针对工作空间定位系统(wMPS)现有标定技术效率低,标定程序复杂且须依赖外部测量设备等问题,本文在在研究wMPS测量原理的基础上提出了一种采用互扫描技术的自动标定方法.该方法结合该系统的扫描激光平面测量原理及使用特点,通过在基站上安装已知坐标的接收传感器,采用互扫描技术完成自动标定.文中以两台基站为基础,详细阐述了该方法的数学原理,并给出了基于几何约束的平差模型及其迭代解法.依托天津大学研发的wMPS实验平台对本方法进行了验证,并与基准尺标定法进行了比对.实验结果显示,采用本方法可以实现系统的自动标定,在距离基站5 m内的测量空间内可获得0.6 mm的坐标测量精度.该方法在保证系统测量精度的同时大大提高了系统的测量效率.

提出了坐标可缩放的激光传输角谱算法,用于评估激光光学系统性能并分析其系统公差.考虑Collins公式可用于计算激光光束在光学系统中的衍射传输过程,对该积分公式进行了坐标代换,将衍射积分公式转换为角谱传输过程,并引入坐标缩放因子,实现了目标面尺寸的自由选择,提高了激光传输计算的准确性.设计了一套激光传输系统,定义占有86.5%桶中功率的光斑尺寸为光斑半径,用提出的算法对激光光束传输公差进行了分析.分析表明:作用距离为90 m 时,焦面激光光斑的半径为0.8~1.4 mm,期望值为0.92 mm,实验测量值为1.01 mm;作用距离为49 m时,焦面激光光斑的半径为0.42~0.73 mm,期望值为0.48 mm,实验测量值为0.46 mm,实验结果与公差分析相符.另外,通过公差分析验证了激光光束在光学系统中的焦移现象.由角谱法对激光传输系统的理论分析与实验结果相符,证明了该方法用于激光聚焦光学系统设计的可行性.

考虑激光引信的探测性能易受大气气溶胶的散射作用和吸收作用的影响,本文基于Mie散射理论,采用Monte Carlo方法模拟了脉冲激光在水雾中的后向散射偏振特性.对1~10 μm的19种粒径的水雾进行仿真,获得了典型波长和水雾粒径下激光后向散射的平均偏振对比度.建立了收发同轴脉冲激光在水雾下的后向散射偏振特性实验系统,通过改变超声波加湿器的浓度,得到了5种典型粒径的模拟水雾粒子,并对其进行了实验.研究结果表明:当水雾粒径在1~10 μm时,激光后向散射的平均偏振对比度为0.30~0.65,实验结果与仿真结果具有较好的一致性.得到的结果证明了激光后向散射理论模型和Monte Carlo仿真的正确性,为激光引信的抗水雾干扰研究提供了理论支撑.

采用具有高应变率加载特征的激光驱动飞片间接冲击微成形技术对钛箔进行了微成形实验,以解决难成形材料的微塑性成形问题.从飞片完整性、工件贴模性以及厚度减薄率等方面探究了该工艺的成形性能.实验中采用微细电火花和曲面研磨技术制造微模具,材料为AISI 1090模具钢,飞片为20 μm的钛箔,成形工件为35 μm的钛箔.通过KEYENCE VHX-1000C超景深显微系统对飞片和工件进行了观测和分析,结果显示:飞片具有较好的完整性,能够提供均匀的冲击压力;成形后的工件具有良好的表面质量和贴模性.借助冷镶嵌工艺测量了工件的厚度分布,分析了工件厚度减薄率,其最大值为19.8%,最小值为2%,显示工件的厚度分布比较均匀.研究表明:激光间接冲击微成形技术对于难成形材料具有良好的成形效果并且能有效抑制厚度减薄.

传统的光学测量定中心法受限于光源、转台大小和装调误差传递性而不适用于大口径、多透镜光学系统的装调,为此本文提出了使用三坐标测量仪接触式测定透镜中心的精密机械测量法.介绍了使用三坐标测量仪测量大口径透镜中心偏的原理,即在测量透镜上表面与基准轴等距离各点坐标的基础上拟合得到透镜光轴与基准轴的夹角,从而解算出透镜的中心偏.通过大口径长焦距镜头的装调对该方法进行了检验.检验结果表明:该透镜的装调偏差为6.47″,重复性误差为(1.16×10-4)″.该方法将光学测量变为机械测量,利于装调,可在保证装调精度的同时简化装调难度,提升装调效率,满足大口径多透镜光学系统对高精度装调的要求.

