为降低高沉积率激光金属沉积(Laser Metal Deposition, LMD)工艺中材料的孔隙率, 研究了以镍基高温合金Inconel 718(IN718)为粉末沉积材料的高沉积率LMD工艺中主要工艺参数对材料孔隙率的影响, 以及通过调整工艺参数降低材料孔隙率的方法。以目标沉积率为2 kg/h的LMD工艺为基础, 通过参数固化和分离的手段开展了高沉积率LMD的镀层实验, 研究了主要工艺参数即激光功率、扫描速度及送粉量对LMD镀层材料孔隙率的影响, 分析了不同参数下各镀层的横截面孔隙率及镀层孔隙率。实验显示: 当激光功率从1 440 W增加到4 214 W时, 镀层材料的孔隙率从约1.5%降低至0.02%左右; 当扫描速度为500 mm/min至5 000 mm/min时, 镀层材料孔隙率始终保持为0 07%至0 18%左右; 当送粉量从0.64 kg/h增加至6.48 kg/h时, 镀层材料孔隙率从约0.01%增加至0.84%左右。可见在高沉积率LMD工艺中, 扫描速度对材料孔隙率无明显影响, 而提高激光功率、限制送粉量均可有效降低LMD材料孔隙率, 提高横截面孔隙率的一致性。

基于光纤光栅(FBG)传感器网络构建了声发射检测系统, 并提出了最小方差无失真响应(MVDR)的声发射源定位方法。构建的系统由7个FBG传感器组成传感器线阵列, 采用未经平坦的放大自发辐射(ASE)光源边缘滤波实现信号解调。利用Shannon小波变换从频散复杂的声发射信号中提取窄带信号, 并基于MVDR算法扫描整个监测区域获取空间谱。根据空间谱函数计算输出值, 并将计算的输出值作为像素值。最后, 通过提取空间谱中的最大值的坐标确定声发射源的位置。在LY12铝合金板上进行了实验验证。结果表明, 该方法在400 mm ×400 mm的区域内, 声发射定位的最大误差为9.4 mm, 平均误差为7.2 mm, 耗时小于3 s。该系统具有较高的实时性和定位精度, 是一种声发射源定位的新方法。

介绍了多孔径视场重叠的仿生复眼成像系统的性能, 建立了基于微端面光纤面板的多孔径视场部分重叠型复眼的成像视场模型。系统地分析了选用的器件参数如顶面、侧面和角面子复眼间的视场角、视场重叠率、视场重叠距离等参数对系统性能的影响, 并通过实验系统的复眼视场以及视场重叠率的测量验证了模型的有效性。实验测试显示: 本文建立的视场模型与测试结果具有很好的一致性, 系统侧面与角面视场的实测值与理论值的误差分别为3.58%和12%; 顶面与侧面和角面的视场重叠率误差分别为3.33%和5.17%。该复眼成像视场模型为进一步研究复眼成像的目标探测和跟踪理论奠定了基础, 对多孔径视场重叠仿生复眼成像系统的优化设计具有指导作用。

介绍了一种利用非对称液芯柱透镜结合实时光学图像特征提取方法测量液相扩散系数(D)的方法。该方法基于图像采集系统的软件开发工具包对采集系统进行二次开发, 并用自编应用软件对图像中特定区域进行亮度及宽度的特征提取。然后, 依据图像特征自动寻找出实验所选液体折射率薄层清晰成像点的位置并记录该位置随时间的变化关系。最后, 根据Fick第二定律计算出液相扩散系数。采用这种方法, 实验研究了室温(25 ℃)条件下乙二醇在纯水中的扩散过程, 测得其扩散系数D=1.164×10-5 cm2/s, 与文献报导值的相对误差为0.34%。与直接观察测量法相比较, 此方法实现了测量的自动化, 避免了人为主观判断误差, 具有测量快速、准确, 计算耗时短, 实验测量结果稳定的特点。

