微射流火焰形貌观测及火焰中重要基元的准确测量, 对利用微尺度火焰燃烧特性研制开发微型燃烧动力系统具有重要意义。本文建立了微喷管射流火焰实验及光学测量系统, 对H2和CH4微射流火焰进行了实验研究, 测量了两种重要基元(CH,OH)的空间分布。首先, 探索了相机曝光时间对H2微射流火焰成像的影响, 得到了不同流速下H2微射流火焰形貌的变化规律。其次, 采用平面激光诱导荧光测量技术得到了不同燃料流速下H2及CH4微射流火焰中OH基元分布,同时还利用单反相机加CH滤镜通过长时间曝光(30 s)的方法获得了CH4微射流火焰中CH基元的分布。结果表明, 火焰图像清晰度随曝光时间增加提高, 曝光时间30 s时可获得H2微射流火焰的清晰照片; 采用分辨率2 048×2 048的ICCD相机可获得微尺度火焰OH基元分布的清晰图像。微射流火焰形貌及重要基元的实验结果表明相关数值计算方法准确可靠。

为了解决多通道型偏振成像仪的偏振定标问题, 提出了一种基于积分球无偏光源的偏振定标方法。通过研究偏振光束与光学器件的相互作用, 推导出多通道型偏振成像仪的矢量辐射传输模型, 确定了需要标定的参数。运用无偏光源标定系统的偏振效应, 基于矢量辐射传输模型对中心视场绝对辐射定标系数、光学镜头起偏度和系统低频相对透过率等关键参数进行了标定, 通过分析标定结果求解了系统全视场的穆勒矩阵。最后, 使用可调偏振度光源验证了仪器典型视场的偏振定标精度。研究结果表明, 基于无偏光源的偏振定标方法可以有效提高多通道型偏振成像仪的偏振定标效率; 经偏振定标后仪器在目标偏振度低于20%时的偏振测量误差小于1%, 满足大气气溶胶测量精度的要求。

为了实现焊接缺陷的自动检测, 研究一种交变磁场激励下焊缝表面及亚表面缺陷的磁光成像动态无损检测方法。分析了基于法拉第磁致旋光效应的焊接缺陷磁光成像机理, 并结合交变磁场原理推导出励磁变化与动态磁光成像的关系。探索低碳钢板的亚表面焊缝磁光成像特征试验, 验证了所提方法可用于检测焊缝亚表面的未熔合缺陷。最后对高强钢焊缝特征的动态磁光图像进行分析, 采用主成分分析法和支持向量机(PCA-SVM)模式识别方法建立了焊接缺陷分类模型。试验结果表明, 所提方法可以识别高强钢焊件中的焊缝特征(未熔透、裂纹、凹坑和无缺陷), 缺陷分类模型的整体识别率达到92.6%, 能够实现焊缝表面及亚表面缺陷的自动检测。

为了对滑动轴承的润滑油膜厚度进行精确测量, 搭建了光纤结构的谱域光学相干层析成像(OCT)检测系统。该检测系统通过谱域OCT对油膜进行高分辨率成像, 根据一维深度图像和二维层析图像中油膜和轴承表面的相对位置得到油膜厚度。分析了SD-OCT的检测原理, 并对油膜厚度进行了测量, 通过干涉光谱解耦法减小噪声对测量结果的影响。实验结果表明, 该系统的测量误差小于2 μm, 具有良好的重复性和可靠性。该测量方法能够对油膜进行快速准确测量, 有望应用于机械设备轴承运行状况的在线监测。

为了在地面高精度评估激光通信终端对卫星平台扰动以及轨道姿态变化的适应能力, 研究了卫星扰动模拟技术和卫星随动仿真模拟技术, 据此提出了激光通信系统地面验证方案。首先开展了激光通信链路随动探测误差对系统随动性能影响分析、卫星扰振源特性分析及建模工作。其次, 分析了卫星扰动模拟和随动模拟的关键技术及解决措施。最后, 结合目前卫星激光通信及卫星平台技术水平, 利用典型数据开展了扰动和随动仿真, 完成了激光通信系统测试。实验结果证明: 基于双反馈环路的高精度光束瞄准控制能够大幅提高卫星扰动模拟器光束瞄准的控制精度, 光束控制精度优于0.1″; 采用高低频联合卫星扰动模拟设计方法, 实现了控制带宽优于1 kHz的高精度光束控制; 高精度随动系统在全卫星运行区域内对卫星光通信终端随动性能的检测精度可达0.1″。