为了精确、实时地测量物体表面的动态形变,提出了基于狭缝光阑的空间载波剪切散斑干涉系统.该系统通过倾斜迈克尔逊干涉仪的一个平面镜来产生剪切量和载波频率,实现空间频谱的移动;采用一个可调节的狭缝光阑控制散斑大小和空间频谱宽度.基于傅里叶变换与反变换在空间频率域上提取所需的频谱并计算相位图,最后通过一幅干涉条纹图得到相位分布信息.采用该系统对一个中心加载、四周固支的薄铝板进行了动态测量,分析了光学系统参数对测量结果的影响.结果表明,采用像素尺寸为4.65 μm×4.65 μm的高分辨率相机,焦距为8 mm的成像镜头,设置剪切量为25 mm,狭缝光阑X方向的尺寸为1 mm时,可得到高质量的剪切散斑相位图.该方法可以在25 frame/s 的采集速度下,以43.6°的视场角实现动态形变的测量,可测形变峰值为0.5~30 μm.

研制了一种双角度偏振大气校正仪航空样机用于卫星遥感图像数据的定量化.该仪器通过时间同步和空间覆盖的探测方式获取被校正图像对应的角度、光谱、偏振三个维度的大气信息,实现气溶胶和水汽的高精度参数的反演;将反演获取的大气参数作为输入条件,利用辐射传输模型进行遥感图像的高精度大气校正.仪器采用天底(0°)和前向(55°)两个方向观测,具有8个探测波段,覆盖可见到短波红外(0.49～2.25 μm)波段,其中5个波段具备偏振探测能力;采用高精度一体化结构设计保证各偏振探测通道的视场重合精度,降低偏振探测目标不一致引起的偏振测量误差.实验室定标和测试结果表明,偏振波段的视场重合度优于95%,偏振测量精度优于1%(偏振度DoLP=03),满足仪器设计指标要求.

介绍了中子成像探测技术的应用.由于直接在微通道板(MCP )玻璃中掺加中子灵敏核素可使MCP对热中子敏感,从而可将MCP事件计数成像探测器的优势成功地应用于以中子为探针的成像探测技术,本文开展了热中子敏感微通道板的研究.通过在MCP玻璃中掺摩尔百分比为3%的Gd2O3,并沿用MCP的制作方法,完成了直径为50 mm和106 mm 的大面阵热中子敏感MCP的制作,并进行了基于这种大面阵热中子敏感MCP的中子事件计数成像探测器的中子成像实验.理论和实验结果都验证了掺摩尔百分比为3%的Gd2O3 MCP可取得对热、冷中子30%～50%的探测效率.最后,进一步介绍了目前开展的封装式中子敏感MCP增强管的研制工作.基于掺Gd2O3的MCP增强管并经光学耦合到CCD或CMOS相机的紧凑混合传感器结构是实现高时空分辨能力的中子照相无损检测技术的有效途径.

为快速、准确地解算氧气吸收被动测距技术中氧气吸收率所对应的路径长度,对该项技术中氧气吸收率与路径长度的数学模型进行了研究.首先证明了不同温度压强下氧气吸收系数分布的强相关性,给出了吸收系数分布随温度和压强的变化规律;其次利用相关K分布法和曲面地球模型建立了实际非均匀路径上氧气吸收率与路径长度的数学模型;最后对提出的模型进行了理论分析与实验验证.结果显示:本文数学模型不仅能够很好地适应不同大气模式的变化,而且能够快速、准确地计算出指定路径上的氧气吸收率曲线和目标距离;平均数学模型下的相对测距误差为44%,消除背景减小测量误差后数学模型解算距离的相对误差仅为1%.结论表明:利用相关K分布法建立的数学模型能够很好地解决氧气吸收被动测距技术中的距离反演问题,可为被动测距技术的进一步优化和应用提供理论支撑.

搭建了非接触式的三坐标测量系统以便精密测量三维型面.将激光位移传感器通过具有两个回转轴的回转体安装在测量机的Z轴上,从而可根据待测表面的形状来调整传感器的方位.为了使传感器在各个方位上实现测量功能,提出了基于球形目标的光束方向标定方法,并详细阐述了其数学原理.标定时,驱动测量机使传感器分别沿测量机的X,Y和Z轴做等间距步进,根据步长和激光束长度的变化建立方程组求解出激光束所在直线的单位方向向量.最后,多次测量尺寸参数已知的六面体标准块规,检验了该测量系统的重复性.结果显示,该系统的测量不确定度为0.048 mm;测量另一直径已知的被测球时,传感器在各个方位上的误差小于0.05 mm,表明所提出的标定方法使测量系统达到了逆向工程的使用要求.得到的数据表明,本文所提出的方法有较高的标定精度和较好的重复性,为实现三维型面的快速扫描测量奠定了基础.

