为了提高大模场面积光纤到单模光纤的耦合效率, 利用加热扩芯的方法, 对单模光纤进行了热扩芯处理, 实现了大模场面积双包层光纤15/130 μm到单模光纤6/125 μm的模式匹配。对进行热扩芯处理的模场匹配器的传输损耗进行了理论分析; 利用自行搭建的中心波长为1 064 nm的激光光源分别测量了商用及自制的模场匹配器的传输损耗。实验结果表明: 采用加热扩芯的方法极大地提高了大模场面积光纤到单模光纤的模场匹配器的模式耦合效率。与商用的模场匹配器相比, 自制的模场匹配器具有更高的耦合效率和运行功率, 其热处理能力更强, 可靠性也更好, 运行功率可以达到100 W; 在进行风冷的情况下, 稳定工作时间累计为120 min, 最终可以获得 73 W的单模光输出, 热处理能力为27 W。模场匹配器性能的提高满足了高功率光纤元器件发展的需要, 有利于实现光纤激光系统的全光纤化。

结合频域光学相干断层层析术(SDOCT)以及空气脉冲印压技术(OCT气冲印压系统)研究了角膜的生物力学特性。采用热成型硅胶模拟角膜形态设计制作了8种不同硬度的角膜仿体, 通过联接吊瓶和压力传感器控制并设定角膜仿体的前房压力。运用快速气脉冲作用于角膜, 同时用OCT记录角膜整个动态形变过程, 测得了角膜仿体形变参数——最大压陷深度(DA), 并分析得到了反映角膜生物力学特性的硬度系数。结果显示: 角膜仿体中央的实际厚度为(504.12±17.04) μm, 不同硬度硅胶的角膜仿体的杨氏模量为90~1 400 kPa, 同一角膜仿体的杨氏模量值与模拟前房眼内压成正相关。同一眼内压下3次重复性实验表明OCT系统测量参数DA具有很高的重复性(ICC=0.992 6); 不同观察者A和B的一致性实验表明, DA具有很好的一致性(差值均值为1.1 μm)。不同眼压下所得仿体角膜的硬度系数与传统的拉伸实验测得的该仿体的杨氏模量具有明显的相关性(r=0.99, P<0.001)。得到的测试结果表明, OCT气冲印压系统可以用来检测角膜生物力学特性, 系统测量结果精确可靠。

针对相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)光纤预警系统对一维信号进行模式识别产生的误报和较低的识别效率, 提出基于形态学方法提取时空二维信号特征, 并利用相关向量机(RVM)分类器对事件进行分类识别的方法。首先, 将Φ-OTDR采集到的时空二维信号当作图像, 根据信号在图像上的特征采用图像处理的方法对不同入侵事件信号进行阈值分割。然后, 基于本文提出的特征提取方法, 利用不同事件区域在幅值、面积、形状以及区域间隔上的差别提取不同信号特征。最后, 利用相关向量机分类器对不同事件信号进行识别并采用"一对一"的多分类策略。对3种管道安全事件进行了实验。实验结果表明, 本文提出方法的识别精度能够达到97.8%, 而算法时间不到1 s。 与传统模式识别方法相比, 提出的算法大幅度地改善了系统性能, 且简便易行, 能够满足Φ-OTDR光纤预警系统在线实时监测的要求。

使用大口径平行光管检测大型光学设备或元件时, 平行光管的自身误差会影响检测结果, 故本文提出了一种消除光学检测结果中平行光管引入误差的新方法。该方法使用干涉仪获取平行光管和光学检测系统的出射波前信息并以37项Standard Zernike Phase多项式进行拟合; 通过两组系数相减分离平行光管引入误差, 再配合ZEMAX中建立的等效被检光学系统的仿真模型模拟真实系统的出射光锥, 最终获得被检光学系统真实的出射波前信息。利用ZEMAX中的光学系统模型验证了该方法在大口径光学检测工作中的可行性; 使用焦距为1 597 mm, 口径为150 mm的小型平行光管、焦距为50 mm的光学镜头进行了实验。实验结果表明: 使用该方法获得的被检光学系统出射波前与真实波前的P-V值误差小于0.005λ, RMS值误差小于0.001λ, 可以满足实验室中对被检光学系统成像质量参数检测的精度要求。

