根据五轴车铣复合加工中心的结构及其运动链构型特点, 设计了综合误差检测方案。检测包括车主轴床身至铣主轴运动链的空间误差检测以及车主轴的热误差检测两部分。由于检测方案使刀具-工件之间构成了完整的运动链, 解决了单纯的空间误差检测方法未考虑车主轴运动链误差影响的问题。文中同时提出了车铣复合加工中心综合误差补偿策略以及运用神经网络算法的几何误差和热误差综合补偿模型。采用分步体对角空间误差检测后, 实施了空间误差补偿。补偿后四条体对角线的空间误差都明显减小, 减小幅度从15.24 μm到50.83 μm, 误差补偿效果从39.10%提高到78.06%。本文提出的方法极大地改善了空间误差补偿精度。

单独基于对比度的显著性检测方法由于忽略了特征的空间分布, 且只在RGB空间或LAB空间下单独进行计算, 故实验结果不理想。本文提出了结合RGB和LAB两种特征空间并融合了对比度和分布性的图像显著性区域检测算法。该算法首先提取图像分块在RGB空间和LAB空间下的原始特征并进行组合, 在主成分分析(PCA)降维的基础上自动选择有效特征; 然后计算图像分块的对比度和分布性, 融合对比度特征和分布性特征实现对原始图像的显著性区域提取。实验结果显示, 本文算法的平均准确率为0.821 7, 平均召回率为0.692 5, 综合指标F值达0.787 8。计算的显著性区域的效果比在RGB空间或LAB空间下单独基于对比度的计算方法有明显改善, 相比其他检测方法更加准确, 符合人眼的观测结果, 均匀突出了显著性区域。

提出了一种基于人眼视觉系统(HVS)特性的H.264/AVC码率控制方案以解决传统的H.264/AVC码率控制算法中由于码率分配不当造成视频质量较差的问题。该方案利用人眼视觉系统对视频场景感知的选择性设计了一种新的基于区域的码率控制算法。首先, 利用当前帧和前一帧的信息快速地检测出运动区域和非运动区域。其次, 根据宏块所在区域的复杂度进一步将非运动区域细分为平坦区域和复杂区域。最后, 对这3种区域依据不同的视觉敏感度权重分配适当的比特数。基于不同区域峰值信噪比(PSNR)、连续帧PSNR、主观评价以及缓冲器充盈度综合评价了本文算法的性能, 结果表明, 提出的基于区域的码率控制方案对不同视觉特性区域的比特分配有较高的鲁棒性, 与JVT-G012的码率控制算法相比能获得较好的主观和客观编码质量。

针对传统全息技术对三维数据源要求高、计算量大以及实现速度慢等问题, 提出了一种三维物体全视差全息体视图的快速计算方法。该方法对全息面和再现面分别进行空间分割和频谱采样, 通过迭代傅里叶变换算法计算多个基元全息图, 叠加构成全息图单元。由摄像机获取三维物体不同角度的二维视差图像,基于人眼双目视差立体视觉原理, 构建视差图像与全息图单元的对应关系。最后, 利用全视差图像调制全息图单元中对应衍射方向的基元全息图, 快速合成三维物体全视差全息体视图。基于液晶空间光调制器构建的光学系统对全息体视图进行了再现实验。结果表明, 与传统全息图计算方法相比, 本文方法容易获取数据源, 计算量较小, 能够快速计算全息体视图, 实现三维物体不同视角图像的再现。

为提高机载环境对地面强机动性目标跟踪的鲁棒性, 本文以粒子滤波为跟踪框架, 研究了它的动态模型与观测模型。针对机载环境的特点与跟踪目标的强机动性, 提出了基于Kristan双步动态模型结构的加速度双步动态模型(TSA)。根据Yilmaz等人提出的非对称核函数思想, 针对实际工程中目标变化特点与实时性要求, 提出利用Snake算法提取目标轮廓, 以轮廓信息构造非对称核函数的方法。最后, 依据上述方法提出了TSA-AK粒子滤波跟踪算法。利用提出的算法对机载环境对地目标跟踪的视频进行了测试, 结果表明, 本文算法可实现对大幅度变速运动目标的稳定跟踪, 正确跟踪率为98%; 对大小为25 pixel×30 pixel的目标的处理帧率为26 frame/s。

