探讨了光学系统和阵列探测器构成的光电成像系统的整体性能和优化设计问题。针对阵列探测器的不断快速更新换代, 研究了如何对光学系统进行改进以优化光电成像系统的性能。从采样成像系统的取样定理出发, 研究了光电成像系统的传递函数特性, 讨论了采样成像系统的相位平均传递函数, 分析了光电成像系统的加工与使用误差对传递函数的影响。同时, 给出了光电成像系统的信噪比计算公式。文中提出用于遥感观测的大型光电成像系统的光学系统传递函数的归一化空间频率等于0.5左右可与阵列探测器的奈奎斯特频率相匹配。结果显示, 如此设计可在满足信噪比的同时使传递函数在奈奎斯特频率处达到0.1左右, 分辨率达到奈奎斯特频率并且不产生频谱混叠效应。

针对“水窗”波段(280~540 eV)对多层膜反射镜的应用需求, 在Ti的L吸收边(452.5 eV)附近, 优化设计了Co/Ti多层膜的膜系结构。计算了不同界面粗糙度条件下的反射率, 结果显示, 界面粗糙度对多层膜反射率有较大影响。采用直流磁控溅射方法在超光滑硅基片上制备了Co/Ti多层膜, 通过将氮气引入原有的溅射气体氩气中作为反应气体, 明显减小了制备的多层膜的界面粗糙度。利用X射线掠入射反射实验和透射电子显微镜测试了多层膜结构, 并在北京同步辐射装置(BSRF)3W1B实验站测量了不同氮气浓度下多层膜的反射率。结果显示, 氮气含量为5%的溅射气体制备的多层膜样品反射率最高, 即将纯氩气溅射制备得到的反射率9.5%提高到了12.0%。得到的结果表明, 将氮气加入反应溅射气体可以有效改善Co/Ti多层膜的性能。

研究并设计了一种微型肠道驻留机构以实现胃肠道机器人在人体肠道特殊环境下的有效驻留。该驻留机构采用径向伸出三组腿的方式实现扩张, 扩张后三组腿仍然处于封闭状态, 从而有效降低了肠道组织被夹住的风险。对驻留机构与肠道之间的相互作用进行了建模分析, 并将驻留机构的驻留力分为库伦摩擦力和边缘阻力两部分, 分析了其产生机理。通过实验测试了驻留机构的扩张力以及驻留力。实验结果表明: 驻留机构的扩张力与理论分析较为接近, 驻留力大小与肠道直径、驻留腿扩张直径以及驻留机构速度有关。当驻留腿的扩张直径为20~26 mm时, 驻留力大小为015~0.4 N;当驻留腿扩张直径大于26 mm时, 驻留力迅速增加, 为0.5~1.8 N。设计的肠道驻留机构体积小、安全, 可较好地适应肠道的生理环境, 并为肠道诊疗微型机器人驻留机构的设计提供了一种新的思路。

现有的定参数Bouc-Wen模型由于无法表征压电执行器迟滞具有的频移和时变性, 极易产生较大的模拟误差。为了精确地模拟压电执行器的迟滞特性, 本文建立了压电执行器的Bouc-Wen模型, 并采用递推最小二乘在线辨识方法来实时辨识Bouc-Wen模型的参数。为了避免出现数据饱和现象, 使用限定记忆来限定辨识方法所使用的数据组数。为验证该辨识方法的有效性, 建立了相应的实验系统对其进行实验验证。实验结果表明, 限定记忆递推最小二乘在线辨识方法能使Bouc-Wen模型也呈现频移和时变特性。以100 Hz的驱动电压为例, 其最大绝对模拟误差从1.38 μm降为051 μm。因此, 与传统的离线参数辨识方法相比, 限定记忆递推最小二乘在线辨识方法能够有效地提高Bouc-Wen模型的模拟精度。

从结构函数的角度分析和研究了大口径望远镜光机系统的评价方法。分析了基于结构函数的系统误差传递特性, 利用功率谱反演得到大气扰动的数值模拟, 并建立了基于结构函数的系统误差分配方法。将本文的方法应用于长春光学精密机械与物理研究所的1.23 m口径望远镜进行了实验验证, 结果证明了提出理论的正确性以及方法的可行性。最后将其应用于30 m 望远镜(TMT)三镜系统, 研究了其在大气湍流下的印透效应, 实验表明其在考虑了不同的视宁情况下, 分辨印透峰的能力没有减弱。本文的研究对提高大口径望远镜的性价比, 降低大口径望远镜在研制和使用过程中的技术风险颇有意义。

