基于Mach-Zehnder干涉仪原理, 利用光纤错位熔接技术设计并制作了一种单模光纤-多模光纤-单模光纤-错位熔接点-单模光纤结构的液体折射率传感器。传感器中的多模光纤和错位连接部分充当光耦合器; 多模光纤在后面的单模光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模, 不同的模式有不同的模式折射率, 经中间单模光纤传输到错位熔接点处时, 不同模式光之间将产生光程差, 经错位熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模从而产生干涉。对该传感器输出的干涉光谱中干涉谷功率随外界溶液折射率变化的规律进行了理论分析和实验研究。结果表明: 溶液折射率变化为1.358 9~1392 2时, 干涉谱中1 530 nm附近的干涉谷光功率与溶液折射率呈单调递增关系, 可用于折射率的测量; 折射率变化为1.372 0~1.392 2时, 传感器响应曲线具有很好的线性度, 线性拟合系数为0.998, 对应的灵敏度为252.06 dB/RIU。该传感器制作简单、结构紧凑、成本低、灵敏度高, 可用于生物医学领域液体折射率的实时测量。

为了实现金属箔板大面积微弯曲成形, 本文结合激光冲击微弯曲成形技术与软模成形技术的优点, 提出了激光冲击软模大面积微弯曲成形方法。 该方法是在脉冲激光冲击波压力下, 将软模作为柔性冲头作用于金属箔板来实现工件成形的。实验中使用了Innolas Gmbit公司生产的Spitlight 2000 THG脉冲激光器, 将250 μm厚的聚氨酯橡胶薄膜作为软模, 采用德国LPKF-ProtoMat-C60型雕刻机在印刷电路板上加工出深度为120 μm的U型多槽模具, 实现了在厚度为30 μm的铜箔板上一次性对3个U型凹槽冲击成形。用KEYENCE VHX-1000C超景深三维显微系统进行工件观测, 结果显示工件上的微成形槽具有良好的轮廓质量。以ANSYS/LS-DYNA为平台, 使用有限元建模(FEM)方法对微弯曲过程进行了数值模拟。实验和模拟结果均表明, 加载软模的工件与模具的U型凹槽特征在形状上更加接近, 成形工件更加均匀, 而且具有较好的表面质量, 其最大平均成形深度可达110 μm, 大于激光直接冲击成形的最大深度(88 μm), 说明使用软模提高了充型能力。

由于激光跟踪仪的角度测量精度直接影响仪器的测量精度, 本文提出了用自准直仪结合多面棱体对跟踪仪金属圆光栅测角误差进行离散标定的方法。研究了基于谐波分析的误差补偿方法, 取金属柱面圆光栅测角误差中幅值较大且相位基本不变的谐波分量建立了补偿模型, 避免了最小二乘法不收敛的问题。分析了标定测角误差的不确定度, 结果显示: 水平测角精度补偿前后分别为1.60″和0.90″, 俯仰测角精度补偿前后分别为4.89″和0.91″, 精度分别提高了44%和81%, 从角秒级提高到了亚角秒级。结果表明, 提出的方法可为激光跟踪仪水平和俯仰轴系提供测角误差补偿, 对类似测角系统的误差补偿也有参考价值。

针对全日盲紫外滤光片, 建立了以窄带光发射二极管(LED)作为基本光源的超大动态范围滤光片带外截止深度测试系统, 并分析了系统的测试误差。该系统主要由LED光源, 已知衰减系数的标准反射式中性衰减片以及光电倍增管组成。基于替代法, 系统测试时将LED光源通过衰减片后的输出电流作为参考电流值替代光源的初始电流值, 通过对比运算获得滤光片的带外截止深度。针对系统中的反射式衰减片, 文中还提出一种组合衰减片方法, 以保证光电倍增管始终工作在线性响应范围内, 从而实现对滤光片的超大动态范围的截止深度测试。实验结果表明, 在350~800 nm谱段内, 该测试系统可测滤光片的带外截止深度延伸至11-OD, 不确定度小于2%, 相对重复性误差小于0.2%。该系统结构简单, 测试谱段范围宽、可测动态范围大且精度高, 可广泛用于滤光片的截止深度测试。