由于Retinex算法在处理夜间彩色图像时容易出现光晕、颜色失真、细节丢失与噪声干扰等问题, 本文基于马尔科夫随机场(MRF)提出了一种针对单幅图像的Retinex图像增强算法。该算法在HSV颜色空间下采用线性引导滤波估计图像照度分量; 在MRF模型下求解仅包含物体本身特性的反射分量, 并通过颜色恢复函数与增益补偿方法进行颜色恢复与校正, 最终实现了夜间彩色图像的增强。实验结果表明, 利用本文算法处理后图像的均值(整体亮度)可以提高2倍以上, 标准差、熵、峰值信噪比(PSNR)等参数均有5%以上的提升。与其它基于Retinex原理的算法相比, 本文提出的算法增强效果显著, 具有消除"光晕伪影"现象、抑制噪声、颜色保真和有效地凸显边缘细节信息等能力。

提出了一种改进的粒子群优化算法(IPSO)来解决虹膜定位问题。该算法采用两种速度更新策略来增强种群多样性并提高算法自身的收敛速度, 并提出一种变异操作以阻止IPSO陷入局部最优。对虹膜内进行边缘定位时, 通过搜索6条直线与虹膜内边缘的交点来获得12个边缘点; 另外建立了与这12个点有关的目标函数, 并用IPSO来优化该函数。根据IPSO在该函数上的应用, 找到一个最合适的圆来拟合虹膜内边缘。进行虹膜外定位时, 设计了一个模板来提取虹膜外边界, 然后从外边界中选择12个边缘点, 并同样使用IPSO找到一个最合适的圆来拟合虹膜外边缘。为了验证基于改进粒子群优化算法的虹膜定位方法(ILA-IPSO)的性能, 从中国科学院自动化研究所的数据库中选择了不同个体的108幅虹膜图像。实验结果表明, ILA-IPSO算法要好于其它两种方法, 该算法利用最少的定位时间获得了最高的成功率。

传统红外图像增强方法由于未考虑人眼视觉特性而存在"超区间值", 故极易丢失图像细节。本文结合对数图像处理(LIP)理论, 提出了基于参数化对数模型(PLIP)的平台直方图均衡图像增强方法。该方法首先将图像变换为灰度色调函数; 然后应用PLIP模型对变换后的图像进行重建, 结合平台直方图均衡化来增强图像的对比度和细节信息, 并利用图像评价函数( EMEE)与信息熵(En)确定模型的参数值。最后, 研制了算法硬件平台, 分别用中波和长波红外成像系统对算法进行了实验验证。实验结果显示: 该方法对不同场景的图像均可取得很好的增强效果, 图像的EMEE值比传统的平台直方图均衡算法提高至少5倍以上, 对改善图像质量和视觉效果具有实用价值。

为了提高基准图制备的有效性, 研究了遥感影像的可匹配性, 并针对点特征提出了基于兴趣点度量遥感影像可匹配性的度量指标。首先, 利用非下采样Contourlet变换的高频系数提取图像的局部极值点作为兴趣点; 然后, 利用兴趣点的高频系数和方向特性定义兴趣点的幅值特性和结构特性。最后, 分析兴趣点幅值特性和结构特性与实际匹配概率的关系, 构建可匹配性度量指标。实验结果表明, 可匹配性度量指标与实际匹配概率的线性相关性高于0.9, Spearman相关系数高于0.85, 评估结果准确性高、单调性好。利用该指标对图像可匹配区域进行筛选, 其制备的基准图的平均匹配概率大于95%, 比传统方法提高了15.4%, 改善了基准图制备的效率和可靠性。

根据抛物线运动特有的射影几何性质, 提出了一种应用抛物线运动估计摄像机姿态的新方法。首先, 计算不同位置自由落体运动轨迹在摄像机图像平面上投影直线的交点, 并证明该交点即为地球重力方向的灭点。其次, 使用Sampson近似计算抛物线运动轨迹在摄像机平面上的投影二次曲线方程。最后, 在摄像机内参数已知的条件下, 利用抛物线投影二次曲线中隐含的关于灭点和灭线的射影几何性质, 完成摄像机姿态的估计。 通过数值模拟和实际实验验证了提出算法的正确性和可行性。结果表明: 与传统的棋盘估计方法比较, 本文算法估计旋转矢量的轴平均误差为0.017 rad, 角平均误差为0.007 rad, 平移矢量方向的平均误差为0.071 rad。得到的结果显示该方法可以应用于计算机视觉中摄像机的姿态估计。