针对主被动磁悬浮控制力矩陀螺转子高速旋转时产生的不平衡振动, 提出了基于滑模观测器和陷波器的主被动磁悬浮转子不平衡振动自适应控制方法。该方法采用滑模观测器使同频振动的控制不受磁轴承的刚度参数摄动和磁力耦合的影响, 将滑模观测器与陷波器结合, 无需区分电流刚度力和位移刚度力, 无需设计算法补偿功率放大器的影响, 可自适应消除不平衡振动。对该方法进行了仿真和实验验证。仿真结果显示该方法可使同频轴承力大幅减小;实验结果显示, 虽然主被动磁悬浮转子的被动轴承不可控, 同频振动仍由0.053g减小为0.012g, 减小了77%。得到的结果表明, 该方法不仅适用于主被动磁悬浮转子, 也适用于全主动磁悬浮转子。

提出了一种工件台宏动三自由度建模方法以解决光刻机工件台宏动部分在X和Y方向的运动耦合问题并实现它的超精密长行程微米精度的跟踪定位。该建模方法将X方向电机的偏转角度作为被控对象并且在模型中包含了耦合效应对X方向运动的影响。基于此模型提出了一种自适应神经网络控制策略, 该策略采用径向基函数(Radial Basis Function, RBF)神经网络对模型参数信息及外界非线性扰动进行实时在线估计, 以减小未建模动态、电机齿槽力波动、端部效应、摩擦等扰动对控制系统性能的影响。通过对控制策略的理论推导和稳定性分析, 保证了闭环控制系统的收敛性。最后在光刻机工件台上进行了S曲线跟踪定位试验, 验证了宏动三自由度建模方法和控制策略的效果。试验结果显示: X和Y方向的位置跟踪误差均小于3 μm, X方向电机偏转角度小于1 μrad, 满足工件台宏动部分跟踪定位精度的要求。

结合反馈控制提出了一种自适应前馈控制方法来提高惯性稳定平台稳定控制的指令跟踪性能。 应用子空间辨识算法, 由输入输出数据辨识稳定平台动态模型的状态空间描述;采用频域回路成型方法设计反馈回路控制器, 用于抑制外部扰动。应用递推最小二乘(RLS)自适应滤波器构建反馈控制回路逆模型, 构造指令信号的全通特性, 提高指令跟踪能力。针对不同的指令信号进行跟踪实验, 验证了自适应前馈控制方法的有效性。实验结果表明: 提出的自适应前馈方法对阶跃指令响应快, 超调量可由反馈控制的30%降低至4.5%, 对30 Hz正弦信号的响应幅值无衰减, 相位滞后由反馈控制的90°降低至54°。得到的结果显著提高了系统的暂态性能, 控制性能优于单独的反馈控制回路。

针对显影工艺中水的表面张力导致的高高宽比抗蚀剂图形的坍塌及黏连, 提出了一种基于微波加热的干燥技术来有效改善纳米抗蚀剂图形的干燥效果。该方法利用微波穿透光刻胶结构直接加热光刻胶图形间隙中残存的去离子水, 水分子吸收微波的光子能量迅速蒸发, 从而有效地抑制光刻胶图形的坍塌与黏连现象。利用提出的基于微波加热的干燥方法, 成功获取了高260 nm、宽16 nm的光刻胶线条组和直径为20 nm的光刻胶柱形阵列, 其中高高宽比线条组和由15 625根柱子组成的柱形阵列结构没有出现坍塌及黏连情况, 验证了在微波产生的交变电场作用下, 可以减小水分子团簇, 降低水的表面张力。

根据宽视场大相对孔径成像光谱仪的应用要求和技术指标, 采用离轴Schwarzschild望远成像系统和双Schwarzschild光谱成像系统匹配的结构型式, 设计了一个视场为28°、相对孔径为1/2.5、工作波段为0.4～1 μm的机载成像光谱仪光学系统;根据双Schwarzschild光谱成像系统的像散校正条件计算了初始结构参数。然后, 利用光学设计软件ZEMAX-EE进行了光线追迹和优化设计, 并对设计结果进行了分析与评价。 结果显示: 光谱成像系统中心波长和边缘波长88%以上的能量集中在一个探测器像元内;谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元的5%, 便于光谱和辐射定标;成像光谱仪全系统在各个波长的光学传递函数均达到0.59以上, 完全满足设计指标要求。该成像系统体积小、重量轻, 非常适合航空遥感应用。