基于飞机机载设备安装姿态视觉校准系统Archer-M的研发, 提出针对系统中姿态测量辅助靶板的标定方法。首先, 利用摄像机从不同方位拍摄靶板图像, 在相差一个尺度因子的情况下确定靶点位置关系。然后, 利用单个发光二极管(LED)靶点的多次精确移动和图像叠加的方法恢复绝对尺度, 求解靶点的相对关系。最后, 通过精确控制靶板的位姿运动, 利用运动前后各坐标系之间的相对关系, 求解出“靶/座”相对位姿, 并进一步针对只用于物体姿态测量的靶板, 提出了分别沿两个垂直方向运动的简化“靶/座”标定方法, 从而大大降低了标定过程中对标定设备的要求。实验结果表明: 距离为3～12 m时, 姿态角度的测量标准差为0.004～0.017°, 姿态测量精度与激光跟踪仪相当。

为了满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求, 提出并设计了一种基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪。基于几何像差理论, 推导出了像散校正条件, 利用Matlab软件编制了初始结构参数快速计算程序。作为实例, 设计了一个相对孔径为1/2.5, 波段为350～1 000 nm的平面光栅光谱仪光学系统。利用自己编制的Matlab程序计算了初始结构参数, 然后利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱仪的光学系统进行了光线追迹和优化设计, 并对设计结果进行分析。结果表明, 在整个工作波段(350～1 000 nm)内, 点列图半径均方根值小于8.2 μm, 实现了大相对孔径宽波段像散同时校正, 在宽波段内同时获得了良好的成像质量, 满足了设计指标要求。所提出的基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪在高光谱遥感领域很有应用前景。

分析了琴弦的亥姆霍兹运动, 设计了一个基于高速摄影的非接触式光学测量系统, 用于测量真实小提琴上琴弦的振动。通过特殊的光路设计和在琴弦上设置标定点, 以7 000 frame/s的速度和336×480的图像分辨率拍摄了拉弦和拨弦时琴弦上标定点的三维振动形态。采用圆形霍夫变换图像处理算法、奇异值分解算法和自动批处理, 对记录的大量序列图像进行处理, 提取了弦振动的位移和轨迹等数据。实验结果表明, 该测量系统能够精确跟踪小提琴琴弦的振动状态和包络轨迹, 振动位移曲线的图像处理精确度达到0.03 mm。该系统为进一步研究提琴琴弦的振动机理和建立精确的琴弦振动理论模型提供了一种有效的实验方法。

针对国内工业内窥镜只限于观察, 无法满足工件三维尺寸测量的现状, 设计了一种探头外径为6 mm并且可以向任意方向弯曲的三维测量工业内窥镜, 并介绍了该内窥镜的双目光学系统及镜体内部结构的设计。首先, 基于双目立体成像的原理, 提出了一种具有双物镜、单图像传感器的新型双目光学系统。其次, 根据光学系统的技术要求, 设计了内窥镜的头部结构。考虑到一些工件内部结构比较复杂, 分别设计了内窥镜的可弯曲结构以及后部操控机构以方便一些精密工件的检测。最后, 通过三维图像处理软件对待测物表面两个特征点进行长度测量试验, 得到了两个特征点的间距。实验结果表明: 待测物表面两个特征点的长度测量误差在±0.2 mm内。该系统基本实现了工业内窥镜的三维测量功能。

针对定标光源和遥感器在轨探测目标的光谱非匹配对空间光学遥感器实验室辐射定标精度的影响, 设计了一种基于发光二极管(LED)和基底光源的光谱分布可调谐光源。采用该光源模拟了典型地物目标光谱, 用于遥感器的实验室绝对辐射定标, 大幅降低了光谱非匹配带来的影响。首先, 从理论上分析了光谱非匹配影响遥感器绝对辐射定标精度的机理; 然后, 根据设计指标确定了光源的设计方案, 解决了光源的选型与光谱匹配算法设计、光谱分布可调谐光源驱动和控制系统、目标光谱匹配与光谱反馈调整、光谱分布可调谐光源光机设计等四项关键技术问题; 最后, 对光源进行了性能测试。测试结果显示: 等能光谱和6 000 K黑体光谱的光谱匹配误差分别为6.37%和8.76%, 出光口的辐照度非均匀度为053%, 30 min内的辐照度不稳定度为0.03%, 水平方向±30°内的辐亮度角度非均匀度为0.80%, 各波长处光谱辐亮度值均高于0.07 W/(m2·sr·nm), 410~900 nm波段积分辐亮度为58.3 W/(m2·sr), 均满足设计指标。

