利用射频磁控溅射方法,选取溅射时间为15,25,30和45 min,在蓝宝石衬底上沉积了V2O5薄膜。研究了其他实验参量不变,溅射时间不同对薄膜结构、薄膜厚度、表面形貌、电学及光学性能的影响。实验结果表明,制备出的薄膜为单一组分的V2O5薄膜,其在(001)面有明显的择优取向。随着溅身时间的增加,结晶性能逐渐变强,晶粒尺寸也逐渐变大,而表面粗糙度值会逐渐降低;在晶体结构完整的基础上,随着溅射时间的增加,相变温度和经历的温度范围会逐渐增加,电学突变性能会降低。测试了薄膜在中红外波段的高低温透过率,结果显示: 当膜厚为350 nm,波长为5 μm 时,薄膜的透过率从25 ℃时的81%变为300 ℃的7%,变化幅度可达74%;所有薄膜相变前后透过率的比值均为9~13,表现出了非常突出的光学开关特性。

由于大型望远镜转台轴系对测角精度要求较高,本文研究了测角数据系统的误差修正技术。分析了测角数据误差产生的原因,对测角元件误差、安装误差、被测轴系误差进行了讨论,指出轴系测角分系统的误差规律符合谐波方程,故提出采用谐波方程式来表达误差规律。针对工程应用,建立了基于傅里叶级数的简化谐波方程误差公式,用谐波方程算法和多项式拟合算法对系统误差进行修正。在一个望远镜垂直轴转台进行了试验验证,结果显示测角精度峰值由原来的3.81″提高到了1.06″。实验表明,基于傅里叶级数的修正算法,较好地符合误差分布规律;采用系统误差修正技术,可以对系统综合误差统一修正,能够有效提高系统测角精度。

为了有效监控绝缘油的运行状态,采用定量分析方法探讨了微量水分对绝缘油表面张力的影响规律。通过配制不同微水含量的绝缘油样,对每组油样进行表面张力测试,然后对油样进行红外光谱扫描,获取了油样中水分在特征波数处(1 640,3 400,3 450,3 615 cm-1)的吸光度值。分析了油液中2,6-二叔丁基对甲酚(T501)等添加剂对油样表面张力变化规律的影响。结果表明: 油样中水分含量与水分特征吸光度值之间有较好的相关性(相关系数分别为0.964 1,0.984 8,0.984 5,0.944 0),油样表面张力和1 640,3 400,3 450,3 615,3 650 cm-1波数处油样吸光度值的变化亦均呈现良好的正相关性。建立了油样表面张力与特征波数处油样吸光度值的多元线性回归模型,拟合精度为0.992 8;根据模型得到的表面张力计算值与实际测量值误差为-0.07~006%,吻合性较好。文中的实验可为含微水绝缘油的表面张力检测提供理论支撑。

针对机载液晶显示的特殊要求,设计了一种四基色发光二极管(LED)背光源。采用了能单独控制亮度的红、绿、蓝、琥珀等4种颜色的LED,以克服现有滤光片方法带来的夜模式下显示色域大幅下降的问题。在昼模式下工作时,4种颜色的LED同时发光,混合成白光;在夜模式下工作时,关闭红色LED以减少红外辐射,而绿、蓝、琥珀等3种颜色LED工作。计算了夜模式下3种颜色的混合配比。将蓝色LED的混光比例作为固定值代入昼模式下计算得到红、绿、琥珀的配比。仿真设计了采用红、绿、蓝三合一LED和单独琥珀色LED的背光源,分析了它们的性能,并开发了实际样品。测试结果表明: 昼模式下,背光模块的发光强度为23 515 cd/m2(屏前亮度为1 175 cd/m2),非均匀性为8.07%,色域为NTSC(National Television Standard Committee)的116.5 %;夜模式下,背光模块的发光强度为15.36 cd/m2(屏前亮度为0.77 cd/m2),非均匀性为15.49%,色域为NTSC的83.5 %,满足机载液晶显示的要求。

