针对极紫外波段自由电子激光器(大连相干光源, DCLS)对高分辨能力平面变栅距光栅的需求, 基于光程差以及像差原理构建了极紫外平面变栅距全息光栅。采用改进的局部优化算法给出了平面变栅距光栅的记录参数, 利用全息曝光技术在硅光栅基底上制作了中心刻线密度为600 gr/mm、占宽比为0.46、槽深为550 nm、有效刻划面积为30 mm×30 mm的极紫外平面变栅距全息光栅。采用Littrow衍射法测量了平面变栅距光栅的刻线密度, 并基于像差理论分析了平面变栅距光栅的理论分辨能力。结果表明: 制作的600 gr/mm平面变栅距光栅在有效面积内的刻线密度误差小于0.175 gr/mm, 在极紫外波段(50~150 nm)的分辨能力大于12 000, 满足自由电子激光器的设计要求。提出的设计及制作方法为制作高质量平面变栅距光栅提供了理论及技术保障。

分析了航空红外相机的结构特点, 论证了装调该类相机的关键技术。提出一种针对单相机镜头的装调和验证方法。 该方法基于经纬仪测试探测器的线阵方向和视轴方向对相机进行粗调, 结合质心亚像元定位算法对相机进行精调。提出了基于大口径平行光管和高精度可控转台覆盖所有镜头完成一次性装调的方案, 解决了多个视轴相机组视轴高精度一致性装调的问题。实验表明: 提出的方法满足航空红外相机的高精度、小公差的装调要求。单相机视轴与光轴夹角、多角度各组相机之间的视轴夹角的实际装调精度达到0.052 pixel, 比常规方法单像元的装调精度提高近20倍。 提出的方法为航空红外相机的高精度装调提供了一种精确可行的途径, 并可应用于结构类似的航天遥感器的装调。

针对飞行器仿真测试中合作目标投影光斑的跟踪识别问题, 提出了一种投影光斑跟踪识别新方法, 该方法主要由预测、识别及修正3个阶段组成。预测阶段主要结合投影光斑运动特点对传统卡尔曼滤波进行改进, 提高投影光斑的位置预测精度。识别阶段则根据投影光斑位置的预测值, 分两种情况对光斑进行处理: 如果下一时刻投影光斑在视场内, 则根据相应的判别准则和匹配策略在下一时刻图像中快速搜索投影光斑的最优匹配光斑; 如果下一时刻投影光斑在视场外, 则根据测量系统相关信息, 对视场外投影光斑在图像平面上的位置进行求解, 并将求解结果加入相应的运动轨迹, 实现对视场外投影光斑的跟踪识别。在完成投影光斑的跟踪识别后, 根据跟踪识别结果对投影光斑相关参数进行修正。仿真实验和实际实验结果表明, 本文方法能够有效跟踪识别飞行器仿真测试中合作目标的投影光斑, 其最大跟踪识别误差不超过2.5 pixel, 即使跟踪识别过程中存在投影光斑进出视场的情况也不受影响。

考虑高数值孔径(NA)投影光刻物镜视场较大、波像差分布不均匀, 本文提出了一种自动优化设计方法来降低设计过程中出现的全视场最大波像差。该方法通过将一个自动调节采样视场权重的循环程序附加在光刻物镜的局部优化程序之外来自动平衡全视场的波像差, 进而降低全视场的最大波像差。设计实例证明, 运用该方法后光刻物镜全视场波像差的均匀性显著提高, 最大波像差降低为原来的63%。该方法在光学设计软件Code V中有良好的应用效果, 应用该方法不但能节省光刻物镜设计者的时间, 而且会降低设计对设计者设计经验的依赖性。同时, 该方法也可推广应用在其他对成像质量要求较高的光学系统设计中。

经皮软组织穿刺过程中, 穿刺针尖会历经不同材料特性的器官组织, 受到复杂变化的作用力。为了测量针尖处的作用力并鉴定穿刺路径上不同层次的软组织, 研制了一种光纤力传感器, 并进行了力信号分析。首先, 基于法-珀干涉介绍了光纤力传感器的测量原理、光链路设计、及其与针的集成和标定方法。在穿刺力信号分析的基础上, 提出利用Mallat算法对力信号进行小波变换, 提取信号的特征模式, 界定软组织的各层边界。最后, 在猪的肝脏和肋条组织样本上进行了针穿刺实验验证。结果显示: 光纤力传感器的可测力为0至3.20 N, 测量精度可达0.01 N。得到的穿刺试验结果表明Mallat算法能够有效地区分软组织的类型。研制的光纤传感器满足穿刺力的测量范围、精度和可靠性等要求, 所提出的小波变换算法可用于软组织边界的界定, 有望用于机器人穿刺控制。