由于人工分析光学相干层析(OCT)图像费时费力、主观及可重复性差, 因而快速、精确与客观地检测与量化生物特征标记是OCT医学图像研究与疾病诊断的关键。本文综述了光学相干层析(OCT)医学图像处理技术与应用的研究进展。介绍了OCT成像技术的特点及其主要应用, OCT图像处理的难点、基本问题及主要研究内容; 讨论了对时域OCT和频域OCT图像降噪、图像分类与图像分割的重要方法及应用, 并分析了各种方法的优缺点及研究发展方向。此外, 介绍了偏振敏感光学相干层析(PS-OCT)在医学图像分析中的应用。文中讨论的应用对象涉及到视网膜、角膜、冠脉、前列腺、牙齿、食道、结肠、膀胱、皮肤、乳腺等组织, 可为人们综合了解OCT图像处理及其应用现状提供丰富的信息。

针对随机Hough变换(RHT)及其改进算法在同一圆边缘点随机抽样时命中率低且投票处理过程复杂, 提出了基于有序搜索的广义Hough变换快速圆检测算法(SQHT)。该算法利用圆的几何性质和梯度方向信息来有序搜索圆边缘点集, 将Hough变换的基于投票判定基元参数转变为有效确定基元三点的讨论。执行算法时, 首先顺序搜寻第一边缘点并根据邻域边缘点集或图像灰度值计算其梯度值; 接着在第一点所在行匹配与其梯度信息相符的第二点, 根据前两点信息在第一点所在列匹配第三点; 最后按照RHT算法流程确定有效基元参数, 从而避免了随机抽样带来的时间不确定性。该算法具有计算速度快, 检测时间可控, 适用范围广泛, 抗干扰性强等特点。相比于RHT算法, 提出的算法在单目标圆检测情况下检测效率提高了2倍, 在多目标圆(5个及以上)且有非目标边缘点情况下检测效率提高了5倍, 在多圆检测方面能有效弥补了Hough变换算法的不足。

为了实现对钢管管端内外径、不圆度的自动化非接触快速测量, 设计并实现了一种钢管管端内外径测量系统。该系统利用转台带动激光三角法位移传感器绕钢管中轴线转动的方法来测量管端截面整个圆周的外径和内径尺寸, 然后利用圆心拟合算法修正转台中轴线与钢管中轴线不重合带来的误差。通过平移台自动调整测量截面与管端的距离, 大型升降台调节管心对齐高度, 双臂平移台调节可测量管径范围, 自动实现对不同管径钢管的非接触测量。实验结果表明: 系统测量精度小于0.05 mm; 重复性限小于等于5 μm; 每个管端截面测量500个点时, 测量时间小于25 s。 设计的系统具有精度高、操作简便、测量速度快的优点, 满足无缝钢管生产在线检测的要求, 并已经在天津天管元通管材制品有限公司通过离线测试。

分析了大口径衍射光栅的焦斑特点, 研究了衍射光栅非规则图像自适应调焦过程中出现的各种问题及处理方案。提出了适用于此类光栅非规则焦斑自适应调焦的控制技术和数据处理方法, 并设计了一套自适应调焦装置用于离线检测衍射光栅的取样距离和取样角度。提出的方法用最优域值法将图像分割为焦斑和背景两部分, 基于数学形态学求取光斑面积、以及长短轴长及图像中心。通过分析图像中心位置与水平电机的对应关系, 以及长短轴长与轴向电机的对应关系, 设计出自适应调焦方法。最后, 结合面积最小化原则使用黄金分割算法进行对焦迭代和形心搜索。测试结果得到取样距离标准差为412.5 μm, 取样角度标准差为10.35″, 满足取样距离优于1 000 μm, 取样角度优于30″的精度要求。该装置具有结构简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点,已在大口径衍射光栅综合诊断平台上得到验证和应用。

针对共形光学导引头角增量非线性误差的补偿问题, 设计了一款红外共形光学导引头。研究了共形导引头的焦距非线性和脱靶量非线性产生的原因及它们对控制系统的影响, 并给出了相应的前馈补偿方法。根据共形导引头的特点, 介绍了焦距以及脱靶量的非线性误差现象; 基于提取控制角增量的方法, 分析了共形导引头的非线性变量对跟踪回路跟踪误差的影响。最后, 设计了基于角增量非线性模型的前馈补偿器, 测试了系统的跟踪误差。结果表明: 当共形光学系统的焦距为90~91.125 mm, 像移变化为0~1.109°时, 所提出的前馈补偿器能够有效地校正跟踪误差, 补偿后的跟踪误差为0.038°, 满足共形光学导引头对位置回路跟踪误差≤0.1°的要求。

