对反射旋转体引起聚焦激光自混合干涉信号位相与旋转角度的非线性关系进行了研究, 提出了一个实验参数的优化方法来降低该非线性效应引起的非线性角度测量误差。重新评估了自混合干涉角度测量在测量范围扩大后的物理近似条件, 从理论上分析了实验参数给角度测量带来的误差影响并进行了模拟仿真, 提出了利用该非线性关系判别反射体旋转方向的方法。最后, 进行了激光自混合干涉角度测量实验并给出若干个实验参数条件下分别得到的角度测量结果。实验结果表明, 实验参数优化后, 角度测量误差大幅减少; 在最优情况下, 比未优化方法的测量精度提升了一个数量级, 可达10-5 rad, 证明了提出的实验参数优化方法和反射体旋转方向判别方法的有效性。实验结果还显示, 使用提出的方法在提高测量范围的同时仍能进行高精度的角度测量, 从而进一步拓宽了基于反射体旋转引起的激光自混合干涉效应的应用范围。

针对传统的液晶显示器应用于一些驾驶舱时存在的特殊观看视角问题, 设计了一种新型的光学膜, 以使液晶显示器的最大亮度可根据观看者的位置实现特定角度的偏转。首先, 基于现有背光的配光曲线, 提出光学膜表面微结构为直角三角形; 考虑由于直角边的全反射, 半光强视角范围较窄且存在截止角, 对微结构进行了棱高和角度的优化设计, 使半光强处视角范围得到提高。为消除截止角并进一步增大半亮度视角范围, 对微结构再次进行优化设计, 提出了双峰折线形非对称的光学膜表面微结构。仿真结果表明: 水平视角不变时, 偏转膜垂直方向最大亮度在20°处, 透过率为87.3%, 半亮度视角为(-12.5°, 45°)。根据设计结果加工了实际样品并进行了实验测试, 测试结果表明: 与传统的背光视角相比, 偏转膜垂直方向最大亮度由原来的0°偏转到18.9°, 半亮度视角由(-24.1°, 23.5°)变为(-9.2°, 45.3°), 透过率为82.0%, 满足了特定视角的观看要求。

为了能对自主研制的脑肿瘤手术医用显微成像光谱仪进行光谱定标, 设计了由单色仪、钨灯光源、棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪及手术显微平台组成的光谱定标系统。采用单色仪波长扫描法, 自主开发了相应的光谱定标系统软件, 获得了显微成像光谱仪全谱段的光谱数据, 完成了数据处理和分析等工作。通过调整光路、单色仪定标、成像光谱仪定标3个步骤实现了系统的光谱定标。定标结果表明: 显微成像光谱仪的光谱区大于400~900 nm; 定标精度高于0.1 nm, 光谱分辨率高于3 nm, 各项特征指标均高于设计指标。测试验证实验表明, 所建立的光谱定标系统定标精准,结构简单、紧凑,操作简单, 符合显微成像光谱仪的实际临床应用要求。

根据光波模在光子晶体线缺陷波导和环形谐振腔之间的耦合原理, 在二维三角晶格光子晶体中设计了一款由线缺陷主波导、环形谐振腔、60°弯下载波导组成的多信道下载滤波器。利用平面波展开方法计算了完整光子晶体及线缺陷波导的能带结构; 基于时域有限差分方法计算了各目标频率光信号在器件中的传输特性, 分析了影响器件耦合效率的因素并对其进行了改进。分析表明: 通过改变环形谐振腔内介质柱的半径可以调节光子晶体环形谐振腔的谐振频率, 而改变线缺陷主波导与环形谐振腔之间耦合区域中介质柱的形状以及将直下载波导改换成60°弯下载波导可以提高线缺陷主波导、60°弯波导与环形谐振腔之间的耦合效率。计算结果显示: 优化后的多信道二维光子晶体滤波器具备优良的选频功能, 各目标频率光信号的透射率均达90%以上。与传统半导体介质材料器件相比, 该器件体积较小, 结构简单, 易于大规模集成, 很有应用前景。