为了缓解单视图X射线发光断层成像中出现的不适定性问题, 提出了一种结合区域迭代收缩策略的快速贝叶斯匹配追踪方法。该方法将贝叶斯模型和贪婪算法相结合, 可以从较少的观测值中高效快速地恢复稀疏信号。为了进一步提高重建精度, 将快速贝叶斯追踪与区域迭代收缩策略结合, 简化了自适应有限元方法在网格划分和系统矩阵构建方面的复杂性, 在缩减因子迭代缩小可行区域的同时, 缓解了X射线发光断层成像逆向题求解中的病态性。为评估该方法的有效性, 设计了仿真实验与真实物理仿体实验。仿真结果表明, 本文方法在加快重建速度的同时, 显著提高了纳米发光目标的定位精度和发光产额的定量结果, 它们分别为0.73 mm和0.79 μg。真实物理仿体实验进一步验证了该方法在实际单视图X射线发光断层成像中的可行性。

光场成像技术中光场的采集和数据的压缩处理是亟待解决的问题。为了实现光场的稀疏采样和恢复, 建立了基于光场低秩结构的压缩采样相机系统, 研究了光场矩阵的结构特征及压缩采样下光场图像的重构问题。根据静态光场各视点图像之间的内容相似性, 将这些图像向量化并按列组合成一个二维矩阵, 该矩阵呈现出低秩或近似低秩的状态。对光场图像矩阵进行低秩分解, 结果表明偏离低秩的部分呈现出很强的稀疏性性质, 低秩和稀疏各自表征不同的数据冗余度。然后, 对基于掩膜的相机采样系统进行随机Noiselets变换测量, 鉴于重构过程是一个低秩稀疏相关性约束下的优化求解问题, 采用贪婪迭代求解分别重构出光场矩阵的低秩部分和稀疏部分。仿真结果表明, 重构图像的PSNR维持在25 dB以上,且保留了光场视点间的视差信息, 能够满足稀疏采样中对光场图像的要求。

随着半导体激光自身输出功率和转换效率的提升, 半导体激光已经广泛的应用于激光加工领域。本文针对目前激光加工领域对半导体激光硬化光源的需求, 研制了波长为976 nm的连续输出半导体激光硬化光源。该光源采用空间/偏振合束工艺达到了较高的合束效率, 采用柱面微透镜阵列分割与聚焦镜复合较好地匀化了巴条激光器慢轴方向固有的光强起伏, 使聚焦光斑的光强呈平顶分布。最后对该光源进行了实验装调和测试。结果表明, 在工作电流为93 A时, 光源的最大输出功率为5 120W, 电光转换效率达47%, 光斑尺寸为2 mm×16 mm, 光斑分布为平顶分布, 平整度大于90%, 满足工业中对大面积、高效率激光硬化的要求。

为了提高GaN基LED的发光效率, 设计了一种新型LED模型, 该模型主要包括Ag光栅, 氧化铟锡过渡层和P-GaN光栅。首先阐述了利用该结构激发表面等离子体从而改善LED发光特性的原理, 讨论了该模型的加工工艺与制作过程。基于COMSOL软件, 利用有限元法对本文提出的LED模型进行了仿真分析, 得出该模型在不同结构参数下, 归一化辐射功率与归一化损耗功率随波长的变化规律以及电场分布情况。仿真结果表明, 在ITO过渡层厚度为55 nm, 周期为270 nm, 占空比为0.5时, 所设计的GaN基LED模型的发光强度较普通LED提高近30倍, 这一结果为研制高性能GaN基LED提供了可靠基础。