利用中空悬挂芯光纤研制了一种将荧光猝灭反应区建立在空心光纤内部的光纤集成荧光在线微流传感器。利用CO2激光器在光纤表面刻蚀微孔, 使得试剂可由微孔注入光纤内部并混合形成稳定的微流。在悬挂芯光纤纤芯倏逝场的激发下, 指示剂分子产生荧光, 所产生的荧光被耦合到纤芯内部并在出射端被检测。文中利用光纤内部的荧光猝灭反应实验确定了亚硝酸盐溶液的浓度。结果显示: 微流可在短时间通过光纤, 传感器能以较快的速度检测溶液浓度。另外, 当亚硝酸盐溶液的浓度为0.1~2.6 mmol/L时, 荧光猝灭程度与溶液浓度呈较好的线性关系, 结果证明了该集成式光纤内微流控传感器方案用于微量荧光检测的可行性。

研究了THz辐射和THz焦平面器件的特性, 分析了THz焦平面探测器连续波透射成像系统的能量传输过程。考虑大气衰减、器件限制等影响因素以及连续激光照射、目标场景与焦平面探测器之间的信号传递关系, 推导出了连续波透射成像系统的成像面积及对比度两个重要的参量模型。然后设计并组建了连续波THz透射成像系统。根据所建模型分别对信封中的环三亚甲基三硝铵(RDX)粉末和塑料盒中的金属刀片两种不同被测物体的成像面积及对比度进行了计算。结果表明: 基于理论推导的两种实例其最大成像面积可达4.74 cm×6.32 cm和3.534 cm×4.712 cm, 图像对比度分别为0.242 2和0.306。与美国麻省理工学院(MIT)的成像系统进行了对比, 该系统的成像面积为3 cm×3 cm或4 cm×4 cm, 与本文推导结果处于同一数量级, 由此验证了本文提出的模型和方法的合理性和有效性。

利用二维正方晶格介质柱型光子晶体(PC), 设计了一款由4个线性渐变型微腔和异质结构光子晶体反射器组成的多信道下路滤波器。利用平面波展开法(PWE)以及二维时域有限差分法(2D-FDTD)分析了该异质结构滤波器的工作机制, 并进一步探究了微腔参考面与异质结界面之间距离对下路效率的影响。研究表明, 滤波器中的异质结反射器可以实现接近100%的反射, 从而大幅度地提高了三端口滤波器的滤波效率。设计的多信道滤波器各个通道都能有效地实现下路滤波功能, 其信道间隔为10 nm, 滤波效率均在90%以上, 透射谱半高宽均在0.54 nm以下, 实现了较高的品质因子特性。该滤波器尺寸只有15.15 μm×13.91 μm, 且滤波效率很高, 适于在波分复用系统中进行复用与解复用, 在未来光路集成应用中具有良好的应用前景。

由于目标偏振特性研究中表面粗糙材质的复折射率很难准确反演, 本文对常用的Vimal-Milo反演法进行了改进。分析了粗糙表面的偏振二向反射特性, 指出了Vimal-Milo法采用的"偏振度-角度相关"反演模式的不足。然后, 提出了基于"相对偏振分量-角度相关"的反演方法, 推导出复折射率的反演公式, 并设计了对应的全局搜索算法。最后, 利用绿漆及铝板的偏振特性测试数据, 对提出的复折射率反演算法进行了验证, 并基于此对偏振二向反射特性进行了正向推演验证。反演数据表明: 使用本文提出的复折射率反演方法, 表面粗糙铝板的复折射率的反演精度较Vimal-Milo法有了显著提高, 实部和虚部与真值的误差均在±0.01以内, 且评价因子小于0.07; 推演数据表明: 表面相对光滑的绿漆的偏振二向反射亮度的推演结果为Vimal-Milo法得到的均方根误差的1/5, 与测试数据的误差在0.01以内。得到的结果证明本文所提复折射率反演方法可用于光滑及粗糙表面材质的复折射率反演。