用光学显微干涉法进行表面形貌测量时其深度测量范围的扩大和形貌测量精度的提高是一对矛盾。为此,本文设计出了一种基于波长轮换与相移扫描相结合的三波长表面形貌测量系统,并提出了一种基于椭圆拟合与相位差大小尺度相结合的相位提取与识别算法。将这种算法运用于多波长干涉图像的数据处理,有效地提高了形貌的整体测量精度,并拓展了深度测量范围。实验结果表明: 在深度测量范围扩大近15倍的条件下,采用粗糙度国家基准校准的方波多刻线样板得到的表面粗糙度数据与校准数据的相对误差仅为4.12%,表明该系统在一定的深度范围内能够实现表面形貌的高精度测量。另外,针对该系统设计的多波长相位识别算法对环境噪声要求不高,可以支持系统的高噪声或在线测量。

为了解决当前隧道照明中存在的耗电量大,照度测量繁杂,难以实时保证实际照明亮度等问题,设计了一种隧道照明闭环反馈智慧控制系统。该系统能够根据车辆有无、车辆行为信息和环境信息实时调整照明状态实现按需照明;采用摄像机图像亮度测量方法,通过图像灰度与亮度转换来实时获取隧道路面的亮度。为保证照明需求,系统采用PID闭环反馈调节方法,以照明所需亮度和实际测量亮度为基础,实时调节照明系统输出。实验证明,设计的系统安全可靠,自适应性强,具备实时亮度测量和闭环反馈调节功能;实现了按需照明,能保证实际照明亮度实时达到标准要求,同时最大限度地节能降耗;并能在保证行车安全的同时使人眼获得最佳的视觉感受。

采用CCD显微成像系统对光学系统弥散斑参数进行定量测量,并设计了弥散斑参数的评价算法。首先,给出了弥散斑参数的定义,分析了弥散斑所形成的能量等高线构成的闭合的连通区域,对占总能量80%的区域计算其弥散斑直径。然后,对该区域的边界点进行椭圆拟合,得到弥散斑圆度。提出的方法通过对光学系统在像平面所成的星点像的能量分布的分析,在弥散斑圆度测试中引入了椭圆拟合,减少了CCD噪声和测试环境中的杂光等随机因素对测试结果的影响,提高了测试结果的置信度。实验结果显示: 弥散斑直径测试重复性为0.18 μm,弥散斑圆度测试重复性为1.65%。提出的方法实现了弥散斑参数的定量测试,满足航天项目中光学系统成像质量控制要求。

应用激光拉曼光谱技术结合化学计量学方法实现了三组分食用调和油中菜籽油、花生油和芝麻油的快速定量检测。分别采用标准正态变量变换(SNV)+去趋势(de-trending)算法和正交信号校正(OSC)算法对600～3 000 cm-1波段的原始拉曼光谱进行预处理。建立了基于非线性支持向量机(SVM)和线性偏最小二乘(PLS)回归算法的定量分析模型,并采用19个预测集通过外部交叉验证法对模型进行验证。实验结果显示: 对含有菜籽油、花生油和芝麻油的三组分食用调和油,以OSC预处理后建立的线性PLS模型预测效果最好,其验证集决定系数R2p分别为0.990 4,0.965 8,0.977 1,均方根误差(RMSEP)分别为0.018 8,0.037 9,0.026 2。研究结果表明,利用激光拉曼光谱结合化学计量学方法快速定量检测三组分食用调和油中菜籽油、花生油和芝麻油的含量具有可行性,并获得了较高的预测精度。

研究了空间遥感器用大口径SiC离轴非球面的超声复合磨削加工工艺。分别对磨削原理、金刚石砂轮结合剂选择、机床选取、磨削参数设定等进行了分析,并设计和规划了磨削工艺流程。基于逆向工程原理建立了高精度离轴非球面模型,创立了激光跟踪仪精磨阶段在线测量大口径离轴非球面的工艺。结合工程实践对一口径为700 mm×700 mm的SiC高次离轴非球面元件进行了逆向工程建模和超声磨削加工试验,并利用激光跟踪仪进行了在线检测。经过3个周期(每个周期4 h)的修磨,其面形精度PV值和RMS值分别由45.986 μm和7.949 μm收敛至12.181 μm和2.131 μm;与三坐标测试结果进行对比,其PV值和RMS值的偏差分别为0.892 3 μm和0.312 8 μm。实验显示,提出的磨削工艺实现了大口径SiC离轴非球面的快速精确磨削,其加工精度、效率以及表面质量都有了很大的提高。

