鉴于传递辐射计对成像光谱仪定标时其通道选择对成像光谱仪的定标精度具有重要影响, 本文使用MATLAB语言编写评价函数, 作为对3 000 K黑体光谱曲线进行多光谱反演精度的评价标准, 最后利用MATLAB遗传算法和模式搜索算法工具箱对评价函数寻找最小值解, 即传递辐射计的最优通道选择, 并根据评价函数对光谱通道数、中心波长偏移、带宽展宽和测量系统误差对光谱反演精度的影响进行分析。结果表明, 为实现0.12%的光谱反演精度, 要求传递辐射计中心波长的偏移量不超过0.2 nm、带宽展宽不大于0.02 nm, 测量系统误差小于0.1%。本研究可以指导传递辐射计的设计, 对提高地球成像光谱仪的定标精度具有重要意义。

为了提高圆分度仪器分度误差的测量精度, 介绍了用多面棱体自准直仪测量分度误差的原理和方法, 对影响测量结果的误差源进行了分析。根据测量原理建立了多面棱体和自准直仪坐标系, 利用坐标变换分别建立了多面棱体工作面与受检仪器轴线的平行差、自准直仪光轴与多面棱体工作面不垂直度误差、自准直仪电十字竖线与受检仪器轴线的平行差对分度误差影响的精确模型。在实验室内, 以单轴位置转台的定位精度为测试对象, 设计了以上三种位姿失调误差模型的验证实验, 实验结果与理论模型仿真结果具有很好的一致性, 三种位姿失调引入的误差实测值与理论值的最大偏差小于0.9″, 验证了位姿失调量引入测量误差模型的正确性, 该模型及仿真结果可以准确指导圆分度误差测试。

为了实现以水凝胶为材料的细胞支架快速加工, 将计算全息法引入传统的飞秒激光双光子加工中, 并对全息图的生成方法和全息图对加工结构的影响进行了研究。首先, 根据贝塞尔光波动方程和其透射函数生成贝塞尔光束全息图, 分析两种参数对环形结构大小和质量的影响。然后利用生成的全息图加工得到壁厚800 nm、直径为8~15 μm不等的水凝胶（PEGDA）圆管结构。最后, 实现了基于圆管道的水凝胶细胞支架高效快速加工, 支架中圆管道壁厚800 nm、直径为8 μm。本文首次将飞秒激光全息加工技术应用于水凝胶三维支架加工, 解决了飞秒激光单点加工效率的问题。该技术在生物医学中具有广阔的应用前景。

为了实现高灵敏度的温度传感, 通过在基于保偏光纤Sagnac干涉仪的Sagnac环内增加一段保偏光纤, 控制两段保偏光纤快轴熔接角度接近45°, 设计并制造了保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环结构。在理论上通过Jones矩阵推导了保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环的干涉谱公式, 基于仿真分析研究了主要参数对保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环输出特性的影响。仿真结果表明, 保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环实现了光学游标效应, 两段保偏光纤的平均长度、两段保偏光纤的长度差分别影响保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环输出干涉谱的波长间隔和包络周期; 在实验中, 将保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环应用在光纤温度传感器中。实验结果表明, 在2 cm的感温区域, 保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环温度传感器的灵敏度就达到了-2.44 nm/℃, 是普通Sagnac干涉环温度传感器（-0.163 nm/℃）的1497倍。

针对舰载光电跟踪系统反射式主光学系统的防护问题, 提出了一米量级尺寸的窗镜、镜框的设计、制造和检测的方法。首先, 对窗口材料的性能及强度进行分析, 依据内外压差、自身重量以及旋转惯性力对窗镜强度的影响确定其最小的厚度。其次, 依据指标要求分析设计窗镜、镜框的形变对窗镜等光程差的影响以及其环境适应性。然后, 采用等光程非平面的修磨方法对带镜框的窗镜进行加工及检测。最后, 成功研制出直径φ1 032 mm, 厚度80 mm, 通光口径φ1 010 mm 的融石英材料的窗口玻璃镜, 等光程差为RMS=0.062 8λ@632.8 nm。结果表明, 该窗镜能够对舰载光电跟踪系统反射式主光学系统进行有效的防护。