为了诊断激光装置聚爆靶辐射等离子体内部的分布及运动过程, 搭建了基于球面弯曲晶体的能谱成像系统。该系统的核心元件为弯曲半径为200 mm的石英球面弯曲晶体(1011), 利用晶体的晶格结构进行反射, 利用弯曲表面实现聚焦。在中国工程物理研究院神光Ⅲ原型激光装置上利用该能谱成像系统首次进行X射线能谱成像实验。IP成像板得到了清晰的高Z元素Au等离子体X射线能谱。能谱信息分析显示, 石英球面弯曲晶体得到的能谱分辨率约为1 380, 与能谱分辨模型理论值的误差为3.9%。该结果表明石英球面弯曲晶体具有很好能谱分辨能力。

为了实现特种管道在高温、高压、辐射等特殊环境下管壁厚度的非均匀性检测, 提出一种基于微分算法的管道壁厚激光超声测量及特征信号处理方法。采用脉冲激光激励和激光干涉探测的激光超声方法, 实验测得管道试件的宽频带激光超声信号。采用数字平均算法对宽带激光超声信号进行去噪处理, 提高原始激光超声信号的信噪比。采用微分算法对激光超声信号进行特征提取处理, 得到表征管壁厚度的激光超声特征信号。根据管道材料声速和激光超声传播时间反演计算得到管道试件的壁厚值, 管壁厚度测量值与实际值的误差小于5%。研究表明, 基于微分算法的管道壁厚激光超声测量及特征信号处理方法具有良好的信噪比、准确的信号特征量和较高的测量精度, 可用于管道壁厚的在线实时检测以及因腐蚀、应力引起的管道壁厚不均匀性检测。

针对高分辨率雷达回波信号仿真对带宽、线性度和延时性能的要求, 设计了X波段雷达测试与校准应用的小型化微波光纤延迟线。分析了雷达回波模拟源对距离延迟单元的性能要求, 根据系统指标, 研制了用于宽带雷达信号线性电光转换的关键器件—直接调制分布反馈(DFB)激光器。基于光纤反射镜, 设计与实现了一种小型化的反射式延迟线结构。最后, 利用矢量网络分析仪对系统的微波传输性能进行了测试分析。结果表明: 直接调制DFB激光器的-3dB模拟调制带宽高达21 GHz。基于该激光器的微波光纤延迟线, 针对X波段雷达测试应用可提供40、80、120 μs不同延时的目标回波模拟, 其带内幅度平坦度小于±0.5 dB, 相位非线性小于10°, 同时线性动态范围大于60 dB, 满足雷达回波仿真与校准过程对于信号附加幅频误差和相频误差的要求。

利用全息曝光法制造大口径全息平面光栅时, 常引入零差移频式干涉图形相位锁定系统来提高全息曝光质量。本文针对直接影响最终干涉曝光精度的系统控制精度开展研究。首先, 介绍了新型的零差移频式干涉图形锁定系统的原理和结构, 在系统理论建模及模型辨识的基础上, 针对非线性系统模型进行了高阶线性化拟合, 并结合系统振动测试实验结果, 设计了系统控制器。然后, 对设计的控制器进行了实际控制调试, 实现了系统的超精密控制。最后, 针对系统控制误差纹波, 采用频域分析方法揭示了影响系统控制精度的主要因素, 提出了未来提升系统控制精度的方法。测试结果显示: 系统相位锁定控制精度可达±0.046 1 rad(3σ)且以高频误差纹波形式呈现。分析了高频误差纹波的成因, 指出受系统噪声、延迟、控制器参数等因素限制, 控制器很难完全抑制频段跨度大而连续的高频微振动引起的干涉图形相位漂移。

提出了利用气动高压激励的阵列式盘型压电俘能器实现气体能量的转化, 以满足低功耗传感器的自供能需求。通过压电单晶片将气缸内部高压气体能量转化为电能, 设计了阵列式盘型压电俘能器的样机结构; 结合气缸的正常工作状态, 分析了压电阵列的工作原理并进行了相应的实验。理论分析显示: 盘型压电阵列具有较高的电荷量与良好的电容性, 适合对具有交变载荷的高压气体能量进行收集。采用外径为12 mm、厚度为0.2 mm的压电单晶片及缸径为63 mm、行程为150 mm的气缸制作了实验样机, 利用气动组件模拟气体环境搭建了测试系统。分别调节压力、周期、流量等参数进行了实验测试。结果表明: 在交变的气动高压激励下, 阵列式盘型压电俘能器可较好地收集交变高压气体载荷能量, 其最佳匹配电阻为600 kΩ, 最大的瞬时功率为1 052 μW, 输出功率可满足低功耗传感器的能量需求。