针对高速无人机光电侦查平台的实时对地目标定位误差,研究了基于惯导信息的光电平台目标定位算法。利用目标定位数学模型和误差模型,分析了影响目标定位精度的因素,建立了参数误差对于定位精度影响的数学仿真模型。通过仿真分析确定了卫星导航信息的实时性是造成定位误差的主要因素,提出了通过修正卫星导航信息延时时间来解决了光电侦察平台实时目标定位误差问题。进行了飞行试验以验证提出论点的正确性,结果表明: 通过修正卫星导航信息延时时间,有效补偿了载机坐标信息滞后,提高了光电侦察平台目标定位精度,定位误差由补偿前的100 m减少到小于40 m。研究结果对高速飞行器的相关应用具有重要的参考价值。

为了实现对工件的剪切增稠抛光(STP),采用机械混合与超声波分散法制备了一种Al2O3基STP磨料液,并研究了它们的抛光特性。利用应力控制流变仪考察其流变性能,通过扫描电镜和光学轮廓仪研究了单晶硅加工后表面显微组织的变化,并测量其表面粗糙度。结果表明: STP磨料液具有剪切变稀和可逆的剪切增稠特性,达到临界剪切速率后,会形成Al2O3“粒子簇”;当剪切速率增大至1000 s-1,储能模量,耗能模量和耗散因子都增至最大值,此时主要表现为类似固体的弹性行为,有利于形成类似“柔性固着磨具”。在STP加工单晶硅过程中,采用塑性去除的材料去除方式。随着抛光时间的延长,硅片去除速率先增大后减小;表面粗糙度不断减小并趋于稳定。实验显示,磨粒浓度不宜过高,否则会因剪切增稠效应造成黏度过大,导致流动性差而影响抛光质量。当Al2O3质量分数为23%时,抛光25 min后,硅片表面粗糙度Ra由422.62 nm降至2.46 nm,去除速率达0.88 μm/min,表明其能实现单晶硅片的高效精密抛光。

基于解耦算法研究了并联式六维加速度传感器的误差特性和容错策略。通过引入“辅助角速度”的概念,并借助于四元数将旋转参量扩展至四维空间,得到了两个形式简单的递推公式,实现了六维加速度的完全解耦。通过剖析解耦机理,找到了影响解耦精度的3类误差源,并分析了它们的产生原因。通过构建辅助角速度误差与源误差、输出误差之间的映射关系,推导出了3组基本误差方程的解析表达式,据此揭示了各误差因素的影响规律。仿真试验与数学推导的结果吻合得较好,验证了误差方程及规律的有效性。从尺度约束的角度挖掘出弹性体拓扑构型中隐藏的变形协调条件,推导出了3个力协调方程,由此给出了一种可解决93个组合故障问题的容错处理方案。样机试验结果显示,局部支链出现故障后重构系统的综合解耦误差不超过8.5%,基本满足测量要求,验证了容错处理方案的可行性,同时也表明并联式六维加速度传感器具备一定的鲁棒性。

为验证聚合物基体在真空环境产生的逸气效应对复合材料尺寸稳定性的影响,对环氧树脂和氰酸脂两种基体的碳纤维复合材料的真空逸气性能进行了试验研究。首先从理论上分析了膨胀系数与逸气系数之间的关系,获得了二者尺寸稳定性存在差异的理论依据。然后设计了能够精确测量尺寸和质量变化的试验组件,按照卫星环境试验条件对多组试验组件进行了3轮真空试验,精确测量了试验前后试验组件的尺寸和质量。试验结果表明: 环氧树脂基体和氰酸脂基体的复合材料质损率(TML)分别为0.033%~0.06%和0.014%~0.029%;环氧树脂基体和氰酸脂基体的复合材料尺寸变化量分别为2~8 μm和1~3 μm。另外,环氧树脂基试件的质量变化约为氰酸脂基的2倍,说明两种材料在真空环境下的尺寸稳定性有差异。