为了实现对大型空心回转体厚度的测量, 提出了一种基于双激光位移传感器的非接触扫描检测方法。在回转体与双激光位移传感器相对位置未知的条件下, 分析了由回转体安装偏心以及传感器光轴与原点不共线时所引入的测量误差, 建立了双传感器信号与被测位置厚度之间的数学模型。并借助于相关理论相位差计算法、牛顿迭代法以及循环平移方法, 将实际厚度值从传感器信号中提取出来。对回转体厚度检测算法的仿真实验表明, 当检测信号中干扰分量的幅值不大于0.3 mm时, 算法检测厚度的相对误差总体保持在0.5%以内, 并将此作为调整旋转台转速的依据。分析实验测量数据发现, 两路信号的最大相对平移量为4; 通过对数据进行偏心补偿以及平移, 本厚度检测算法的测量重复性误差不大于0.05 mm, 可以实现在随机位置状态下对回转体厚度的高精度检测。

为了提高单频激光干涉仪正交信号相位细分辨向的可靠性与重复性, 本文在正交信号Heydemann误差模型和数字信号处理技术的基础上, 提出一种结合误差修正和相位细分辨向技术的正交信号高精度误差补偿算法。该算法采用基于最小二乘法的矩阵运算计算正交误差补偿参数初值, 通过迭代运算进一步提高补偿精度, 并对修正后的信号构建了基于相位的细分辨向算法。最后通过MATLAB软件对该算法进行了验证。实验结果表明, 上述算法可实现对正交信号误差的精确补偿, 使测量精度可达亚纳米甚至皮米数量级, 从而有效提高测量信号的解调精度。

为了实现大范围的水下微弱声波探测, 提出了一种基于后向瑞利散射空间差分干涉的光纤分布式声波检测（DAS）技术。声波振动引起单模传感光纤中后向瑞利散射光的变化, 将含有声波信息的后向瑞利散射光注入到非平衡迈克尔逊干涉仪, 调节干涉仪的臂长差实现不同长度的相邻空间段的后向瑞利散射光干涉, 然后采用3×3耦合器解调技术解调出相位信息, 实现声波信号的测量。实验搭建了一套基于DAS技术的水下声波测量系统, 该系统不仅能够实时准确定位两个声波位置, 还能还原声波的幅值、频率、相位等信息, 并且实现了1 kHz情况下的-148.8 dB(re rad/μPa)水下声压相位灵敏度, 100~1 500 Hz频率的频响平坦度在1.2 dB之内。实验结果证实DAS技术能够实时快速地实现多个声波信息的定量测量。

在无人机的自主飞行及着陆引导中, 测距与定位是其中的关键问题。本文提出了一种基于无线紫外光的测距定位方法, 对无线紫外光直视通信模型和非直视通信模型进行了分析, 推导出直视和非直视情况下的距离计算公式。根据四节点定位算法, 可以解出未知节点的位置坐标。使用波长为255 nm的“日盲”紫外LED及光电倍增管作为收发器件, 测距信号采用10 kHz的方波信号, 在不同天气情况下进行测距实验。实验结果表明: 在直视情况下, 被测距离真值为0~100 m的测距误差均小于5 m; 在非直视情况下, 由于多径散射的影响, 有效测距距离降为0~70 m。当发送仰角和接收仰角均小于10°时, 测距误差较小, 均小于5 m, 当发送仰角和接收仰角均大于10°时, 随着发送仰角和接收仰角的增大, 有效测距距离明显降低。总的来说, 该算法有着较高的精度, 在GPS无法正常使用时能够为无人机提供导航数据, 基本能够满足自主降落和飞行引导的要求。

为了有效抑制激光照射目标表面所产生的散斑效应, 提高激光主动成像图像质量, 提出采用多光束照明技术, 通过理论分析与仿真实验相结合的方式验证了多光束照明在抑制回波散斑效应方面的作用。首先, 建立了多光束分光照明模型, 理论分析了多光束照明对于完全散射叠加场和部分散射叠加场的散斑抑制原理。在此基础上, 根据理论模型构建了仿真实验系统, 采用不同能量分配的分光方式, 对3种不同表面粗糙度的目标进行了单光束回波散斑对比度和多光束回波散斑对比度实验评估。实验结果表明: 等能量4光束照明的回波散斑对比度仅为单光束对比度的1/2, 与理论分析结果完全吻合, 充分验证了多光束照明技术在回波光场散斑抑制方面的有效性。