针对传统叠栅形式光栅存在制造难度大、安装要求高等缺点, 提出了一种用时间细分空间的单栅式时栅位移传感器。从光的粒子性出发, 分析了用正交变化的光场信号合成光场电行波的方法; 用点阵发光二极管(LED)模块作为交变光源, 用空间正交的光敏阵列直接耦合光强信号获取了反应空间位移的电行波信号; 最后, 通过检测电行波信号与激励信号过零点之间的时间差, 实现了对空间直线位移的测量。研制了原理样机, 采用普通机械加工方法对其进行了实验验证。结果表明, 在440 mm测量范围内, 样机的测量精度可达±2 μm。该单栅式时栅位移传感器减少了叠栅式传感器对安装工艺的要求, 提高了抗干扰能力; 采用的测量技术避免了传统粗光栅技术存在的精度难以提高、动态特性差等缺点, 为光学位移测量提供了一种不通过精密机械细分来提高测量精度的方法。

考虑极紫外波段空间相机尚无合适的辐射定标方法和装置, 本文提出了适用于该波段的小目标成像辐射定标方法并基于该方法在实验室建立了辐射定标装置。提出的标定方法首先使用标准传递探测器标定小目标的辐射亮度; 然后, 用待定标相机中心视场对该小目标成像, 获得中心视场部分的辐射强度响应度; 最后, 通过调整转动结构使不同视场对该小目标成像, 得到不同区域的辐射强度响应度。构建的辐射定标装置由光源系统、标准传递探测器、真空罐及四维运动转台等组成。光源系统包括空心阴极光源、极紫外掠入射单色仪、准直反射镜, 能够出射工作波段的准直光束; 标准传递探测器标定出光束照度并计算得到小目标的辐射强度; 运动平台使相机能够以不同视场角对小目标成像, 测得不同视场的辐射强度响应度。利用该装置对一台极紫外相机进行了辐射定标实验, 并进行了误差源分析。实验结果表明该装置的定标精度优于15%, 能够实现整机状态下的辐射定标。

针对微型器件封装对非接触式微胶量的需求, 研制了压电驱动微点胶器, 利用压电陶瓷管挤压毛细管产生的瞬时变形实现了微胶滴的分配。分析了毛细管内的流体行为及液滴形成条件; 基于多物理场耦合的方法, 建立了压电微喷的三设备(压电陶瓷、毛细管、胶体)耦合模型。然后, 讨论了驱动电压、喷嘴直径、胶体黏度对控制胶滴形成的影响。在构建的实验平台上, 开展了控制胶滴形成的实验研究。分析了多控制参数(喷嘴直径、胶体黏度、电压幅值、脉冲宽度)的复合作用, 通过匹配相应的参数实现了pL级微胶滴的非接触式分配。实验结果显示: 使用黏度为30 mPa·s胶体, 直径为10 μm的喷嘴, 在驱动电压幅值为50 V, 脉冲宽度为37 μs等参数配置下, 可获得最小胶滴的体积为8.31 pL。实验结果验证了所提出方法和研制工具的有效性。

考虑环境温度会影响硅微谐振加速度计(MSRA)的测量精度, 本文研究了谐振梁的频率漂移及抑制方法以便提高其在常温下的零偏稳定性。针对结构热膨胀导致的应力进行了建模仿真, 并根据仿真结果优化设计了一种低热应力的双端固支梁的结构来降低热膨胀系数不匹配带来的频率漂移。实验测得新结构的单梁谐振频率的温度系数从典型结构的约30 Hz/℃降为-1.5 Hz/℃, 与仿真结果-1.14 Hz/℃基本一致。为了进一步提高该加速度计的零偏稳定性, 设计了一种高精度测温电路用来补偿温漂, 该电路测温灵敏度为96.25 mV/℃, 测量噪声约为0.000 2 ℃。实验结果表明, 采用优化后的结构结合线性温度补偿的方法, 可使该硅微谐振加速度计的1 h零偏稳定性在常温下达到10 μg以下, 比改进前实验室获得的52 μg水平提升了80%, 满足了高精度加速度测量的要求。