结合近红外高光谱成像技术和不同的判别分析模型对4种国产咖啡豆品种进行了快速无损判别。通过高光谱成像仪提取874~1 734 nm波段内的光谱数据, 去除首尾噪声波段后, 分别基于925~1 680 nm波段的全谱波段和通过连续投影算法(SPA)选择的特征波长, 建立了偏最小二乘判别分析(PLS-DA)、随机森林(RF)、K最邻近算法(KNN)、支持向量机(SVM)模型和极限学习机(ELM)5种判别分析模型。 基于上述判别模型对咖啡豆品种进行鉴别; 然后通过准确率、命中率和否定率3个参数对鉴别结果进行了评价。实验显示, 基于全谱和特征波段建立的模型均取得了较好的判别效果, 其中ELM模型效果均为最优, 每个品种建模集和预测集的准确率、命中率和否定率均在93.5%以上。研究结果表明, 基于近红外高光谱成像技术结合模型判别分析方法可以实现对国产咖啡豆品种的识别, 特征波长的选择减少了变量数, 但判别效果与全谱相当。

由于现有的大口径短波红外测量系统的辐射定标需要制备大口径红外平行光管, 不仅机动性差且成本较高, 故提出了一种基于内、外定标修正的辐射定标新方法。该方法将一个中、高温腔型黑体置于红外系统内部, 通过切换反射镜, 将中、高温腔型黑体辐射引入红外光学系统, 并对部分光路进行中、高温段的内定标。然后, 使用大面源黑体对全系统进行中温段的外定标; 提取并处理公共温度范围的内、外定标数据以获取内、外定标之间的修正系数。最后, 对中、高温段的内定标数据进行修正从而获取全系统的辐射定标数据。使用该方法对某Φ400 mm口径的红外测量系统进行了辐射定标, 并根据定标结果反演了黑体的辐射亮度和温度。 结果显示: 辐射亮度反演的最大误差为1.67%, 温度反演的最大误差为1.02 ℃。实验结果证明了该方法可以准确、有效地对大口径短波红外测量系统进行辐射定标。

针对大尺度空间中构件特征隐藏区的空间坐标测量, 提出了一种基于无衍射光束的测量探针, 并将该探针与全站仪结合构成了空间坐标组合测量系统。介绍了探针姿态测量系统和组合测量系统的结构与原理。测量时, 首先将探针测头接触于被测点, 并用全站仪或激光跟踪仪瞄准探针的光学系统, 测得探针的空间位置坐标。接着, 使用探针将测距激光通过axicon透镜变换为无衍射光, 并由CCD摄像机获得图像。由无衍射光的中心一对一映射激光的入射方向, 通过无衍射光图像定中计算, 获得探针的水平角和俯仰角。最后, 通过电子倾角仪测得探针滚动角; 联合测得各姿态角和位置坐标, 通过坐标变换, 计算得出被测点的空间坐标。实验显示, 该探针的姿态角测量精度为1 mrad, 组合测量空间位置偏差为±1 mm, 表明基于无衍射光束的探针与全站仪所构成的组合测量系统可满足大尺度空间中特征隐藏区空间坐标测量的要求。

为实现油页岩含油率的快速单点测量, 研究了基于近红外波长组合的油页岩含油率快速检测方法。以高岭土与机油混合的模拟样品为研究对象, 利用便携式近红外光谱分析技术, 研究了近红外波长组合选择方法。该方法采用自制的便携式光谱仪获得全光谱反射率数据, 结合微分和多元散射校正数据处理及相关系数法进行波长初步筛选, 将组合生成算法与留一交互校验多元线性回归(MLR)建模相结合, 确定最佳波长组合, 并用MLR建模对单点测量获得的最佳波长组合光谱数据进行了实验验证。结果表明: 最佳波长组合为1 644, 1 720, 2 210, 2 260 nm, 30个建模样品的校正集和预测集的决定系数为0.995 4和0.997 7, 11个验证样品的验证集的决定系数为0.990 1。该方法为研制基于单点测量的油页岩含油率快速检测光谱仪提供了基础。