研究了在压缩感知基础上发展起来的3D单像素相机的成像机制。基于现场可编程的阵列(FPGA)和FMC子板设计了一种可以代替雪崩光电二极管(APD)单光子探测器的高速3D单像素数据采集系统, 以提高现有3D单像素相机系统的数据采集速度、降低系统成本。该系统基于Xilinx公司的FPGA和4DSP公司的FMC126子卡, 配合高速光电探测器来实现对光信号的高速采集, 同时获得目标物体反射光的光强信息和纵向距离信息, 其采样率为5 GS/s、分辨率为10 bit。系统采用脉冲采样模式, 最大程度地降低了数据量和计算成本。实验结果表明: 在用800 ps半脉宽的脉冲激光器作为光源时, 可以得到20 cm以上的纵向分辨率, 每次数字微镜阵列(DMD)调制后的采集时间由目标物体的纵向长度决定。该系统也适合激光三维成像, 脉冲激光测距等方面的应用。

基于激光器的结构, 实验研究了影响光束质量的因素。搭建了百瓦级全光纤激光器, 在最大泵浦功率为436 W的条件下, 在1 080 nm处获得的激光输出为300 W, 光-光转换效率为69%, 光束质量M2为1.13。实验研究了谐振腔出射的激光光束在传能光纤中传输时径向功率分布的变化, 结果显示: 随着光束在光纤中传输距离的增加, 光纤中的包层光功率呈现出先增加后保持不变的趋势, 因而在传输距离上选择不同的长度对包层光进行剥除, 可以获得不同的光束质量。实验还显示, 在相同的泵浦条件下, 与包层光剥离器设置在腔外相比, 其设置在谐振腔内可获得更高的激光输出功率, 但是光束质量较差。最后, 采用在腔内腔外各加一个包层光剥离器的方法获得了更好的光束质量, 此时M2为1.07。

为了提高扫描反射镜转角检测系统的测角范围, 建立了基于一字线激光器和线阵CCD的高精度非接触式扫描镜角度检测系统。介绍了检测系统的结构和工作原理, 该系统根据激光光斑在CCD上的位置计算扫描反射镜的转角, 并利用特殊设计的阵列反射镜增大测角范围。为了降低对加工及装调精度的要求, 对系统进行了误差分析, 给出了采用多项式拟合法进行角度测量的理论依据。讨论了影响系统检测精度的一系列误差源, 计算了系统测量的总误差。最后进行了相关的测量实验。实验结果表明: 系统的检测系统分辨率为2.5″, 测角范围为11°, 测角精度可达3″, 可以满足扫描反射镜对角度测量系统提出的高精度、非接触、大测角范围的要求。

针对发光二极管(LED)分选设备对光电参数测量系统的需求, 研制了一种基于Cortex-M3(以下简称M3)的快速LED光电参数(包括光参数和电参数两部分)测量系统。该系统分为光参数检测模块(自制光谱仪)、电参数测量模块及显示模块等3部分。光参数检测模块采用M3作为主处理器, 对测量获得的光谱数据进行计算, 进而得出实测的LED光参数, 并将光参数传递给同样以M3为主处理器的电参数测量模块。利用该系统架构, 有效提高了LED参数测量的速度和性能。最后, 在脱离LED分选机械控制的前提下, 利用研制的LED光电参数测量系统进行了LED的实际快速测量。结果显示: 电参数测量周期小于31 ms, 光参数测量周期可小至10 ms, 色坐标一致性误差小于0.002 5%。

以火星探测为例, 提出了通过对火星卫星进行光学测量实现火星探测器自主导航的方法。该方法在火星探测器上搭载光学相机, 在飞向火星过程中对火星天然卫星(Phobos, 火卫一; Deimos, 火卫二)拍摄带有恒星背景的图像; 通过恒星位置确定精确的惯性指向, 利用得到的光学观测数据完成对火星探测器的自主导航。分别给出了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)和无迹卡尔曼滤波(UKF)进行自主导航的方法和仿真计算结果。数据显示: EKF和UKF得到的结果基本一致, 说明EKF在线性化过程中损失精度并不多。在巡航段后半程, 与火星距离越近, 导航精度越高。距离火星(1~5)×107 km时, 取数据间隔为1 min, 如果测量精度为0.1″, 导航精度可达10~100 km量级, 速度精度为0.01 m/s量级; 如果测量精度为1″, 导航精度也相应要低一个量级。另外, 单独使用火卫二的导航精度要高于单独使用火卫一, 联合使用火卫一和火卫二的精度最高。仿真计算结果表明, 利用火星卫星光学测量的火星探测器自主导航, 可满足火星探测器高精度导航的要求。