在不增大码盘尺寸的前提下, 对测角传感器读数头的布局展开研究, 以研制小型化高精度的测角传感器。本文基于测角误差的谐波分析结果, 详细推导和分析了多读数头布局对角度测量误差的抑制原理。通过对几种典型多读数头布局方式进行深入研究, 提出一种采用奇数头和偶数头相结合的读数头混合布局方式, 以消除更多更高阶次误差, 提高测角传感器的精度。实验结果表明, 当采用三个、四个和六个读数头均匀布局形式时, 测角传感器的测角精度分别为15.44″、9.72″和8.96″; 当采用六个读数头优化布局的方式时, 测角精度可达到7.7″。上述结果说明多读数头优化布局可有效抑制测角误差, 提高测量精度。

为提高超磁致伸缩致动器（GMA）偏置磁场的均匀度, 设计了叠堆式超磁致伸缩致动器（SGMA）, 建立了SGMA的磁场分布模型, 并对模型进行分析研究。首先, 通过分析传统GMA偏磁施加方式的特点和不足, 采用永磁体和GMM棒交替排布的结构形式, 设计了SGMA; 然后, 将磁路模型和毕奥-萨伐尔定律相结合, 建立了能够准确描述SGMA磁场特点的磁场分布模型; 接着, 利用所建立磁场分布模型分析了不同参数对SGMA磁场分布特征的影响, 提出了SGMA结构设计方法; 最后, 通过实验完成了模型验证。结果表明: 采用本文建立的模型描述SGMA磁场分布时, 最大相对误差低于4%; 在预测SGMA的输出位移时, 最大相对误差低于5%。该模型有助于准确刻画SGMA的工作状态, 提高SGMA的系统精度, 并为SGMA结构设计提供参考依据。

为提高多孔质材料渗透系数的理论计算精度, 本文基于分形理论建立了渗透系数求解模型, 并基于图像处理优化了分形维数的求解方法。首先, 利用扫描电子显微镜拍取4种多孔材料表面图像后, 使用盒维法求解分形维数并研究多孔材料图像大小和放大倍数对分形维数求解准确性的影响。其次, 基于气体Darcy定律、分形理论及修正的Hagen-Poiseulle气体方程建立了无修正系数的渗透系数求解方程, 从而完善了多孔材料分形理论计算公式。最后搭建渗透系数测量平台, 基于流动状态的判定结果, 验证了理论推导的正确性。结果表明: 图像越大、放大倍数越低, 分形维数越趋近于真实值; 通过建立材料的最大孔径、最小孔径、迂曲度及分形维数与渗透系数间的无经验参数的理论关系, 可使渗透系数理论计算值更加准确。通过对比渗透系数理论计算值及实验值可知, 误差值为5%～8%, 满足材料渗透系数测量的误差要求。本文研究为材料渗透系数的准确获取提供了新的途径。

在齿轮螺旋线的实际测量过程中, 不同轮齿的螺旋线倾斜偏差经常会出现较大差异。为提高齿轮螺旋线偏差的测量精度, 分别研究了芯轴和齿轮安装误差对齿轮螺旋线偏差的影响规律。首先分别建立了芯轴安装偏心和倾斜误差及齿轮安装偏心和偏摆误差对齿轮螺旋线形状偏差和倾斜偏差影响的数学模型, 然后制作了平垫圈(1#、4#)和楔角误差分别5.5 μm/45 mm(2#)和11.9 μm/45 mm (3#)的楔形垫圈, 用于进行齿轮螺旋线偏差的精密测试实验。得到如下结果: 采用2#楔形垫圈时, 螺旋线倾斜偏差fHβ的最大值与理论模型相差0.17 μm, 相对误差为7%; 采用3#楔形垫圈时, 螺旋线倾斜偏差fHβ的最大值与理论模型相差0.06 μm, 相对误差为1%; 而两次试验中齿轮螺旋线的形状偏差ffβ基本不变。实验结果表明: 齿轮安装偏摆误差对螺旋线偏差的实测结果与理论值基本吻合, 从而验证了所建数学模型的准确性。依据本文所建螺旋线的数学模型, 得到通过调整齿轮安装偏摆误差补偿各齿轮螺旋线倾斜偏差差异的误差补偿方法。本文研究对于研制高精度标准齿轮具有重要研究意义。