为寻求准确评估薄膜型金属网栅电磁屏蔽效能的方法,探索了薄膜型金属网栅在某频段可达到的电磁屏蔽效能.首先,分析了金属网栅膜光电特性常用的计算公式,指出电特性公式中材料无限导电的假定条件与客观事实不符,故其无法准确预估薄膜型金属网栅的电磁屏蔽效能.然后,根据屏蔽效能受感应电压和电阻比控制的理论,借鉴连续导电膜用方块电阻计算屏蔽效能的方法,提出了预估薄膜型金属网栅屏蔽效能的方法并给出了具体步骤.最后,采用激光直写工艺流程制备了薄膜型金属网栅,验证了理论计算结果与实验检测结果的一致性.检测结果显示:薄膜型金属网栅试片在30～1 500 MHz的屏蔽效能最高为30 dB;用检测方块电阻并代入连续膜经验公式计算得到的屏蔽效能为31.2 dB,用金属网栅膜常用公式计算得到的屏蔽效能为75 dB.数据显示用金属网栅膜常用电特性公式无法准确评估薄膜型金属网栅的电磁屏蔽效能,而本文所提方法便捷、准确、可行.

利用光子晶体环形腔缺陷模与线缺陷波导之间的共振耦合原理,设计了一种由主波导、环形腔和60°弯波导组成的四通道二维三角晶格光子晶体解波分复用系统.通过平面波展开法计算线缺陷波导的能带结构;利用时域有限差分法(FTDT)计算了不同频率的光波在该系统中的传输特性.最后,分析了影响输出效率和品质因子的因素并对该系统进行了改进.分析表明:改变环形腔内介质柱的半径可调节谐振频率,而在主波导末端增加反射介质柱以及改变耦合区域中介质柱的形状可提高各通道的谐振频率光波的透射率.计算结果显示:该系统较好地实现了4个波长的解波分复用,透射率均达90%以上.另外,该系统结构简单,便于加工制造,且体积小,有利于大规模集成.

根据光学领域对高深宽比金属微器件的需求,利用UV-LIGA工艺在金属基底上制作了具有高深宽比的金属微光栅.采用分层曝光、一次显影的方法制作了微电铸用SU-8胶厚胶胶模,解决了高深宽比厚胶胶模制作困难的问题.由于电铸时间长易导致铸层缺陷,故采取分次电铸等措施得到了电铸光栅结构;同时通过线宽补偿的方法解决了溶胀引起的线宽变小问题.在去胶工序中,采用“超声-浸泡-超声”循环往复的方法.最终,制作了周期为130 μm、凸台长宽高为900 μm× 65 μm×243 μm的金属微光栅,其深宽比达到5,尺寸相对误差小于1%,表面粗糙度小于6.17 nm.本文提出的工艺方法克服了现有方法制作金属微光栅时高度有限、基底易碎等局限性,为在金属基底上制作高深宽比金属微光栅提供了一种可行的工艺参考方案.

为了在微流控芯片上形成封闭的微通道等功能单元,克服热压键合中微流控结构的塌陷和热压所致芯片微翘曲对后续键合的影响,提出了一种适用于硬质聚合物微流控芯片的黏接筋与溶剂协同辅助的键合方法.以聚碳酸酯(PC)微流控芯片为研究对象,通过热压法在PC微流控芯片上的微通道两侧制作凸起的黏接筋,通过化学溶剂丙酮微溶PC圆片的表面,然后将PC圆片与带有黏接筋的PC微流控芯片贴合、加压、加热,从而实现微流控芯片的键合.分析了键合机理,并对键合工艺参数进行了优化.实验结果表明:键合质量受丙酮溶剂溶解PC圆片的时间和键合温度的影响,能够保证键合质量的最佳键合温度为80~90°,溶解时间为35~45 s,芯片的键合总耗时为3 min.与已有键合工艺相比,所提出的黏接筋与溶剂辅助键合工艺有效提高了键合效率.该键合方法不仅适用于具有不同宽度尺寸微通道的微流控芯片,还可扩展用于不同材料的硬质聚合物微流控芯片.