综合考虑磁悬浮飞轮系统及其现有锁紧机构的各项性能, 提出了一套检验飞轮锁紧机构保护效果的方法。以可重复抱式锁紧机构为例, 从飞轮系统性能、宏观振动响应和微观损伤三方面对锁紧机构的保护效果进行了评测。通过对比分析磁悬浮飞轮和锁紧机构在环境力学试验前后的性能测试数据, 判断两者性能是否正常。环境力学试验中, 利用加速度力学传感器和电涡流位移传感器分别检测飞轮系统频谱响应和飞轮定、转子间的相对振动位移, 评价锁紧机构的宏观保护效果。力学试验后, 采用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱仪(EDS)分析锁紧面内的磨损形貌和元素成分, 对锁紧机构的微观保护效果进行评价。该检测方法对同类航天产品的检测具有很好的借鉴意义。

以不同形貌和深宽比的阳极氧化铝(AAO)模板为模芯, 采用注射成型方法制备了纳米结构, 分析了纳注射成型的模具温度、制件的疏水特性和模芯的使用寿命。首先, 通过对比3种AAO模板的结构特征和深宽比, 研究了不同模具温度下纳米结构的复制质量。然后, 针对纳米阵列结构的疏水特性, 分析几何结构特征与模具温度对制件静态接触角的影响, 探索PC制件不同成型区域内的疏水性能。最后, 对AAO模板的宏/微观质量和使用寿命进行了分析。研究结果表明: 模具温度对纳米结构复制质量影响显著, 且主要体现在纳米结构的成型高度上;纳注射成型制件不同区域内的疏水特性略有差异, 最大静态接触角可达108.2°, 比平板制件提高了31.5%;500余次的注射成型后, 低深宽比的AAO模板整体质量良好, 而高深宽比的模板缺陷明显, 使用寿命有限。

介绍了一种基于步进电机(无位置检测传感器)和像质反馈的广角天文望远镜自动调焦系统, 该系统由步进电机位置开环控制系统和图像清晰度评价系统组成。基于天文图像的特点, 提出利用天体点源星像的半高全宽(FWHM)作为图像清晰度的评价参数;为了提高系统精度, 对定位控制系统进行了误差分析;测定了调焦当量、光学焦深、系统回差、步进脉冲当量等系统关键机构参数,进而高精度地修正了系统定位误差;分析和测定了温度变化和像质变化的相关性, 明确了调焦方向和温度变化之间的定性关系;设计了焦深边缘定位策略, 实现了快速调焦。该系统具有“容错”和“自学习”功能, 具有较高的自动化和智能化程度。将系统设计应用于SVOM天文卫星地基广角相机阵［1-2］(GWAC), 实际测试和天文观测表明, 调焦系统的定位精度为±3.0 μm, 调焦精度为0.05 pixel,且一次调焦过程即可获得最佳像质, 调焦效率较高, 系统运行也很稳定, 基本满足天文观测的需求。

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器, 用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构, 在保证钳紧力的同时, 可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理, 对杠杆式柔性放大机构的位移损失、压电陶瓷与柔性机构的耦合特性及箝位机构与中间驱动机构的刚度进行了分析。利用有限元软件Ansys对钳位机构和驱动机构的变形、应力、输出位移和固有频率等参数进行了仿真分析。最后, 搭建了实验平台, 测试了驱动器的各项性能。测试结果显示, 该驱动器的行程为±25 mm, 钳紧力为17 N, 承载力为11 N, 最大和最小步距分别为55 μm和60 nm。当驱动电压为150 V时, 驱动器的最高驱动速度为1.259 mm/s。得到的性能指标满足光学领域精密定位需要。

为提高测微电感传感器的测量精度, 提出了基于赫姆霍兹线圈理论设计螺线管线圈的方法, 改善了螺线管线圈内轴向上磁场的分布均匀性。首先, 分析了螺线管线圈模型, 建立了螺线管线圈参数与轴向磁场强度分布相互关系的广义函数模型。然后, 通过线圈与磁芯的尺寸确定了系统轴向磁场强度分布函数模型, 结合磁芯移动区间范围设置磁场均匀度最小误差目标函数, 通过对目标函数寻优得到各螺线管线圈的各项参数。最后, 搭建了测微电感传感器的测试系统, 测试了传感器性能。实验结果表明: 与传统线圈相比, 改进型螺线管线圈在100 μm测量范围内的线性度由0.46%提高到030%。实验显示通过对不同规格的螺线管线圈进行组合, 可使得螺线管内轴向上磁场强度分布均匀, 从而提高了测量精度。