为了有效地提取牛奶中微量的掺杂物特征信息, 提出了基于二维相关近红外光谱多维主成分分析(MPCA)和最小二乘支持向量机(LS-SVM) 判别牛奶掺杂物的方法。首先, 采集纯牛奶、掺杂尿素牛奶和掺杂三聚氰胺牛奶的一维近红外谱, 并对其进行相关计算, 构建各样品的二维相关近红外谱。然后, 采用多维主成分分析法分析二维相关谱矩阵, 压缩数据, 提取相关谱的得分矩阵。最后, 将提取的得分矩阵输入最小二乘支持向量机, 分别建立掺杂尿素牛奶、掺杂三聚氰胺牛奶及两种掺杂牛奶与纯牛奶的LS-SVM判别模型。用所建模型对测试集未知样品进行了判别, 结果显示其判别正确率分别为92.3%, 96.2%, 92.3%。研究结果表明: 所提出的方法不仅有效提取了牛奶中掺杂物的特征信息, 而且缩短了建模所需时间, 取得了较好的判别效果。

改进了傅里叶变换红外分析仪(FTIR)的硬件设计以实现温室气体及CO2碳同位素比值的多组分、高精度、连续自动测量。首先, 对FTIR分析仪测量系统进行了设计和理论分析, 引入了温度和压力监控系统以及全密封气路干燥系统。然后, 讨论了光谱的定量分析过程。最后, 设计了标准气体对比测量实验。实验结果表明: 分析仪测量CH4, CO, CO2和δ13CO2值的标准偏差分别为0.01×10-6, 0.011×10-6, 0.239×10-6和0.572‰, 与常规FTIR测量系统相比, 其检测的标准不确定度分别提高了6.3, 8.45, 10.54和14.73倍, 其系统误差分别提高了2.88, 1.93, 4.67和4.66倍; 对比分析仪与同位素质谱仪对δ13CO2值的测量结果, 标准偏差分别为0.572‰和0.171‰, 二者测量的标准不确定度相近。所设计的温室气体及CO2碳同位素比值FTIR分析仪能够满足多组分、高精度、连续自动测量的需要。

为了实现对远距离目标的实时跟踪与测量, 设计了口径为650 mm, 焦距为5 000~2 000 mm的连续变焦距光学系统。提出了牛顿式折反射光学系统与倒置的连续变焦距光学系统组合的设计方法, 实现了光瞳的合理匹配与对接。确定了合适的入瞳位置, 消除了变焦过程中像面容易产生的鬼像。通过合理匹配主系统和变焦距系统的光焦度, 使得二级光谱最小化。运用CODEⅤ软件对各焦距位置的像差进行优化与平衡, 使变焦距光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡, 像面保持严格的一致性, 从而各焦距位置成像质量良好。实验显示该系统全视场平均传递函数均在0.524以上(Nyquist频率: 35 lp/mm), 满足使用要求。

提出了面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位测量方法以提高特大型齿轮激光跟踪在位测量系统的齿轮定位精度并精确确定测量仪器与被测齿轮位置与姿态的关系。根据激光跟踪仪多站位测量提供的冗余数据优化求解空间两点间共线方程, 建立了特大型齿轮激光跟踪多站位测量模型。然后, 提出了利用奇异值分解修正多站位测量模型解析矩阵条件数的方法。实验结果表明, 使用多站位测量模型求得的不同站位待测点间距离的标准差的均值为0.008 mm, 明显小于直接在不同站位下测量的标准差均值0.024 mm, 表明多站位测量模型具有良好精度控制效果。本文的研究提高了齿轮定位时所需测量点的三维测量精度, 为特大型齿轮激光跟踪多站位测量系统建立齿轮坐标模型提供了可靠的数据来源。

为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性, 使其满足更高精度应用场合的需求, 研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例, 对影响其零偏稳定性的主要因素: 机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了完整分析, 并从抑制零偏温度漂移及输出噪声两个角度提出了改善硅微陀螺仪零偏稳定性的设计原则。基于上述原则, 优化设计了硅微陀螺仪的机械结构及接口电路。最后对所设计的硅微陀螺仪进行了零偏稳定性测试, 以验证所提出优化设计原则的有效性。实验结果表明, 4个测试组的硅微陀螺仪零偏输出均无明显漂移, 且零偏稳定性在6 (°)/h左右, 达到了中等战术级水平。