针对主被动磁悬浮转子高速旋转时质量不平衡和被动磁轴承磁中心的偏移导致的同频振动力问题,提出了一种基于位移陷波加前馈补偿的自动平衡控制方法.首先,在转子为零位移控制状态下提取控制电流的同频成分,计算获得与被动磁轴承磁中心偏移相关的参变量;然后,在额定转速下设计通用陷波器以消除同频电流,前馈补偿主动磁轴承、被动磁轴承位移负刚度力和被动磁轴承磁中心偏移力,使主被动磁轴承的同频输出力为零,实现了转子绕惯性中心旋转.对提出的方法进行了仿真和实验验证并与仅补偿质量不平衡的算法进行了对比.仿真结果显示:提出的方法的同频磁轴承力减小到了只进行质量不平衡补偿算法的6%;实验结果显示:同频振动加速度减小到只进行质量不平衡补偿算法的233%.仿真和实验验证了该方法的有效性,表明该方法对同频振动抑制效果显著,实现了转子的自动平衡控制.

开发了一种多孔分子印迹膜修饰的表面等离子体共振(SPR)传感器,用于快速检测水中微囊藻毒素LR.研究了利用该传感器检测微囊藻毒素LR的方法.首先,通过原位聚合法在SPR传感芯片的裸金表面合成了微囊藻毒素LR的多孔分子印迹膜,制备出可以特异性捕获微囊藻毒素LR的SPR传感芯片.然后,利用Kretschmann棱镜耦合结构,构建了基于Kretschmann结构的波长调制型表面等离子体共振传感器.最后,通过检测不同浓度的微囊藻毒素LR溶液以及干扰物质微囊藻毒素RR溶液,研究了该传感器的测量范围、特异性等参数.结果表明,该传感器对于微囊藻毒素LR的检测灵敏度很高,可实现微囊藻毒素LR的定量检测,动态测量达2.1×10-9~1×10-6 mol/L.另外,传感器对于干扰物质微囊藻毒素RR无明显信号响应,表明传感器对于微囊藻毒素LR具有很好的特异性检测能力.

为了获取空间相机在轨摄像期间的振动幅频特性,提出了一种基于TDICCD拼接技术的空间相机振动参数检测方法.根据TDICCD拼接原理,利用拼接结构中的重叠成像区域在不同时刻对同一景象成像,通过灰度投影算法对所成图像进行比对求取相对偏移量,拟合偏移量数据,进而根据拟合结果计算出空间相机振动参数.实验结果表明:对于一维单一频率的振动,频率相对误差小于0.5%,振幅绝对误差小于1个像元;对于一维混合频率的振动,频率相对误差小于3%,振幅绝对误差小于2个像元;对于沿推扫方向和垂直推扫方向均为单频振动的二维振动,频率相对误差小于1%,振幅绝对误差小于2个像元.实验结果验证了检测方法的正确性,达到了不增加额外设施,仅利用相机自身结构就能精确测量相机振动参数的目的,并为后续图像复原提供了数据基础.

基于前期研制的被动箝位直线压电驱动器,研究了带有三角放大结构的箝位体的刚度平衡对其有效输出位移和驱动器性能的影响.实验和有限元仿真分析显示:刚度不平衡时,箝位体结构产生的偏转位移会导致三角放大结构水平输出位移降低,箝位体对导轨放松程度较小,驱动器性能较低.文中提出用增加刚度平衡板的方法使箝位压电叠堆两侧等效拉伸刚度相等,并利用有限元仿真确定了刚度平衡板尺寸.实施上述方法后的实验结果表明:增加刚度平衡板后,箝位体水平运动位移增加,从而提高了箝位体动态响应频率和箝位体对导轨的释放程度,显著提高了驱动器性能.刚度平衡后,驱动器动态响应频率为450 Hz,最大驱动力为7 N,最大空载运行速度为1.49 mm/s.