采用真空辅助凝胶注模和反应烧结法制备了面密度分别为9.35和11.7 kg/m2, 直径分别为200和500 mm的两块超轻量化SiC反射镜,检测了反射镜的主要性能。 结果显示: 由于在真空环境下浇注, 坯体没有宏观缺陷。材料中细小SiC颗粒的存在使材料具有相对较高的抗弯强度(335 MPa)和断裂韧性(4.5 MPa·m12)。此外, 反射镜材料金相组织中未出现明显的SiC颗粒定向排列, 具有较好的各向同性度: 不同方向热膨胀系数差异小于3%, 模量差异为1.3%。镜坯经过光学加工后面形误差(RMS值)为0.043λ(λ=632.8 nm), 表面粗糙度(Ra值)优于5 nm。实验表明, 真空辅助凝胶注模成型结合反应烧结工艺制备的超轻量化SiC反射镜各方面性能良好, 适用于制备空间相机用反射镜。

采用机械振动辅助激光熔覆复合改性新工艺, 在45钢表面制备了单道Fe-Cr-Si-B-C合金涂层。借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能量分散谱(EDS)分析了熔覆层的物相组成、微观结构和元素分布, 通过HVS-1000型显微硬度计测试了熔覆层的显微硬度。结果表明, 熔覆层主要由α-(Fe, Cr)固溶体、M7C3(M=Fe、Cr)碳化物、Fe2B硼化物和少量Fe0.9Si0.1组成。在机械振动辅助作用下, 熔覆层结合界面组织由平面晶向带状和柱状晶转变, 振幅为0.13~0.18 mm时的晶粒细化效果最为明显; 熔覆层中增强相形态随着频率的增加由短杆状向颗粒状、层状、条状转变, 分布形态由杂乱分布向弥散分布和网状分布转变。相比未加机械振动的熔覆层, 机械振动下的熔覆层中气孔、裂纹减少, 显微硬度提高了约13.9%。这些结果显示熔覆层中显微组织形态及其分布主要受振幅和频率协同作用的影响。

为了克服自适应光学系统中倾斜镜的迟滞响应, 提高响应的线性度, 改善倾斜镜的控制精度, 研究了倾斜镜的迟滞非线性效应。提出了一个基于频率相关的Mutified-Prandtl-Ishlinskii (MPI) 模型的补偿方法来在线自适应逆补偿倾斜镜的迟滞非线性。结合反馈PID控制构成了自适应逆前馈复合控制方案, 其中自适应逆前馈克服了由于频率等因素引起的迟滞曲线变化, 反馈PID则改善了整体的控制性能。建立了倾斜镜二阶系统模型来估计倾斜镜系统的输出, 解决了MPI模型参考信号的问题, 避免了增加额外前馈传感器, 保证了光能量的利用率。实验结果表明, 倾斜镜系统15 Hz非线性迟滞率由原来的24.28%降为1.17%, 线性度提高了约95%, 控制精度较传统PID方法提高了约60%。该方法能够有效补偿倾斜镜的迟滞非线性, 提高了自适应光学系统中倾斜镜的校正精度。

提出一种基于角速率前馈与力矩观测相结合的磁轴承负载力矩复合补偿控制方法来提高双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子的悬浮精度。建立了双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子动力学模型, 分析了内外框架转动情况下的磁轴承负载力矩。分别基于框架角速率前馈和力矩观测设计了磁轴承负载力矩复合补偿控制方法, 分析了补偿后系统的稳定性。最后, 利用实验室研制的样机搭建试验平台对本文所提出的方法进行了实验验证。结果表明: 在框架以角加速度120(°)/s2启动至10(°)/s时, 该方法使转子Ax端位移跳动量减小为未补偿前的44.8%; 内外框架以幅值 频率10 Hz正弦激励时, 转子Ax、By端的位移跳动量分别减小为未补偿前的23.4%和35.5%。结果显示提出的方法有效地提高了磁悬浮转子在负载力矩扰动下的悬浮精度。

针对用于球面、非球面光学元件超精密光学加工的气囊抛光技术, 提出了一套控制抛光过程中气囊运动精度的方法。该方法通过控制加工单元的温度, 保证抛光过程中设备运动精度达到50 μm; 使用坐标传递法, 使检测数据二维方向对准不确定度达到0.30~0.70 mm。另外, 基于磨头去除量估计与反馈修正法, 提高精抛过程面形误差收敛效率。最后, 通过磨头探测校准法, 将磨头与加工工件法向位置精度提高至10 μm。实际抛光实验显示: 使用运动精度控制法在280 mm口径的平面精密抛光中获得的面形加工精度为0.8 nm(RMS), 在160 mm口径的凹球面精密抛光中获得的面形加工结果为1.1 nm(RMS), 实现了超高精度面形修正的目的, 为超高精度球面、非球面光学元件加工提供了一套行之有效的方法。该方法同样适用于其他接触式小磨头数控抛光方法。