基于自校准技术提出了用于影像仪的误差分离方法。建立了自校准算法模型, 并利用影像仪对算法模型进行了实验验证。该算法运用普通栅格板来替代标准器, 将栅格板置于影像仪工作台3个不同位置得到3组测量数据, 通过研制的测量数据转换模型将得到的数据代入自校准算法模型中, 最终将测量结果中包含的仪器系统误差分离出来, 实现了自校准。由于运用了测量数据转换模型, 有效解决了实验过程中栅格板所在坐标系与影像仪工作台坐标系不重合的问题, 提高了影像仪测量结果的准确度。测试实验显示: 测量点实际测得的误差为毫米级, 经过自校准算法处理后得到的测量点的系统误差最大为0.49 μm, 最小为0.00 μm, 表明将自校准算法应用于影像测量仪结果的误差分离具有较好的可行性。

考虑深切口椭圆形柔性铰链比其他常用的柔性铰链更适用于具有大行程要求的柔性机构, 本文对其进行了优化设计。建立了深切口椭圆形柔性铰链的刚度模型, 探讨了结构参数对其转动刚度的影响。分析了深切口椭圆柔性铰链的柔度矩阵, 利用Newton-cotes求积公式简化了柔度系数的计算, 在此基础上构建了多目标加权优化模型, 利用模糊优化设计方法对各结构参数进行了优化设计。优化结果表明: 绕Z轴旋转的角位移提高了16.72%;绕Y轴旋转角位移下降了16.01%;沿X轴、Y轴和Z轴产生的线位移分别下降了10%、29.33%和51.84%。数据显示: 经过优化的柔性铰链在所期望的Z轴方向上的转动能力得到了提高, 同时抑制了其他方向上的运动能力, 从而提高了柔性铰链的整体运动精度和结构柔度, 可用于高精密、大行程光波导封装定位平台。

针对空间热开关在深空探测器热控制、空间制冷机等航天器热控制领域中的重要应用, 本文综合评述了空间热开关的概念、分类情况、结构组成、关键指标、以及不同种类空间热开关的优缺点。介绍了近年来国内外空间热开关的最新研究成果和进展。对目前已报道的研究工作进行了总结, 指出了今后研究工作的几个重点方向。作者认为: 考虑空间热开关的不同工作环境和导热需求以及空间探测领域的不断扩展, 高开关比、高可靠性的高性能空间热开关将是未来的研制重点。另外, 与空间热开关相关的部件和制造工艺也会受到进一步关注, 如各种新型驱动器的研制, 新的热控涂层和处理工艺以及相关元件的精密加工与装配技术等。

为了准确测量中红外高能激光系统的远场功率密度时空分布等参数, 分析了室温光导型碲镉汞(HgCdTe)探测器在环境温度变化和光热效应情况下存在的探测器光敏元温升等热问题, 并分别给出了应对措施。从HgCdTe的电学参数经验公式和光导型探测器工作原理出发, 分析了暗电阻和响应率与光敏元工作温度的相关性。建立了计入接触热阻和自然对流效应的光导型HgCdTe探测器热分析模型, 并对模型进行了实验验证。分析了光敏元与环境温度间的热平衡时间特性, 提出了连续激光测量中的环境温度校正模型。讨论了激光辐照下探测器的动态响应特性, 给出了激光加热探测器光敏元导致的附加光热信号的修正方法, 该方法在典型应用条件下可将测量系统的单通道测量不确定度降低2%以上。目前, 所述方法均已成功应用于多套远场激光光斑定量测量系统。

由于利用快速傅里叶变换(FFT)法定量测量标准样板的平均节距时会因为频谱分辨率Δf有限而在数据分析过程中丢失信息, 故本文对常用的FFT法进行了改进。首先在FFT的频谱中得到最大振幅值对应的频率分量fmax, 使用二分法缩小fmax附近的频率范围;然后利用连续傅里叶变换法寻找更大的振幅值与更精确的f′max以求得更接近真实值的线节距。为了验证该方法的可行性, 利用Matlab软件仿真被测标准样板(TGD1)的轮廓图, 比较了FFT与改进后的FFT对不同扫描长度下数据的评估结果, 并展示了改进FFT法评估时部分数据的运算过程。同时, 通过计量型原子力显微镜实测20 μm×2 μm内的TGD1形貌。两种评估法下的数据比对结果显示: 改进FFT评估后的线节距为(277.84±039) nm, 符合标称值(278±1) nm, 验证了改进后FFT方法对线节距求解的准确性与合理性。