为了精确控制与补偿物镜的热像差, 设计了一套三镜实验光学系统, 基于该系统验证了热像差计算方法的准确性。介绍了热像差分析方法及验证实验方案。开展不同热载工况下热像差测试实验, 并与仿真结果进行了对比。最后, 综合实验与仿真结果, 分析了特定热载条件下系统热像差中非轴对称像差成分以及系统最佳焦面的变化趋势, 获得了热像差的瞬态特性。实验结果显示: 在输入热载大小之比为1∶4∶9的情况下, 实验和仿真获得的热像差均方根(RMS)值之比分别为1∶3.75∶9和1∶4.01∶9.01, 光学系统所加热载和热像差之间呈线性关系; 在实验热载荷作用下, 系统最佳焦面的稳态时间小于450 min, 而热像差中一阶像散(标准Zernike Z4)的稳态时间小于48 min, 一阶四叶(标准Zernike Z11)的稳态时间小于9 min, 最佳焦面稳态时间远大于非轴对称成分的稳态时间。基于该三镜实验光学系统所获得的热像差特性能够为投影光刻物镜或其它精密光学系统的热像差控制与补偿提供有力支撑。

提出了互参考激光光条图像质量评价方法用于检测激光辅助立体视觉测量中的图像质量。分析了立体视觉测量中单幅激光光条图像的灰度分布特性以及左右激光光条图像灰度分布的相关性。利用光条截面灰度分布梯度表征图像清晰度, 并建立了综合考虑单幅图像质量与左右图像相关质量的互参考激光光条图像质量评价方法。然后, 确定质量系数的阈值, 通过分析噪声对光条提取误差的影响, 确定提取误差不高于1个像素的单幅图像质量系数QL, QR∈［0 2, 1), 通过不同表面激光光条投影实验, 确定左右图像相关质量系数QLR∈［0 8, 1)。最后, 在锻造车间进行了现场实验, 重建方形锻件高度为1 747.0 mm和491.3 mm。实验结果显示, 清晰的光条图像质量系数符合确定阈值, 受噪声干扰的光条图像质量系数偏离设定阈值, 验证了本文提出的质量评价方法能较好地反映激光光条图像缺陷。

针对利用视觉图像技术检测O形(密封)圈这类全向曲面特征零件的表面缺陷时存在曲面成像一致性差的难题, 研究了曲面成像基础理论和航天系统用O形圈表面成像及其表面缺陷的全自动检测方法。首先, 把O形圈表面划分为细小网格状的曲面小块, 基于曲面小块的双向反射分布函数得到点光源辐照时曲面小块的辐射强度计算公式。然后, 通过半球积分求得空间连续光源辐照条件下曲面小块的辐射强度计算方法。最后, 结合O形圈曲面方程, 建立了O形圈表面成像理论, 并据此提出基于三镜头相机组的O形圈表面缺陷成像检测方法。对O形圈弧段曲面的成像实验表明: 理论计算的亮度分布与实际亮度分布一致, 垂直安装的镜头相机组对应的平均亮度误差为6.8, 标准差为12.6; 倾斜安装的镜头相机组相应的平均亮度误差最大为19.4, 标准差为10.3; 缺陷检测实验表明, 所提方法能可靠检测出O形圈表面任意位置的缺陷, 能够实现航天密封圈的全自动可靠检测。

针对微生物检测中存在的耗时多、结构复杂、探测精度低等问题, 提出了一种快速、简单、检测下限低的微生物检测方法。通过结合荧光标记物标记、微孔滤膜过滤、激光扫描及荧光成像技术, 设计了痕量微生物快速扫描检测系统, 使用大视场、大景深、长焦距扫描物镜, 结合二维扫描振镜, 完成了对痕量微生物样本的快速检测。描述了检测系统的基本原理及光路系统的设计与优化, 对采集信号进行了分析, 并对检测系统的检测性能进行了论证及测试。实验结果表明, 该检测系统可以在10 min内完成对10~2.5×103 cfu/mL的微生物的准确检测, 检测下限为10 cfu/mL, 可以满足医用高纯水、饮料用水、微电子加工高纯水等领域的水体快速检测需求。