采用普通磨削方式和超声振动辅助磨削方式对无压烧结SiC材料进行了磨削工艺实验, 对不同磨削方式下磨削参数对磨削力比、表面损伤及亚表面损伤的影响进行了对比研究, 并分析了超声振动磨削作用机制。实验结果显示, 该实验中SiC材料去除主要以脆性去除为主, 砂轮磨削力比随着磨削深度和进给速度的增加缓慢增加, 随着主轴转速的增加略有减小; 普通磨削时SiC工件亚表面损伤深度随着磨削深度、进给速度增加逐渐增加, 而超声振动辅助磨削变化较小。与普通磨削相比, 在相同的磨削参数下, 超声振动辅助磨削的高频冲击使材料破碎断裂情况得到改善, 且磨削力比减小近1/3, 表面裂纹、SiC晶粒脱落、剥落等表面损伤较少, 表面损伤层较浅, 亚表面裂纹数量及深度都有较大程度降低, 可以获得较为理想的表面质量。

针对大口径宽波段高能激光发射系统内通道的防尘除湿问题, 提出了内通道正压通风密封方法。该方法利用净化后的干燥洁净空气排出原有的空气, 并在发射端口形成正压气流阻挡外界空气向内通道扩散, 从而达到密封防护的目的。借助计算流体力学软件Fluent对发射系统内通道的正压通风流场进行了数值模拟和分析研究, 研究显示洁净气流在发射端口处产生一定的风速和压差, 从而形成了内部正压抵挡通道外空气的回流。对于10.6 μm的长波激光, 根据压力变化估计了通道内的折射率变化在10-7量级, 引起的光程差约为1 μm。最后, 通过实验验证了仿真结果。结果表明: 监测面的速度值比仿真结果稍大, 但是速度变化基本相同, 而且洁净气流在监测面保持有0.64 m/s的正压速度, 洁净空气的相对湿度从59%降至了29%, 基本达到了正压通风系统防尘除湿的密封设计要求。

针对脆性石英玻璃的微加工, 利用自主研发的金刚石砂轮微尖端修整工艺, 研发了光纤阵列石英玻璃微V槽磨削技术。分析了60°的微V槽形状偏差对光纤耦合损耗的影响, 然后, 研究了砂轮微尖端的误差补偿修整工艺。最后, 实验分析了微V槽的磨削精度。理论分析显示: 微V槽角度、间距和宽度的偏差分别控制在±0.42°、±1.04 μm和±1.2 μm以内时, 耦合损耗小于0.5 dB。实验结果表明: 开发的数控磨削工艺可加工高精度的60°微V槽阵列; 采用数控轨迹和角度补偿修整后, 砂轮微尖端半径可平均达到10.46 μm, 角度精度为(60±0.22)°; 对石英玻璃进行微磨削后, 微V槽的角度偏差达到0.4°, 尖端半径为10.5 μm, 宽度偏差为0.3 μm, 间距偏差为0.5 μm, 可保证光纤阵列的精密对接。

针对扁簧式起落架这一类悬臂梁弹性结构的弹性变形, 提出了一种克服传统模态方法计算精度受限的模态旋转方法。首先, 基于有限元理论中的小变形运动学分析推导出变形中旋转部分的表述方法。然后, 总结了传统线性模态理论, 提出了一种将旋转变形引入到模态坐标下动力学方程的方法, 从而在结构动力学分析中引入旋转变形的影响, 使模态方法适用于旋转变形较大的情况。最后, 进行了扁簧式起落架静力学仿真及实验的对比验证。结果显示: 在设计载荷100 kg范围内, 两种模态方法都能保证5%以内的计算精度; 但在极限载荷180 kg情况下, 线性模态方法产生了超过35%的计算误差, 而模态旋转方法仍能够保证10%以内的计算精度。仿真过程中两种模态方法的计算步长均为1 ms。结果表明: 与传统的模态方法相比, 提出的模态旋转方法在相对旋转变形较大的情况下有更高的计算精度, 同时保留了传统模态方法计算效率高的优点。