针对无线传感器热电耦合自供能存在的输出电量低和电压波动等问题, 提出一种新型能量管理系统电路拓扑结构及基于最优时间的充放电控制策略, 以保证自供能无线传感器在各种主轴转速条件下稳定工作。建立了机床主轴的热网络模型, 分析了热发电能量管理系统输入特性。然后, 设计了能量管理系统的多电容电路拓扑结构, 并通过电容充放电时间参数的优化计算, 获取最优的热发电平均输出功率。实验研究证实了在主轴不同转速下热发电构件及能量管理系统可以使无线传感器稳定的工作。对不同的电容充电和放电时间设置方案进行了比对, 验证了最优时间控制策略的优越性。最后, 利用热电耦合自供能无线传感器和传统有线传感器所监测的温度数据分别进行了主轴轴向热变形建模实验, 结果表明: 采用无线传感器可以监测有线传感器难以配置的主轴核心部件, 从而获取和主轴热变形具有更高相关性的温度数据, 使所建热变形预测模型的误差减少约40%以上。

传统的原子力显微镜(AFM)受针尖形状和放置方式的影响很难测量线条的宽度和两个侧壁的形状, 故本文提出采用双探针对顶测量方案来消除AFM针尖形状对测量结果的影响。介绍了一种基于机器视觉的双探针原子力显微镜对准系统, 该系统将两个探针接触到一起, 实现了双探针在三维方向上的对准。系统采用具有亚微米级分辨率的镜头, 配合高分辨率的CCD来获得探针的清晰图像, 用于在水平和垂直两个方向实时监控双探针的运动情况。采用基于石英音叉式的自传感自调节的原子力探针, 无需外加光学探测系统, 缩小了系统体积, 避免了杂散光对视觉对准系统的干扰。最后对针尖进行了亚像素边缘提取, 精确地获取了探针之间的相对位置, 实现了亚微米级的双探针对准(1 μm以内)。该结论由探针之间距离与幅度/相位曲线得到了验证。

针对高炉料面检测中多传感器数据难以直接应用的问题, 提出了同时融合高度和温度数据, 结合布料机理对非检测点进行估计来实现料面检测的方法。首先, 对高炉异类传感器得到的多源数据进行时间和空间配准; 然后, 根据高炉高度与温度的机理关系, 提出环域配准融合思想, 用高炉料面温度求出对应的高度; 最后, 结合料面的物理性质, 将理论料形与多源数据进行贝叶斯融合得到高炉料面图像。以某钢铁企业2 500 m3高炉现有检测设备为基础进行了现场实验, 实验结果表明, 与料形估算法相比, 本文检测方法的测量精度提高了5.4%, 料面分辨率提高了0.43。 该方法使得高炉料面形状检测更加精准, 为高炉节能减排操作提供了必要的指导。

为了缩短直驱伺服系统设计周期, 并保证所设计的系统的性能满足设计指标要求, 提出了一种直驱伺服系统机电联合建模方法。以典型的直驱伺服系统为例, 叙述了该建模方法的实现过程。建立了直驱伺服系统的动力学理论模型和基于Recurdyn和Matlab的机电联合仿真模型, 在不同条件下对机电联合仿真模型进行了时域和频域仿真分析, 并对仿真结果与系统实际测试结果进行了对比。结果表明: 系统开环时域与频域仿真结果与实验结果基本吻合, 幅频匹配度大于83%, 相频匹配度大于73%, 时域匹配度大于89%。得到的结果验证了提出方法的有效性和正确性, 表明利用该方法可在设计过程中对设计方案进行性能预测, 提高设计效率。