针对扰动对永磁同步电机转速伺服系统性能的影响, 提出了基于扰动观测器的电流环自适应滑模控制方法。设计了自适应律在线估计系统的内部参数摄动以补偿模型不确定性扰动。同时, 设计了滑模扰动观测器实时估计系统外部负载扰动, 并将观测值前馈补偿到电流环自适应滑模控制器, 在提高系统鲁棒性的同时降低滑模控制系统的抖振。实验结果显示, 采用基于扰动观测器的电流环自适应滑模控制方法, 系统可快速、准确、无超调地跟踪900 r/min的速度指令, 调节时间为0.08 s, 稳态误差为±5 r/min。加入0.6 N·m的负载扰动, 该控制方法的最大转速波动为21 r/min, 比PI控制方法的转速波动减小了3.4%。仿真和实验结果表明, 基于扰动观测器的电流环自适应控制方法提高了永磁同步电机转速伺服系统的鲁棒性和动态响应性能, 同时可有效抑制滑模控制系统的抖振。

对采用圆锥嵌套Wolter-I型结构的X射线聚焦望远镜在装配过程中产生的面形偏差进行了模拟和分析。首先, 利用ANSYS有限元软件建立二维模型。然后, 以实际装配步骤和夹具为加载和边界条件, 通过分析不同半径镜片的装配过程, 得到了面形偏差与三根压条的载荷关系曲线, 由此优选出了不同半径镜片对应的最佳装配载荷。分析显示: 除对应的最大面形偏差外, 优选出的装配载荷均可控制在0.1 μm以内, 满足装配精度要求, 而且对应装配载荷下玻璃镜片的最大Mises应力也均小于玻璃的强度极限, 不会在装配过程中失效。此外, 建立了三维分析模型并与二维简化模型分析结果进行了比较。结果显示: 计算偏差主要集中在镜片的前、后两端约5 mm范围内, 最大偏差为2.3 μm; 镜片中段两种模型的计算偏差小于0.03 μm, 表明提出的二维简化模型可以用于玻璃镜片装配的快速面形偏差分析和载荷确定。文中对镜片装配过程的分析可为提高装配精度提供理论依据。

比较了蓝宝石不同晶面磨削特性的差异。对蓝宝石晶体的A面、C面、M面及R面开展精密磨削试验, 并从磨削力、磨削力比、比磨削能及表面形貌等角度比较了蓝宝石4个晶面磨削特性的差异。采用金刚石砂轮在精密平面磨床上对蓝宝石4个晶面进行磨削, 采用测力仪测量磨削过程中的磨削力, 并根据所测得的磨削力计算磨削力比和比磨削能。最后, 采用扫描电子显微镜观测工件磨削表面形貌。试验结果显示: 蓝宝石的4个晶面中C面的磨削力最大, 其次是M面和A面, R面的磨削力最小; 比磨削能亦为C面最大, 其次是M面和A面, R面的比磨削能最小; 磨削力比则是M面最大, 其次是A面和C面, R面的磨削力比最小。在相同磨削条件下, 蓝宝石不同晶面磨削材料的去除方式有所不同, A面、M面和R面主要以脆性断裂、破碎和解离方式去除为主, 且破碎坑较大, 表面相对较为粗糙; 而C面则存在部分脆性断裂和部分粉末化去除, 破碎坑较小, 表面相对平整。因此, 蓝宝石不同晶面的磨削特性差异明显, 其磨削力、磨削力比、比磨削能及材料去除方式均存在明显的不同。