针对芯片即时检测(POCT)芯片对键合精度、键合强度、生产效率和生物兼容性的要求, 基于超声波键合技术设计了结构化的导能筋布置形式和阻熔导能接头结构。研究了超声波键合时间和键合压力对微通道高度保持性能的影响, 确定了精密超声波键合工艺参数。利用高精度显微镜、拉伸试验机和羊全血分别对键合后芯片的微通道高度、键合强度、微通道密闭性以及液体自驱动性能进行了测试。结果表明: 所设计的导能筋布置形式合理可靠; 利于芯片各功能的集成, 阻熔导能接头结构能够较精确地控制键合后微通道的高度, 键合精度达到2 μm; 全血驱动时间的极差在20 s以内; 所确定的键合工艺参数能够实现高强度的键合, 键合强度不小于2.5 MPa。该熔接结构及工艺参数具有键合精度高、键合强度高、生物兼容性好和熔接均匀等优点, 可应用于医用POCT芯片产品中。

考虑采用静态三步拼接曝光法的扫描干涉场曝光系统的性能与工作台的定位精度及稳定性相关, 设计了一种大行程、高精度二维工作台以提高其定位精度。采用摩擦驱动和压电陶瓷微位移机构组合的方式构成宏、微进给机构, 由闭式气体静压导轨带动工作台实现沿X、Y两个方向的光栅分度与扫描运动。优化设计了摩擦驱动机构和气体静压导轨结构, 并对工作台整体结构固有频率进行了有限元分析。使用自准直仪检测了导轨在X、Y方向的直线性, 结果显示其两方向偏航和俯仰精度均在±0.04 μm以内。使用激光干涉仪检测了导轨在X方向的定位精度和定位噪声, 结果表明, 对X向行程为220 mm、Y向行程为300 mm的工作台, 其X方向的定位精度优于±5 nm, 定位稳定性可达±25 nm。得到的结果满足扫描干涉场曝光系统工作台纳米级定位精度的要求。

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应, 设计并制备了膜片式压电微泵。 通过将电能转换为机械能, 实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成; 微驱动器主要为液体流动提供驱动力, 单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析, 确定了微驱动器的设计尺寸, 并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后, 设计了驱动测试实验, 检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明: 所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70 kHz, 能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30 Vp-p、频率为600 Hz时, 液体的驱动流速约为65 μL/min。该微泵具有体积小, 线性度好等特点。

传统半导体激光器与驱动控制器多采用分离式设计, 故半导体激光器系统的体积很难紧凑化, 而一体化半导体激光器存在电路集成度高, 发热严重等问题, 因此, 本文提出了对半导体激光器进行一体化、小型化设计的方法。为了保证所设计的半导体激光器运行时系统温度分布均匀, 输出激光不受温度变化影响, 在结构设计之前, 利用ANSYS软件对元器件集成度较高的电路板等热源进行了热仿真, 提高了集成后结构的可靠性。仿真结果显示, 优化设计后的半导体激光器一体化结构满足激光器温度要求, 系统温度分布均匀, 能保证激光器稳定运行。设计的新型半导体激光器的整体结构尺寸仅为 85 mm×95 mm×115 mm, 不仅实现了半导体激光器与驱动控制器的一体化与小型化集成, 并且结构中留有准直光路设计空间, 便于后期的应用研究。

提出一种由压电梁及其端部附加质量构成的直激式压电风能捕获器。在考虑了压电振子静平衡变形的基础上, 根据涡激振动理论建立了柔性压电振子的自激振动理论模型并进行了仿真分析, 获得了压电梁厚度比、附加质量及风速对其发电性能的影响规律。结果表明, 存在最佳的压电梁厚度比使输出电压、电能及功率最大, 电压/电能/功率所对应的最佳厚度比分别为0.5/0.65/0.65。其它参数确定时, 存在最佳风速/附加质量使输出电压最大, 且最佳风速随附加质量增加而降低、最佳质量随风速增加而降低。制作了风能捕获器样机并进行了试验测试, 风速为4.8/7.2/10 m/s时, 对应的最佳附加质量及最大电压分别为15/11/7 g和1.9/3.94/6.18 V; 风速为10 m/s时, 10 g附加质量下的输出电压为0/20 g 附加质量下的4.1/1.2倍。结果证明根据实际风速范围确定合理的附加质量可提高发电能力。