提高微混合器雷诺数的适用范围和混合强度是微混合器设计的发展趋势。本文基于非对称分离重组混合原理设计、制作了一种3D-不对称菱形被动式微混合器, 并借助数值分析方法和可视化实验对混合强度和混合状态的变化进行了研究。研究发现: 在低Re(0.01~10)范围内, 两组分间的混合以扩散混合为主, 随着Re的增加, 流速对混合强度的影响有一定下降; 在较高Re(10~200)范围内, 受流速增加的影响, 流体间不平衡微流惯性碰撞逐渐成为影响混合的主要因素。此时, 混合强度随流速的增加逐渐增强并趋于平稳。对Re在0.01~200内的微混合器展开研究, 分析了宽缝比Ws/S、分合角θ、宽厚比H/S等结构尺寸对混合强度的影响。通过综合考虑流体混合强度和通道压降的变化情况, 确定最佳通道结构尺寸为Ws/S=0.2、θ=45°、H/S=0.5, 此时微混合器的混合强度可维持在78%以上。与传统平面对称分合式混合器相比, 设计制作的3D-不对称菱形被动式微混合器混合强度有较大的提高, 验证了本文设计结构的有效性。

采用柔性带式支撑方式的大口径光学反射镜与支撑带之间的静摩擦力对反射镜面形精度影响较大, 而且该影响难于直接定量测量。针对这一实际情况, 考虑到温度变化将引起静摩擦力状态变化这一规律, 建立了温度—静摩擦力间的关系表达式; 接着, 以反射镜所受静摩擦力与环境温度关系为基础, 通过测量不同温度下的反射镜面形精度, 间接推算出静摩擦力对反射镜面形精度的影响; 以1.2米SiC轻量化反射镜为研究对象, 利用干涉仪检测其柔性带式支撑机构在不同温度下的面形精度, 并利用实测数据推导出温度—静摩擦关系的相应系数; 最后借助ANSYS软件, 对带式支撑机构的受力情况进行仿真分析。实测结果与仿真分析结果一致性较好, 说明该研究方法可较为准确地推导出静摩擦力对大口径SiC轻量化反射镜面形影响。

利用Fe-Ga磁特性测试装置进行动态磁致伸缩测量时, 受激励线圈产生的磁场的影响, 测试样品的应变通常偏大, 本文对此做了分析并进行验证。通过分析Fe-Ga动态磁致伸缩测量过程, 对原测试装置进行了改进。将样品的一端固定在极头上并调节激励磁场使其在样品饱和磁场附近, 以消除机械振动对动态磁致伸缩测试产生的影响。采用多参数磁学测试系统和改进前后的Fe-Ga特性测试系统进行Fe-Ga静态和动态磁致伸缩特性测试实验。结果表明: 采用改进的Fe-Ga磁特性测试装置可在低饱和场下精确测量动态应变。实验还测试了Fe-Ga在2.7 kA/m偏置磁场作用下的动态磁致伸缩特性, 结果表明: （1）偏置磁场作用下应变与磁场同频; （2）应变对磁场的滞后随磁场频率的增加而增大; （3）λ～H曲线为椭圆形且椭圆环的面积随频率的增大而增大。上述结果表明, 本文提出的改进装置可有效消除振动产生的额外应变。