为了提高硅微机械陀螺(SMG)的性能,研究了一种基于四阶机电结合带通Σ-Δ调制器(SDM)的硅微机械陀螺力反馈闭环检测方法。基于谐振器级联谐振前馈(CRFF)结构设计了该方法的仿真模型,并利用商用软件SD TOOLS计算了环路参数。采用MATLAB/SIMULINK对设计结果进行了行为级仿真,结果表明,1 Hz条件下环路的信噪比达到了109.2 dB,符合设计预期。在此基础上,以现场可编程门阵列(FPGA)为数字处理核心搭建了硅微机械陀螺数字化测控电路并进行了性能测试。结果表明,采用带通SDM闭环检测技术和数字化闭环驱动技术后,硅微机械陀螺的Allan方差零偏不稳定性约为1.15(°)/h,角度随机游走约为7.74×10-2(°)/√h,且信噪比参数满足了设计目标。 得到的结果证明了设计方法的正确性;显示提出的带通SDM力反馈闭环检测方法有助于提高SMG的性能,拓展其应用领域。

由于光刻投影物镜装调中电容传感器的线性度指标不能够满足位移调节精度的需求,本文提出了一种提高电容传感器测量线性度的方法。该方法采用压电驱动器提供位移进给;采用高精度激光测长干涉仪校准电容传感器的线性度,提供位移反馈以保证运动控制精度。采用高阶曲线拟合方法得到拟合系数对传感器线性度进行在线标定;对标定实验中的环境、安装、机构以及控制等进行不确定度分析与评定以保证电容传感器的线性度测量精度;最后进行电容传感器线性度的标定实验。实验结果表明: 本文提出的线性度标定方法能够减小各误差项对于测量结果的影响,标定后传感器线性度由0.047 14%提高至0.004 84%,近一个数量级,并且线性度重复性较高,重复性偏差为0.38 nm,全行程内线性度的合成不确定度为5.70 nm,能够满足光刻物镜中位移控制精度的需求。

基于滑模变结构算法研究了小卫星微动量轮的精确控制。在系统整体控制框架的基础上,对微动量轮动力学模型进行了分析;结合理想模型引入纹波电压、摩擦系数不确定性、扰动力矩等干扰因素,完善了微动量轮动力学模型。设计了等效滑模变结构控制算法,并对控制率参数进行了仿真优化。通过MATLAB仿真,对比分析了滑模变结构控制和常规PI控制在转速控制和力矩控制两种模式下的特性。最后,实验设计了微动量轮样机。仿真结果表明: 基于滑模变结构控制的微动量轮转速控制精度达到±0.5 r/min,从0加速到2 000 r/min的时间为18 s,均明显优于PI控制。实验结果表明: 利用滑模变结构控制的微动量轮转速控制精度达到±0.9 r/min,从0加速到2 000 r/min的时间为26 s。上述结果显示: 利用滑模变结构控制算法可以有效克服微动量轮控制中的干扰因素,提高转速控制精度和输出力矩稳定度,缩短转速变化响应时间。

采用背部三点支撑方式的空间光学遥感器长条形反射镜目前尚无普遍适用的支撑点设置方法,只能对某一确定尺寸和长宽比的反射镜进行专门设计。本文提出了基于规则模型的、以参数化模型为核心的集成参数化设计方法,并建立了长条形实体反射镜背部三点支撑集成参数化模型。在集成环境中通过试验设计、响应面分析等方法对设计参数进行了分析和优化,结果表明在轴向重力工况,镜面面形峰谷(PV)值优于λ/10 (λ=632.5 nm)的设计要求下,长条形碳化硅反射镜背部三点支撑的最大适用尺寸为1 m。文中给出了最优支撑点布置,并确定了厚径比最优为1/10。最后,对集成参数化分析方法进行了精度分析,结果显示该方法整体误差为6.13%。提出的方法确定了空间长条镜背部三点支撑的适用范围,提供了支撑点最佳布置,为空间相机不同尺寸要求的长条镜设计打下了基础。

由于利用经典最小二乘原则对激光跟踪仪进行坐标转换时,系数矩阵中携带的随机测量误差会影响转站精度,故对激光跟踪仪的转站算法进行了研究。提出了基于线性EIV模型(Errors-in-Variables)和加权整体最小二乘法(WTLS)并利用间接平差形式迭代求解转站参数的方法;利用Matlab进行仿真分析并用API公司生产的激光跟踪仪进行实验。仿真结果显示WTLS法的单位权中误差的平均值和标准差分别为经典加权最小二乘法(WLS)的4/5和1/5;实验结果显示WTLS和WLS两种方法的单位权中误差分别为2.003 5 mm和2.225 3 mm;这些数据证明采用WTLS法的转站结果比WLS的精度更高且更稳定。该方法可为组建激光跟踪仪测量网络,优化网络布局奠定基础。