设计了一种用于大型光学载荷次镜在轨位姿精密调整的Hexapod型平台机构, 并对其进行构型参数优化以及各支撑杆和上下铰点误差限的最优分配。建立了Hexapod平台机构运动学模型和静柔度模型, 分析了主要结构参数对机构性能的影响。按照次镜精调机构性能要求, 提出了定位精度指标和抗变形指标, 建立了以构型参数为变量的优化目标函数, 并利用遗传算法对两个单目标函数进行优化。利用加权分配法构造统一约束目标函数, 利用遗传算法对其进行多目标优化。然后, 建立非线性最优误差分配模型, 对各支撑杆和上下铰点进行误差分配。最后, 通过对原理样机性能指标的测试验证了上述研究方法的效果。研究结果表明: 优化前后动平台定位精度提高了8.3%, 抗变形能力提高了62.5%, 铰点误差限由2.7 μm提高到6.3 μm, 支撑杆误差限由1.3 μm提高到3.2 μm。另外, 实验测得Z轴相对定位精度为0.6%, 静刚度达到41.14 N/μm。本研究提高了次镜精调机构的定位精度和静载抗变形能力, 有助于缩短设计、加工周期, 节约设计、加工成本。

研究了空间飞行器扫描伺服系统的高精度驱动控制技术。针对有效载荷对地面目标进行扫描时多要求其伺服系统提供高精度的低速性能, 本文提出采用交流永磁同步电机直接驱动伺服系统, 省去中间的减速器传动环节来提高伺服系统的驱动控制精度。 伺服驱动控制系统用现场可编程门阵列(FPGA)作为高速信号处理芯片, 提高信号的处理速度和控制精度; 用高精度的绝对式光电编码器检测转动位置, 提高位置检测和速度的精度; 主电路采用功率线性放大技术, 得到光滑, 力矩脉动小的驱动波形。系统实验表明, 由于该方法采用模拟正弦信号驱动, 在低速时避免了脉宽调制(PWM)驱动信号开关和死区造成的速度波动, 实现了高精度的速度控制, 速度波动范围在1%以内; 得到的电压、电流测试曲线光滑, 无高次谐波干扰。该扫描伺服系统满足动态和静态要求, 为实现空间低速高精度扫描提供了一种新的方法。

针对压电陶瓷固有的迟滞现象对其定位控制精度的影响, 对迟滞进行了特征分析和实验验证。基于微观极化机理和机电耦合效应分析了迟滞的成因, 分别对不同驱动行程, 全行程不同位置和不同起始电压下的迟滞特性进行了对比实验。结果表明: 对10 V行程的驱动, 随着电压区间的递增, 平均位移输出先增大后减小, 平均迟滞误差从0.419 3 μm减小到0.158 9 μm; 对100 V行程的驱动, 随着起始电压的增大, 平均位移输出从42.882 5 μm减小到25.92 μm, 平均迟滞误差从3.999 3 μm减小到1.692 3 μm; 起始电压每增加15 V, 位移输出减小5.654 2 μm, 迟滞误差减小0.769 μm。实验结果反映了电畴翻转状况对驱动过程机电耦合效率的影响, 有效验证了电畴翻转理论。实验也表明: 针对电畴翻转不同阶段所表现的的迟滞特征对压电陶瓷驱动器的迟滞误差进行补偿, 可修正或减小迟滞误差带来的影响, 为提高系统定位控制精度提供科学的参考依据。