受探测器发展水平的限制, 以中阶梯光栅光谱仪为分光模块的ICP-AES电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)难以实现宽波段内多元素的同时测量。本文对现有中阶梯光栅光谱仪进行了改进, 设计出一种适用于ICP-AES多元素同时测量的分波段式中阶梯光栅光谱仪。通过改变棱镜的入射角度, 将系统波长扩展为200~900 nm, 光谱分辨率为25 000, 突破了现有探测器尺寸的限制, 实现了宽波段范围内的多元素快速测量。将中阶梯光栅光谱仪与固态ICP光源组合, 进行了系统波长标定与化学试样测试。实验结果表明: 波长测试误差小于0.01 nm, 满足化学元素精确判读要求; 分波段式中阶梯光栅光谱仪在保持原有仪器性能的前提下, 增宽了仪器的有效光谱探测范围, 为多元素的同时测量提供了有效手段。

探讨了光子晶体负折射效应在糖溶液浓度检测中的应用, 在软件中使用时域有限差分法对光在光子晶体中的传播进行了模拟实验。模拟显示: 糖溶液的浓度变化与输出功率变化接近线性关系, 而线性相关程度受介质柱半径常数的影响。进行了多组参数比对与优化, 最终获得了线性度最高的输出功率与糖溶液浓度的对应关系。基于这个对应关系, 提出了基于光子晶体负折射效应的糖溶液浓度检测方法并设计了相应的糖溶液浓度检测器。实验结果表明: 基于光子晶体的糖溶液浓度检测器具有结构简单、测量精度高、响应速度快、易于与激光器件集成且不受外界电磁环境影响等优点。

针对复杂铸件尺寸大, 结构复杂, 槽、腔多, 测量时需兼顾测量效率和槽腔可测性的特点, 提出了一种大视场双目光栅测量子系统和小视场光栅测量子系统相结合的立体视觉测量方法。 该方法使用前者测量复杂铸件的外部可测部分; 使用后者测量复杂铸件的槽腔等被遮挡部分。建立了两个测量子系统的数据拼接模型, 给出了数据拼接模型参数的定标方法。最后, 通过实验验证了该方法的可行性。实验结果表明: 该系统测量数据拼接的均方根误差(RMSE)为0.22 mm, 满足复杂铸件测量的精度要求。相比传统测量方法, 该方法兼顾了测量复杂铸件速度快和可以灵活测量槽腔等被遮挡部分的特点, 对工程应用具有实际指导意义。

从误差传递的角度研究了30 m望远镜(TMT)三镜大型Stewart平台的转动精度。首先, 利用奇异值分析Stewart平台速度雅克比矩阵, 得出机构条件数与支腿伸长量的关系。利用条件数与系统误差传递系数的关系推导出TMT三镜特殊运动形式下支腿伸长量误差与平台姿态误差的关系, 并使用MATLAB优化平台结构参数得出一组优化解。然后, 利用ADAMS对之前的理论推导进行仿真验证。最后, 利用已知误差传递模型结合精度实验数据进行实验, 辨识得出Stewart支腿伸长误差为均匀分布、动平台转动误差向量模为双峰分布。利用MATLAB进行模拟, 模拟结果显示: 假设支腿伸长误差为0到1之间均匀分布, 动平台转动误差向量模的期望会由优化前的5.345 4×10-4变为优化后的4.272 1×10-4, 优化量约为20%; 转动误差分布的两个肩峰相互靠拢且向0点移动。

分析了抑制卫星飞轮振动的方法, 提出了隔振为主、吸振为辅的联合减振方案。研究了会聚式隔振系统参数对其减振性能的影响; 针对会聚式隔振系统存在的不足, 提出了圆周分布式吸振方法和相应的吸振系统, 分析表明会聚式隔振系统在4个方向的隔振效率达90%以上。根据会聚式隔振系统在X平动方向隔振效率较低的问题, 建立了会聚式隔振和圆周分布式吸振的联合减振系统仿真模型。仿真结果表明, 联合减振系统较单纯的隔振系统在X平动方向减振效率提高近50%, 且不改变其他方向的减振性能。因此, 联合减振设计方法合理可行, 适用于卫星飞轮等主要振源的振动抑制, 并为飞轮联合减振系统的工程化设计提供了理论支持。