为了精确控制光电跟踪复合轴系统的快速反射镜, 研究了快速反射镜的反射过程。推导出了快速反射镜镜子转动角度和反射光线转动角度之间的关系, 描述了快速反射镜系统的控制方法和软件实现。以推导出的快速反射镜镜子转动角度和反射光线转动角度之间的关系为理论依据, 建立了快速反射镜伺服控制系统, 对快速反射镜系统进行了锁零实验和跟踪实验, 并与母轴系统进行了对比。实验结果显示: 快速反射镜在锁零时稳态精度小于1″, 且响应快速; 在跟踪时系统方位跟踪误差均方根为3.6″, 俯仰跟踪误差均方根为8.7″, 满足光电跟踪系统对跟踪速度和瞄准精度的要求。得到的结果表明, 基于快速反射镜反射过程理论建立的快速反射镜伺服系统提高了激光发射系统的跟踪精度和响应速度。

为精确评估航空多角度偏振辐射计的性能, 分析了航空多角度偏振辐射计的信号与噪声, 给出了估算其探测器信噪比的过程。介绍了航空多角度偏振辐射计的工作原理, 推导了探测器信噪比与系统信噪比的估算表达式。结果显示: 系统信噪比与强度信噪比成正比, 探测器信噪比需求与偏振探测精度成反比, 航空多角度偏振辐射计的探测器信噪比应不小于245, 得到的结果弥补了一直以来偏振遥感仪器只计算探测器信噪比的不足。最后, 根据推导的表达式, 通过矢量传输模拟估算了用航空多角度偏振辐射计探测典型场景时的探测器信噪比与系统信噪比, 并在暗室中利用积分球与偏振盒进行了测量。结果表明, 航空多角度偏振辐射计各个探测器的信噪比均满足偏振探测的需求。

考虑红外多波段双视场共光路系统多谱段色差严重且能量透过率低, 本文设计了结构简单的红外中波/长波双波段双视场折射系统, 实现了成像系统的功能多样性。该系统采用了320 pixel×240 pixel红外中波和长波双色焦平面阵列探测器, 通过引入非球面元件提高了系统校正像差的能力, 实现了镜片组的结构性调整。系统包括变焦和二次成像两个子系统, 其中变焦系统短焦距为50 mm, 长焦距为200 mm, 满足100%冷阑匹配。像质评价结果表明: 在17 lp/mm处, 调制传递函数(MTF)在中波处大于0.5, 在长波处两个视场下都接近衍射极限; 另外80%左右的能量都能被集中在一个像元上, 光谱透过率均匀, 且无严重的冷反射现象。优化后的光学系统具有适用范围广, 结构紧凑以及成像效果好等优点, 在机载光电侦察跟踪设备上有较好的应用前景。

根据应用于X射线脉冲星导航系统的大面阵X射线探测器对微通道板(MCP)性能的要求, 研究了甄选微通道板的方法。 确定了甄选微通道板的4个关键参量, 分别是增益的均匀性、阻抗匹配、暗计数率、增益系数。针对这4个参量设计了相应的测试实验, 制定了甄选MCP的流程, 并对采用该流程甄选出的MCP进行了幅值和计数率的测试。测试结果显示: 采用单通道阳极接收信号时, 每一个探测单元的幅值存在的相对误差各不相同, 第i个探测单元输出的信号幅值的最大相对误差Δ1i和最小相对误差Δ2i的波动分别为7%~13.5%, 3%~6.7%; 而采用四通道共享阳极时输出信号的Δ1i为7.8%、Δ2i为3.1%; 单通道阳极计数率之和(n=n1+n2+n3+n4)与四通道共享阳极计数率N的相对误差为4.38%, 小于预估值10%。上述实验结果表明该甄选方法能够甄选出满足探测器要求的MCP。

建立了光子计数器的模型, 对光子计数器的死区时间效应进行了理论分析和实际测量, 并提出了校正光子计数效应对微脉冲雷达信号影响的方法。利用马尔科夫链对微脉冲雷达的探测过程进行理论分析, 并利用MATLAB对死区时间对光子计数产生的影响进行了计算和分析, 描述了计数死区对探测结果产生的瞬态形态变化。在此基础上, 搭建了微脉冲激光雷达光子计数的测量平台, 实验验证了死区时间对于光子计数采集的影响。最后, 测量了不同光强下死区时间对探测结果的抑制情况, 给出了微脉冲激光雷达信号的校正方法。 基于提出的方法对真实微脉冲激光雷达信号进行了校正实验。实验结果表明: 在峰值功率为100 mW的405 nm激光照射下, 光子计数在采集频率100 MHz时的散射光计数效应减少了50%。文中的方法较好地解释了小尺寸目标的探测信号形态, 实现了对光子计数探测结果的校正。