设计了一种新型的双Fabry-Perot腔光纤传感器用于材料损伤引起的声发射信号检测。基于低细度Fabry-Perot腔多光束干涉原理, 建立了光纤Fabry-Perot传感器检测声发射信号的数学模型。分析双Fabry-Perot腔正交点稳定工作机制, 设计并制作了具有双Fabry-Perot腔结构的光纤声发射传感器来保持传感器正交点的稳定性。通过模拟AE信号检测与热应力干扰实验对设计的传感器进行了实验验证。实验一通过冲击振动与折断铅笔芯产生两类模拟声发射信号, 使用商用的压电传感器和光纤传感器进行对比实验, 结果表明光纤传感器能够成功检测到两类模拟声发射信号, 灵敏度为12.9 nm, 带宽达到30 kHz。实验二对传感器进行工作点稳定测试, 结果表明双F-P腔的控制机制能够保证传感器工作在正交点, 解决了传感器输出信号衰减的问题。

为准确测量声场分布, 研究了基于激光测振仪的声场直接测量技术。基于声音在空气中传播时会引起空气折射率周期性变化的原理, 利用激光测振仪测量了激光通过声场时激光光程受空气折射率的调制发生周期性变化产生的振动速度。 由于声场在激光方向上的投影即为激光测振仪测得的振动速度, 测量了声场在不同投影方向上的振动速度, 再由Radon逆变换重构声场复振幅分布, 从而实现了对声场的直接测量。文中实验测量了2 kHz声场引起的振动速度振幅分布和相位分布, 进而重构得到声压振幅分布和瞬时声压分布。测量得到空间分辨率为2 cm, 声压振幅最大为0.026 Pa, 对应的声压级为62.3 dB。实验结果表明, 基于激光测振仪的声场分布直接测量方法是可行的, 该方法解决了现有麦克风阵列接触式测量声场存在的问题。

利用碳纤维复合材料具有比强度及比模量高等优点, 针对中心承力筒式卫星主承力结构设计了一种主承力架和若干独立模块层单元组合的结构方案。通过复合材料层压板理论和截面设计理论, 对主承力架进行了结构设计。该主承力架由碳纤维复合材料铺层成型, 消除了层间耦合刚度; 采用薄蒙皮+“几”字型筋+T型环筋的桁架结构和合理的工艺设计提高了主承力架的承载能力。对所设计的主承力架结构进行了数值仿真分析, 结果表明主承力架强度和刚度均满足设计要求。最后, 对主承力架进行了实验验证, 结果显示, 实验结果与仿真计算结果基本一致。与铝合金材料结构设计相比, 采用碳纤维复合材料的主承力架结构的重量减少了30%以上, 实现了飞行器主承力结构的轻量化。

针对数字天顶仪在定位过程中存在的的轴系偏差, 研究了如何对光轴与旋转轴、旋转轴与垂直轴之间的角度偏差进行补偿的方法。为了高精度地解算出测站点位置垂直轴的天文坐标, 采用对称位置的两幅星图直接解算旋转轴的坐标, 从而避免了光轴与旋转轴之间的补偿。采用双轴倾角仪测量倾角, 并对旋转轴进行倾角补偿得出垂直轴的位置坐标。考虑进行轴系补偿时, 转台误差会对旋转轴坐标和倾角补偿造成影响, 分别研究了转台误差对于旋转轴以及倾角补偿的影响, 并得出了转台误差的范围。实验结果表明: 当测站点纬度的绝对值小于或等于88.3°时, 转台误差必须小于或等于35″; 当测站点纬度的绝对值大于88.3°时, 转台误差值要小于|1 166.8cos δ|″。在对称位置解算测站点位置坐标时, 必须提高转台的精度, 以减小转台误差对于定位精度的影响。

提出利用镀膜合束的方法对三路光束进行合束用于高功率红外激光合束系统设计。考虑系统中关键元件使用的红外材料ZnSe易受热效应影响, 采用光机热耦合分析方法, 研究了在温度边界条件固定时, 各波段激光所产生的耦合热效应对各路激光波前畸变的影响, 同时定性分析了系统中存在的激光偏置热效应。研究结果显示, 系统中各波段的激光波前畸变均方根值(RMS)均满足设计要求(各波段波前畸变小于λ/8); 激光偏置造成的波面高频成分增大了长波激光波前畸变量, 但高频成分对系统波前畸变影响依然满足要求; 轴向温差可在35 s达到平衡, 对光束波前造成主要影响的是各块镜片的面型畸变。根据分析结果搭建了实验平台, 利用系统中短波400 W激光进行实验, 采集了该条件下的面型并与仿真结果进行了对比, 实验结果验证了该分析方法计算结果的准确性。