由于大型衍射光栅刻划机刻划系统的双拉杆结构不能使其满足精度指标要求,本文设计了一套单拉杆结构.讨论了石英导轨分度方向弯曲误差产生的原因及其减小该误差的方法,分析和比较了两种拉杆结构的鞍型滑块的受力情况.基于材料力学弯曲变形理论,建立了石英导轨分度方向弯曲误差模型.在该模型的基础上仿真了双、单拉杆结构下刻划系统的石英导轨在分度方向上的弯曲变形误差.最后,使用双频激光干涉仪对石英导轨上的两个特征测量点进行了测量.测量结果显示:改进后的拉杆结构使得石英导轨在两特征测量点处的位移误差由50.36 nm降低到小于10 nm,满足大型衍射光栅刻划机刻划系统在分度方向上5~10 nm的精度指标要求.

针对超磁致伸缩致动器(GMA)在精密致动控制中存在的迟滞和位移非线性,提出了小脑神经网络(CMAC)前馈逆补偿结合模糊PID控制的新策略.通过小脑神经网络(CMAC)学习获得超磁致伸缩致动器动态逆模型用于对超磁致伸缩致动器迟滞非线性进行补偿;利用模糊PID控制降低小脑神经网络(CMAC)学习时的误差和抑制扰动,提高系统的跟踪控制性能,从而实现超磁致伸缩致动器的精密致动控制.仿真和实验结果表明:所采用的控制策略有效地消除了迟滞非线性的影响,系统的跟踪误差降低到了5%以下,而位移跟踪误差均方差仅为0.58.此外,这种策略的特点是学习和控制同时进行,控制系统能够适应被控对象动态特性的变化,使系统具有较强的鲁棒性,同时也能够有效地抑制外界的干扰,提升系统的自适应控制性能.

为了消除高能光束照射下镧改性锆钛酸铅(PLZT)陶瓷的光致形变与光生电压之间的迟滞现象,建立了一种多能场耦合下的新型光致伸缩本构方程,实验研究了影响该迟滞现象的各种因素.首先,对光照作用下光-电-热-力多能场耦合作用进行理论分析,建立了光致伸缩效应的本构关系;然后,对反常光生伏特效应、光焦热效应、热释电效应、热膨胀效应以及压电效应进行理论推导,得到了新型的光致伸缩本构方程;最后,通过温度屏蔽实验和光致伸缩静态实验验证了提出的本构方程.实验表明:PLZT陶瓷表面的温升是造成迟滞现象的主要原因;实验曲线变化趋势与理论结果一致,显示理论模型合理;消除温度影响后,实验所用PLZT样品的光致形变达到饱和所用的时间约为10 s.结果表明,降低PLZT陶瓷表面的温升能有效消除迟滞现象,提高光致形变响应速度;建立的光致伸缩本构方程为PLZT陶瓷驱动控制研究提供了理论基础.

针对传统电化学地震传感器的加工工艺成本高、一致性差等问题,设计了一种新的平面电极型微机电系统(MEMS)电化学地震传感器结构.建立了平面电极型MEMS电化学地震传感器的计算模型,通过Comsol多场耦合数值模拟分析方法,对影响传感器的结构参数如:电极宽度、电极间距、流道高度等进行了计算和优化.采用MEMS表面工艺和准LIGA工艺,制备了平面电极型MEMS电化学地震传感器.最后,与采用传统方法精密加工的MET2003器件进行了频率响应和微震动的对比测试.实验结果表明:与MET2003器件相比,平面电极型MEMS电化学地震传感器的带宽从1 Hz扩展到了30 Hz,两种器件的采集结果具有很好的相关性和一致性,相关系数为0.887,在1 Hz处的噪声低于120 dB.

由于地基大口径望远镜主镜视宁度与望远镜系统成像质量相关,本文研究了环境对主镜视宁度的影响.理论分析了影响主镜视宁度大小的因素,得出主镜视宁度会随主镜表面和环境之间温差的增大而增大的结论.利用有限元法分析了自然对流和吹风条件下主镜的温度变化和温度分布;最后通过相应工况条件下2 m SiC轻量化主镜的温度测试实验对仿真分析结果进行了验证.实验结果显示:在初始温差为6℃的无风自然对流情况下,主镜与环境达到温度平衡约需4 h;而在初始温差为8℃的吹风情况下,主镜与环境达到热平衡仅需1.5 h.分析和实验结果表明:采用强迫对流热控措施可快速而有效地将主镜视宁度控制在合理的范围内,可获得更多的望远镜观测时间,同时保证大口径望远镜系统的成像质量.