为了合成粒径均一、单分散性好的金纳米粒子, 提出一种压电驱动式脉动微混合可控合成金纳米粒子的方法。该方法采用两腔三阀结构的压电微泵作为驱动源, 结合Y形微混合器, 基于两压电微泵脉动交叉式输出性能来实现多种不同混合模式的可控混合。利用Fluent软件对Y形微混合器内不同流量及频率下的混合效果进行了优化分析, 优选出了压电微泵的控制参数。在实验室内设计、制作了用于金纳米粒子可控合成的系统样机, 并开展了相应的金纳米粒子可控合成试验。试验结果表明: 电压为40 V, 频率为300 Hz时, 合成的金纳米粒子粒径较为均一, 分散性较好, 该结果验证了文中所提方法的可行性。此方法亦可应用于其他纳米粒子的可控合成。

为了解决铜在研磨过程中铜屑黏附减小了容屑空间,易导致研磨垫钝化问题, 本文尝试在亲水性固结磨料研磨垫(FAP)内部添加硫酸镁晶体, 利用硫酸镁晶体遇水溶解的特性, 在研磨垫表面制造不同特征的孔隙。实验在FAP中添加粒径为8目、170目、500目的硫酸镁晶体制造了3种不同孔隙分布的研磨垫, 研究了不同加工参数下FAP研磨铜片时的材料去除速率、摩擦系数、表面形貌及磨屑特征。结果表明, 仅含170目硫酸镁的FAP与含8目和500目硫酸镁、质量分数分别为5%和10%的FAP在研磨过程中出现了不同程度的钝化, 而FAP表现出良好的自修整性能, 研磨过程摩擦系数较大且保持平稳; 在研磨液流量为60 ml/min时, 其材料去除速率为4.46 μm/min, 表面粗糙度Ra为159 nm。

针对某些高过载应用场合对微机械加速度计抗冲击能力的要求, 设计了一种三轴向抗冲击的梳齿电容式闭环微机械加速度计。通过分析带止档的闭环加速度计冲击响应过程, 提出在敏感方向使用悬臂梳齿结构作为柔性缓冲止档可以缓冲冲击过程中微结构间的接触碰撞; 在非敏感方向采用结构模态和阻尼分离的设计可减小冲击变形, 耗散冲击能量。马歇特锤冲击实验表明, 该加速度计能够分别承受3个轴向幅值为13 200g, 脉宽约102 μs的的加速度冲击, 冲击前后偏置漂移在5 mV以内。该闭环加速度计在±10g的非线性优于500×10-6, 1.5 h偏置稳定性为0.27 mg。设计的样机基本满足高过载环境下惯性测量的要求。

针对光雷一体化测量系统中复杂谐振对伺服单元的不利影响, 提出了采用自适应陷波器及观测器滤波反馈组合实现谐振补偿的方法。首先, 结合机械结构及频响测试结果分析了系统的谐振特性, 指出系统存在雷达天线谐振、雷达机体谐振和天线高阶及轴系耦合谐振等3类主要谐振模式, 并求得谐振特性随俯仰角变化的规律。讨论了对这种复杂谐振的补偿方法, 提出采用自适应陷波器补偿雷达天线和雷达机体谐振, 并利用Kalman观测器滤波反馈抑制天线高阶及轴系耦合谐振的方法。结果表明: 经过谐振组合补偿后, 各类谐振均得到有效抑制, 速度环闭环带宽期望值达到了115 rad/s, 阶跃过程过渡时间为0.35 s, 在保证闭环控制稳定性的同时满足了系统带宽要求。

为了提高DLC(Diamond-like Carbon)类金刚石薄膜与SAE1060碳素钢基材的结合强度, 以延长发动机活塞环的使用寿命, 研制了一种带有复合阳极的RF-DCCVD双电源化学气相沉积设备。利用锯齿结构的辅助阳极产生尖端放电, 制备了具有微米类陨石坑非连续结构的DLC薄膜, 并利用Ball-on-Disk摩擦评价试验机评价了薄膜的摩擦特性。着重研究了极间距S -T对薄膜表面类陨石坑密度的影响; 最后利用拉曼光谱仪分析了薄膜结构和成分。结果表明: 在同样的电压下, 类陨石坑的密度随着电极间距的增加而减小, 最佳电极间距S -T为40～60 mm, 此时不仅具有比较适中的类陨石坑密度, 对DLC薄膜的摩擦特性影响不大, 而且具有较强的界面结合强度。当S-T为50 mm, 施加载荷为3 N时, 薄膜的破坏寿命达到了130万循环, 比光滑表面的薄膜延长了30万循环。得到的结果显示微米类陨石坑非连续结构能够有效地释放膜内的残余压缩应力, 延长SAE1060碳素钢基材上沉积类金刚石薄膜的使用寿命。