由于空间相机桁架结构常用的碳纤维复合材料热导率较低, 从而导致结构内部易形成较大温度梯度。本文提出通过在碳纤维复合材料表面附着铜网和粘贴铝膜, 以实现某空间相机桁架结构的导热增强设计。首先, 建立了碳纤维复合材料热导率模型。然后, 针对碳纤维复合材料平板表面附着铜网/粘贴铝膜的结构特点, 建立了平板的传热模型, 并对未经处理的碳纤维复合材料平板以及在其表面分别粘贴0.05 mm和0.5 mm铝膜、附着等效直径为0.08 mm铜网4种不同状态进行了热分析。接着, 通过试验测试获得了不同状态平板结构的等效热导率。试验结果表明, 表面附着铜网/粘贴铝膜可以使面内等效热导率得到不同程度的改善。其中, 在碳纤维复合材料平板表面粘贴0.5 mm铝膜效果最好, 其可使结构的等效热导率提升至41.3 W/(m·K)。最后, 根据试验所得结构等效热导率, 对某空间相机碳纤维桁架进行了热设计。桁架结构热分析结果表明, 单根桁架杆的轴向温差已由6.8 ℃减小为0.8 ℃, 桁架结构温度均匀性得到显著改善。

本文设计了一种基于挤压-剪切混合模式磁流变离合器, 建立了用于测试其传动性能的实验装置。首先, 介绍了磁流变离合器的工作原理; 接着, 利用ANSYS有限元仿真分析软件分析了磁路的磁感应强度分布特性; 最后, 搭建了磁流变离合器的传动性能实验测试装置, 测试了磁流变离合器的静态传动性能和动态响应特性。实验结果表明: 转速对磁流变离合器的转矩影响不明显, 而电流和挤压应力对磁流变离合器转矩的影响比较大, 转矩随电流及挤压应力的增加而增加; 在1.0 A的电流和40 r/min的转速下, 挤压应力为150 kPa时, 挤剪式磁流变离合器的转矩可达到146 Nm, 比剪切模式下的磁流变离合器转矩提高了约6.6倍; 响应时间常数先随电流（电流小于0.6 A）的增加而减小, 而后受电流影响不明显; 响应时间随挤压应力和转速的增加而下降; 总体接合响应时间在77 ms以内。所研制的基于挤压-剪切混合模式的磁流变离合器传动性能良好, 控制灵敏。

微透镜阵列热压精密成型需要时间保温, 生产效率较低。因此, 提出在模芯加热表面的微沟槽阵列上对聚合物导光板进行热压, 使工件热变形的微米尺度表面层流入微沟槽空间内, 快速形成微拱形透镜阵列, 而保证工件主体不变形。目的是实现高效率和低能耗的微光学透镜阵列热压成型加工。首先, 针对导光板表面的微阵列结构和尺寸分析其微光学性能; 然后, 使用微磨削技术在模芯表面加工出高精度和光滑的微沟槽阵列结构; 最后, 研究微拱形阵列的快速精密成型工艺及微光学应用。微光学分析显示, 微阵列的高度和分布密度对出光面的光照度影响较大。热压工艺实验结果表明, 采用深度为104 μm和角度为121°的微沟槽阵列模芯, 在12 MPa的压力和110 ℃的温度下, 可以在3s内将高度为50 μm的3D微拱形阵列导光板快速精密热压成型。本文方法制作的87 mm×84 mm的导光板, 与市面具有2D点阵且高度为8.2 μm的丝网印刷导光板相比, 光照度提高了21%, 光照均匀度提高了27%。本文研究将促进微光学精准设计和制造在LED照明产业的应用。

为了进一步提高复合轴航空光电稳定平台的性能, 文中首先在硬件电路中采用电流环将复杂的电机模型简化为一阶模型, 同时保证电机的输出力矩稳定; 然后在PD控制器的基础上, 引入了自适应鲁棒控制器, 对快速反射镜进行位置控制和扰动抑制; 最后分别通过带宽测试实验、扰动抑制实验、视轴稳定实验和鲁棒性实验对其性能进行测试, 并采用DOB型音圈式-快速反射镜和压电陶瓷式-快速反射镜做对比。实验结果表明: 相比于传统的DOB型音圈式-快速反射镜系统, 本文控制方法的参数鲁棒性更强; 相比于传统的压电式-快速反射镜, 本文控制方法不仅视轴稳定精度与其不相上下, 还具有更大的行程。除此之外, 在80 Hz以内任意频率扰动的影响下, 基于ARC型音圈式-快速反射镜的复合轴航空光电稳定平台的视轴稳定精度均可以控制在5 μrad(RMS)以内; 同时在-40 ℃~50 ℃的温度条件下依然可以保持该性能, 远远优于DOB型音圈式-快速反射镜的效果。本文控制方法完全满足高精度航空光电稳定平台的性能要求, 对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。