由于大口径空间相机对空间环境变化和卫星内部振源引起的微振动十分敏感, 本文研究了影响成像质量的微振动频率响应的计算方法, 以改善相机的在轨动态成像质量。该方法通过实际光学模型取代线性光学模型, 建立微振动光机集成模型, 从而计算影响成像质量的微振动频率响应。首先, 建立大口径空间相机有限元模型, 进行结构频率响应计算, 得到采样频率点的光学表面节点位移和相位。然后, 通过蒙特卡洛分析方法, 建立微振动光机集成模型, 以均方根光学系统动态传递函数和视轴漂移衡量大口径空间相机动态成像性能。最后, 研制了大口径空间相机力学样机, 对其进行了振动试验, 验证了有限元模型的正确性。试验结果表明仿真结果与试验结果接近, 误差均在5%以内, 满足大口径空间相机动态成像质量分析的要求。

为提高超磁致伸缩致动器(GMA)的精度, 描述其在动态和准静态环境下的复杂磁滞行为, 设计了具有精密位移输出的GMA, 建立了包含磁滞及涡流损失的动态非线性多场耦合模型。首先, 采用模块化方法设计了GMA; 然后, 利用热力学理论和能量守恒定律, 建立了超磁致伸缩材料非线性多场耦合本构模型; 最后, 通过分析材料非线性本构行为与系统结构动态行为间的耦合过程, 提出了GMA的动态非线性多场耦合模型。实验分析了能量损失及预紧力对系统特性的影响规律。结果表明: 预紧力可改善系统输出特性且存在最佳预紧状态; 建立的模型能够较准确预测位移, 平均相对误差约为4.5%。另外, 随着频率增加, 异常和涡流能量损失以及磁滞量会增大, 磁滞行为源于磁畴不可逆运动过程中的能量损失。实验还显示: 对于精密GMA系统, 不能忽略高频涡流效应。建立的模型较准确地描述了动态及准静态环境下GMA的复杂磁滞行为, 由于考虑了材料本构行为耦合和系统动态行为耦合, 进一步提高了GMA系统的精度。

开展了鞘气聚焦高效率纺丝射流喷射的研究。搭建了带有微弱电流检测模块的鞘气聚焦电纺喷射实验平台, 讨论了鞘气约束作用下纺丝射流的流变与运动行为, 结合理论模型分析了鞘气供气压强等工艺参数对纺丝电流的作用规律。实验显示: 鞘气聚焦促进了射流的拉伸细化, 降低了射流喷射临界启动电压, 减小了纳米纤维的直径、提高了电纺纳米纤维的均匀性。当供气压强由0 kPa上升到50 kPa时, 射流喷射平均临界启动电压由10.2 kV降低至2.9 kV; 施加电压为4 kV时, 经4.4 s产生峰值为532 nA的冲击电流, 稳定喷射阶段纺丝电流为300~500 nA。 鞘气聚焦还减小了射流直径和表面电荷密度, 纺丝电流减小至没有鞘气聚焦时纺丝电流的1/7; 纺丝电流随着鞘气压强、喷头至收集板距离的增加而降低, 随着施加电压和溶液质量百分数的增加而增大。得到的结果表明: 鞘气聚焦抑制了射流喷射过程的电荷干扰, 减小了纺丝射流直径, 提高了静电纺丝的稳定性。 该方法为改善静电纺丝技术的控制水平提供了新的途径。

由于航空遥感惯性稳定平台框架角运动受限, 本文提出了基于LuGre摩擦模型进行参数初步和精确辨识的方法以进一步提高其控制精度。从数字控制系统出发, 构建了摩擦参数辨识系统, 把摩擦参数辨识问题转化为曲线拟合问题。通过限定输入信号幅值和频率, 解决了框架角运动受限导致摩擦参数辨识困难的问题。结合数字控制系统特性, 优先辨识摩擦线性项参数; 根据摩擦静态和动态特性, 提出分步夹逼和分步搜索法依次辨识剩余参数, 完成初步辨识。然后代入初步辨识结果, 用遗传算法完成摩擦参数的精确辨识。仿真结果表明: 摩擦参数初步辨识误差小于5%, 精确辨识误差小于0.7%; 用辨识出的摩擦参数构建摩擦补偿器, 系统对基座低频角运动干扰的抑制能力提高了4倍。最后, 基于某原理样机开展了摩擦参数辨识和补偿实验, 结果表明控制精度提高了1倍, 证实了提出的辨识方法的有效性和工程实用意义。