针对大口径宽波段高能激光发射系统使用环境复杂、激光发射间歇时间长,晶体窗口无法满足使用要求等情况,为发射系统设计了一套快门式机械窗口。该机械窗口采用聚氯乙烯(PVC)薄板作为防尘罩,利用弹簧和密封环组成半固定式滑槽,采用步进电机驱动。利用圆形薄板的大挠度变形原理,建立了防尘罩挠曲变形量与正压风载间的非线性微分方程;以中心挠度为摄动参数用摄动法求解微分方程,获得防尘罩挠曲变形量与风压载荷间的关系,并进一步求出电机的负载扭矩。由于电机的输出扭矩是一定的,为了使防尘罩抗风载能力达到最大,利用电机负载与防尘罩挠曲变形量间的解析关系式进一步优化了防尘罩的弯曲刚度。实际测试结果显示,防尘罩挠曲变形量的求解误差不超过15%;当防尘罩弯曲厚度为0.8 mm时,防尘罩可以抵御12 m/s风载作用,电机负载扭矩为0.34 Nm;开启与关闭的最短时间小于3 s,窗口运行可靠,符合设备使用要求。

从实际加工角度出发,研究了节流器结构参数对Nanosys-1000超精密加工机床静压导轨承载特性的影响。利用流体分析软件建立导轨承载油垫的有限元模型并搭建了相关静压导轨实验台,研究了进口油压为1.7 MPa,油膜厚度为36 μm时承载油垫的压力场分布特征,并通过对压力场积分得到油膜承载力,求导得到油膜刚度,从而揭示不同结构参数对静压导轨承载特性的影响。研究结果表明: 节流器结构参数中节流孔孔径对机床承载特性影响最大,其次为节流孔孔长,出入口倒角对其影响甚微。导轨负载较小时,扩大节流孔孔径与缩短节流孔孔长有助于改善静压导轨承载特性;但在重载条件下,缩小节流孔直径,增加节流孔孔长反而更有利。将仿真数据与实验数据作对比,得到3个承载力测量点数据误差分别为7.9%,6.9%,8.6%。最后根据研究成果,确定了Nanosys-1000机床静压导轨节流孔结构参数。

为了在较大失调范围内准确求解离轴梅逊式无焦卡塞格林望远镜元件的失调量,提出了基于改进的灵敏度矩阵模型的计算机辅助装调方法。分析了传统灵敏度矩阵法的原理及局限性,并在传统方法的数学模型中加入二次修正项,对传统计算机辅助装调技术进行了改进。针对离轴望远镜系统,分析了次镜失调状态下系统的像差特性,分别采用改进模型和传统模型对系统失调量与像差间的映射关系进行近似,并对失调望远镜系统进行仿真装调。仿真装调结果表明: 在次镜偏心为±8 mm、倾斜为±1.5°的失调范围内,传统方法计算得到的次镜x、y、z偏心量和α、β倾斜量均方根误差分别是: 2.689 mm、2.494 mm、0.194 mm和0.500°、0.525°;而改进方法对应的计算结果为: 0.404 mm、0.323 mm、0.047 mm和0.064°、0.065°,显示改进后的灵敏度矩阵方法的失调量求解准确度大幅优于传统方法。最终,采用改进方法对望远镜进行装调,得到了轴上视场波像差(均方根值RMS)为0.056λ(λ=632.8 nm),边缘视场波像差RMS均优于0.1λ的良好装调结果。 得到的结果满足设计要求。