针对现有的基于压电陶瓷叠堆执行器的快速控制反射镜偏转角度较小的问题, 提出了一种大角度定轴偏转压电式快速控制反射镜。采用基于柔性铰链的桥式位移放大机构将压电陶瓷叠堆执行器的输出位移放大, 并将其作用到反射镜面上实现大角度定轴偏转。在此基础上, 建立了压电式快速控制反射镜的结构和偏转角度输出方程, 并通过理论推导和仿真对其工作时的最大偏转角度、最大应力和自然频率特性进行了分析。最后, 通过实验测试对建立的压电式快速控制反射镜的工作原理和特性分析结果进行了验证。结果表明, 建立的偏转角度输出方程能够根据压电陶瓷叠堆执行器的输出位移准确估计压电式快速控制反射镜的机械偏转角度, 从而大大提高设计的效率; 建立的压电式快速控制反射镜可以实现大于3°的镜面机械偏转, 其固有频率为180 Hz, 能够满足高速稳像系统的偏转角度大、响应速度快的要求。

为了满足小卫星姿态控制飞轮系统热设计的要求, 对飞轮系统的热特性进行了分析和试验验证。根据飞轮运行工况, 分别对飞轮系统机械损耗和电控损耗进行了理论计算, 确定了系统主要热源点的分布情况。然后, 依据系统拓扑结构, 建立了整机的等效热网络模型; 采用有限元法, 分别对飞轮相关组件和整机在卫星连续侧摆工况下的热特性进行了分析。最后, 研制了实验样机, 并对样机进行了热真空试验。在经过8 h卫星连续侧摆机动工况下的实验结果表明: 当环境温度为45.0 ℃时, 监测点最后平衡温度约为57.8 ℃, 相对于有限元分析结果的53.2 ℃, 误差为8.6%, 表明热分析结果与试验结果吻合度较好, 可为姿态控制飞轮系统的热设计提供重要参考。

在实验的基础上证实了压电执行器动态蠕变现象的存在。考虑到压电执行器的高频响特点和PID在高实时性要求场合的应用, 构建了复合控制器来抑制动态蠕变。该复合控制器由具有Prandtl Ishlinskii类型的迟滞直接逆作为前馈控制器, 由根据在线测试结果和实时性要求选择的增量式PI作为反馈控制器, 其中增量式PI的参数由模糊逻辑控制器在线调节。 通过实验验证了复合控制器抑制动态蠕变的有效性。结果表明, 当同幅值的0.1 Hz正弦信号在一个周期内被离散化为20台阶, 40台阶, 80台阶时, 相等电压台阶对应的蠕变过程和范围都是不同的。本文构建的复合控制器能够对不同台阶的动态和静态蠕变进行有效抑制, 补偿后蠕变的均方根误差(RMSE)分别降低为补偿前的28.6%, 31.0%和35.4%。

针对离轴多反射式空间相机设计了一种胶接桁架支撑结构。采用T700碳纤维复合材料制造桁架杆, 钛合金材料制造杆接头, J133环氧树脂胶作为黏合剂, 桁架杆两端的钛合金接头作为相机各组件的接口。给出了装调和胶接的辅助设备及相应的方法和步骤: 即利用工装进行预装调, 确定杆接头位置; 然后通过抹胶完成正式装调, 利用定位销钉实现杆接头复位; 最后在室温下固化5~7天, 拆除工装和销钉后桁架装调完毕。有限元分析和力学振动试验表明, 固化完成的桁架一阶谐振频率优于90 Hz, 所支撑镜头的一阶谐振频率优于70 Hz。对力学试验前后桁架的各反射镜接口平面度进行了测量, 结果显示其最大相对偏差为5.3%, 平面度均优于0.15 mm。得到的结果表明该桁架的刚度及尺寸稳定性均满足设计要求。

用彩色数码相机拍照结合图像处理的诊断方法研究了铝、硼纳米颗粒的燃烧特性和机理, 得到了铝、硼纳米颗粒火焰的形貌特征、温度分布及着火时间等。燃烧实验中使用多元扩散平焰燃烧器(Hencken 燃烧器)提供可控的高温环境, 利用固体颗粒乙醇溶解-超声分散-雾化-干燥的给粉方式产生高分散的纳米气溶胶, 并在不同工况下对纳米颗粒火焰进行拍照。从所得彩色图片中提取红、绿、蓝三色通道信号, 结合普朗克辐射定律获得颗粒的辐射强度信息及温度信息。结果表明: 不同环境温度会导致不同的颗粒变温历程。高温环境下铝、硼颗粒经着火后颗粒温度逐渐下降, 而低温下由于氧化层多晶相变的影响铝颗粒温度先缓慢升高而后缓慢下降, 硼颗粒温度则几乎维持恒定。硼颗粒着火过程可分为着火延时和着火两个阶段, 通过火焰图像定义了相应的时间, 测得的硼颗粒着火延迟时间为1.17~2.98 ms, 着火时间为0.31~0.85 ms。