通过微电子机械技术(MEMS)在抛光的熔融石英基材表面制作了平面精度达到0.4 μm的超大单片面积的全息透镜。采用了分辨率达到0.2 μm的步进投影式拼接光刻, 适合石英基材的专用等离子耦合刻蚀(ICP)干法刻蚀技术, 特殊的物理清洗方法, 以及相关的多项辅助工艺。透镜理想面形横截面曲线为分段抛物线, 每一片由23个柱状结构单元周期横向排列构成, 采用等深度不等宽度的4台阶结构拟合, 单元宽度约为2.966 mm。在4 in(10.16 cm)圆片上, 获得了单片尺寸为68 mm×68 mm的方形透镜。采用接触式台阶仪, 扫描电子显微镜(SEM), 高倍光学显微镜等方法进行不同阶段检测。结果显示: 台阶平面精度为0.4 μm, 垂直精度为30 nm, 有非常好的立墙陡直度和刻蚀均匀性。此工艺方案可实现小规模批量生产, 成本适中, 可以直接用于制作6 in(15.24 cm)以上同等级要求的石英透镜, 经适当改进也可用于蓝宝石等基底材料的制作。

为了准确表征微电子机械系统(MEMS)谐振器在大振幅运动时的行为特性, 建立了刚度非线性MEMS谐振器集**数模型, 并创建了一整套MEMS谐振器非线性特性的表征方法和测试系统。搭建了基于锁相环和自动增益控制的MEMS谐振器闭环工作电路, 分析了不同驱动振幅下, MEMS谐振器的工作状态。推导建立了工作振幅、工作频率与MEMS谐振器刚度非线性之间的数量关系。最后, 基于衰减模式和稳定振荡模式两种工作形态, 实际测量了MEMS谐振器的无阻尼自然谐振频率和刚度非线性。结果显示: 无阻尼自然谐振频率和刚度非线性系数的测量重复性分别为18.6×10-6和1.50%。针对实测的MEMS谐振器无激励振幅自衰减曲线, 分别用理想二阶系统谐振器模型和刚度非线性谐振器模型进行残差分析。结果显示后者的残差要比前者的残差小9.5%, 表明刚度非线性MEMS谐振器模型更接近真实情况, 也验证了该刚度非线性特性表征方法的准确性。基于该方法, 测量了MEMS谐振器刚度非线性系数和无阻尼自然谐振频率的温度特性, 得到的无阻尼自然谐振频率的温度系数为-0.487 Hz/℃, 线性拟合度达99.964%。

设计和搭建了一个3D半自动装配点胶系统, 用于完成跨尺度零件微管与微球的三维装配点胶任务。系统主要由体视显微镜、变焦金相显微镜、发光二极管(LED)背光源、pL级点胶机、微操作手和零件夹持器组成。采用显微镜高低倍转换的方式实现了零件跨尺度特征的检测。基于提出的半自动装配点胶策略, 并配合人工引导和显微视觉伺服技术, 快速完成了跨尺度零件的半自动高精度对准和插入点胶。在搭建完成的系统上开展微管与微球的装配点胶实验, 对提出的方法和装配精度进行了实验验证。结果表明, 系统的位置对准误差优于1 μm, 角度对准误差优于0.5°, 可以实现末端直径10 μm的微管与孔径12 μm的微球之间的装配和胶接, 基本满足对该组件的装配精度和成功率要求。