理论研究了以半球缺群作为无移动部件阀的无阀压电泵的液体输送和混合搅拌功能,针对半球缺群迎流角的变化对该压电泵的泵送性能及混合搅拌效果的影响进行了仿真分析与试验验证。围绕迎流角θ在0°≤θ≤90° 的变化,建立多组有限元模型,模拟了半球缺群迎流角变化引起的速度场、压强差、阻力系数及仿真流量的变化规律,并进行了试验验证。结果表明,0°≤θ≤45°时,仿真流量随θ的增加而增加;45°<θ≤90°时,仿真流量随θ的增加而减小;θ≈45°时取得最大流量96.13 mL/min。此外,研究显示旋涡的大小及强度具有与仿真流量相同的变化趋势。泵流量试验验证了仿真研究及其结果的正确性: 在θ≈45°时,试验流量达到67.90 mL/min;0°<θ≤360° 时,试验流量与仿真流量的变化趋势一致,并且θ在一个周期的变化中泵流量及旋涡强度出现2次正向最大值和2次反向最大值。本研究为优化无阀压电泵的泵送性能和混合功能奠定了基础。

分析了太空失重对星载傅里叶光谱仪动镜系统的影响。针对动镜系统受重力影响的两个关键因素,提出了解决措施,并设计了实验室验证方法。考虑空间和地面重力环境的不同,分析了动镜未被驱动时重力对初始定位的影响和动镜被驱动后重力对运动机构回复力矩的影响。设计了精密初始机械限位使动镜从固定起始点开始运动控制,并且采用闭环PID控制与在轨可调整期望运动规律相结合的控制方法来校正动镜机构等效扭转刚度的变化。最后,提出了将整个动镜机构倒置的方式进行地面验证,并设计了动镜正、负位移不对称性偏差以及匀速区速度波动的性能测量方法。实验结果表明,正置和倒置时动镜正、负位移的不对称性偏差可以控制在6 μm以内,其匀速区的速度波动均方根值分别为1.4％和1.1％。实验显示提出的解决方法简单可靠,性能指标满足傅里叶光谱仪的要求,为动镜系统的空间应用提供了技术途径。

受各种误差因素以及周期性变化的切削力的影响,快速刀具伺服金刚石车削技术往往难以用一次车削获得满足光学性能要求的自由曲面。本文提出了一种利用线性差动传感器(LVDT)实现高精度接触式自由曲面在位测量的方法。该方法结合两自由度快速刀具伺服系统,实现了基于快速刀具伺服(FTS)的自由曲面车削加工的误差补偿。试验结果表明,该技术将自由曲面的加工精度提高了20%,表面粗糙度降低18.1%,解决了FTS系统与机床运动的同步问题,可补偿机床xyz三向运动误差,可用于自由曲面加工误差的修正。该方法还可用于不对称幅度较大的曲面或硬脆性材料的加工等,故促进了高精度光学自由曲面的推广应用。

提出了一种暗弱空间目标的高精度定位方法,以进一步提高该类空间目标的定位精度。研究了星像质心计算和星图匹配以及光电望远镜静态指向修正模型和天文定位等算法。首先,深入分析了星像质心计算和三角形匹配算法。然后,采用Tycho-2星表和基本参数修正模型,修正光电望远镜系统静态指向误差。最后,针对暗弱空间目标定位精度低,对传统天文定位方法进行了改进,提出了“暗弱空间目标高精度定位方法”,实现了暗弱空间目标高精度定位。实验结果表明: 提出的暗弱空间目标高精度定位方法的测量精度优于4″,基本满足光电观测系统进行暗弱空间目标测量时对精度和稳定性的要求。

为了能从含噪声金属材料超声检测信号中有效识别出微小缺陷回波,建立了金属材料超声反射信号模型并提出了基于相关系数的微小缺陷回波识别方法。对含微小缺陷金属材料超声脉冲反射信号的成分进行分析,建立了基于散射声场与高斯回波理论的优化超声回波模型。设计了超声缺陷回波位置识别方法。该方法对超声脉冲反射信号去噪后,取探头发射脉冲信号为参考信号;然后与去噪后的信号逐段求解相关系数;最后对该相关系数序列进行阈值化处理,获得缺陷回波在超声回波信号中的位置。将利用上述优化超声回波模型生成的超声反射信号及其频谱与实验获得的金属材料超声反射信号及其频谱进行了对比,结果表明: 两者的时频域特征具有一致性。当将阈值设定为相关系数序列最大值的60%时,能够有效从超声背散射信号中识别出金属材料微小缺陷回波。