静电悬浮加速度计轴间耦合误差角与悬浮质量块的平行度误差有关, 而常规方法很难测量其大小和方向, 故本文提出了一种变预载轴间耦合误差角在线测量方法。通过分析悬浮质量块平行度误差、耦合误差角、姿态角与静电力耦合的关系, 推导了变预载法进行在线耦合误差角精确测量的原理和公式。设计了静电悬浮加速度计原理样机, 并利用该样机对提出的测量方法进行了实验验证。实验测得X向对Y/Z向耦合误差角分别为-5.10×10-4 rad和2.36×10-5 rad, 与理论分析相符。该方法同样适用于Y向对X/Z及Z向对X/Y的耦合误差角的在线测量。上述结果表明该方法可以有效、精确地完成静电悬浮加速度计不同轴之间耦合误差角的在线测量。

针对传统子空间辨识法(SIM)用于动力调谐陀螺仪(DTG)建模过程中存在的结构参数复杂、干扰因素未知、建模精度不高等问题, 提出了一种改进的子空间辨识方法。首先, 确定辨识对象DTG的状态空间模型集, 分析DTG输出信号中存在的固有有色噪声。然后, 针对有色噪声的干扰问题, 对传统SIM进行改进, 通过数据Hankel矩阵的正交投影消除传统SIM的有偏性。 最后, 在数值仿真中引入置信椭圆, 对改进算法进行统计特性分析。仿真结果表明: 在不同强度有色噪声干扰下, 改进算法无偏, 方差特性与有色噪声强度和数据长度有关。辨识实验表明: 改进SIM的辨识效果明显优于传统SIM, 辨识拟合度优于90%。得到的结果显示改进算法能够应用于DTG系统建模。

为了提高直线电机驱动的双直接进给轴的运动精度, 对该类进给轴的热误差进行了建模并研究了误差补偿方法。分析了双直接进给轴进给过程中热误差产生的原因及其补偿的复杂性, 给出一种基于潜变量回归的双直接进给轴热误差在线补偿方法。该方法应用激光干涉仪测量进给轴的热变形量, 使用热电偶和红外测温仪测量进给轴关键点的温度变化; 通过时间匹配变形和温度数据得到统计样本并建立基于潜变量回归的热误差识别模型。以模型的在线计算确定误差补偿量, 给出了与数控系统兼容的补偿控制输出策略及补偿系统构建方案。在自构建的龙门双直线电机驱动进给轴平台上进行了在线补偿实验。结果表明: 应用潜变量回归方法对双直接进给轴进行热误差补偿可使双直接进给轴的热误差减小75%。

设计了一种由3组Bipod组成的柔性支撑结构, 用于提高在实际工作条件下小型反射镜的面形精度。首先, 利用伴随变换建立了Bipod及由其组成的支撑结构的柔度矩阵; 利用MATLAB优化Bipod的结构参数, 以满足径向刚度最小时轴向刚度最大的要求。然后, 对优化后的支撑结构施加力和热载荷进行了仿真验证。最后, 利用zygo干涉仪验证该支撑结构的热稳定性。结果表明, Bipod柔性支撑结构在保证反射镜良好热稳定性的同时, 可以有效降低外界动态载荷对反射镜的影响; 不仅具有良好的动态特性, 且能在力热耦合载荷下保持较好的面形。分析显示其1阶固有频率达到1 781.7 Hz, 与理论计算相比, 相对误差约为1%。

针对深部油气勘探的需要, 研制了基于微机电系统(MEMS)的宽带电化学地震检波器。仿真分析了影响该检波器频带的结构参数, 并对其MEMS实现及封装方法进行了研究。利用有限元软件分析绝缘层厚度和阴极孔径对检波器幅频特性的影响, 得到了优化的几何参数。基于仿真结果, 利用MENS工艺加工硅基的Pt电极和Su-8的绝缘层, 然后用物理紧固的方法进行器件封装。最后, 分别在水平振动台和基岩上进行了检波器的性能测试和微震监测实验。实验结果表明: 无需进行频率补偿, 由20 μm孔径阴极和200 μm厚绝缘层封装的器件的频带可扩展到3~90 Hz, 低频扩展到60 S的补偿额度小于30 dB, 检波器的动态范围不小于130 dB。实验显示: 这种改进的检波器可以作为宽带地震检波器用于深部或海底的油气勘探。