研究了具有不同离散化台阶的正弦电压对压电陶瓷驱动器蠕变大小以及蠕变起始时间的影响, 采用新的数学模型分析了低频下压电陶瓷驱动器的蠕变特性。首先, 对0.025 Hz/0V～60 V正弦电压输入信号进行了5种倍数关系的离散化, 分析了蠕变与输入电压的关系以及蠕变与输入台阶电压压差的关系。然后, 按照提出的数学模型, 在符合文中所述两种准则前提下, 对蠕变起始时间进行了预测。实验结果表明, 上升段蠕变变化范围最大出现在台阶电压等于47.7 V时, 而下降段蠕变变化范围最大出现在台阶电压等于12.3 V; 相比于20个台阶, 320个台阶对应的上升段最大蠕变增长量下降了899.5%, 而在下降段最大蠕变的这一比值增大到了936.9%。使用所提公式对蠕变起始时间进行预测, 得到当台阶电压为12.3 V时, 20、40、80、160、320个台阶的蠕变起始时间分别在0.959、0.911、0.813、0.664和0.016 ms以后。蠕变与输入电压以及蠕变与输入台阶电压差值都是迟滞关系, 并且台阶蠕变随着台阶数量的增加而减小。不同离散化的电压信号改变了蠕变的起始时间,台阶电压数量越多,蠕变起始时间越早。

提出了用7参数Procrustes方法建立了具有尺度因子的7参数坐标转换模型对多站大尺寸坐标测量仪坐标数据进行转换。首先, 根据大尺寸测量仪坐标转换的原理, 建立了7参数大尺寸坐标转换的非线性模型, 并具体分析了Procrustes方法及其对坐标转换的适用性和重心法的转换过程。然后, 列出了7参数Procrustes坐标转换方法的具体算法步骤; 最后, 利用该方法对一台Faro激光跟踪仪在移站前后的实际测量数据进行了坐标转换验证。对所得结果与激光跟踪仪配套软件移站的结果以及重心法的测量结果进行了比较, 还利用所得的转换参数对一已知长度的基准尺两端坐标值进行转换验证。结果表明: 利用7参数Procrustes方法得到坐标转换后x、y、z三个轴的最大误差分别为24.5 μm、42.5 μm和32.8 μm, 转换结果的中误差为17.1 μm, 远远高于配套软件以及重心法的转换精度。另外, 用转换后的坐标值计算基准尺长度的极差为36 μm。该坐标转换方法也可用于不同种类的坐标测量仪的数据匹配。

为了将线阵CCD应用于实际工程的大尺寸位移测量, 利用线阵CCD像元空间与输出时间的对应关系, 提出了一种差动式测量的线阵CCD位移传感器测量系统。分析了线阵CCD位移测量存在的问题, 结合线阵CCD中像元空间与驱动脉冲之间的对应关系, 提出一种以时间为参考点的差动式测量方法。该方法用两个空间上对齐、时间上错开半个积分周期的线阵CCD检测透光挡板上等间距分布的透光光线的位置变化; 通过计算两个CCD上输出光信号的时间差, 用匀速扫描测量原理实现对空间位移的测量。用雷尼绍激光干涉仪对所研制的线阵CCD位移传感器进行了校准, 结果显示: 在有效测量范围(600.05 mm)内, 经过修正后的测量误差可控制在±2 μm以内, 验证了用差动法实现线阵CCD大尺寸精密位移测量的可行性。

以非接触式形状记忆合金平面涡卷弹簧为例, 研究了此类元件的作动原理, 建立了镍钛形状记忆合金涡卷弹簧的力学模型。以普通平面涡卷弹簧的计算方式和形状记忆合金的相变方程本构模型为基础, 建立了形状记忆合金涡卷弹簧的力学模型, 获得了预紧扭力、激励温度、输出扭力和转角位置之间的关系表达式, 并且通过两组测试验证了该力学模型和关系表达式。在对激励温度和扭力输出的关系测试中, 模型计算值对测试值的确定系数为0.669, 最小误差为2.4%, 最大误差为215.9%; 在对转角位移和扭力的关系测试中, 计算值与测试值的确定系数为0.336, 最小误差为48.9%, 最大误差为350.0%。测试显示, 力学模型的计算值与测试的数据具有类似的表征形式。