采用牛顿-欧拉法建立了空间并联机构的动力学方程, 用于研究4-UPS-UPU五自由度空间并联机构的刚体动力学建模。分析了4-UPS-UPU并联机构的支链受力和动平台受力情况, 基于牛顿-欧拉法推导出了该并联机构的刚体动力学方程。利用Matlab分别对动平台在空载和加载条件下的驱动力进行理论计算, 得到了该机构5个驱动杆的驱动力。最后, 利用ADAMS对4-UPS-UPU并联机构虚拟样机进行了动力学仿真分析。结果表明: 并联机构在Z轴为0.95 m的平面内按半径为0.01 m的圆轨迹运动时, 驱动杆1受力最大, 空载时最大值达-760.6 N, 加载时最大值达-889.7 N。理论计算结果和虚拟样机仿真结果基本一致, 验证了理论模型的正确性。该项研究为4-UPS-UPU五自由度并联机构物理样机的制造奠定了理论基础, 也为其他空间并联机构刚体动力学建模提供了思路。

针对空空导弹的电动舵机系统, 提出了基于传动机构主模态的控制方案, 并利用机构动态特性匹配和主模态法设计了双环控制系统。对曲柄滑块机构中的连杆进行分析, 利用机构动态特性匹配和主模态方法将高阶多自由度动力学模型简化为二自由度自由转子模型。对二自由度模型与控制系统联合建模, 分析机构在有无阻尼状态时谐振主频对系统开环截止频率的影响, 确定了按照无阻尼状态进行系统设计更为可靠。最后, 对传动机构进行了模态测试, 确定了机构动态特性匹配设计方法的可行性。结合风洞测试数据在全弹道飞行平台上对含机构主模态的舵机系统进行了性能验证。模态测试结果表明: 固支舵面第一阶扭转频率为1 210.47 rad/s, 传动机构(含舵面)第一阶扭转频率为1 148.17 rad/s, 与理论1 180.0 rad/s结果一致。全弹道飞行平台外载荷验证显示: 最大铰链力矩为6.8 Nm时, 舵面弹性转角为1.1°, 舵机跟踪自驾仪指令最大误差为±0.1°, 这些结果满足舵机系统对性能指标的要求。

针对串联四足机器人行走惯量大, 自重/载重比大的问题, 提出一种新型串并混联四足步行机器人, 并对该机器人的串并混联腿进行运动学分析。该机器人由一个运载平台和四条结构相同的串并混联腿组成, 每条腿均由髋关节、大腿、小腿顺次连接构成, 其中髋关节为3-RRR并联机构。以能耗最小姿态为最优姿态, 基于矢量法求解了该串并混联腿的运动学正解和反解, 利用MATLAB和ADAMS软件验证了正解和反解的正确性; 基于矢量法和微分变换法求出了该混联腿的速度雅克比矩阵和加速度矩阵, 分析了其奇异性, 并利用MATLAB软件绘制出该腿的工作空间。结果表明: 该腿在髋关节连杆直径d=22 mm, 大腿杆件直径D=50 mm, 膝关节转角θ4∈［105°, 155°］时, 工作空间呈球冠形, 最大内接圆半径R=400 mm, 高度为H∈［500 mm, 900 mm］。本研究对该新型串并混联四足步行机器人的刚度分析、动态性能、机构优化设计和系统控制等的进一步研究具有重要意义。

为了准确分析空间CO2光谱仪指向机构的力学特性, 本文根据轴承结构参数, 建立了轴承有限元接触分析模型。计算了不同载荷下轴心的位移量, 用多项式对计算结果进行拟合得到轴承非线性刚度曲线。在指向机构有限元力学模型中, 利用相应刚度的弹簧单元替代轴承结构, 经过有限元频率响应分析后获得指向机构的动态特性。仿真实验显示: 在重力工况下指向镜的面形在光轴和子午方向分别为19.23 nm和19.27 nm, 满足优于λ/30(均方根值RMS, λ=632.8 nm)的设计要求, 3个方向基频均大于100 Hz。振动试验显示, 3个方向基频均优于100 Hz, 振动试验后反射镜镜面面形精度为λ/35。分析结果与仿真结果相符, 表明利用非线性接触分析方法可以较为准确地求解轴承刚度, 同时空间光谱仪指向机构静/动力学性能满足设计要求。