对航空光电稳定平台模型进行分析并利用电流环简化了平台模型。阐述了影响平台稳定性的扰动及抑制扰动的方法, 提出一种基于预报修正的自抗扰控制系统。首先, 提出了一种预报修正方法, 采用"先预报, 后修正"的方法来减小扰动观测值的滞后和超调; 然后, 设计了基于二阶扩张状态观测器的自抗扰控制系统, 对扰动进行线性化动态补偿; 最后, 在振动平台上对系统进行了速度稳定实验、目标跟踪实验和鲁棒性分析。结果表明, 与经典的平方滞后超前控制方法相比, 本文设计的控制方法对扰动的隔离度至少提高了5.88 dB。另外, 设计的系统具有很强的鲁棒性, 在系统参数改变±15%的范围内, 仍得到很好的控制效果。由于所设计的控制系统具有很强的实用性和鲁棒性, 在工程实际应用中提高了航空光电稳定平台的抗扰动性能。

为了给高精度惯性仪表校准试验提供高精准的加速度输入值, 研究了精密离心机输出加速度的建模、测量及不确定度评定方法。建立了适用于10-6量级高精度精密离心机的加速度测量模型及不确定度传递模型。基于本课题组提出的高精度测量方法, 完成了10-6量级精密离心机的静动态半径、静动态俯仰失准角等重要分量的高精度测量。分析、归纳了测量不确定度源, 分别基于建立的加速度测量不确定度传递模型和蒙特卡洛方法完成了该精密离心机输出加速度的测量不确定度评定。最后, 讨论和总结了高精度精密离心机输出加速度建模和精度评定的相关问题。结果表明: 该精密离心机对1g~100g输出加速度的相对标准不确定度均小于3×10-6, 其精度与目前国际上公开的最高精度离心机处于同一数量级; 建立的测量模型及测量不确定度评定方法可以为相关精度等级的精密离心机研制和评价提供参考。

针对以金字塔构型控制力矩陀螺(CMG)为执行机构的敏捷小卫星开展了先进机动控制算法的研究。在考虑控制力矩陀螺力矩约束及增量约束情况下, 设计了基于非线性模型预测控制(NMPC)方法的卫星姿态快速机动控制律及操纵律。通过多种仿真分析了控制器设计参数变化对卫星姿态机动的影响, 并与终端滑模控制方法进行了比较。实验结果表明, 增大跟踪性能加权矩阵或延长预测时域均可以提高卫星姿态机动速度, 缩短卫星姿态机动时间。设计的控制方法能够使卫星姿态在18 s内实现40°的大角度快速机动, 姿态指向精度和稳定度分别为0.01°和0.04(°)/s, 与终端滑模控制方法相比, 机动速度及稳态性均得到提高。本文方法为敏捷小卫星的在轨应用方式提供了理论支撑。

针对超大视场红外凝视成像系统用于目标检测时存在的背景复杂、杂波干扰多、目标信息少等问题, 提出了基于空时域融合处理的目标检测方法。该方法在空域部分优化设计Robinson算子, 完成单帧图像的目标初始检测; 然后结合超大视场成像特性, 利用基于天地线检测的图像区域自动划分和空域虚警抑制方法, 有效滤除非目标检测区中的疑似目标。在时域部分则兼顾目标时域特征, 采用基于时域多特征约束的邻域判决法对真实目标进行时域确认。开展了月空背景下的空中目标检测试验, 验证了本文算法的有效性。试验表明: 经空域部分处理后, 原始图像中的背景杂波干扰大大减少, 目标局部信噪比提高了1.3倍以上, 而且疑似目标数目减少了70%; 经时域部分处理后, 可成功检测出红外弱小目标, 并输出其轨迹, 检测概率在95%以上, 而虚警率不足1.5%, 最低目标检测信噪比为2.86。实验表明: 本文方法适用于超大视场图像的红外弱小目标检测, 对地物背景、恒亮孤立点源、瞬时强噪声等干扰有较强的抑制能力, 对点状运动目标有良好的检测效能。