针对中段多脉冲弹道规划及评价问题,提出了一种新的弹道设计及评价方法。借鉴轨迹规划中节点搜索及扩展的思想,将多脉冲弹道的脉冲点火点视为节点,建立了多脉冲机动变轨模型。基于该模型,对突防弹道进行了设计及优化。运用“博弈论”的思想,在考虑敌方防御系统的探测机理、性能及部署基础上将敌方预测弹道与实际弹道的差值作为评价函数,以尽量降低敌方预测弹道的精度。最后,设计了导弹突防效能地面验证平台以验证所设计弹道的突防效率与弹道评价方法的有效性。选取了一个例子进行分析及验证,结果表明: 相比最省能量弹道,设计的导弹防御系统对突防弹道的预测误差提高了5到15倍,达到了100~300 km,飞行时间缩短了8.53%,而且规划时间不到140 s。实验显示本文提出的弹道设计方法,能够在很短时间内规划出一条突防概率很高的弹道。

针对传统的基于几何度量的配准方法无法配准存在局部变形的医学器官的问题,提出了应用显著纹理特征的经典迭代最近点(ICP)医学图像配准算法。该方法借鉴主动外观模型(AAM)思想对医学图像的显著纹理特征建模,将显著性强的特征点赋予较大权重,率先配准。在传统基于空间距离的图像配准基础上加入显著纹理距离。然后,模拟格式塔心理学提出的人类视觉认知过程,使用线性递减的权重平衡两种“距离”度量方式。该算法前期主要根据几何距离取得整体配准效果,后期依赖图像纹理特征使存在局部变形位置的特征点也能精确配准。最后,在腹腔肝脏图像上进行实验。实验结果表明该算法取得了较好的配准效果,准确率达78.82%,比其他几种流行算法提高了22.22%,且对图像的旋转变化不敏感。提出的算法基本解决了存在局部变形医学器官图像的配准问题,达到了精度高、鲁棒性强的配准效果。

由于三维扫描设备采集的点云数据庞大,本文提出了一种特征保持的点云精简方法以在减少冗余数据的同时更好地保持原始曲面的几何特征。首先,利用K均值聚类法在空间域对点云全局聚类,对点云构建K-d树并以K-d树的部分节点作为初始化聚类中心。然后,用主成分分析法估计点云法矢和候选特征点,遍历每个聚类,若类中包含特征点则将该类细分为多个子类,细分时将聚类映射到高斯球。最后,基于自适应均值漂移法对高斯球上的数据进行分类,高斯球上的聚类结果对应为空间聚类细分结果,各聚类中心的集合为精简结果。以多个实物模型为例验证了算法的有效性。结果表明,本文方法精简的点云在平坦区域保留少数点,在高曲率区域保留更多的点。相比于非均匀网格、层次聚类、K均值点云精简法,该方法对包含尖锐特征的曲面精简误差最小,更好地保留了原始曲面的几何特征。

研究了软硬件相结合的亚像元超分辨成像技术。首先通过探测器扫描获得同一场景彼此错位亚像元像素的多帧图像作为训练样本和输入图像;然后针对传统的局部线性嵌入(LLE)实例学习超分辨算法过于依赖外部训练样本,不利于光电成像系统直接处理等缺点,提出了一种基于自学习的改进LLE算法;采用新的LLE权值计算方法获得正数权值,同时对初始估计再次运用自学习LLE方法恢复丢失的高频细节信息。仿真实验结果表明,该算法重构的图像的信噪比比传统LLE超分辨算法提高了0.8 dB,运行时间提高了75%,视觉上可感知重构图像的细节信息更丰富。与其它方法相比,用搭载的微位移实验平台运行本文算法所获得重构图像的信噪比和信息熵都有很大提高,表明本文算法能获得高质量和高分辨率的重构图像。