分析了聚合物超声压印工艺中基片非成形面产生熔融的原因, 并提出了相应的抑制方法。基于超声波产热机理指出非成形面熔融现象是由超声工具头-基片界面摩擦引起的, 据此提出"摩擦系数差法"来抑制非成形面的熔融现象并通过在聚合物基片非成形面增加表面保护膜(背膜)的手段实现了"摩擦系数差法"。为了对背膜进行优化选择, 对比研究了4种背膜条件对聚合物软化时间的影响。提出了超声工具头位移-时间曲线极小值点对应聚合物软化时间的观点, 并通过测量超声压印过程中基片-模具界面温度进行了实验验证。实验结果表明, 使用Sekisui #622E-50保护膜可缩短聚合物软化时间3.4 s, 使用Sekisui #622WB保护膜则可降低软化时间误差0.64 s。实验显示: 增加背膜不仅有效地避免了非成形面的熔融现象, 同时缩短了超声压印过程中的聚合物软化时间并提高了软化时间重复性。

由于光电稳定平台在稳定视轴时易受到摩擦、风阻、不平衡以及载体扰动等干扰力矩的影响, 本文研究了利用高阶扰动观测器抑制扰动力矩的机理和方法。该扰动观测器由控制对象的逆模型和进行了高阶设计的改进型滤波器组成。提出的方法将观测量作为电流环的输入, 利用电流环超高的控制带宽抑制扰动力矩。对系统的扰动抑制能力进行了仿真, 结果显示高阶扰动观测器对高阶扰动模型具有很好的抑制能力: 对于阶跃扰动和斜坡扰动, 三阶扰动观测器的抑制率为100%; 对于抛物波扰动, 三阶扰动观测器的抑制率为99.9999996%。另外, 观测器对于控制对象模型的摄动具有很好的鲁棒性。提出的方法可以在提高伺服系统响应速度的同时保证系统的鲁棒性, 满足光电稳定平台的应用要求。

考虑硅微陀螺的设计和结构优化, 研究了陀螺固有频率及模态对其性能的影响。针对本课题组研制的双质量振动式硅微陀螺, 利用能量法建立了固有频率的理论公式, 对硅微陀螺的低阶模态进行了理论分析, 并利用有限元仿真和实验对理论分析结果进行了验证。结果显示: 理论分析结果与仿真结果的最大误差为8.6%, 与实验结果的最大误差为10.6%。利用Allan方差分析法对陀螺进行了静态性能实验, 结果显示其角度随机游走为0.0578(°)/hr12, 零偏不稳定性为0.459(°)/hr。与传统的单纯依靠有限元仿真的模态定阶相比, 本文建立的理论模型可以省略繁琐的结构参数调整过程, 更高效地完成陀螺模态定阶, 而且可用于陀螺的结构优化过程。

针对光电稳定平台伺服系统模型参数辨识问题, 提出了线性和非线性模型参数分离辨识方法。在线性模型参数辨识过程中, 利用差动逆M序列信号作为输入, 相应的响应信号作为输出, 并应用最小二乘方法辨识线性离散模型参数, 从而降低非线性因素的影响。在非线性模型参数辨识过程中, 以LuGre摩擦模型为基础, 针对摩擦和不平衡质量相互耦合的问题, 提出了考虑不平衡质量的LuGre模型静态参数辨识方法; 然后, 利用电流信号作为摩擦力测量值, 对LuGre模型动态参数进行辨识, 得到包含不平衡质量和动态摩擦的系统非线性部分模型参数。构建了单轴光电稳定平台实验系统, 利用本文提出的方法对实验系统动力学模型参数进行了辨识。结果表明: 质量不平衡力矩的辨识值为0.183 N·m, 略高于理论值0.18 N·m, 满足辨识精度要求。实验证实提出的辨识方法可以实现对模型线性与非线性参数的有效辨识。