基于交叉簧片柔性铰链(简称‘交叉铰链’) 设计了一种用于光束跟踪、精密指向和瞄准的同轴八铰微位移放大机构。该机构使用菱形构型, 用交叉铰链作集中柔性元件, 节点处交叉铰链两两同轴配合使用, 以便保证运动的平稳输出。研究了机构的运动学以及力学性能, 计算了微位移机构的行程放大比和灵敏度; 根据交叉铰链的刚度模型, 推导出微位移机构的理论刚度; 最后, 应用有限元软件对机构进行建模并对运动学、静力学以及动力学性能进行仿真。完成了样机的加工和测试, 测试结果显示, 机构放大比为1.905, 理论与测试误差低于2.2%, 结构刚度为18.21 N/mm, 误差低于0.32%, 一阶频率为8.8 Hz, 误差低于5%。分析结果验证了本设计的可行性和有效性。该机构适用于空间高精度微位移领域。

为提高数控机床热误差补偿模型在实际工程应用中的补偿精度和稳健性, 研究了热误差补偿建模时机床最佳转速状态的选择方法。首先, 以Leaderway V-450数控加工中心主轴Z向为研究对象, 控制机床主轴在空转状态下, 以图谱和恒定转速两种方式进行了多批次实验。然后, 采用模糊聚类结合灰色关联度选择温度敏感点并建立多元线性回归模型。最后, 分析不同转速类型下模型的预测效果并对同种转速类型下模型预测效果进行相对评价, 从而给出热误差补偿建模时机床最佳转速状态的选择方法。实验结果表明, 根据国际标准中不同主轴转速类型建立的热误差补偿模型, 对于机床热误差预测效果存在较大差异。根据实际工程应用选择的最佳转速状态建立的补偿模型有较好的预测效果。

为降低对地观测小卫星单机安装点加速度响应均方根值, 提出了一种使加速度响应均方根值最小化的微小卫星主承力结构拓扑优化方法。首先对整星方案进行了有限元分析, 分析显示整星Z向某些单机安装点的随机振动加速度响应均方根值过大。对系统进行了灵敏度分析, 确定了卫星主承力结构底板是影响随机振动加速度响应均方根值大小的关键因素。以卫星单机安装点的加速度响应均方根值为目标函数, 以体积作为优化的约束条件, 应用连续体结构拓扑优化思想对卫星有限元模型进行拓扑优化设计, 得到了一种单机安装点加速度响应均方根值满足指标要求的卫星主承力结构。最后, 通过有限元分析与振动试验, 证明了本文所设计的小卫星主承力结构力学性能参数均满足设计要求, 其中整星的星敏感器、蓄电池、电源控制器等关键器件安装点的加速度响应均方根值相比优化前分别降低了23 3%、10 6%、11.3%, 得到的结果验证了本文优化方法的有效性。

为了通过测量齿面拓扑轮廓来获取特征线误差, 提出了一种基于正交距离回归齿面的误差计算方法。 对该方法涉及的实际齿面与理论齿面匹配算法、拓扑轮廓误差的计算与分解及齿面特征线误差的评定算法进行了研究。首先, 通过坐标测量方法获取的齿面拓扑数据, 建立包含回归齿面参数的非线性方程。然后, 求解非线性方程得到回归齿面参数的最优近似解, 从而得到与实际齿面匹配的理论齿面, 拓扑测量点相对理论齿面的正交距离即为齿面拓扑误差。最后, 基于齿轮误差多自由度理论, 对实际齿面进行局部自由度及全局自由度回归, 进一步分解出齿面的齿廓误差和螺旋线误差。以一标准圆柱直齿轮的齿面拓扑测量点数据为例进行了误差计算, 结果显示: 计算的结果与直接进行特征线测量的结果差值小于0.5 μm, 表明提出的基于正交距离回归齿面进行齿轮误差评定的方法是有效的, 可以应用于坐标类仪器检测齿轮误差。