在最不利气候条件下(7月15日)研究了上海65 m射电望远镜的非均匀温度场及其效应, 以掌握其主反射面面型精度在不同风速下受非均匀温度场的影响规律。研究了考虑构件尺寸效应的空气对流、天空辐射以及地面辐射等温度场关键影响因素的计算方法, 并建立了温度场分析的有限元模型; 对3种典型风速下的非均匀温度场进行分析, 并将所得到的非均匀温度场施加到主反射面上, 研究了不同风速下反射面精度受非均匀温度场的影响规律, 即各节点实际坐标拟合抛物面误差均方根(RMS)随时间的变化规律。结果表明: 在年平均风速3.2 m/s条件下, 射电望远镜结构的RMS最大值为0.44 mm。当风速由1.0 m/s增大到10.0 m/s时, RMS最大值由0.56 mm减小到0.35 mm, 且风速越大非均匀温度场对反射面精度的影响越小。该研究成果可为此类望远镜结构的温度场监测、传感器布设、以及热变形控制措施的选取提供参考信息。

为了提高光电编码器动态检测技术的稳速精度, 设计了基于永磁无刷直流电机的转台驱动系统。分析了动态检测转台工作时速度波动对编码器角度误差的影响; 结合空间矢量法建立无刷电机三相绕组的力矩合成模型, 使合成力矩在空间内任意位置幅值相同; 最后加入PI控制器, 并利用DSP+CPLD设计了驱动电路, 以保证电机匀速转动, 并可模拟编码器在实际应用中的各种转动方式。实验结果表明: 设计的编码器动态检测转台驱动系统在高、低速转动时都能保持恒定的转矩输出, 系统稳速精度高, 稳态误差小于±1 (°)/s。另外, 转台驱动系统转动稳定, 有效降低了速度波动对编码器误差检测的影响, 满足光电编码器动态检测的要求。

普通四线制铂电阻测温系统受恒流源长短期漂移、导线热电动势影响, 其测量准确度难以超过0.1℃量级。本文分析了一种改进型4线制高精度铂电阻测温方法的原理误差, 并设计了相应的高精度铂电阻测温系统。采用温度系数小、阻值稳定性好的参考电阻作为铂电阻阻值测量基准, 消除了恒流源长期漂移引起的铂电阻测温误差; 分别在正、反向恒流激励条件下测量了铂电阻上的电压, 利用导线热电势大小与方向的短期不变性, 对得到的两电压量求差以消除导线热电势的影响; 通过半导体致冷器(TEC)控制恒流源温度来减小恒流源的短期电流漂移, 进而减小其对铂电阻测温精度的影响; 设计了精度高、阶跃响应速度快的分时复用式电压信号采集单元用来高精度地测量铂电阻和参考电阻上电压量的比值。等效实验和校准实验结果表明, 高精度铂电阻测温系统的测量稳定性优于0.005 ℃/10 day, 测量分辨力优于0.005 ℃, 测量准确度为0.02 ℃(k=2), 满足超精密激光干涉测量系统提出的高精度温度测量需求。

为了满足30 m望远镜 (TMT)三镜系统(M3S)对抗震性能的要求, 对在返回周期为200年和1000年的地震载荷条件下的三镜支撑结构的性能进行了分析。首先, 根据三镜支撑结构的特点, 对TMT整体的地震响应谱进行了修正, 得到了适用于三镜支撑结构的地震响应谱。然后, 分析了三镜支撑结构在不同等级地震激励下的位移、应力和加速度响应。分析结果显示, 当返回周期为1000年的地震从水平面内两个正交方向及竖直方向同时传递到三镜支撑结构中时, 系统响应最大; 此时, 三镜支撑结构中各部件的最大加速度为2.844g, 最大位移为1.544 mm, 最大应力为552.316 MPa, 三镜上最大应力为1.401 MPa。根据材料力学性能可知, 侧支撑杆会发生破坏, 需要采取地震防护措施对三镜进行保护。本文在进行谱分析时较完整地考虑了各项因素, 结果数据精确可靠, 可为三镜系统的详细设计提供指导。