针对复杂多变的肝脏图像,提出了一种基于先验稀疏字典和空洞填充的三维肝脏图像分割方法。对腹部CT图像进行Gabor特征提取,并分别在Gabor图像和灰度图像的肝脏金标准边界上选择大小相同的图像块作为两组训练集,利用训练集得到两种查询字典及稀疏编码。将金标准图像与待分割图像配准,并将配准后的肝脏边界作为待分割图像的肝脏初始边界;在初始边界点上的十邻域内选择大小相同的两组图像块作为测试样本,利用测试样本与查询字典计算稀疏编码及重构误差,并选择重构误差最小的图像块的中心作为待分割肝脏的边界点;最后,设计一种空洞填充方法对肝脏边界进行补全和平滑处理,得到最终分割结果。利用医学图像计算和计算机辅助介入国际会议中提供的肝脏数据进行了实验验证。结果表明,该方法对肝脏分割图像具有较好的适用性和鲁棒性,并获得了较高的分割精度。其中,平均体积重叠率误差为(5.21±0.45)%,平均相对体积误差为(0.72±0.12)%,平均对称表面距离误差为(0.93±0.14) mm。

由于使用经典的联合近似特征对角化(JADE)算法从视频中估计光电容积脉搏波(Photoplethysmography,PPG)信号,再经快速傅里叶变换转化成的心率值与真实心率值的误差较大,本文提出使用基于对角累积量算法从视频中分离PPG信号,再经过快速傅里叶变换转换成心率的方法来提高心率测量的准确性。进行了从RGB彩色可见光视频信号中恢复心率值的实验。对比实验表明,基于对角累积量分离算法所得心率值与真实心率值差的绝对值的统计特征参数较JADE算法均有所降低,均值、标准差、均方根误差平均分别下降1.46,4.98和4.49。通过Bland-Altman图的分析表明,在95%的置信区间内,对角累积量算法所得心率的浮动范围较JADE算法减小了2倍以上,显示对角累积量算法具有更高的估计精度,对肤色亮度和外界自然光的要求更低,通过调整参数值,可使运行时间控制在1 s之内,基本满足实时提取心率的要求。

针对高光谱特征的稀疏表示,提出了一种基于多尺度分割的空间加权算法用于高光谱图像分类。该算法采用更合理的邻域定义挖掘空间先验信息,优化类边缘像元的稀疏表示。首先,通过多尺度分割提供邻域空间约束;结合拉普拉斯尺度混合(LSM)先验,分别对每个邻域组内像元进行空间加权的稀疏表示。然后,采用概率支持向量机(SVM)分类,同时提供像元的分类标签及其置信度。最后,以此置信度为权重,对多尺度分类图进行加权融合,生成最终的分类图。实验显示,本文算法能够增强光谱特征表示的稀疏性和鲁棒性,提高总体分类精度;在小样本训练下,单类的分类精度可提升30%左右,表明该算法在高光谱应用中具有较强的实用性。

针对捷联图像制导系统中视频序列受弹体姿态变化和抖动而出现的不稳定现象,提出了一种基于二进制鲁棒不变尺度特征关键点(BRISK)的高精度快速鲁棒电子稳像算法。首先,用BRISK算法提取图像BRISK特征描述符;为了保证匹配精度和速度,采用引导互匹配策略实现BRISK特征点跟踪匹配;然后,利用改进的随机抽样一致方法(RANSAC)剔除误匹配点对;最后,利用最小二乘算法(LSA)估计全局运动参数进而实现稳像。对标准图片的匹配测试和实拍视频稳像的结果表明: 结合BRISK算法的电子稳像技术,运行时间小于30 ms,定位精度达到0.1 pixel,对光照变化、噪声以及复杂环境遮挡具有较强的鲁棒性,能快速有效地补偿捷联制导图像的复杂随机抖动并提高视频质量。

为了减少带有路面信息的建筑物图像的拼接中产生的图像失真并提高拼接速度,基于局部变形方法并结合建筑物和路面纹理信息的不同提出了三次投影变换图像拼接方法。该方法根据图像内容将图像分割成不同子图像,然后拼接图像内容相同的子图像,最后实施总体拼接。为了改善当前全局投影变换带来的图像形状失真或扭曲问题,整个拼接过程采用三次局部的透视投影图像变换方法。由于是在传统的透视投影变换的基础上基于图像内容分割后再拼接,故拼接结果比传统方法更精确、更真实。实验结果表明: 采用提出的图像拼接方法克服了路面部分纹理信息过少导致图像失真的缺陷,拼接速度比相关拼接方法提高了20%~40%。该方法能快速得到清晰无缝的拼接图像,基本满足拼接速度快、真实度高的要求。