采用terminal滑模控制方法研究了以单框架控制力矩陀螺(SGCMG)为执行机构的小卫星的姿态机动控制。首先, 基于修正罗德里格斯(MRP)参数建立了小卫星数学模型, 以terminal滑模控制方法进行控制力矩规划。然后, 采用SGCMGs作为小卫星执行机构, 以非对角奇异鲁棒操纵律跟踪terminal 滑模控制产生的期望力矩; 通过仿真分析归纳出terminal滑模控制设计参数的变化规律和选取原则。最后, 利用小卫星三轴气浮转台实验验证termianl滑模控制方法的实用性。实验显示: 根据参数选取原则设定的参数进行小卫星机动稳定实验得到的姿态角和姿态角速度控制精度和稳态误差分别小于0.1°和0.01(°)/s, 满足三轴气浮转台最佳控制精度。结果表明terminal滑模控制方法在小卫星机动稳定任务中具有很高的控制精度和稳定度, 能够为小卫星成像任务稳定执行提供良好的基础。

为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制, 提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理, 对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明, 俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的; 其它条件确定时, 存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率; 增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率, 但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9 mm3双晶压电振子及Ф16×100 mm3气缸制作了样机, 测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明, 俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55 Hz左右; 背压0.4 MPa、质量10 kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25 V输出电压有效带宽为9 Hz/88 V/72 Hz, 分别为质量2.5 kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。

提出了热变形精确分析理论与一种仿真方法以保证热误差影响下机械零件的最佳配合。从微观分子力学理论出发, 在充分考虑材料属性、温度以及形体边界约束对热变形影响的基础上, 提出了热力转换热变形分析理论, 将零件热变形问题等效为力变形问题。针对一组铝制空心圆柱体零件进行了热变形测量实验, 给出了基于ANSYS Workbench仿真环境的热力转换热变形仿真方法, 并对比分析了实验结果与仿真结果。结果显示: 铝制空心圆柱体零件受高温变形时, 不同内外径尺寸的空心圆柱体其热膨胀系数是不相同的; 外圆径向热膨胀系数大约是内圆径向热膨胀系数的2倍; 基于热力转换理论的仿真结果与实验结果吻合较好, 吻合度达到98%以上, 验证了热力转换热变形分析理论的合理性和有效性。提出的方法弥补了ANSYS Workbench传统热分析完全忽略形体边界约束影响零件热变形的缺陷, 为后期热鲁棒性结构设计提供了重要参考。

研究了低雷诺数下薄圆弧旋翼的翼型, 考虑其对高气动性能、高结构强度和便于制造和轻量化的要求, 提出一种具有上凸结构的薄圆弧翼型。通过在翼型上表面增加凸起结构, 增加部分弦长的翼型厚度并安装加强筋来提高翼型延展向的结构强度; 设计出了最大厚度为4.3%、圆弧均匀厚度为2.5%、最大弯度为5.5%和均匀弯度为4.5%的薄圆弧翼型。采用基于二维定常、不可压缩Navier-Stoke方程的数值仿真方法计算了该翼型在雷诺数为40, 000~100, 000, 迎角为-4°~12°下的气动性能, 并获得了该翼型上下表面的压力系数分布线和速度矢量图。采用该翼型制作了直径为40 cm, 质量为15 g, 桨距为15.7 cm的碳纤维旋翼; 在悬停状态下完成了它的升力和结构强度试验。实验结果显示其性能满足使用要求。目前, 研制的旋翼已成功地应用于某型多旋翼飞行器。

为了提高高功率激光装置中靶定位调试的效率和精度, 提出了一种仿真初调和实验误差分析相结合的靶定位调试方法。该方法采用3-CCD传感器进行定位监测, 利用OpenGL成像技术实现CCD仿真图像的采集, 并对目标靶、送靶机构等进行虚拟构建。 基于仿真实验分析了实际系统中靶定位的误差来源, 包括图像检测误差、3-CCD传感器的装校误差及送靶机构的定位误差等。靶定位算法的调试和初步验证在仿真系统中独立进行, 实现了理想条件下的零误差定位调整; 调试后的算法在实际系统中的靶定位精度小于±5 μm, 角度误差为±0.015°。由于仿真初调可脱离实验平台进行, 故有效地提高了工程效率。提出的调试方法在实际系统中的定位精度满足高功率激光打靶的要求。