为提高复杂环境下TLD(Tracking-Learning-Detection)算法的跟踪精度和速度, 提出基于二值化规范梯度(BING)的高效TLD目标跟踪算法。在跟踪器中引入基于时空上下文的局部跟踪器失败预测方法和全局运动模型评估算法, 提高了跟踪器准确度和鲁棒性; 用BING算法取代滑动窗口搜索策略, 结合级联分类器实现目标检测, 减少了检测器的检测范围, 提高了检测的处理速度; 将训练样本权重整合到在线学习过程中, 改进级联分类器的分类准确度, 解决了目标漂移问题。对不同的图片序列实验结果表明: 本算法的跟踪正确率达85%, 帧率达19.79 frame/s。与原始TLD算法及其他主流跟踪算法相比较, 该算法在复杂环境下具有更高的鲁棒性、跟踪精度及处理速度。

提出一种改进的尺度不变特征变换(SIFT)算法, 用于实现多变背景下的快速目标识别。首先, 构建目标图像尺度空间, 提取SIFT特征点并将其按大小分类, 目标识别时只需比较同一类型的特征点。然后, 由SIFT特征点子区域方向直方图计算得到4个新角度用于代表特征点的方向信息, 并且在目标识别时根据角度信息限制特征点匹配范围, 从而提高SIFT算法的运算速度。最后, 计算目标图像和待识别图像之间的尺度因子, 在尺度因子约束条件下进行目标特征点匹配, 从而有效地保证正确匹配数量, 提高目标识别的鲁棒性。实验结果表明: 当目标在待识别图像中发生局部遮挡、旋转、尺度变化或者弱光照等情况下, 改进的SIFT算法能够完成多变背景下快速目标识别任务, 平均识别速度提升了40%。

针对基于特征匹配的单应矩阵估计方法的特征定位噪声的各向异性非同分布对其精度和鲁棒性的影响, 提出了一种结合特征定位噪声表征的单应矩阵估计方法。该方法采用协方差矩阵来表征特征点定位噪声; 基于协方差矩阵加权采样一致性(CWSAC)的内点检验方法来提高单应矩阵估计的鲁棒性。最后, 提出一种单应矩阵高精度估计算法——协方差加权Levenberg-Marquardt(CW L-M)法。该方法结合协方差矩阵重新定义优化目标函数, 提高了单应矩阵的估计精度。基于仿真数据和真实图像的实验表明, 在相同定位噪声和内点比例条件下, 本文算法的估计精度显著优于RANSAC(RANdom SAmple Consensus)、LMedS(Least Median of Squares),PROSAC(PROgressive SAmple Consensus)、M-SAC(M-estimator SAmple Consensus)和MLESAC(Maximum Likelihood SAmple Consensus)等传统算法, 投影均方误差比次优方法降低了3%~21%。另外, 本文方法对定位噪声和内点比例变化均具有较好的鲁棒性。

提出结合坐标系转换和按行独立的加权总体最小二乘法(RWTLS)的交会测量方法用于外场试验。该方法利用空间坐标系转换方法获得目标点在大地坐标下的空间角度参数; 通过多余观测数建立条件方程确定起算数据间的角度位置关系, 用RWTLS和高斯-牛顿迭代方法求得运动目标点在任一时刻的空间角度坐标; 最后, 利用对静态目标点的观测获得基距, 结合目标点的空间角度坐标求得其轨迹曲线。实验结果表明: 观测站的坐标误差在±0.15 m以内, 运动目标在X、Y、Z方向上的坐标误差在±0.4 m内。与传统的两站前方交会测量方法相比, 该方法无须校正经纬仪坐标系, 也不必已知观测站位置参数, 从而减少了对起算数据的需求, 减少了布站工作量, 具有直接简便、收敛速度快、精度较高等优点, 在飞行目标外场测试中有良好的实用性。

针对基于单波段预测的高光谱图像无损压缩压缩比低的问题, 提出基于上下文窗口中反向搜索的高光谱图像无损压缩算法。首先, 对待测像素设定上下文窗口,计算其预测参考值并进行反向搜索预测得到待测像素的候选预测值。然后, 选取与预测参考值最接近的候选预测值作为待测像素的最终预测结果。最后, 对预测残差图像进行一阶算术编码完成压缩过程。利用提出的算法对AVIRIS 1997高光谱图像进行了实验, 结果显示, 提出的算法通过对上下文窗口、等效系数和有效像素阈值的优化取值, 使反向搜索预测的效果达到最好, 经过算术编码器编码后, 可以得到一个3.63倍的平均压缩比。 该方法具有较低的算法复杂度和内存需求, 优于当前已报道的基于单波段预测的其他各种高光谱图像无损压缩算法。