针对传统光学位移测量方法对环境要求高和制造精度难以提高等问题,提出了一种以交变光场为测量媒介的新型线性位移检测方法. 基于提出的方法,设计了一种光强正交调制型位移传感器.该方法采用基于光强正交变化的两路电驻波合成电行波信号,通过对行波信号时间先后的测量实现空间位移的测量.为了深入理解传感器的传感机理,推导了传感器的测量模型,分析了与传感机理相关的关键因素对测量误差的影响.根据测量原理和测量模型的理论分析,研制出传感器原理样机,通过实验测试了各种关键因素对测量误差的影响,并进一步优化设计了传感器结构与参数.实验显示,优化后的传感器在108 mm测量范围内的测量精度达到±0.5 μm,是一种新的无需精细刻划的位移检测方案.

由于采用圆感应同步器的光电转台系统的精度取决于圆感应同步器的角位置测量精度,故对圆感应同步器的系统误差进行了研究.分析了圆感应同步器系统误差的产生机理;使用相关的实验装置对圆感应同步器的系统误差进行了动态的定量测量;最后,结合数据处理和误差机理,确立了圆感应同步器的动态误差模型,并结合误差模型对圆感应同步器的输出信号进行补偿.对补偿方法进行了实验验证,结果显示:实验中使用的720极12位圆感应同步器的动态角度测量精度由补偿前的11.25″提高到了1.17″,角速度估计精度由修正前的0.72(°)/s提高到了0.09(°)/s.这些结果表明提出的动态误差补偿方法能够显著提高圆感应同步器的动态测量精度,满足光电转台指向控制系统的精度要求.

为提高叠层压电陶瓷作动行程,并使之具有往复对称作动的特性,提出一种基于三角放大原理的菱形压电微位移放大机构.该机构以叠层压电陶瓷作为驱动元件,利用三角位移放大原理,在放大叠层压电陶瓷位移输出的同时,实现在平衡位置两侧的双向主动输出.提出了相应的驱动方法,实现了对该机构输出方向和大小的控制.分析了机构的工作原理,通过解析计算得到该机构的理论放大倍数为2.9,与所建立有限元模型通过仿真计算得到放大倍数2.5相近.制作了试验样机并进行了试验验证,结果显示:该机构在驱动电压为200 V时最大输出位移为(32±16) μm,对叠层压电陶瓷位移输出的放大比例为2.4倍,与理论计算相近;频率响应试验表明信号频率对位移输出影响较小.提出的设计方案实现了位移放大和位移双向主动输出这两个预期目标.

提出基于多尺度变换和区域相结合的红外与可见光图像融合方法,用于有效保留红外图像与可见光图像中的空间信息及热目标信息,提升融合图像的可观测性和可理解性.首先,基于非采样Contourlet变换(NSCT)方法对红外和可见光图像进行初步融合,采用基于局部能量的规则融合低通子带系数,根据尺度内各方向子带的相关性原则融合带通方向子带系数.然后,计算初次融合后所得的融合图像与源图像的结构相似性(SSIM),根据源图像与初次融合图像的结构相似程度对图像进行区域分类,得到相似区域分类标识图.最后,依据区域内各自的相似度特性,分别采用不同的融合策略进行二次融合,从而得到最终的融合结果.实验结果表明:该方法能够充分提取源图像的区域特征和纹理特征,融合结果在主观和客观评价上均优于目前流行的融合方法.与仅使用NSCT法进行融合相比,实验所采用的两组图像的质量评价指标分别提高了16%、85%、54%、36%和18%、102%、84%、41%.表明该方法在主客观评价上均优于双树复杂小波变换(DTCWT)、NSCT、冗余离散小波变换(RDWT)等方法.

由于仅考虑颜色等视觉对比信息的视觉显著性提取模型不符合人眼生物学过程,本文提出了一种基于混合模型的改进显著性区域提取(ISRE)方法.该混合模型由显著性滤波算法和改进脉冲耦合神经网络(PCNN)算法构成.首先,利用显著性滤波器算法获得原图像的初始显著性图(OSM)和亮度特征图(IFM),用IFM作为PCNN的输入神经元;然后,进一步对PCNN点火脉冲输入进行改进,即对PCNN内部神经元与OSM的二值化显著性图进行点乘,确定最终点火脉冲输入,以获得更加准确的点火范围;最后,通过改进后的PCNN多次迭代,完成显著性二值化区域提取.基于1 000 张标准图像数据库进行的实验结果显示:在视觉效果和客观定量数据比对两方面,本算法均优于现有的5种显著性提取方法,平均查准率为0.891,平均召回率为0.808,综合指标F值为0.870.在真实环境实验中,所提算法获得了精确的提取效果,进一步验证了本算法具有较高的准确性和执行效率.