以获得空间未知目标的轨迹运动信息为目的, 研究了一种基于星载光电成像跟踪测距方式的空间目标定轨技术。该技术从测量学角度出发, 利用星载光学测量系统获得目标的相对运动信息, 利用角度传感测量系统获得卫星的姿态角变化和跟踪架的角随动信息, 最后通过坐标变换解算出目标在地球惯性坐标系中的绝对运动信息。文中依次从物理模型、坐标体系、基本原理等方面对该项技术进行了描述和推导, 获得了目标在地球坐标系下的状态方程和观测方程。最后, 在对天基监视卫星轨道模型、星载光电跟踪控制模型、目标特性及光学成像测距模型进行分析后, 建立了具体的数学模型, 并对计算结果进行了分析讨论。得到的结果显示理想模型的目标轨迹测量精度优于0.5 km。

为了实现机器人在弱纹理场景中的避障和自主导航, 构建了由双目相机和激光投点器构成的主动式双目视觉系统。对立体视觉密集匹配问题进行了研究: 采用激光投点器投射出唯一性和抗噪性较好的光斑图案, 以增加场景的纹理信息; 然后, 基于积分灰度方差(IGSV)和积分梯度方差(IGV)提出了自适应窗口立体匹配算法。该算法首先计算左相机的积分图像, 根据积分方差的大小确定匹配窗口内的图像纹理质量, 然后对超过预设方差的阈值与右相机进行相关计算, 最后通过遍历整幅图像得到密集的视差图。实验结果表明: 该视觉系统能够准确地恢复出机器人周围致密的3D场景, 3D重建精度达到0.16 mm, 满足机器人避障和自主导航所需的精度。与传统的算法相比, 该匹配方法的图像方差计算量不会随着窗口尺寸的增大而增加, 从而将密集匹配的运算时间缩短了至少93%。

基于张量理论在高维图像处理中的应用, 提出一种张量模式的稀疏表示方法, 以便有效地去除肺部CT序列图像的噪声, 增强图像的有用信息。首先, 设计了张量模式的正交匹配追踪法(TOMP)来表达稀疏系数; 构建了高维K-奇异值分解法(HOK-SVD)用于字典更新。然后, 对张量乘法的参数进行优化, 即通过构造三维灰度共生矩阵, 建立三维纹理特征与张量乘法模式之间的数学模型。最后, 将这种方法应用于LIDC数据库的150组CT序列图像的预处理, 对各算法的稀疏表示效果进行评价。与当前应用的其他方法相比, 本文提出的高维K-SVD算法的的峰值信噪比提高了1.5%, 平均误差降低了1.2%; 在此预处理基础上进行的图像分割结果表明: 图像的边缘偏移误差下降了3.0%, 体积重叠率提高了1.2%。上述结果显示基于张量的方法可以更精确地完成对三维CT图像序列的稀疏表示。

针对传统的单序列扩展式场景重构方法易丢失场景信息, 数据利用率低下等问题, 提出一种面向场景重构的多序列间配准的方法。该方法采用相似变换作为配准模型, 完成对不同参考坐标系下尺度、旋转、平移相分离的初始配准; 然后通过拟合观测平面来抑制噪声点并筛选公共可见点; 最终对不同尺度、方位的序列进行配准, 配准结果可直接用于后续的重构中。实验表明: 通过相应噪声抑制, 使得各序列的系统初始重投影误差降低了17.69%到46.86%, 终止重投影误差降低了27.5%到71.96%。配准后从相同的47幅图像中可重构10 596个场景点, 相比传统单序列方法的3 893个场景点, 该方法更充分有效地利用了观测图像, 使最终拟合的场景曲面包含了更多的场景细节。

为了实现火星探测中巡视器以及着陆器上人工标志的识别定位, 结合好奇号火星车的人工标志特征和火星环境的特点, 提出一种人工标志两步识别定位方法。第一步是在图像中识别人工标志并进行初步定位。该步骤通过图像边缘检测, 提取并跟踪各轮廓边界。针对人工标志存在的沙尘附着、光照不均、以及阴影遮挡等问题, 提出一种基于火星环境的自适应边缘检测方法。采用最小二乘椭圆拟合方法对每一个轮廓边界进行椭圆拟合, 将拟合所得的椭圆参数作为标志的初步定位结果。第二步是对各人工标志进行精确定位。根据初步定位的椭圆参数进行图像分割。考虑标志中心为两条直线的交点, 故采用Hough变换对各分割出的图像块进行直线检测, 并对交点进行重定位, 从而得到人工标志的精确位置。对好奇号火星车的标志图像进行了试验, 结果表明: 提出的方法能够检测存在较大变形的人工标志, 对标志中心的定位精度稳定在1个像素以内。该对沙尘附着、光照以及阴影遮挡具有一定的鲁棒性, 基本满足火星探测中人工标志定位的精度和鲁棒性要求。