本文针对低光子计数成像过程中产生的泊松高斯混合噪声, 提出了一种数据保真项与稀疏约束项相融合的稀疏重建方法。首先, 基于泊松高斯噪声相互独立的混合噪声模型, 建立了数据保真项与稀疏约束项相融合的稀疏重建目标函数; 在图像块聚类的基础上, 应用改进贪婪算法实现类内稀疏分解和字典更新; 最后, 稀疏分解和字典更新交替迭代求解干净图像。针对强烈泊松高斯噪声污染图像的重建实验显示, 本文方法与对比方法相比, 重建结果的PSNR值平均提升了5.5%, MSSIM值也有明显提升。这些结果表明: 本文方法对具有强烈泊松高斯混合噪声的图像有较好的图像复原和噪声去除效果。

针对卫星平台的微振动, 提出了具有良好高频衰减及共振峰控制性能的松驰型液体阻尼隔振器。建立了松弛型液体阻尼隔振模型, 从传递率的角度分析了提出的松驰型液体阻尼隔振器与传统隔振模型的区别。 使用波纹管提供刚度及密封, 基于小孔阻尼结构形式, 设计了松弛型液体阻尼隔振器并求解了系统的阻尼因子。对所设计的隔振器进行了传递率测试, 结果表明, 松弛型液体阻尼隔振器在共振频率处能够提供大阻尼, 将共振放大倍数控制在2倍以内; 在高频隔振区能提供小阻尼, 100 Hz衰减率超过95%, 隔振性能优于传统隔振器。得到的结果和理论预测吻合较好。该项研究对松弛型液体阻尼隔振器的设计以及其在遥感器微振动隔离的应用上具有很强的指导作用。

提出了一种客观评估遥感卫星获取信息能力的指数模型。分析了影响遥感卫星信息获取能力的主要因素, 包括运行轨道、成像分辨率、成像幅面、姿态机动能力等。以目标综合辨识量作为衡量标准, 建立了涵盖成像分辨率、目标重访、姿态机动能力等要素的信息获取能力指数评价模型。介绍了模型的实现流程和具体步骤。该模型集成目标获取数量和目标获取精度两个维度信息, 可实现遥感卫星信息获取能力的综合评估。以世界观测（Worldview）卫星系列、昴星团（Pleiades）和高景一号(Superview-1)等国内外光学遥感卫星为例进行了验证分析。结果表明, 该指数模型能够对性能各异遥感卫星的信息获取能力做出准确评估, 如WorldView-3的分辨率不到WorldView-1的分辨率的两倍, 但信息获取能力却是其是3倍多; Superview-1分辨率比Pleiades高, 但实际信息获取能力还不到后者的一半。得到的结果验证了提出模型的有效性, 表明提出的模型可为综合评价光学遥感卫星遥感能力提供量化参考, 为光学遥感手段的发展提供评估模型支持。

为了精确地检测到舰船目标, 提出了一种基于多特征、多尺度视觉显著性的海面舰船目标检测方法。该方法首先利用多尺度自适应的顶帽算法抑制云层、油污的干扰, 然后提取双颜色空间特征以及边缘特征构成双四元数图像进行舰船显著性检测。 由于充分利用了双四元数图像, 故可对多个特征尺度进行处理, 并保证不同尺度特征之间关联性。该方法还利用人眼对不同用大小的图像关注目标不同的特点对图像进行上下采样以避免漏检和检测重叠。在得到显著图后利用自适应图像分割（OTSU）算法确定舰船所在的区域, 并在原图上标定、提取舰船目标。在多种海面情况下进行了实验分析, 结果表明: 该算法可以排除多种干扰, 精确地检测到舰船目标, 真正率达97.73%, 虚警率低至3.37%, 相较于他频域显著性检测算法在舰船检测方面有明显的优势。