针对脉冲星导航过程中观测脉冲星的可见性问题,提出了一种基于信息质量的自适应滤波算法.通过分析观测脉冲星的数目及信息质量,确定观测矩阵维数,实时生成观测矩阵,设计了适应观测信息变化的改进型Kalman滤波器.对观测信息质量重新做了定义,并据此构造滤波方程提高了脉冲星导航的精度及适应性;运用四阶龙格库塔方法对带有J2摄动的二体动力学方程进行线性离散化,提高了滤波器状态方程的线性离散化精度.进行了仿真实验,对改进型Kalman滤波算法进行了验证.结果显示,对初始偏差校正后,在10 000 s内观测一颗或两颗脉冲星,导航位置精度可达40 m,速度精度可达0.019 m/s.得到的结果验证了提出算法的有效性和可行性.

针对目标信号源波达方向(DOA)的实时变化,将人工蜂群算法应用于最大似然函数的优化,实现了动态目标DOA的实时跟踪.首先,提出了一种可变遗忘因子的自适应样本协方差矩阵更新方法,该方法可根据目标信号源DOA变化的快慢自适应调整历史数据和当前采样数据在协方差矩阵中所占的权重,从而保证在获得较小稳态误差的同时又可获得较快的跟踪速度.然后,直接应用了性能优越的最大似然估计方法,避免了子空间跟踪类算法需要不断重复特征值或奇异值分解等问题.最后,采用人工蜂群仿生智能算法对似然函数的求解进行优化,从而极大地减少了算法的计算量,保证了算法的快速性和实时性.实验结果表明:在单快拍采样的情况下,信噪比为0 dB时,跟踪两个目标信号源的均方根误差为0.995 2°,基本达到了阵列信号处理中目标跟踪方法的设计要求.

为解决大气湍流引起的图像抖动和图像偏移问题,提出了一种结合仿射变换和多层B样条配准的图像校正方法.由于湍流像素偏移具有非线性和随机性,且序列中常伴有成像系统运动引起目标全局运动,该方法将像素校正分为整体运动校正和局部非刚性配准两部分.采用仿射变换描述目标整体运动;引入多分辨率策略处理像素偏移,利用多层B样条对湍流引起的局部形变进行非刚性配准.基于对称约束的代价函数,通过梯度判定感兴趣区域,进一步细化控制点网格提高B样条配准精度.最后,采用有限内存拟牛顿法优化代价函数,得到像素偏移量,实现畸变图像的像素校正.对真实图像和实际序列图像分别进行了实验,结果表明:该方法能够有效降低湍流造成像素偏移畸变,在噪声和模糊干扰下校正结果依然理想.

基于压缩感知理论提出了一种红外与可见光图像的融合新方法.该方法将Contourlet变换(CT)和小波变换(WT)相结合,以进一步增加变换后系数的稀疏性,同时对采样模式和融合规则进行改进.首先对图像进行Contourlet变换,再对各高层分解系数进行正交小波变换;然后使用各层采样率不同的分立双放射形采样矩阵对系数采样,并用不同的规则对各层采样值进行融合;最后使用非线性共轭梯度法重构融合图像.实验结果表明,在采样率为0.5时,本文方法融合图像的细节信息比小波方法和小波变换压缩感知(WTCS)方法更加丰富;在所有采样率上,本文方法的融合效果比WTCS法在互信息、空间频率和融合信息逼真度等客观融合质量评价指标上均提高约10%.

针对宇航应用领域对图像压缩算法计算复杂度的要求,提出一种全新的“首1游程”位面编码算法.该算法将离散小波系数首1比特及以上位面用本文提出带符号自适应二进制游程算法编码,其下位面则不编码,直接输出比特值.为兼容无损压缩,算法采用了空间数据系统咨询委员会(CCSDS)推荐的整数97小波变换.由于考虑了像素间、位面间的数据依赖性,该算法的数据访问次数、编码复杂度等远远低于目前算法.该算法是一种内嵌式编码算法,可通过截断码流来精确控制压缩比,支持码流的渐进性传输.试验数据显示,与CCSDS推荐的图像压缩算法比较,本算法计算复杂度显著降低,而压缩性能却略高,同时还支持位平面间独立并行编码,提高了压缩速度.该算法可以满足宇航应用中高速、高性能、低复杂、低功耗的要求.