为了探索结构陶瓷材料在摩擦过程中表面形貌的变化规律及其对摩擦特性影响, 分析了摩擦过程中材料的接触过程及力学关系, 并对旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样开展了摩擦表面形貌、摩擦因数等特性的试验研究。首先根据接触特点和材料特性, 基于分形理论推导出接触面总载荷计算公式, 基于该公式建立了结构陶瓷摩擦因数分形模型。分析结果表明: 当初始表面轮廓分形维数分别为1.4, 1.45, 1.5和1.55时, 摩擦因数与摩擦后表面轮廓分形维数呈类似正态分布曲线。然后通过旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样面面接触摩擦试验, 研究了摩擦后陶瓷材料表面微观形貌和摩擦因数变化规律, 分析了各因素对摩擦因数的影响。试验结果表明: 产生微观裂纹是Si3N4陶瓷摩擦后表面微观形貌的显著特点; 温度值等于160℃是Si3N4陶瓷摩擦因数由下降转为上升的拐点; 当施加载荷为360 N和往复频率为80 Hz时, 摩擦因数最大。得到的结果为通过表面形貌控制提高结构陶瓷耐磨性能提供了技术支撑。

为了实时监测图像质量, 建立了像素小波系数的二元空间依存关系模型, 并利用该模型实现了图像质量的无参考评价。首先, 将RGB图像映射到HSV空间; 对图像进行小波分解, 并建立小波系数的二元空间依存关系模型, 即以广义高斯分布来拟合小波系数的二元联合分布。然后, 分析二元空间依存关系与图像质量的相关性, 建立了无参考图像质量评价指标。最后, 对图像质量评价指标进行了测试及对比研究。基于TID2013、LIVE及CSIQ数据库完成了测试, 结果表明: 基于空间依存的无参考图像质量评价指标可以对图像的失真程度进行准确分级, 分级准确率达到96%以上; 采用基于空间依存的无参考图像质量评价方法可以实现对图像质量失真度的准确分级。

遥感相机电子学系统在信号转换过程中会产生V/Q非线性和DN/V非线性, 并均会对成像子系统的调制传递函数(MTF)造成影响。本文研究了这两种电子学非线性的产生机理和对MTF的影响并提出了相应的判别方法。从两种非线性的产生机理出发, 建立了V/Q非线性和DN/V非线性模型, 深入分析了两者对相机MTF的影响并进行了仿真实验。实验表明, 非线性造成了电子学MTF的下降, 使其由正常状态下的0.55下降为0.47, 此外还导致MTF随照度变化。提出了基于视频响应曲线结合响应非均匀性(PRNU)噪声曲线区分V/Q非线性和DN/V非线性的方法并进行了仿真验证。仿真实验验证了提出方法的有效性, 为系统设计、改进和非线性补偿提供了有力支持。

针对传统滑动窗目标检测方法需要在全图像范围内穷举搜索的缺点, 提出了一种基于视觉注意机制的粒子窗检测方法, 旨在保持较高检测精度的同时减少计算量。该方法将目标显著性作为先验知识引入搜索过程, 采用“图像签名”方法生成显著图, 然后通过阈值门限提取出包含有目标真实位置的局部区域。利用蒙特卡洛采样在显著目标对应的图像范围内均匀生成粒子窗, 并依据分类器的响应对粒子进行重采样, 以凸显真实目标区域、避免滑动窗方法对搜索步长的依赖。建立了Adaboost+类Harr特征(HLF)和支持向量机(SVM)+方向梯度直方图(HOG)的多级分类器结构, 前级分类器用于大范围目标的快速筛选, 后级分类器用于小范围目标的精确定位。将本文目标检测模型与传统滑动窗法和粒子窗法进行了比较, 结果表明本文方法的受试者工作特征曲线(ＲＯＣ)包含的面积更大, 耗时仅为滑动窗法的1/3到1/4, 粒子窗法的1/2, 在保持较高检测精度的条件下显著提升了检测速度, 实现了快速准确的目标检测。

为了对工业CT(ICT)图像中的线特征进行有效提取, 提出一种基于二阶Wedgelet快速分解的特征提取方法。首先, 介绍了二阶Wedgelet分解的定义, 根据二阶Wedgelet基函数的构成将其划分为3种(同边型、邻边型、对边型)不同类型。根据不同类型基函数间的空间关系设计出二阶Wedgelet快速分解算法。在此基础上, 在不同的单尺度上分别提取了各自的候选线特征。最后, 结合多尺度四叉树结构, 融合不同单尺度的候选线特征得到最终提取结果。对实际ICT图像进行了线特征提取实验, 对比试验结果验证了提出方法的有效性和先进性, 表明基于二阶Wedgelet快速分解的ICT图像线特征提取方法能有效地提取ICT图像感兴趣的线特征, 对其它类型图像的线特征提取也具有一定的参考价值。