考虑传统非刚性图像配准方法无法同时满足配准精度和配准时间要求, 综合图像的特征和灰度信息, 提出了几种改进的非刚性图像配准方法: 基于圆形描述子特征的非刚性配准方法（Circle Descriptor Feature, CDF）, 基于动态驱动力Demons的非刚性配准方法（Dynamic Driving Force Demons, DDFD）, 和基于图像特征和光流场的非刚性配准方法。CDF方法通过提取图像的特征点, 采用圆形描述子代替传统方法的正方形描述子来保证图像的旋转不变性, 提高配准速度; DDFD方法通过引入驱动力系数动态改变驱动力, 有效地解决了传统方法配准时间和配准精度低的问题; 基于图像特征和光流场的非刚性配准方法则首先提取浮动图像和参考图像的特征点, 然后利用提取的特征点进行粗配准（特征级配准）, 再采用基于光流场的方法进行精细配准（像素级配准）, 最终实现配准精度和配准时间的兼顾。对checkboard测试图像、自然图像、脑部MR图像、肝部CT图像进行了实验测试, 结果表明, 本文方法在配准时间、配准精度及对大形变图像的适应性方面均优于传统尺度不变特征转换（ SIFT ）、加速鲁棒特征（SURF）、Demons、Active Demons和全变差正则项-L1范数项（TV-L1）等方法。

考虑传统的星敏感器标定方法忽略了星敏感器的畸变与光学参数之间的相互作用而引入的额外误差, 提出了一种基于非线性优化的星敏感器自主标定算法。该算法首先忽略星敏感器畸变的影响, 构建目标函数, 利用Levenberg-Marquardt非线性优化算法优化星敏感器的光学参数; 然后, 将得到的光学参数估计值作为理想值, 通过线性最小二乘法估计相机的镜头畸变系数; 最后, 将前两个步骤获得的参数作为初始值, 构建目标函数, 利用Levenberg-Marquardt算法同时优化光学参数和畸变系数。开展了仿真实验研究, 并与最小二乘法和Samman法的标定结果做了对比, 结果表明: 提出的方法能够很好地实现星敏感器的自主标定。在同等测试条件下, 文中算法获得的最大残差为0.015 pixels, 精度高于其它两种标定方法两个数量级。星敏感器外场实验还表明, 提出的优化方法有效提升了星敏感器的性能。

提出了一种基于L0稀疏先验的改进正则化模糊图像盲复原算法来解决相机抖动所产生的模糊问题。根据模糊图像的梯度分布要比清晰图像稠密并且暗通道的稀疏性也相对较小这一固有属性建立了新的优化模型。针对L0范数的高度非凸性和暗通道稀疏优化过程中涉及到的非线性最小化问题, 提出了一种近似线性映射矩阵, 并用半二次分解法对L0最小化问题进行求解。最后, 采用快速傅里叶变换在频域中对模糊核及清晰图像进行交替迭代运算得到复原图像。对多幅不同类型的模糊图像进行了实验, 结果显示: 复原图像平均灰度梯度高达11.411, 图像信息熵达到7.304, 处理365×285的图像只需8.07 s。提出的算法有效抑制了图像边缘处的振铃效应, 完整保留了清晰的细节信息的同时显著提高了运算速度, 并适用于多种不同类型图像的盲复原。

针对基于传统融合机制的联合跟踪器在复杂环境下鲁棒性不足的缺陷, 提出一种在交互式多模型粒子滤波框架下传递概率矩阵可在线更新的自适应融合跟踪器。首先, 在贝叶斯理论框架下, 基于最小二乘误差估计法得到传递概率矩阵迭代更新方程; 然后, 利用数值积分法获得迭代更新方程的数值解; 最后, 结合重采样技术实现不同子跟踪器之间先验状态分布的自适应交互, 以确保传递权值较大粒子对应的目标状态。在复杂环境下进行了的跟踪实验, 结果验证了本文提出的自适应交互式融合机制增加了对粒子先验状态的校正功能, 有效避免了因误差积累导致的“跟踪漂移”问题, 使联合跟踪器的鲁棒性明显优于单一跟踪器或基于其它融合机制的联合跟踪器。