考虑采用传统黑白棋盘进行相机自动标定时角点排序结果受标定模板旋转角度影响较大, 本文设计了一种改进的棋盘标定模板及相应的角点自动检测与排序算法。新的标定模板通过增加4个长方形边界滤除复杂背景, 增加沙漏状图形确定排序原点, 从而使得排序结果适应于模板的旋转。针对新的标定模板提出了一种基于对称象限灰度交叉熵的角点检测算法, 该算法通过抑制局部非极大值以及筛选矩形边界实现了角点的像素级定位, 然后采用Frostner算子解算了角点的亚像素坐标。针对角点检测结果, 采用曲线拟合并结合角点至原点的距离信息实现了角点自动排序。实验结果表明: 得到的角点检测结果正确, 亚像素解算坐标与Matlab标定工具箱的检测结果误差小于0.8 pixel, 排序结果对标定模板的旋转具有不变性, 易于实现在线标定。

使用改进的拉普拉斯算法对人造卫星进行轨道预测时, 在卫星仰角过高及卫星过顶点时刻其外推精度都较低, 无法满足轨道预测的精度要求。本文基于对外推数据和实测数据的分析, 提出了基于时间校正的轨道预测方法。该方法首先对外推数据和实测数据进行坐标旋转, 然后用实测数据对外推数据进行时间校正, 从而获得高精度的卫星轨道预测数据。利用水平式光电设备对卫星进行了跟踪实验。实验中使用了大于60 s时长的高精度自动跟踪数据, 先进行运动方程的拟合, 然后进行时间校正, 外推出了超过20 s时长的高精度预测数据, 且在卫星过顶点时刻, 预测偏差可以保持在3″左右。实验结果表明, 该方法有效地提高了卫星在高仰角时刻的轨道预测精度和保精度跟踪时间。

针对移相干涉测量中振动引起的移相误差和对比度变化, 提出了一种从空间载波干涉图频谱中提取移相和对比度信息的方法。该方法通过分析载波干涉图频谱, 从基带和边带中提取移相和对比度信息, 运用最小二乘法补偿对比度变化并复原波前位相。最后采用构造平滑孔径函数对带有孔径的干涉图进行处理。数值仿真证明: 提出的方法可以高精度检测移相量和对比度变化, 能够有效补偿因对比度变化引起的位相复原误差。在频率为9 Hz、幅度为0.5 μm的简谐振动条件下实验验证了本文方法的实用性。结果显示: 从受振动干扰的干涉图中复原平晶表面时, 其复原误差PV值小于0.015波长。该方法无需硬件改动, 有望为移相干涉测量应用于现场测量提供一种低成本的解决方法。

针对现有H.264/AVC压缩域开环水印方法存在误差漂移及鲁棒性差的问题, 分析了该类水印算法的特点及误差漂移机制, 提出了一种无误差漂移的鲁棒视频水印算法。首先, 基于视频重建过程, 分析了开环回路水印方法的误差漂移机制, 得到由水印信息造成的独立重建误差。然后, 采用误差间的线性组合得到4个可以避免误差漂移的水印模板。最后, 通过调制残差系数与相应水印模板之间的正负相关性, 将水印嵌入在非零系数多的4×4子块上, 而不像以往算法将水印直接添加在残差系数上。实验结果表明: 所提算法造成的平均结构相似度下降在0.005以内;码率的增长在100%左右;对重量化转码、加性高斯白噪声、亮度调节等常见水印攻击, 误码率均在0.15以下。得到的结果满足视频水印算法对透明性, 码率稳定性, 鲁棒性的要求。

为了在简化计算的同时达到较高的定位精度, 提出一种轴向邻域和差边缘检测算法, 用于低信噪比、缓慢过渡的微结构显微图像的边缘检测。首先, 结合显微图像采集系统的配置, 分析了线纹显微图像边缘灰度轮廓特征和基于导数的边缘检测算法的不足。然后, 基于方向信息测度, 定义了轴向邻域和差运算, 依据矩不变理论推导出轴向邻域和差边缘检测算法。实验结果表明: 轴向邻域和差边缘检测算法能够适应不同分辨率的显微图像, 具有较强的抗噪能力和较高的定位精度, 边缘检测效果优于基于导数的算法。该算法用于显微图像时, 其边缘坐标定位方差为0.57 pixel, 微米级线条宽度的测量结果与扫描电子显微镜的测量结果(1.35 μm)相差0.17 μm, 基本满足了测量精度的要求。