受光学系统离焦、大气扰动、平台振动的影响, 激光主动照明系统捕获的图像容易被模糊, 而传统的去模糊方法难以取得良好的复原效果, 故本文提出基于光纹特征的盲解卷积复原方法来实现图像去模糊。首先将模糊图像降采样, 建立尺度金字塔, 在尺度空间查找光纹特征图像块。随后基于激光主动照明图像饱和像素较多的特点, 提出新的图像退化模型。最后针对模糊核估计、光纹参数更新、清晰图像复原3个步骤, 提出适用的能量函数, 迭代复原出无噪清晰图像。搭建了主动照明系统, 在捕获的激光主动照明图像上进行了实验, 并与现有方法进行了对比。结果表明: 本文方法不仅能够复原出清晰图像, 而且能有效抑制振铃效应, 其客观评价指标峰值信噪比(PSNR)优于已有的其他算法。

针对相机内参数已标定和未标定情况下的相机位姿求解, 提出了基于共面直线迭代加权最小二乘的相机位姿估计算法。推导了关于相机焦距和位姿参数的线性方程, 通过4条以上共面直线实现了相机位姿参数的线性解算; 对参数线性解进行迭代加权最小二乘优化, 得到更高精度的参数估计值和直线权值; 最后, 利用直线权值和欧式变换的保距性实现相机焦距的解算, 得到了相机焦距和位姿参数的估计值。仿真实验表明: 提出的算法在相机已标定, 直线数为20, 像点噪声方差为5 pixel的情况下, 角度误差小于0.2°, 相对平移向量误差小于0.5%, 耗时大约为1 ms。真实数据实验表明, 提出的算法可以获得与棋盘标定结果相近的精度。与现有算法相比, 提出的算法抗噪性更好, 精度更高, 能够实现基于单幅图像的未标定相机的位姿估计。

由于传统的无参考彩色图像质量评价方法与人眼感知结果的一致性较差, 本文提出了一种全面利用待评价图像的色度、锐利度和对比度的无参考彩色图像质量客观评价方法。分析了彩色图像锐利度的局部特征, 提出了一种新的彩色图像锐利度测量模型。基于对比度的局部特征和Buchsbaum曲线特征, 建立了新的彩色图像对比度测量模型。最后, 通过线性组合色度测量模型、锐利度测量模型和对比度测量模型, 构建了无参考彩色图像质量评价函数。利用TID2013数据库中的3类退化图像(高斯模糊图像、对比度改变图像和噪声图像)验证了本文提出的锐利度测量模型、对比度测量模型和无参考彩色图像质量评价函数的性能。结果表明, 本文提出的锐利度测量模型和对比度测量模型的性能均优于传统的锐利度和对比度计算模型。提出的无参考彩色图像质量评价函数的Spearman秩相关系数(SROCC)为0.904, Kendall秩相关系数(PROCC)为0.865, Pearson线性相关系数(PLCC)为0.922, 亦均优于传统方法。

为了提高航天软件测试的效率和覆盖率, 增加航天软件测试的有效性, 提出了一种基于需求模型的软件测试用例设计方法。针对航天软件测试的特点, 该方法采用从用例层深入至步骤层的测试优化策略。首先, 基于元建模方法定义了一种测试需求模型; 通过建立模型, 将测试需求加以拆分, 获取了测试需求之间的先后依赖关系以及测试需求与测试步骤之间的对应关系。然后, 基于测试需求模型, 构建了测试需求的路径图, 进而通过对图的遍历获得了测试用例。最后, 将该方法用于工程实践进行了实验验证。验证结果表明, 该方法有效保证了测试活动的充分性和有效性, 降低了测试用例约简的风险。与不约简的测试方法相比, 该方法减少测试工作量达18%, 减少测试用例数量为40%以上, 软件测试的执行时间也减少了40%以上, 在满足需求覆盖率的同时, 有效提高了测试效率。