针对水下潜航器惯导系统的定位误差积累和容错性差等问题, 分析了水声超短基线的相位差定位方法, 推导了基于惯导提供实时位置、姿态误差角信息的惯导/超短基线（INS/USBL）导航解算过程及其坐标转换。结合惯导/ 多普勒测速（INS/DVL）滤波器, 给出INS/USBL/DVL组合导航联邦滤波在3种信息融合算法下的应用。通过MATLAB仿真对导航算法进行了验证, 结果表明该导航算法能够抑制惯导系统误差随时间发散的问题, 能充分利用了3种导航系统提供的参数信息, 且状态维数低, 滤波收敛速度快, 其中基于精度因子信息分配方法的导航系统误差最小。容错性验证结果显示, 当超短基线出现故障时, 重构后的组合导航系统在较高航速情况下依旧能提供有效的导航参数。所提出的INS/USBL/DVL组合导航联邦滤波方法能够精确地提供水下潜航器的各位导航参数信息, 且具有较高的容错性和稳定性。

考虑超短基线的奥米亚棕蝇能精确地定位其寄主声源, 建立了基于奥米亚棕蝇的仿生耦合处理系统以提高小型化测向设备的性能。依据奥米亚棕蝇听觉耦合结构的力学模型, 计算听觉结构振动的时域响应、频域响应和响应的相位差, 构建了仿生耦合处理系统的模型。分析了仿生耦合处理系统的性能, 结果显示: 通过设置合适的耦合参数, 该系统可处理任意频段的信号, 有效地增强信号间的相位差, 理想条件下相位差可被放大18倍左右。针对确定的耦合参数, 系统存在唯一的最敏感频率和最敏感入射角, 即当信号频率等于最敏感频率时, 耦合处理后的响应相位差可以达到180°; 当以最敏感入射角入射时, 响应相位差的变化率最大。该仿生耦合处理系统可采用两种体制测量方向: 即依据测量的耦合相位差直接测向和在最敏感频率和最敏感入射角概念的基础上利用基线旋转实现测向。文中的分析结果为仿生耦合处理系统的应用提供了理论基础。

提出了通过视觉传感获取焊接过程中的焊接特征信息并利用神经网络模型预测焊缝背面宽度的方法。利用大功率盘形激光器焊接了低碳钢SS400焊件, 在焊接过程中改变焊接功率、焊接速度和焊接路径, 并利用两台高速摄像机同步获取焊件正面和侧面出现的焊接特征信息。对获取的图像进行色彩空间转换、分层、滤波去噪和空域图像处理, 提取飞溅、熔池和金属蒸气等焊接特征信息, 观察焊接路径对各个特征的影响。最后, 建立了一个三层的LMBP (Levenberg-Marquardt Back Propagation) 神经网络模型, 将提取的特征信息作为输入量, 预测焊缝的背面宽度。结果显示: 当熔透不稳定或出现未熔透状态时, LMBP神经网络拟合度大于0.83, 最大训练误差均值为0.002 8 mm, 最大实际误差均值为0.225 6 mm。试验结果表明所建立的预测模型具有良好的准确性和稳定性。

为了精确地反映相机的几何成像关系, 本文基于简化的Brown模型和改进的BFGS （Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno）算法提出了一种相机自标定方法。该方法首先将线性模型 和畸变模型拟合为非线性模型, 通过线性模型的基本矩阵约束非线性模型参数得到约束方 程; 然后, 提出了适用于非线性内参数约束方程的基于新拟牛顿方程的改进 BFGS 算法并求解了方程内参数。利用提出的模型和算法, 该标定方法能够在较少的迭代次数和有噪声条件下保证标定结果的精度和鲁棒性。有、无噪声情况下的收敛性分析和鲁棒性分析显示: 在噪声不大于±3 pixel 的情况下, 迭代10次即能保证重投影误差小于0.4 pixel。通过标定相机内参数并计算重投影误差进行了真实图像实验, 结果表明: 标定精度误差小于0.06%, 重投影误差为0.35 pixel, 验证了提出方法的有效性。 该方法适用于计算机视觉领域中的图像处理, 模式分类和场景分析等。