为了采用非均匀发射阵列的傅里叶望远镜清晰重构深空目标图像, 提出了一种基于最小二乘法拟合缺失傅里叶分量的新方法。首先采用T型非均匀发射阵列作为傅里叶望远镜的激光发射系统, 并对返回的时域信号进行直流滤波;然后, 基于傅里叶望远镜的基本原理对信号进行解调并通过相位闭合得到三重积。采用最小二乘法对没有抽取的傅里叶分量进行拟合估计, 作为连乘恢复单一傅里叶分量信息的基础;最后, 进行非均匀傅里叶逆变换重构目标图像。在不同信噪比条件下对4个目标进行了数值模拟, 并与简单估算方法进行了对比。结果显示: 信噪比(SNR)为200 db, 采用7阶最小二乘法拟合估计时, 重构图像细节分辨更为清晰, 其斯特里尔比(Strehl)比衍射极限图像的斯特里尔比(Strehl)最高可提高0. 074 2, 最低可提高0. 009 8。采用新方法对外场实验数据进行重构的结果表明: 提出的方法克服了频谱偏差造成的重构图像失真, 可为实际工程系统提供理论参考。

在归一化关联成像的基础上, 结合压缩感知理论, 提出了基于压缩感知的归一化关联成像方法。该方法首先对物臂的桶探测值进行归一化处理, 并由散斑场构造测量矩阵;然后采用正交匹配追踪算法, 在低测量次数下优质量地还原出了物体的像。实验中采用灰度图像及二值图像作为成像目标, 以峰值信噪比作为衡量标准, 分别对传统关联成像, 归一化关联成像及压缩感知归一化关联成像的重构效果进行了量化对比。仿真实验结果表明, 对于细节较为丰富的灰度图像, 压缩感知归一化关联成像的峰值信噪比较传统方法高6 dB左右, 比归一化关联成像方法提高了2 dB左右;对于细节较少的二值图像, 其峰值信噪比较归一化关联成像法高3.4~4.3 dB, 比传统法高5.2~6.5 dB。最后, 采用实际电荷耦合元件测得的散斑场构造了测量矩阵, 实验结果进一步验证了基于压缩感知的归一化关联成像算法能提高重构质量。

由于尺度不变特征变换(SIFT)算法只针对图像的局部特征进行描述且忽略了图像的彩色信息, 当待匹配图像中存在大量形状相似区域时, 误匹配率很高。 本文对SIFT图像匹配法进行了改进, 提出了SCARF(Shape-color Alliance Robust Feature)图像匹配算法。为解决SIFT常出现的误匹配现象, 构造的SCARF算子利用SIFT检测子提取图像的特征点集, 通过建立同心圆坐标系, 在SIFT原有框架的基础上融入全局形状信息和颜色不变信息, 并采用欧氏距离作为匹配代价函数进行描述子匹配。对包括SCARF算法和SIFT算法在内的5种不同匹配算法通过INRIA数据库进行了实验验证, 实验结果表明: SCARF算法在图像模糊、局部特征相似、JEPG压缩和光照变化等复杂变换情况下, 匹配准确率优于SIFT等其他算法, 降低了误匹配的概率, 明显提高了匹配的稳定性和鲁棒性。

提出了改进的形状上下文算法以克服传统的形状上下文算法不具备旋转不变性这一缺点。该算法利用找寻包含采样点数最多的角度区间的方式改变图像角度, 对相对应的区域进行比较, 并计算匹配代价, 从而为形状上下文加入旋转不变性。为提高运算速度, 算法也引入了剪枝方法, 解决了进行直方图距离计算时遍历采样点的问题。实验显示, 本文的算法在公开数据库上测试得到的精确度召回率(PR)曲线与郑提出算法的PR曲线性能接近, 但是计算速度较其提升了近1倍;与传统的形状上下文算法相比, 提出算法的PR曲线更为优越, 且检索精度有较大提高。因此, 提出的算法综合检索性能更好, 能够有效地的应用于二值图像检索领域。

由于传统的离子抛光工艺采用的确定去除函数的方法操作复杂且成本很高, 本文提出了利用法拉第杯对离子束流空间分布进行测量、标定的方法, 并计算得到不同离子源工作参数对应的去除函数。首先, 基于离子束抛光材料去除原理, 研究了离子束抛光过程中束流分布与能量对去除函数的影响, 并提出简化的离子束抛光去除函数模型。然后, 设计实验并得出离子束流空间分布与去除函数相关参数间的关系, 计算得到了不同离子源工作参数产生的离子束流对应的去除函数。对硅和融石英玻璃的相关实验表明: 利用法拉第杯扫描结果计算相同材料的去除函数的单位时间体积去除率与实际测量值误差小于2%。结合抛光实验, 对Φ800 mm碳化硅表面硅改性层平面镜进行抛光, 得到的初始面形误差均方根(RMS)值为57.886 nm, 两次抛光后RMS值为11.837 nm, 收敛率达到4.89, 满足精密光学加工对去除函数的确定性及精度的要求, 并大大提升了确定去除函数的效率。