针对图像匹配算法计算量大, 实时性差的问题, 提出了一种基于区域分块与尺度不变特征变换(SIFT)相结合的图像拼接算法。该算法利用图像能量的归一化互相关系数快速分割出匹配图像与待匹配图像间的相似区域, 利用SIFT算法在重叠区域中搜索出能用于匹配的图像特征点并实现快速精确配准。然后, 通过对图像进行了几何校正和图像融合来实现图像序列间的无缝拼接。实验结果表明, 该算法减少了传统SIFT算法的大量无用搜索, 改善了图像的几何失真, 降低了算法复杂度, 提高了图像匹配的速度, 在保证90%以上的匹配准确率的基础上, 计算时间较传统SIFT算法减少了近50%。提出的算法可准确、快速地实现有形变和尺度变换图像的无缝拼接。

为解决彩色物体表面颜色干扰以及条纹之间的颜色串扰导致彩色结构光系统产生的条纹颜色误识别问题, 提出了彩色结构光的条纹颜色分离以及聚类方法。首先, 提出了一种新的摄像机和投影机的颜色校正方法, 以消除外界环境光以及系统的颜色串扰现象, 解决系统的耦合性问题。其次, 给出了一种物体的反射分离机制, 用于提取物体表面的漫反射分量和镜面反射分量, 修正彩色物体的背景色对彩色编码条纹的影响。最后, 利用颜色聚类算法, 对经过彩色物体调制后的条纹进行颜色归类划分, 纠正条纹颜色之间的干扰, 恢复系统消耗的彩色条纹颜色信息。实验验证了本文提出方法的有效性, 结果表明: 该方法具有较高的抗干扰能力、较强的鲁棒性, 能准确有效地识别受干扰的彩色条纹, 识别正确率达到92%左右。

传统的时空上下文跟踪算法在更新目标模型时不考虑跟踪结果的有效性, 故目标被长时间遮挡后, 目标模型容易被错误更新且难以修正。因此, 本文提出了一种基于双目标模型的改进时空上下文跟踪算法以解决错误更新问题。该算法引入一个辅助目标判别模型来评估时空上下文算法跟踪结果的有效性, 并根据评估结果对目标模型进行更新。辅助模型使用目标的局部纹理信息而不是相关性信息作为特征, 在目标被长时间遮挡后也能准确评估更新内容的有效性, 并能在遮挡结束后修正错误更新的目标模型。在多组数据集上的实验表明, 改进算法在测试数据集上的跟踪成功率为82%, 中心偏差为8 pixels; 在长时间遮挡等干扰情况下的跟踪精度比原时空上下文算法有明显提升, 实现了目标的可靠跟踪。

针对体数据各坐标轴分辨率不一致, 导致医学及工业三维图像重建时出现边界台阶状结构、细节断裂或缺失等问题, 提出了基于多分辨率修正曲率配准的层间插值方法。该方法采用反投影重建形式增强图像细节, 解决配准图像清晰度和对比度弱的问题; 利用三次卷积插值构造切片的低分辨率图像以保留图像细微结构, 提高配准精度。采取从低分辨率粗配准到高分辨率精细配准的策略减少计算时间, 提高计算效率。利用切片图像对应像素间存在对称形变结构的特征, 建立了修正曲率模型估计形变场, 解决了配准时单向形变不一致的问题。最后, 通过离散余弦变换(DCT)的数值解析方案对构建的形变场估计函数进行优化, 利用最终形变场数据对切片进行线性插值, 计算出层间图像。实验结果表明, 提出的算法能够消除现有方法插值图像的边缘模糊现象。与线性插值算法相比, 提出方法的均方差(MSD)减小了40%, 高于对称曲率模型, 且耗时仅为该模型的20%左右, 满足应用要求。

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵, 提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法, 并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型, 根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统, 采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法, 保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证, 并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明: 在±20′的视场范围内, 三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″, 2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高, 且易工程实现三维姿态角的测量。

