在利用单晶硅的各向异性腐蚀制作光栅的过程中, 掩模与硅晶向的精密对准是获取大尺寸光栅结构的前提条件, 高对准精度将显著降低光栅槽型侧壁粗糙度。设计并制作了一种扇形图案, 通过以该图案为掩模的预刻蚀, 可快速准确发现硅基底内晶格取向。通过此方法进行晶向标定, 并利用紫外光刻与湿法刻蚀, 成功研制了尺寸为15 mm×15 mm、高度为48.3 μm、周期为5 μm、高宽比为20的矩形光栅结构, 线条侧壁粗糙度RMS值为0.404 nm; 利用全息光刻与湿法刻蚀成功研制了大高宽比深槽矩形光栅及三角形槽光栅。矩形槽光栅尺寸为50 mm×60 mm, 高度为4.8 μm, 周期为333 nm, 高宽比为100, 侧壁粗糙度RMS值为0.267 nm。三角形槽光栅周期为2.5 μm, 侧壁粗糙度RMS值为0406 nm。

本文设计了一种应用于测绘型数字航空摄影相机的新型镜间快门, 该快门具有结构紧凑、布局合理及可靠性高等特点,快门采用双叶片结构形式实现了五叶片快门同样高的快门效率。快门通过小型化设计, 实现同轴轮系按不同传动比驱动双叶片旋转实现控制曝光的目的。控制电机转速连续调节叶片转速, 可获得合适曝光量。对快门进行了模拟和实验分析, 实验结果表明, 快门的曝光时间范围达到1/100 s～1/1000 s, 效率达到85%, 快门对光学畸变影响小,具有曝光时间范围广、快门效率高和刚度较大等优点,同时刚度和强度满足相机的使用要求。

液晶玻璃基板在线检测过程中对玻璃板在垂直方向上的变形量有严格的要求, 为了确定在指标要求光学检测精度下的喷嘴间距。本文基于弹性薄板的小挠度弯曲理论对气浮支承下的液晶玻璃板进行理论分析, 推导出液晶玻璃薄板在吹吸喷嘴作用下的最大挠度计算公式, 分析得出最大挠度与通孔间距的二次方、载荷集度成正比; 通过Fluent对液晶玻璃基板气浮支承系统进行仿真, 得到了不同的喷嘴孔间距下的载荷分布以及玻璃基板最大位移处受到载荷的准确值, 从满足玻璃板最大位移要求、气膜面的压力分布状况及经济性方面综合考虑得到气膜单元的通孔横向间距范围, 给出了采用气浮支承传输的液晶玻璃基板光学检测仪器的喷嘴布置参数, 即喷嘴的合理间距应处于20~25 mm 之间。

针对普通尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题, 基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由箝位机构、驱动机构和输出轴组成, 其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动, 箝位机构带动输出轴作直线运动。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构, 保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力, 并提高了其运动速度。采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系, 根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系并制作了样机, 搭建了实验测试系统进行性能测试, 测试结果表明, 驱动器最大箝位力为216.43 N, 最大驱动力为13.5 N, 在驱动电压120 V, 频率95 Hz时, 达到最大速度48.91 mm/s。

为了实现复杂曲面工件的智能抛磨加工, 对叶片复杂曲面进行机器人抛磨工艺规划。对抛磨点位置规划算法和基于最大接触原则的抛磨姿态规划算法进行了研究。首先, 通过平行截面法获得抛磨路径割线, 以非均匀有理B样条(NURBS)曲线描述。接着, 提取曲线特征参数, 根据设定的阈值进行抛磨点规划, 再基于抛磨轮与工件的最大接触原则进行抛磨点姿态规划, 从而得到完整的抛磨路径。然后, 将工件位姿从工件坐标系转换到TCP坐标系。最后, 搭建了柔性抛磨系统仿真平台生成机器人控制程序。实验结果表明, 此方法规划的路径可用于叶片复杂曲面的机器人抛磨加工。分别用本文规划所得路径和CAM软件规划所得路径对叶片进行抛磨加工, 测得表面粗糙度分别为0.695~0.930 μm和2.803~3.243 μm。本文提出的抛磨位姿规划方法可用于复杂曲面工件的抛磨路径规划, 使工具和工件保持最大接触, 从而避免了位姿不合理所产生的过抛和欠抛。