为了优化直升机升阻比, 研究了飞机设计过程中减小诱导阻力的措施, 提出了一种机翼几何扭转角的反向设计方法。该方法通过确定目标升力分布形式, 对沿翼展方向选取的设计点进行几何扭转角设计, 实现目标分布。基于升力线理论, 建立用傅里叶正弦级数表示的升力线理论积分微分方程的矩阵表示形式, 编制了低速平直机翼的气动力、气动载荷分布的计算程序和几何扭转角的反向设计程序。最后, 基于目标环量分布获得了几何扭转机翼, 并通过程序预测和数值模拟方法对优化结果进行了仿真。计算结果表明: 设计后的几何扭转机翼展向环量分布达到目标椭圆分布形式, 几何扭转机翼诱导阻力减小了17.07%, 总阻力减小了15.43%, 计算状态升阻比提高了6.5%。该方法对选取控制剖面进行设计, 可实现性较强, 具有一定工程应用价值。

针对四点支撑结构的压电式六维力传感器线性度差, 维间耦合严重的问题, 提出了基于径向基函数(RBF)神经网络的解耦算法。分析了耦合产生的主要原因, 建立了RBF神经网络模型。通过对六维力传感器进行标定实验获取解耦所需的实验数据, 并对实验数据进行处理。 然后采用RBF神经网络优化传感器输出系统的多维非线性解耦算法, 解耦出传感器的输入输出映射关系, 得到解耦后的传感器输出数据。对传感器解耦后的数据分析表明: 采用RBF神经网络的解耦算法得到的最大Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别为1.29%、1.56%。结果显示: 采用RBF神经网络的解耦算法, 能够更加有效地减小传感器的Ⅰ类误差和Ⅱ类误差, 满足了传感器两类误差指标均低于2%的要求。该算法有效地提高了传感器的测量精度, 基本解决了传感器解耦困难的难题,

设计了一种安装在鞋上的压电俘能器(PEH), 用于收集人体行走时产生的能量。该俘能器由4根压电悬臂梁和1个弹簧-质量系统组成。弹簧-质量系统能够感知沿径骨轴的加速度激励, 并通过磁耦合驱动压电梁振动从而发电。文中通过拟合实验数据获得加速度信号表达式; 然后, 建立仿真模型, 对俘能器的发电性能进行了仿真分析。最后, 加工了实验样机, 并实验测试了俘能器的发电性能。结果表明, 当受到沿胫骨方向的激励时, 压电梁在一个步态周期内可被弹簧-质量系统激励多次从而产生多个峰值电压; 受到沿胫骨和脚面两个方向激励时, 压电梁的发电性能比只受到单一方向激励时好。当步行速度为2~8 km/h时, 每根压电梁的峰值电压可达到10 V。该俘能器能够从人体行走的超低频运动中收集能量, 并能够同时收集两个方向的加速度能量, 提高了压电梁的发电性能。

讨论了旋翼直升机高频振动时产生的质量不平衡力矩对航空光电稳定平台性能的影响。基于传统光电稳定平台电流反馈、速度反馈、位置反馈的三闭环控制系统提出了一种基于系统模型的质量不平衡力矩前馈补偿方法。该方法通过标定平台质量偏心, 利用加速度传感器获取平台加速度信号来对平台的质量不平衡力矩进行前馈补偿, 实现对平台质量不平衡力矩的抑制, 提高光电稳定平台的扰动抑制能力。实验结果表明: 相对于传统三闭环控制系统, 引入前馈补偿后系统的扰动隔离度至少提高了6.4 dB; 相对于利用扰动观测器对质量不平衡力矩进行补偿的传统补偿方案, 引入前馈补偿的光电稳定平台系统不仅在低频段补偿效果提升约12.9 dB, 而且克服了扰动观测器在高频时不能补偿质量不平衡力矩带来的影响, 使平台在全频段的扰动隔离度都大幅提高, 视轴能更好地稳定在惯性空间内, 具有较高的实用性和使用价值。