设计了一种超声悬浮轴承用新型径向挤压式压电换能器, 用于验证超声波轴承径向共振频率理论计算的正确性。基于弹性理论、压电方程和机电类比原理, 建立压电换能器机电等效电路图, 理论推导出了压电换能器径向振动的共振频率方程; 然后, 应用Matlab软件计算出了压电换能器的共振频率。采用有限元软件对已知结构尺寸的换能器进行模态分析, 计算出压电换能器所需振型及该振型下的共振频率, 数值仿真分析了换能器结构尺寸对换能器共振频率和径向振幅的影响。最后, 设计了 一台样机, 从理论、仿真及实验三方面对其共振频率进行验证。实验结果显示: 换能器径向振动共振频率的理论值与实验结果相对误差为5.89%, 仿真值与实验结果误差为3.53%。实验结果证明了理论计算方法的正确性, 为压电挤压换能器的设计提供了理论依据。

四旋翼飞行器旋翼产生的升力是在基值的基础上附加一系列频率特性和旋翼转速有关的高频分量。由于它会对飞行器的控制产生扰动, 本文研究了这类高频升力分量对飞行器的影响并给出了抑制扰动的方法。首先, 基于拉格朗日能量法建立四旋翼飞行器动力学模型; 进而分析了高频升力分量与飞行器角速度扰动之间的关系。然后, 将角速度反馈环节加入针对有色噪声的卡尔曼滤波器来抑制角速度扰动对控制器的影响。实验结果显示: 与改进前相比, 采用本文的方法对四旋翼原型机进行悬停控制可使控制量波动减少50%, 高频控制量衰减至-17db以下。结果表明: 采用本文的方法, 可以有效地抑制升力波动对四旋翼飞行器的影响, 提高飞行控制效率。

选用一种舟形藻作为实验材料, 研究了不同升温速率下硅藻壳的形态和成分变化。首先, 对从该种硅藻得到的细胞壳进行酸洗处理, 以去除金属离子和其它无机盐; 之后, 分别以1, 3, 5 和7 ℃/min的速率将硅藻壳升温至600℃, 并保温2 h。然后, 使用扫描电子显微镜、能量色散X射线分析和傅里叶变换红外分析3种手段对不同阶段和不同处理条件下的硅藻壳进行分析表征。实验显示: 生物SiO2的含量随着升温速率的降低而升高, 以1 ℃/min升温到600℃并保温2 h的硅藻壳的SiO2含量最高, 其质量分数可达到90%, 并且该硅藻壳能保持完整的原始形态。结果表明: 由于硅藻的生物SiO2结构具有较好的隔热性, 热传导速度慢, 故较快的升温速率很难使生物有机质充分分解, 而过高的温度或保温时间又会对硅藻壳形态造成新的威胁。所以, 较为缓慢的升温速率有益于有机质的充分去除和保证硅藻壳外观的完整性。

搭建了能够在二维方向上实现纳米级定位的二维自动定位系统。首先, 加工了栅格间距为5 μm的64×64编码的透射式二维零位光栅; 然后, 分析设计了光栅系统光电转换电路和数据控制电路, 实现了系统数据采集、显示和运动控制等功能。在此基础上搭建了基于二维零位光栅的纳米定位系统, 并利用积分法实现了二维方向的自动定位。实验结果表明, 系统定位速度对透射光强分布具有很高的依赖性, 系统一次定位的成功率与初始位置密切相关。若起始位置在以零位为中心, 半径为2.5 μm圆形区域内, 系统可实现纳米量级定位对准; 当起始位置在以零位为中心, 5～200 μm为半径的圆环范围内, 自动定位可能存在盲点, 但通过改变初始位置重新进行搜索, 仍然能够准确地实现纳米定位。

针对4 m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大, 面形精度要求高的特点, 提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重, 主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力, 从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围, 提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化, 确定了轴向54点和侧向24点等间距等力(β=0.5)支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时, 主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8 nm和82.9 nm。采用主动校正后, 主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0 nm和9.8 nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30(λ=632.8 nm)的指标要求。

碳纳米管和复合材料基体间的界面力学行为是影响复合材料宏观力学性能的重要因素, 为此本文利用有限单元法对单壁碳纳米管增强聚合物复合材料的界面脱黏、切应力分布及拔出载荷进行了数值模拟。建立了一个轴对称三圆柱壳模型, 引入ABAQUS中的Cohesive单元模拟了单壁碳纳米管和聚合物基体之间的界面层, 分析了单壁碳纳米管的长细比、界面强度以及热残余应力等因素对碳纳米管与聚合物基体间的界面切应力以及拔出载荷的影响。模拟结果表明: 当单壁碳纳米管的长度变化为50~100 nm、与基体之间的界面强度为50~100 MPa、环境温度变化为100℃ 时, 碳纳米管的长细比、界面强度以及由于热失配所引起的残余应力对单壁碳纳米管与聚合物基体间的界面切应力以及拔出载荷有着显著的影响。