利用微分“化曲为直”的本质特性和离散计算方法, 提出了一种基于局部重建的散乱点云谷脊特征提取算法。首先, 利用离散Laplacian算子对点进行增强, 通过阈值过滤标记潜在谷脊点。然后, 在每个潜在谷脊点的局部邻域内构建紧附于潜在曲面、能反映该点局部几何特征信息的三角网格。最后, 根据Weingarten映射的性质, 估算潜在谷脊点的主曲率和主方向;将邻域大小作为尺度参数, 利用简单直观的离散计算方法及线性插值方法, 多尺度地判定一点是否为主方向上的曲率极值点, 从而提取谷脊特征。实验结果表明: 当点云规模为10 375个, 谷脊点规模为1 129个时, 执行时间仅为97.39 ms;当点云规模达327 853个, 谷脊点规模达到105 482个时, 执行时间为3 956.12 ms。该方法简单、稳定, 避免了传统的利用拟合曲面再逼近微分量方法中由于曲面拟合带来的高时间代价, 能快速有效地提取散乱点的云谷脊特征。

提出了一种对等频率间隔的采样信号进行拼接来提高调频连续波激光测距系统的测距分辨力的方法。研究了调频连续波激光测距的原理, 设计搭建了基于一种双干涉系统的光纤调频连续波激光测距系统。利用辅助干涉系统产生的时钟信号对测量干涉系统的信号进行等光频间隔的采样, 然后对采样信号进行拼接。使用LabVIEW设计了信号错误检测处理、采样和拼接的信号处理系统。利用该测距系统进行了实验验证, 结果显示, 将等光频间隔的采样信号进行拼接的方法可以突破激光器扫描范围的限制, 减少光源非线性的影响, 从而提高系统的测距分辨力。得到结果表明, 在测量距离为8.7 m时, 该系统的测距分辨力可达70 μm, 30组测量结果的重复性标准差为35 μm。

研究了基于中阶梯光栅多级衍射特性实现谱段展宽的宽谱段空间外差干涉光谱仪的基础理论和系统设计方法。阐述了宽谱段空间外差干涉光谱仪的特点, 分析了仪器性能指标(光谱分辨率、光谱范围、视场、信噪比、衍射级次等)与初始光学和电子学参数(光栅、视场棱镜、成像系统、探测器等)之间的理论关系。然后, 设计并搭建了宽谱段空间外差干涉光谱仪实验平台, 该系统的理论光谱分辨率为0.173 cm-1@16 950 cm-1, 光谱区为500~700 nm。最后, 给出了激光(543.5 nm、632.8 nm)、Na灯(589 nm、589.6 nm)、Hg灯(576.96 nm、579.07 nm)光源的宽谱段实验结果, 其复原光谱的平均波数采样间隔为0.17 cm-1 ;光谱复原过程中采用三角切趾函数, 平均光谱分辨率为0.39 cm-1。实验结果与理论设计符合良好, 且复原谱各级次之间的对应关系与光栅方程确定的理论关系完全符合。

针对现有结构光测量中采用的相位误差补偿算法存在的相位误差过补偿或欠补偿问题, 提出了一种新的相位补偿误差校正算法。推导了环境光下四步相移的相位误差数学模型, 解释了相位误差过补偿、欠补偿的产生原因;通过数学推导获得相位误差的解析表达式, 提出了相位误差过补偿、欠补偿的校正算法。该方法通过向标定平面投射4步相移图像、16步相移图像与黑白图像获得相位误差系数;然后在8种不同环境光条件下重复这一步骤获得多组系数;最后运用参数拟合法获得相位误差数学模型的具体表达式。实验结果表明: 无论在黑暗环境还是光环境下, 利用该修正方法进行相位误差补偿后均可使相位精度达到0.002 rad, 比进行相位误差补偿前提高了8.6倍左右, 比查找表(LUT)提高了2.5倍左右。该算法精度高, 速度快, 能有效解决相位误差过补偿、欠补偿的问题。