针对纬轴工作范围为±20°的三轴跟踪架结构不能跟踪半球空域内所有卫星的问题,本文研究了卫星跟踪原理,结合纬轴受限的三轴结构特点,推导出了三轴之间关系的公式,并由此仿真得出了STTA卫星跟踪策略算法.跟踪仰角70°以上的卫星时,采用方位轴定位式水平式跟踪,这种跟踪方式既利用了水平式结构保精度跟踪天顶附近目标的优势,又克服了地平式结构有天顶跟踪盲区问题;跟踪仰角70°以下的卫星时,采用方位轴随动式水平式跟踪,这种跟踪方式使地平式跟踪方式和水平式跟踪方式有机地结合起来,实现优势互补,达到了更为理想的跟踪效果.该跟踪策略不仅解决了三轴转台纬轴工作范围受限问题,而且能够捕获跟踪半球空域内所有卫星,并保证卫星全程在保精度跟踪范围内.最后设计了实验,证明了该跟踪策略算法的有效性和可行性.

提出了基于粒子群优化(PSO)与引力搜索(GSA)混合算法(PSOGSA)的多阈值图像分割方法来解决图像阈值搜寻过程中单一优化算法局部搜索能力不强的问题.提出了图像阈值分割领域中的广义反向学习策略,在阈值寻优过程中提高群体多样性,增强了全局搜索能力;采用了全局最优解的正态变异策略,扩展了全局最优的搜索区域,避免了算法的早熟收敛.在此基础上,实现了基于广义反向粒子群与引力搜索混合算法的多阈值图像分割方法.最后,使用本方法对复杂多目标图像进行了多阈值分割实验,并与引力搜索算法和萤火虫算法进行了比较.实验结果表明,本文方法的分割精度优于引力搜索算法与萤火虫算法,其分割目标函数值在连续运行时的标准差降低了90%以上,是一种精度高、稳定性强的多阈值图像分割方法.

针对计算机视觉中的对应点误匹配问题,提出了一种基于种子点传播的快速局部立体匹配算法来进一步提高匹配算法的运行效率.该算法首先利用Canny算子提取图像边缘,结合边缘信息构造动态匹配窗口,以克服固定窗口对匹配带来的不利影响;然后利用AD-Census联合匹配代价在动态窗口上进行代价聚集,用WTA搜索策略得出初始视差图,对视差值进行筛选以确定种子点;随后利用像素间颜色差异将种子点的视差值传递给周围非种子点;最后采用区域投票和局部校正方式对视差值求精,进而获取精确的稠密视差图.实验结果表明,该算法可对Middlebury测试图生成高质量的视差图.与目前较新的局部立体匹配算法相比,其运行速度提高了1.8倍,满足了实际应用对速度和精度的要求,具有较高的实用价值.

简述了通过网页3D来分享信息及进行3D交互的相关技术.针对大规模的地下空间场景以及对该场景进行网页实时展示的需求,提出了一套基于互联网进行大规模地下空间实时展示的轻量级场景管理机制.首先,对地下空间场景数据进行轻量化预处理,构建轻量级场景管理结构.然后,根据场景数据特点提出相应的场景管理策略,即基于兴趣区域的室外场景管理策略和基于入口的室内场景管理策略.通过视点位置驱动实现室内外场景切换,并自动选择管理策略,达到在网页上进行远程实时漫游大规模地下空间场景的效果.实验表明:该方法能大幅度剔除不必要的场景数据,提高资源利用率,满足在线展示大规模地下空间场景的需求.由于网页应用具有跨平台优势,提出的系统支持用户跨平台对大规模地下空间场景进行实时漫游与操控.

建立了三视场天文定位定向系统,以实现高精度的天文定位定向.阐述了天文定位定向的概念,介绍了三视场天文定位定向系统的工作原理.提出一种基于最小损失函数的天文定位定向算法,该算方法能够同时解算地理位置和载体的方位角信息.根据三视场系统与传统单视场系统的结构特点,从理论上分析了三视场系统的天文定位定向性能及优势.最后,就载体平台倾角测量误差和星敏感器单星测量误差对定位定向的影响进行了仿真分析并基于原理样机进行了外场实验.实验结果表明:该系统的定位精度为151.624 0 m,定向精度为4.630 4″,且定位定向结果稳定.得到的结果基本满足高精度天文定位定向的要求.