针对船载精密成像系统在船体晃动时产生的杆臂牵连平动和等效圆锥旋转, 提出了一种将惯性量测信息引入电子稳像技术对耦合干扰进行补偿的方法。首先, 基于俯仰-偏航式光学稳定平台分析其在视线稳定过程中所产生的等效圆锥旋转, 推导了视线旋转角与平台转角之间的数学关系。然后, 分析了杆臂牵连平动对像点虚化的影响, 并结合圆锥旋转构建了耦合扰动模型; 针对耦合扰动模型提出利用惯性测量信息复合电子稳像的方法来实现低特征背景下的高精度稳像。最后, 通过半实物仿真验证了该方法在低特征环境中的成像稳定精度和实时性。结果显示: 提出的方法能够有效补偿俯仰-偏航式稳定平台转动以及船体晃动时形成的耦合干扰, 在低特征环境中具有较高的成像稳定精度和实时性, 修正误差为亚像素级。图像稳定后的峰值信噪比平均提高了4 dB, 基本满足船载光学精密探测系统对实时性、精度、抗干扰能力和稳定性的要求。

在航天航空光学遥感舰船目标检测中, 受大气、光照、云雾和海岛等海面不确定条件的影响, 传统的舰船检测方法存在检测效率低和可靠性差等问题, 因此, 本文提出一种无监督海面舰船目标自动检测方法。该方法以视觉显著性为依据, 结合多显著性检测模型快速搜索海面目标, 生成显著图后对其进行粗分割, 对提取的目标切片做标记并进行精细分割, 利用改进的Hough变换旋转目标主轴以保证目标对Y轴的对称性; 对可能检测到的厚重云层和岛屿等伪目标使用梯度方向特征进行鉴别, 通过判定目标在360°范围内8个区间的梯度幅度统计值, 确认舰船目标及去除伪目标。实验结果表明, 该舰船检测方法能够成功提取海面上大小不同, 位置随机分布的舰船目标, 准确获取舰船目标的数量和位置信息, 在大量真实光学遥感图像上的测试结果显示, 本文方法检测准确率高于93%, 通过目标鉴别处理, 剔除伪目标后, 虚警率可低于4%, 鲁棒性较强。

针对由于待检测目标局部区域显著性差异过大造成的细微区域检测失败问题, 在贝叶斯理论框架下, 提出一种基于元胞自动机多尺度优化的显著性检测方法。首先结合暗通道先验信息和区域对比度在同一张图片的5个超像素尺度空间内分别构建原始显著性图; 接着, 利用元胞自动机建立动态更新机制, 通过影响因子矩阵和置信度矩阵优化每个元胞下一状态的影响力, 获得对应5个优化显著性图; 最后在基于贝叶斯理论的融合算法框架下得到最终的显著性图。在两个复杂度不同的标准图像数据库上将本文方法与10种主流显著性提取方法进行视觉效果和客观定量数据对比, 结果显示, 本文算法效果优于现有10种显著性提取方法, 其中在公认最具挑战的DUT-OMRON数据库的综合指标F-measure 值为0.631 4, 平均绝对误差(MAE)为0.132 5, ROC曲线下面积(AUC)为0.892 8, 表明本文算法具有较高的准确性和鲁棒性。

针对油液监测中铁谱磨粒图像分割阈值难以选取的问题, 本文提出一种基于差商的自适应铁谱图像分割算法。首先, 将铁谱磨粒灰度图像转换成三维灰度直方图, 并对其进行切片分析; 然后, 引入Newton插值多项式, 将不同切片所得的频数作为切片灰度-频数曲线的插值点, 基于差商构造第一类可接受函数和第二类可接受函数, 结合实验数据确定两类误差, 选取同时满足两类误差的最小灰度值作为分割阈值; 最后, 用本文方法对不同类型的磨粒图像以及添加高斯噪声和椒盐噪声后图像分别进行分割实验, 并与经典的迭代阈值法、Otsu算法、最大熵法进行了比较。实验结果表明, 本文方法受噪声干扰较小, 误检率和漏检率整体优于其他3种算法。对分割所得的磨粒图像进行特征提取, 并利用支持向量机进行识别, 本文方法对3种故障磨粒识别准确率最高, 达到82.86%, 虽在运行时间上无明显优势, 但综合性能最优, 能满足油液监测过程中铁谱图像自适应分割的需求。