分析了星图在不同表示方法下的稀疏性能, 以便将更好的稀疏表示应用于星敏感器压缩成像过程中。采用两种方式对星图的稀疏性进行了分析: 第一种方法利用离散余弦变换(DCT)、离散傅里叶变换(DFT)和离散小波变换(DWT)构造完备正交基, 考察星图在不同完备基下的稀疏性; 第二种方法则是通过选择DCT完备基构造超完备字典及训练学习字典来分析星图在不同表示方法下的稀疏性。仿真结果表明, 在完备基表示下, 星图相比一般场景图像的平均峰值信噪比(PSNR)值高出15~20 dB, 超完备字典和学习字典稀疏表示能够在各稀疏度下进一步提升峰值信噪比(PSNR值)2~20 dB; 对于星点的重构质量, 各表示方法在10%以上稀疏度时基本能够保证星点重构成功率高于95%。得到的结果证明星图的稀疏性满足压缩成像的要求, 其稀疏重构能够在很大程度上保持适用于姿态确定的星点质心位置, 从而验证了压缩感知在星敏感器应用中的稀疏前提及可行性。

基于可视化模型提出了一种听力障碍儿童的舌部训练方法。通过对听障儿童舌部发音位置的训练, 辅助其获取正确的发音位置和发音方式。该方法采用三维建模技术和传感器技术相结合的舌部康复训练方法, 建立舌部三维模型; 用腭位传感器获取发音过程中舌部位置信息; 选取23个声母作为样本, 建立健听儿童声母发音舌位置信息样本数据库; 最后, 驱动舌部模型, 引导听障儿童进行舌部发音位置训练。该方法能够显示健听儿童发音时舌部的运动过程, 克服了目前听障儿童语言训练中舌部训练过程中不可视的问题。实验结果表明: 该方法提高了听障儿童发音训练的效果, 缩短了康复训练时间, 尤其对于舌、下腭之间配合较为复杂, 发音位置较为隐蔽的发音, 提高发音训练的准确度超过15%。

为了提高光电望远镜系统测量空间目标的实时性和定位精度, 建立了空间目标快速识别与精密定位系统, 讨论了空间目标运动特性、快速识别、星像质心计算和天文定位等算法。首先, 介绍了空间目标光电观测系统的系统构成和工作原理; 深入分析了空间目标在CCD视场中的运动特性, 提出了一种空间目标快速识别算法。然后, 结合帧间差分法和数学形态学等, 完成了空间目标的快速识别。最后, 研究了天文定位算法, 采用Tycho-2星表, 实现了空间目标的精密定位。实验结果表明: 空间目标快速识别处理时间约为10 ms, 实时天文定位处理时间约为25 ms, 实时天文定位精度优于4″。得到的结果满足空间目标监视技术的实时性好、精度高、稳定可靠等要求。

针对运动过程中视觉图像易产生运动模糊的问题, 提出了一种基于稀疏表示和Weber定律相结合的图像盲复原方法。该方法利用冲击滤波器预测模糊图像的显著边缘梯度, 并用多尺度策略由粗到细进行模糊核的估计。然后, 对图像盲复原模型进行稀疏正则化约束, 并结合反映人类视觉特性的Weber定律对合成模糊图像和真实模糊图像进行盲复原。实验结果表明, 本文采用的盲复原算法的性能指标和图像的纹理都达到了较优的复原效果。与近年较好的Rob Fergus去模糊方法和Xu Li去模糊方法相比, 对Lena模糊图去模糊后的结构相似度(SSIM)为0.762 4, 峰值信噪比(PSNR)提高了1.82~2.99 dB; 对Cameraman模糊图去模糊后的结构相似度(SSIM)为0.8589, PSNR提高了2.46~5.58 dB。 另外, 本文方法降低了复原图像的边界伪影, 符合人的视觉感知特性。