介绍了国内外常用的磁悬浮飞轮用一次性锁紧装置和可重复锁紧装置, 分析了它们的结构和工作原理。综述了这些磁悬浮飞轮用锁紧装置的研究现状及其在卫星姿态控制系统中的应用。介绍了国外一次性内/外锁紧方案, 结合各种方案结构示意图, 给出了不同锁紧装置的适用场合。为克服一次性锁紧装置不可重复锁紧/解锁的缺点, 论述了国内可重复锁紧装置的发展过程, 重点分析了基于楔形块自锁的可重复内锁紧装置和可重复抱式外锁紧装置。展望了锁紧保护技术的未来发展方向, 指出基于单执行机构的可重复内锁紧装置、高锁紧刚度、高阻尼可重复锁紧装置和锁紧保护效果评价方法是磁悬浮飞轮保护技术的研究重点。

设计了基于微机电系统(MEMS)的一阶、二阶传动低频压电振动能量采集器, 通过压电效应将低频振动能量转化为电能来解决低频(小于200 Hz)振动环境中的能量采集问题。一阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁及压电悬臂梁, 二阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁、二阶传动梁及压电悬臂梁。数学建模及有限元分析显示: 采集器工作频率随一阶、二阶传动梁及压电悬臂梁材料的杨氏模量的减小均呈单调递减的趋势; 传动梁的设计可有效降低采集器的高阶工作频率、拓宽工作带宽; 而二阶传动梁可以在1g加速度条件下, 获得10.98 Hz和44.52 Hz两个超低频率的电压峰值(分别为3.18 V/g和1.33 V/g), 使系统工作频率降得更低, 50 Hz以下的有效工作带宽更宽, 更适合与低频振动环境匹配进行能量采集。

由于FY-3(01)星和FY-3(02)星宽视场扫描式太阳辐射监测仪(SIM)测量时间短、精度低, 本文利用FY-3(03)星SIM实现了太阳的高精度跟踪测量。首先, 分析了SIM太阳跟踪精度指标、跟踪转动范围, 测试并确定了数字太阳敏感器(DSS)的视场范围、频率、分辨率, 标定了DSS在轨像面辐照度。为消除跟踪抖动现象, 分析测试了控制时间间隔和跟踪精度的关系, 确定了理想控制时间间隔为500 ms。外场和在轨实验结果表明, SIM太阳跟踪精度优于±0.1°, 俯仰在轨跟踪精度为0.029°, 偏航在轨跟踪精度为0.025°, 原始太阳总辐照度(TSI)值为1 353.1 W/m2。另外, DSS太阳指向精确, 跟踪控制可靠, 大幅增加了TSI监测时间。FY-3(03)星SIM在太阳同步轨道卫星上实现了TSI的太阳跟踪测量, 跟踪精度是国际空间站(ISS)同类载荷CPD跟踪精度的10倍。

针对小型光电编码器长周期误差成因及分布规律复杂的特点, 提出了一种光电编码器长周期误差修正方法。建立了基于正交三角函数基的傅里叶神经网路误差修正模型, 将光电编码器输入输出间的非线性优化问题转化为线性优化问题。误差修正模型以高精度基准编码器输出值作为学习目标; 引进模拟退火策略的差分进化算法对网络进行训练, 保证了在训练的初始阶段具有较强的全局寻优能力和在训练后期具有较快的收敛速度和较高的精度。运用设计的方法对16位小型光电编码器进行了长周期误差修正处理, 实际测试显示: 编码器的峰值误差由45″~-175″减小到10″~-875″, 长周期标准偏差由修正前203″减小到修正后4″以下。结果表明提出的长周期误差修正方法提高了光电编码器的精度。