为了提高正规包层-纤芯类倏逝波塑料光纤传感器的灵敏度, 本文对传感器敏感区在真空和水浴中进行了老化处理。老化处理时, 先将光纤部分区域的保护层去除; 然后将这种裸光纤作为传感器的敏感区, 对其进行真空和蒸馏水老化处理。对比研究了传感器敏感区经真空和蒸馏水老化不同时间后的光传输特性及灵敏度, 分析了老化处理对传感器光传输特性与灵敏度的影响机理。研究表明: 老化处理后, 塑料光纤纤芯折射率及材料成分发生了变化, 由此改变了光纤内部光传输模式及光纤表面有效倏逝场透射深度与传播长度, 从而降低了传感器的光传输性能。传感器对葡萄糖溶液的灵敏度随着老化时间的延长先增大后减少, 在真空中105 ℃老化处理20 min后的灵敏度达到最高-0.004 2/g·(100 mL)-1, 高于蒸馏水老化处理后的传感器灵敏度。研究结果对高灵敏度正规包层-纤芯类塑料光纤倏逝波传感器的研制提供了技术支撑。

考虑光学望远镜系统的设计和配备与镜面视宁度相关, 本文引入了标准化点源敏感性(PSSn)来改善传统评价手段的局限性, 以实现镜面视宁度的全频域内评价。介绍了镜面视宁度的概念以及各大口径望远镜对镜面视宁度的检测与评价方法, 同时指出了之前使用的评价指标与评价方法的缺点不足。基于30 m望远镜研究团队所提出的全频域评价指标——标准化点源敏感性(PSSn)提出了新的评价方法。分析了PSSn的特性, 并利用其良好的合成特性以及不同的曝光函数, 得到了不同曝光条件以及视宁条件下的PSSn表达式。最后, 利用在大口径波前上随机选取子孔径的方法, 模拟了冻结湍流假设下的镜面视宁情况, 并对其PSSn的变化进行了估计, 验证了本文方法的可行性。基于本文所提出的对于镜面视宁度的评价与分析, 系统工程师可以全面客观地评价大口径系统的镜面视宁度, 结合PSSn的优良合成特性建立合理的误差树, 有效提高匹配精度, 降低系统建造成本。

研究了X射线发光断层成像(XLCT)的激发性能, 对笔束XLCT和锥束XLCT等两种主要的成像系统在不同激发方式下的扫描时间、重建精度、分辨率及重建时间等性能指标进行了对比研究。设计的对比实验中, 笔束XLCT系统的扫描时间为436 s, 锥束XLCT系统的扫描时间仅为10 s。目标实验中, 笔束XLCT系统的重建时间为82.57 s, 重建误差为0.47 mm; 锥束XLCT系统的重建时间为172.63 s, 重建误差为1.59 mm。在边距分别为1 mm和0.5 mm的两组双目标实验中, 笔束XLCT系统均能准确分辨, 重建误差均在0.8 mm以内, 而锥束XLCT系统对边距为1 mm的双目标重建误差均达到了1.7 mm左右; 当目标边距缩小到0.5 mm时, 其已无法进行全域分辨。实验结果表明: 相比于锥束XLCT, 笔束XLCT利用自身的“激发先验”优势具有较短的重建时间、较高的定位能力和分辨率, 但是其系统扫描时间要明显大于锥束XLCT。本文的工作为选择合适的XLCT成像系统提供了参考。

建立了非接触光学测量实验系统, 对薄壁球壳受刚性平面压缩的连续变形及失稳行为进行了实验研究。实验以理想弹塑性材料制成的薄且壁厚均匀的乒乓球为压缩对象, 采用透明石英玻璃板作为刚性平面, 用相机透过玻璃板采集清晰的散斑图像。然后利用具有非接触、全场、高精度等优点的三维数字图像相关(3D-DIC)技术对与刚性平面接触的乒乓球表面的连续变形进行直接测量, 同时利用二维数字图像相关技术结合压力传感器得到对应的力-位移关系。实验研究表明, 基于3D-DIC方法测量三维表面变形场, 实现了对受刚性平面压缩的乒乓球表面从局部压平阶段到轴对称屈曲阶段, 进而演化到非轴对称屈曲阶段等力学行为的可视化。实验结果表明, 对乒乓球半径的测量精度可达0.5%, 利用Abaqus有限元方法得到的结果与实验结果非常吻合, 验证了所提方法的有效性。