基于石英(SiO2)制作光弹调制器(PEM)的压电驱动器时, 存在机电耦合系数小、需高压驱动且谐振频率随温度漂移严重等缺陷,故本文研究了PEM的优化设计方法。考虑铌酸锂(LiNbO3)特殊的晶体结构, 从理论上推导了LiNbO3晶片作为压电驱动器的可行性, 并确定其切型为zyw/35°切。基于有限元分析软件COMSOL4.3a仿真, 确定了晶片体积和谐振频率, 设计了LiNbO3压电驱动器。对设计出的压电驱动器进行了压电性能测试, 并和SiO2压电驱动器进行了比较。将LiNbO3压电驱动器和硒化锌(ZnSe)光弹晶体组合成PEM, 用671 nm激光进行了光弹调制实验。实验结果表明: 实现相同位移时, SiO2压电驱动器需要的驱动电压是LiNbO3压电驱动器的100多倍, 且后者横向长度伸缩振动模式单一性和稳定性均优于前者。驱动电压为3.76 V时, 671 nm的激光通过基于LiNbO3压电驱动器的PEM的调制光程差为3.7 μm。得到的结果表明: 基于LiNbO3压电驱动器的PEM易于驱动控制, 调制性能优于基于SiO2 驱动器的PEM。

针对太阳极轨望远镜计划对大视场日冕仪杂散光抑制的要求, 设计了一个衍射抑制程度更高的锯齿型外掩体用于该日冕仪。应用半无限矩形法模拟了锯齿型外掩体衍射光强分布, 得到了最低衍射强度的锯齿形状。通过实验检测了此最优锯齿形状外掩体的衍射光抑制水平, 并与圆形外掩体衍射光强进行了对比, 证实了锯齿型外掩体相对于圆形外掩体在抑制衍射光上的优势。实验观测结果显示, 优化设计后的锯齿型外掩体的衍射光强抑制水平可以达到10-7量级, 高于目前国际上实验观测到的外掩体衍射光强抑制水平10-6量级, 可以满足大视场日冕仪的对杂散光抑制的要求。

单根真空集热管和复合抛物面聚光器(CPC)组成的接收器(单管接收器)对线性菲涅尔式聚光系统的镜场布置有特殊要求。本文根据单管接收器的特点, 提出了利用CPC最大接受半角控制镜场高宽比实现镜场无阴影布置的方法。利用几何关系推导了镜场无阴影布置的数学表达式, 并给出了数值计算方法。通过算例, 将一次反射镜和镜场中心的距离与镜场地面覆盖率相结合对镜场布置进行了优化。研究结果表明: 对于CPC最大接受半角为45°、反射镜宽度为380 mm、而反射镜列数为21的镜场, 当系统无阴影工作时间确定为6 h时, 相邻一次反射镜间距最大为537 mm较为合理, 而此时地面覆盖率为73.28%。该方法对于单管接收器线性菲涅尔聚光镜场的布置具有普适性, 对线性菲涅尔式聚光系统的设计具有较好的指导意义。

设计了一种新的强度相干成像室内实验方法, 以简化现有强度相干实验过程, 获取接近实际观测的测量数据。首先, 分析了强度相干成像原理及影响成像质量的因素;介绍了现有强度相干成像实验方法并分析其存在的不足。然后, 利用赝热光源和CCD设计了一种新的强度相干成像方法;介绍了利用此种方法模拟强度相干成像的原理及特点。最后, 进行了室内强度相干成像实验, 验证了提出方法的可行性。实验结果表明: 利用提出的实验方法能够较好地测量目标的空间功率谱, 测量噪声主要分布在高频部分;当测量信噪比大于20时, 利用相位恢复方法可恢复获得较好的目标光强分布图像。实验显示, 提出的成像方法能够较好地模拟强度相干成像, 实验中能够较为方便地调节光强随机涨落并观测基线参数, 实现对小角直径目标的有效成像。

为解决时栅角位移传感器在实际应用中的在线标定问题, 提出了一种定角平移自标定方法并设计了相应的自标定系统。该方法首先把圆周封闭的自然基准转换成定角基准, 在时栅内部建立了自标定基准。然后, 根据傅里叶级数的性质, 将定角基准平移到傅里叶变换的幅值和相位中, 建立了测量值之差与误差之差的函数关系。通过对测量值之差进行傅里叶分析, 重构了时栅角位移传感器的误差函数。最后, 讨论了影响自标定精度的误差来源, 并设计了传感器的零点纠错算法。为了检验自标定效果, 利用激光干涉仪实验装置与自标定系统进行了对比试验。结果表明: 定角平移自标定精度为1.9″, 与理论计算的自标定误差(1.5±0.5)″的结论相符。提出的自标定方法在解决时栅自身标定基准的同时, 满足了精密测量领域对时栅精度和可靠性的要求。