本文提出一种基于立体视觉的空间非合作航天器相对位姿自主测量方法, 用以解决在轨捕获中非合作航天器的相对位姿测量问题。该方法以航天器本体和星箭对接环作为识别特征, 识别过程无需人员参与; 同时, 提出一种基于空间几何约束的特征匹配方法, 运用空间几何约束引导匹配, 在完成匹配的同时可直接获取特征的三维信息, 实现特征匹配与重构的一体化; 最后, 利用空间向量对非合作航天器的相对位姿参数进行解算, 充分利用冗余信息, 以提高解算精度。实验结果表明, 在航天器本体尺寸为280 mm、相对距离为2 m的条件下, 本文方法的姿态测量误差小于1.5°, 位置测量误差小于4 mm, 能够满足空间非合作航天器在轨捕获的相对位姿测量要求。

由于接近光学衍射极限, 微米尺度线条纹在经过高倍显微镜放大成像后边缘通常都很模糊, 加上同轴光源产生的光照不均匀现象, 成像质量通常很差。为了有效测量微米尺度线条纹间距, 本文提出了一种针对光学显微线条纹图像的中心线提取算法。首先, 采用Retinex方法对原图像进行增强, 以克服由光照不均匀所造成的无法准确分割的问题。接着, 使用Ostu最佳阈值对图像进行二值分割。然后, 针对分割后条纹边缘含有大量毛刺和凹陷的现象, 使用基于快速步进算法的边缘塌陷法对中心线进行准确提取。最后, 对提取中心线进行了最小二乘拟合。实验结果表明: 本文提出的方法可以有效实现微米尺度线条纹光学显微图像中心线的准确提取。使用本方法对标准宽度线条纹间距进行实测的最大测量偏差小于2%。

分析了光斑图像成像特点和理想光斑灰度分布模型, 针对含有多个不同尺度光斑的图像, 提出了一种可以在复杂环境下一次性快速检测出多个光斑中心的方法。该方法基于高斯模糊后光斑中心不变的性质, 先对含有大量光斑的图像进行快速多级高斯模糊, 构建其高斯尺度空间; 然后, 使用加速的非极大值抑制方法在尺度空间内寻找多个尺度的局部极值, 初步确定各光斑中心的像素级坐标; 最后, 联合这些坐标的邻域像素, 拟合局部曲面, 得到光斑中心的亚像素级精确位置。利用仿真实验和实物实验验证了提出方法的有效性。结果表明: 该算法对640 pixel×480 pixel图像, 处理时间仅需50ms, 每千个光斑的平均检测时间为23 ms, 在复杂环境下正确率可达89%。此外, 该方法对弱光斑较敏感, 适合快速处理含有大量不同尺度光斑的图像, 并能够有效减少光斑的错检和漏检。由于检测速度快, 自适应性强, 在实际应用中取得了良好的检测效果。

测试点优化选择是复杂装备测试性设计的重要环节, 本文提出一种用于解决测试点优化选择问题的离散萤火虫算法(DFA)。首先建立了测试点优化选择问题的数学模型, 接着对传统的萤火虫算法(FA)进行了离散化改进, 给出了离散化萤火虫算法的实施步骤, 并分析了不同的吸引度函数和二值化函数(sigmoid和tanh函数)对算法结果的影响。最后针对5个不同规模的实际系统验证了离散萤火虫算法的有效性, 并与粒子群算法(PSO)和遗传算法(GA)等传统的元启发式搜索算法的计算性能进行了比较分析。结果显示: 在满足系统要求的故障检测率和故障隔离率的前提下, 利用本文提出的离散萤火虫算法得到的5个系统测试代价最优值分别比PSO算法和GA算法平均降低了10.1%和14.6%。实验结果表明: 离散萤火虫算法能快速收敛到更高质量的全局最优解, 避免过早收敛而陷入局部最优值, 对于解决大型复杂装备的测试点优化选择问题具有很好的应用前景。