由于传统的相位轮廓术(PMP)使用的相位高度模型参数存储空间大, 标定计算成本高, 本文由绝对相位与深度坐标的关系推导出相位差高度模型的显函数模型, 并提出了一种基于未知标定平面的灵活标定方法。该模型只需9个非共线的像素数据即可计算出模型的15个参数, 降低了计算量, 节约了内存空间。提出的标定方法无需精密运动台, 标定板无需覆盖整个测量范围, 无需知道位置姿态, 降低了标定成本, 提高了标定的灵活性。对提出的模型和标定方法分别进行了仿真和实验, 仿真结果验证了相位高度显函数模型的正确性和标定方法的有效性。对提出的模型和标定方法在实际的结构光系统中进行了实验, 用标定后的系统对实际物体进行了测量, 结果表明三维曲面具有较高的质量, 证明了提出方法的可行性。

针对大气湍流对激光通信中对信标光的捕获、跟踪与对准(ATP)的影响, 提出了基于盲解卷积的快速复原与实时检测算法。采用一维点扩散函数重新构造方位退化模型, 取代了原有经典二维退化模型; 改进了约束共轭梯度算法中的约束算子, 并通过改进的共轭梯度迭代算法求得对原始图像的估计; 最后通过连通域计算提取估计结果中的光斑中心位置。采用现场可编程门阵列和数字信号处理器实现所提出的共轭梯度算法并提取光斑中心位置, 满足了系统实时性要求。实验表明, 所提出的快速复原算法能够实时复原分辨率为200 pixel×200 piexl,帧频为100 Hz的光斑图像, 所提取的信标光光斑中心位置与事后计算结果的误差小于1 pixel, 能够满足激光通信系统对信标光的实时跟踪要求。

为了准确描述工业CT图像中的圆形结构, 提出一种基于多尺度几何分析工具Arclet的圆测量算法。首先, 通过分析单尺度Arclet基函数间的空间关系, 设计了单尺度快速Arclet数字变换算法; 基于该Arclet数字变换, 提取出单尺度上的候选圆特征。然后, 考虑Arclet相邻尺度基函数间的空间关系并结合多尺度四叉树结构, 按照从根到叶的方向, 依次对相邻尺度间的候选圆特征进行取舍。最后, 融合各尺度剩余的候选圆特征, 得到提取结果, 并根据提取结果计算出半径等圆参数。基于实际工业CT图像进行了圆测量试验, 结果表明, 最大半径绝对误差的绝对值<0.1 mm, 最大半径相对误差的绝对值<0.5%; 即使对原工业CT图像引入不同强度的高斯噪声, 测量结果依然满足要求。本文提出的工业CT图像圆测量算法对噪声干扰具有很好的抑制能力, 能满足准确描述工业CT图像中圆形结构的要求。

分析与综述了当前高光谱遥感岩矿识别研究的进展。论述了岩矿光谱特征的作用机理以及岩矿光谱的特征测量与分析方法。归纳和总结了目前以及未来几年可用于岩矿识别的高光谱遥感探测器件和仪器的特点。对基于光谱吸收特征、完全波形匹配和混合像元分解的3类岩矿识别方法进行了归纳与对比, 重点介绍了近年来这类技术的重要成果以及研究热点。最后, 从理论、数据、方法以及应用4个方面对当前高光谱遥感岩矿识别面临的主要问题和发展趋势进行了剖析。作者认为, 高光谱遥感岩矿识别的整体发展趋势为定性识别向定量化分析发展, 在此发展过程中, 混合光谱模型的建立与解混、面向岩矿识别的新型高光谱传感器的研制、岩矿信息提取的智能化以及复杂地质环境下的岩矿识别将成为研究的主要方向。

针对现有导盲设备存在的检测效果差, 系统复杂, 不便携带等问题, 开发了基于单一Kinect传感器的导盲系统。该系统能够同时检测地面和头部之间的所有障碍物, 并将准确的路况信息通过语音传递给用户, 以实现导盲作用。该系统运用深度图像翻转算法和障碍物识别算法来识别地面障碍物、地面坑洞、悬空障碍物3种类型的障碍物; 同时运用深度图像过滤算法和障碍物距离计算算法来确定有效范围内障碍物的位置。设计制作了导盲试验样机, 在复杂室内环境多个场景下对障碍物的识别和检测进行了实验测定。实验结果表明: 该导盲系统能够在一定范围内较为准确地识别面积大于10-3 m2的障碍物及高度差超过0.02 m的坑洞, 经过图像过滤可将用户身高以内, 宽度1 m内的障碍物的最佳避障路线通过语音传递给用户, 满足了导盲需求。该系统的应用不仅对导盲具有重要作用, 对机器人自主行走也有参考意义。