结果展示了该方法计算效率高, 且对姿态变化有良好的健壮性。

传统的基于梯度的图像清晰度评价函数(调焦函数)对噪声敏感, 在实际应用中易引入过多的非边缘信息, 影响系统的稳定性。本文基于光学成像系统离焦模型分析了系统离焦对图像清晰度的影响, 并提出了一种改进的图像清晰度评价方法。该方法利用最大灰度差提取细节信息来评价图像清晰度; 引入阈值区分边缘点和非边缘点来减小图像平坦区域对评价函数灵敏度的影响, 同时有效抑制噪声的干扰。进行了仿真实验和实际测试并与传统的清晰度评价函数进行了比较。结果显示, 提出的方法具有更好的灵敏度和抗噪性能, 能够准确而稳定地评价离焦模糊图像的清晰度, 可用于实际光学系统的自动调焦。

由于视觉监控中运动目标跟踪的准确性易受遮挡、摄像机运动、目标外观变化等因素的影响, 本文提出了一种结合分段复合权值与多策略的视觉跟踪算法。该算法首先利用目标、背景以及候选区域特征信息建立分段的复合权值得到目标的位置概率分布。然后结合空间一致性和滞后阈值分割目标位置概率图以进一步抑制噪声干扰, 同时通过分析分段复合权值变化判断目标遮挡, 调整目标跟踪候选范围, 并结合目标历史尺度信息对当前目标尺度进行自适应调整。最后, 对目标以及背景区域信息进行动态更新以适应目标外观与场景变化。与典型算法进行的对比实验结果表明: 该算法能够有效地应对目标遮挡与摄像机运动等因素的影响, 实验时对各组视频的平均处理时间约为10 ms左右, 适用于复杂场景条件下运动目标的实时跟踪。

为了满足注入式仿真系统对实时性的要求, 提出了一种基于实时优化自适应网格(ROAM)算法的自适应真实感地形生成算法。将基本ROAM算法生成的地形作为基网格, 提出了一种新的评价参数, 通过比较给定阈值与参数来判断是否进行局部细分。对满足细分条件的顶点进一步提取地形的尖锐特征, 采用Loop算法细分局部曲面。在实时漫游过程中利用旋转映射技术生成一个视频流实时输出到注入式仿真平台并显示在数字视频接口(DVI)显示器上。实验结果表明: 该算法在实时漫游仿真时, 平均帧频达到45.130 3 frame/s, 峰值帧频接近50 frame/s, 高于原始算法的36 frame/s。得到的仿真地形场景能够在注入式仿真平台上流畅输出到DVI显示器, 平均帧频为45 frame/s左右, 满足注入式仿真系统实时性的要求。

采用决策融合策略, 提出了一种基于多模糊支持向量机( FSVM)的积雨云检测方法以解决添加更多的特征可增加云分类识别的准确率而特征维数过高又会造成过拟合现象的矛盾。该方法首先从训练云图提取光谱特征、通道亮温差特征、一阶灰度直方图纹理特征、灰度共生矩阵纹理特征以及Gabor小波特征, 并组成包含5类特征的训练样本集; 然后针对每类特征, 训练5个FSVM子分类器。最后对各子分类器的结果在输出空间进行加权决策融合, 以提高积雨云检测的准确率。实验结果表明, 本文方法不仅较好地解决了积雨云检测中由于特征维数过高而造成的过拟合现象, 而且能自适应地确定不同特征的权重, 检测准确率优于各FSVM子分类器和包含所有输入特征的单FSVM分类器, 有望在卫星云图分析中得到应用。

为了提高大脑磁共振图像的分割精度, 提出了一种新的图像分割算法。首先, 分析了常用于大脑磁共振图像分割的高斯混合模型和主动轮廓模型的优缺点, 联合高斯混合模型的概率密度函数和主动轮廓模型的能量函数构造了一个新的能量函数。然后, 利用遗传算法和最大期望算法获取概率密度函数的参数值。最后, 利用水平集方法和梯度下降流法, 对获得的能量函数进行最小化, 从而得到最终的分割结果。与传统方法相比, 本文算法对脑组织中的白质和灰质的分割精度分别提高了6.73%和14.07%。该算法利用像素点的区域信息和概率值驱动主动轮廓曲线的演化, 能有效区分具有相近灰度值的不同区域, 从而提高了大脑磁共振图像的分割精度。