从成像探测体制出发, 对过采样扫描系统的光学系统、电子学系统等模块分别进行了数学建模, 并对点目标和场景图像进行了仿真实验。仿真过程中提出了一种对有限图像大量分割代替连续图像的建模思想和方法, 在matlab环境中对源点目标图像和场景以及探测器扫描积分过程进行仿真, 并对过采样图像进行图像融合。仿真结果给出了不同过采样倍数以及点目标位于不同相位时的信噪比变化和信噪比随积分时间增长的变化曲线。仿真结果表明, 过采样探测系统融合后的图像虽然能够增大点目标在图像上的尺寸, 但融合后的图像会增大高频噪声, 造成检测概率降低, 虚警率增大。文章最后给出了利用小孔模拟点目标成像的实验, 进一步证实了仿真结果的正确性, 说明时空过采样系统并不适合用于点目标检测。

由于数字微镜器件(DMD)空间光调制器结合图像传感器能同时探测高动态场景中的亮暗目标, 本文研究了DMD在高动态辐射场景成像探测系统中的应用。首先, 介绍了DMD实现成像探测的原理, 分析了DMD在高动态场景成像探测系统中的驱动控制方法。然后, 根据DMD在高动态辐射场景成像探测系统中的工作特性, 设计了能使光电成像设备提高66 dB的DMD的驱动控制。文中阐述了系统的主要设计模块和工作参数, 并结合实验验证了系统设计的正确性。实验结果表明: 该驱动控制方法能够实现对高动态场景中亮暗目标的同时探测,满足对光电成像设备动态范围提高66 dB的要求。若光电成像设备采用11位高灵敏高动态科学级图像传感器, 则系统动态范围可达130 dB以上。

多视频超分辨率时间重建技术可以消除视频中的运动模糊和运动混叠现象。进行多视频时间重建时, 重建倍数过小不能有效地减小运动模糊和运动混叠现象; 而重建倍数过大会产生严重的时间振铃现象和运动物体位置的跳变。本文对如何在重建过程中确定最优的时间重建倍数进行了研究。通常情况下, 在决定多视频时间重建倍数时只考虑输入视频的个数; 但在实际重建过程中, 除了输入视频个数的因素, 时间重建倍数还与各个输入视频在时间上能提供的冗余信息量有关。文中从多个低分辨率输入视频配准后的位置关系入手, 通过对曝光区间的分析, 提出了确定多视频时间重建倍数的计算方法。最后对提出的方法进行了理论分析与实验, 证明了所提方法的有效性。

为了同步实现图像压缩和加密, 提出了一种采用超混沌Chen系统和改进零树编码相结合的图像压缩加密算法。该算法在改进零树编码基础上, 先利用超混沌Chen系统产生的密钥流修正位平面编码过程中形成的上下文和判决, 然后送入MQ算术编码器中进行熵编码生成相应的压缩码流, 最后将压缩后码流反馈到超混沌Chen系统的输入端, 产生新的密钥, 使密钥流和明文相关, 实现图像的联合压缩加密。实验结果表明, 该算法的峰值信噪比(PSNR)至少提高了1 dB, 密钥空间为256 bit, 加密时间占总时间的百分比均小于45%, 明文和密钥敏感性高。该算法实现了图像的联合压缩加密, 比原始嵌入式零树小波(EZW)算法的图像重建质量高, 具有高抗线性攻击和差分攻击能力, 密钥空间大, 安全性好。

基于舰载经纬仪的使用条件, 分析了各测量范围内船姿变量和测角量之间的关系, 提出了分段回归模型, 并给出了舰载光测设备的回归测量方案及补偿方法。首先, 基于船姿测角误差模型, 结合多次不同测角范围内的实测数据残差, 分析各测量变量间的相关性; 通过摇摆台实验, 结合双GPS定位数据, 对测量数据进行分段双回归, 建立了回归数据库。然后, 提出了在执行任务前为事后回归处理进行附加观测的方案。最后, 基于附加测量残差和回归数据库, 提出以测量条件相似度为依据对任务数据进行补偿的方法。实验结果表明, 船姿误差最大(航向72″, 纵倾24″, 横倾24″)时, 补偿后光测设备的方位测角均方差由小于等于57″变为小于等于21″, 俯仰测角均方差则由小于等于34″变为小于等于17″, 基本满足了舰载光测设备对数据处理精度及稳定性的要求。