提出一种空间降采样独立成分特征分离方法, 用于缩短独立成分分析(ICA)法在高光谱图像特征分离时的运算时间。该方法通过对高光谱图像的二维像素空间进行网格划分得到较小的窗口; 基于光谱相似性测度法度量每个窗口中中心像素与周围像素的距离。然后舍弃这段距离小于阈值的周围像素, 而将大于阈值的周围像素和中心像素作为样本量进行FastICA, 获取投影矩阵变换原始数据, 得到特征分离的ICA成分。对比了传统ICA与空间降采样(SDS)ICA(SDS_ICA)的性能, 研究了降采样阈值参数、降采样窗口参数及初始投影矩阵对SDS_ICA特征分离性能及运行时间的影响。实验结果表明: 应用SDS_ICA时, 仅设置适中的阈值和不敏感的窗口大小参数, 就能保持与传统ICA相近的特征分离性能, 运行时间减少了30%以上。该方法适合应用于高光谱准实时特征提取、数据降维及目标探测等领域。

考虑人眼对亮度的感知符合韦伯定律的特点, 本文利用log-Gabor滤波器模拟人眼对图像的感知过程, 提出了一种新的log-Gabor韦伯特征, 以便保留不同尺度的符合人眼感知的结构信息。基于此, 还提出了一种应用log-Gabor韦伯特征的图像质量评价方法。首先将待评价失真图像和参考图像从RGB空间转换到YIQ颜色空间, 分离亮度分量和颜色分量。然后利用log-Gabor韦伯特征和梯度特征计算亮度分量失真, 并结合颜色分量的失真, 得到失真图像与参考图像的局部相似度图。最后利用修正的CSF函数, 对局部相似度图进行加权, 得到图像质量评价指标。在LIVE、CSIQ和IVC3个图像库上的实验结果表明, 本文方法与人眼主观感知有很好的一致性, 而且相对于其他方法, 表现更加稳定。本文方法在3个图像库上的加权Spearman秩相关系数(SROCC)为0.949 8, Kendall秩相关系数(KROCC)为0.802 6, Pearson线性相关系数(PLCC)为0.943 8, 相比对比方法有显著的提高。

针对3D离散余弦正/反变换(DCT/IDCT)算法单元通道式结构需大量使用延时器和选择器以及不同分块器件的兼容性问题, 提出一种节约延时器和选择器的通用性通道式算法单元及整体结构。首先, 根据三维DCT理论提出兼容正反变换通用的通道式算法结构; 建立由延时器和选择器组成的可重复使用的延时器组模型, 使其具有整合性和嵌套性。然后, 提出节约延时器的三维DCT通用性通道式算法单元及整体结构。最后, 利用提出的节约器件的三维DCT/IDCT通道式结构对不同格式、不同大小分块的视频信号进行处理。实验结果表明, 随着分块增大, 提出的节约器件的方法使用的延时器和选择器的数量明显减小, 当分块大小达到64×64×64时, 延时器和选择器使用个数分别降低了54 7%和44.5%。得到的结果说明提出的方法可以减少延时器和选择器的使用, 满足硬件对降低成本的要求, 提高了能效, 同时便于不同分块的集成。

针对全景海域图像背景复杂且海天线呈近似圆形的特点, 提出了一种基于分形维数和改进Hough圆变换的全景海天线提取算法。该算法首先通过地毯覆盖法计算海域全景图像的分形维数, 并据此提取出全景采集装置等设备在全景图像中的成像, 消除其对海天线检测的不良影响。针对经典的梯度Hough圆变换算法提取全景海天线时无法给出唯一正确解的问题, 提出了一种改进的Hough圆变换算法来有效提取全景海天线。对400幅不同情况下采集的全景海域图像进行了实验。结果表明, 提出的算法在理想情况、海天线部分缺失、低对比度和海天线大范围断裂等多种情况下均可以有效提取出全景圆形海天线, 检测准确率达95.75%, 适用性和鲁棒性良好。