SVOM天文卫星附属的地基广角相机阵(GWAC)含有36个广角望远镜, 其短时标的高精度自动观测建立在实时自动调焦的基础上, 本文将对广角望远镜实时自动调焦的图像清晰度评价方法进行研究和实现。文章首先比较研究了常用望远镜图像清晰度评价方法的原理及在GWAC系统上的适用性, 得出基于星像能量集中度的两种方法: 星像50%能量半径、PSF的FWHM值适用于GWAC系统。区别于常用天文软件包IRAF费时的算法, 本文提出了基于点源强度分布进行PSF拟合计算FWHM的方法, 并进一步探究了诸如拟合模型、选星标准、定心精度、拟合半径、插值方法、插值间隔、FWHM后处理等关键方法参数对FWHM计算精度与速度的影响。最终得到一套适用于GWAC实时自动调焦的清晰度评价方法, 并用C++编程实现。本文中方法FWHM计算误差为0.046 pixel,精度与IRAF相当, 计算焦点位置一致; 单图(挑选后约300颗星)计算时间为0.67 s, 约为IRAF计算时间的1/20, 满足GWAC系统自动调焦的精度与实时性需求。研究结果在GWAC系统中得到应用, 并可为其他自动化望远镜观测系统提供参考。

为了给视网膜图像配准、光照校正及视网膜内部病理学检测等问题提供有效依据, 本文提出一种有效检测及识别彩色视网膜眼底图像血管的全自动方法。针对视网膜可见血管呈长条型管状、局部具有较好直线型结构的形态特点, 本文采取适用于条状结构的组合移位滤波响应模型进行特征提取。针对血管和血管末端特征的不同, 分别配置对称和非对称的两种滤波模型进行跟踪, 利用组合移位滤波模型(对称和非对称)获取到的响应及G通道像素灰度值共同构建特征向量库, 采用AdaBoost分类器对各个像素点进行分类判定。基于国际公共数据库DRIVE与STARE的实验结果表明, 该方法针对两个标准数据库的分割结果(DRIVE: Accuracy=0.948 9, Sensitivity=0.765 7, Specificity=0.980 9; STARE: Accuracy=0.956 7, Sensitivity=0.771 7, Specificity=0.976 6)均优于已有方法, 适用于彩色视网膜眼底图像的计算机辅助定量分析, 可作为临床借鉴。

在天文图像去噪中, 为了提高迭代曲波阈值算法的去噪重建性能, 提出了基于循环平移和曲波维纳滤波的压缩感知迭代重构算法。首先, 使用基于曲波阈值的循环平移方法对重构图像进行调整以抑制重构图像中的伪吉布斯效应; 接着, 用提出的曲波维纳滤波算子替代小波阈值在迭代过程中对图像曲波系数进行筛选以进一步提高重构图像的质量。通过对添加高斯白噪声的Lena图像和月球图像进行重构实验, 分析本文算法和当前主流算法的性能。实验结果表明, 与传统的压缩感知迭代曲波阈值算法相比, 本文算法能够获得较优的去噪性能, 有效地保护天文图像的细节信息, 峰值信噪比大约提高了2.6~3.2 dB。

开展了毫秒脉冲激光辐照单晶硅的实验研究, 基于马赫-曾德尔干涉技术测量了毫秒脉冲激光与单晶硅相互作用过程中的在线应力损伤。用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立了毫秒脉冲激光辐照单晶硅的数值仿真模型。从理论和实验两方面探讨了毫秒脉冲激光与单晶硅作用时, 相同脉宽不同能量密度下应力场随时间的演变规律。进一步研究了干涉条纹的处理方法, 基于传统x轴投影法提出了用45°投影法来计算材料各方向上的应变, 并对两种处理方法得到的实验结果进行了对比。结果显示: 与仿真结果相比, x轴投影法实验结果的误差为9.5%~29.3%, 而45°投影法实验结果的误差为0.1%~22.6%, 表明用马赫-曾德尔干涉法测量激光辐照单晶硅产生的在线应力损伤时, 采用45°投影法计算材料各方向上的应变结果更为准确。该实验和计算方法为单晶硅在线应力损伤的研究提供了理论和实验上的指导。