由于视觉背景提取算法(ViBe)对存在动态背景的户外视频的前景检测结果依然不够精确, 故提出了一种改进的ViBe算法。文中描述了经典ViBe算法及其特点; 介绍了改进的ViBe算法针对动态背景的改进措施。该算法采用多帧连续图像初始化背景模型, 降低了单帧图像初始化所产生的“鬼影”对前景检测精度的影响; 在匹配过程中, 引入自适应的匹配阈值, 克服了单个的全局阈值对动态背景适应能力差的问题; 最后, 在更新过程引入空间一致性判断与模糊准则来减少算法的误检, 提高了算法的鲁棒性。实验结果表明, 该算法可以有效地检测动态背景下的运动目标, 检测准确率比经典ViBe算法提高了20%以上。

由于H.264/AVC采用的码率控制模型忽略了视频特性对初始帧量化参数(Initial Quantization Parameter, QP0)选择的影响, 本文提出了一种新的基于视频特性的QP0估计算法来提高H.264/AVC的码率控制精度。首先, 分析影响QP0的视频特性, 包括每像素比特数(bpp)、视频序列的复杂度和图像组(GOP)长度; 然后, 通过大量的测试仿真建立了QP0与bpp和视频序列复杂度之间的函数关系; 最后, 结合GOP长度对QP0的影响, 修正了QP0模型。实验结果表明: 相比JM12.2中的算法, 提出的算法使四分之一通用中间格式(QCIF)和通用中间格式序列重建帧的平均峰值信噪比(PSNR)分别提高了0.185 dB和0.144 dB; 码率控制误差的控制幅度分别提高了37.3%和11.2%; 序列中每帧图像间的质量波动均降低了约50%。该方法在提高重建帧质量的同时, 大幅度降低了码率控制误差, 有效地抑制了序列间每帧图像的质量波动, 获得了更优质、平稳的编码视频流, 并能很好地适应不同特性的视频序列。

为了高效准确地联合估计波达方向(DOA)和多普勒频率, 提出了基于二维MUSIC谱和隔离小生境混合蛙跳算法的联合谱估计方法。首先, 利用状态空间模型构造包含DOA和多普勒频率信息的广义可观测矩阵。 然后, 利用MUSIC算法和广义可观测矩阵构造联合估计的二维谱函数, 将参数估计问题转化为多峰函数优化问题。最后, 引入混合蛙跳算法(SFLA)并利用隔离小生境技术对混合蛙跳算法进行改进, 使其适应于二维MUSIC谱多个极值的优化搜索, 降低搜索计算量, 得到DOA和多普勒频率的估计值。实验结果表明: 在考虑信噪比为0 dB的两个独立信号源的情况下, 利用本文方法估计得到的DOA和多普勒频率的均方根误差分别为0.23°和0.005 5 rad。该方法具有控制参数少、计算量小、参数自动配对等特点。

基于模糊图像的退化过程、卷积模糊模型和模糊图像生成的机理, 提出一种基于L0范数的正则化模糊核估计方法, 解决了遥感图像重建问题中0范数难求解的难题。该方法以模糊核稀疏性为先验知识, 采用对应梯度的L0范数为正则项, 有效避免了细小边缘对模糊核估计的影响, 使得模糊核的估计更加准确。进一步采用超拉普拉斯分布来近似图像梯度的重尾分布, 利用L0.5范数正则化对模糊图像做反卷积, 从而恢复出原始图像。与传统方法相比, 本文方法可以准确地估计出图像的模糊核, 很好地抑制恢复图像的振铃现象, 有效地提升遥感图像的质量。模糊图像以及各方法重构图像在同一刀刃下的调制传递函数(MTF)曲线显示, 本文方法的MTF曲线得到了较好的提升。

分析和比较了现有无线射频识别(RFID)中采用的防碰撞算法存在的问题, 提出了一种优化结合二叉树(BT)和帧时隙ALOHA的新的防碰撞算法。提出的算法在阅读器与标签开始通讯时采用帧时隙的ALOHA算法, 当有时隙发生碰撞时采用BT算法对其进一步识别。该算法根据曼彻斯特译码得到碰撞位, 通过估算一帧中可能出现的碰撞情况, 运用数学推导并通过R软件编程计算给出数学期望值。仿真实验显示: 提出的算法充分发挥了两种算法的优点, 其搜索次数、传输时延、吞吐率等重要指标都明显优于ALOHA算法, 尤其是新的防碰撞算法的吞吐率比ALOHA算法提高了近50%。另外, 传输负担的减小还使数据传输的安全性有了更高的保障。