基于遥感手段准确估算水体漫射衰减系数Kd(490), 可为有效评价近岸海域水质、准确估算真光层深度提供有力数据和方法支撑。利用2004~2012年在南海海域获得的9个航次的实测Kd(490)数据, 通过建立实测与遥感产品的时空匹配数据对, 获取与Kd(490)实测数据相对应的MODIS-Aqua遥感反射率(Rrs(λ))和叶绿素a浓度(Chl-a)产品, 分别采用算法Muller, Werdell, Morel, Lee和MODIS业务化算法KD2M对南海海域Kd(490)遥感产品进行精度评估与对比; 在此基础上, 考虑到南海海域水体的特异性, 基于相应的实测Rrs(λ)和Chl-a数据集, 利用上述算法对Kd(490)反演产品再次进行精度评估与对比, 进而探讨Kd(490)产品的误差来源和算法区域化修正的必要性。基于MODIS-Aqua遥感产品, 利用上述五种算法获得的MODIS-Aqua Kd(490)产品值与实测值的平均相对误差(APD)分别是2012%, 2922%, 17.98%, 22.61%和21.61%, 其中, Morel算法最优, 且相关系数最高达0.5; 基于相应实测数据, 利用上述算法反演获得的Kd(490)产品精度均有不同程度的提高, 特别是算法Lee和Werdell, APD分别为17.86%和1797%, 提高了5%~11%, 最优算法为Morel, 其APD可达15.44%。合理选取评估算法及进一步开展算法的区域性修正对于准确估算南海海域Kd(490)产品是非常必要的。

为了在不同时域下获得兼具带通与带阻空间滤波功能的低频频率选择表面(FSS), 提出了一种带通与带阻型FSS可自由切换的设计方法, 即在基于卷曲技术设计的小型化FSS表面上贴装电控PIN二极管, 并利用“场-路”协同仿真的方法进行建模与计算。其中, 卷曲图案既是滤波结构, 也是馈电导线。当PIN二极管导通时, 卷曲图案缝隙处产生的电容C1与金属贴片电感L1构成并联LC回路, FSS表现为带通滤波功能; 反之, 焊盘处缝隙及反偏PIN二极管产生的电容C2与金属贴片电感L2串联, FSS切换为带阻滤波功能。采用印刷线路板及表面贴装工艺制作出了400 mm×400 mm 试验样件并采用自由空间法进行测试, 仿真与测试结果表明: 在2.45 GHz处, 当PIN二极管导通时, FSS表现为强透射性能, 反之则表现出强反射效果。这种基于电控PIN二极管开关所实现的带通与带阻型FSS自由切换方法在通信、电磁屏蔽及雷达隐身等领域具有广阔的应用前景。

为实现对航班失联、自然灾害等突发事件的快速响应与有效观测, 针对面向热点区域内多个目标的敏捷成像卫星在轨任务实时规划问题, 设计了一种基于目标等级的逐级择优在轨任务实时规划算法, 用以快速形成最优成像序列。首先, 将热点区域内的多个地面目标按重要程度划分为多个等级, 在分析目标位置与卫星性能之间约束条件的基础上, 将任务规划问题转化为以成像收益为目标的优化问题。然后, 针对该优化问题, 在同等级目标中按“先到先得”的方法进行筛选, 在当前级最优成像序列的基础上, 进行下一级目标的筛选与插入, 逐级实现成像收益的最大化。最后, 对18个地面目标进行为期500 s的规划仿真。结果表明, 算法能够在1 s内给出对应最大收益的对地成像序列。同遗传算法相比, 所提算法解算更快, 结果更为稳定, 满足工程应用的快速性与高收益要求。

针对传统方法难以实现全波激光雷达数据中非对称波形分解的问题, 本文提出一种结合可变分量偏正态模型和可逆跳马尔科夫链蒙特卡洛(RJMCMC)算法的波形分解方法。首先, 利用能量函数刻画服从偏正态分布的理想波形与实际波形间的差异程度, 并用Gibbs分布定义其似然函数; 然后, 定义理想波形参数模型的先验分布; 在贝叶斯定理框架下, 建立具有分量可变性的波形分解模型; 设计RJMCMC的移动操作, 确定偏正态分布中的分量数以及求解模型参数。利用提出算法, 对不同波形特征(偏态、正态)的ICESat-GLAS全波激光雷达数据进行可变分量分解实验。实验结果表明: 实验波形结果与实际波形数据相关系数达到0.989以上, 所提方法不仅能够同时实现对偏态数据和正态数据的拟合, 还能更为准确地确定波形分量数。证明了该方法能实现全波激光雷达数据的精确分解, 且分解结果与对应地物高程信息相符。

提出了一种高效的基于八叉树体素自适应生成与体素分层次生长的平面提取方法, 其主要思路为采用体素信息统计的方式进行相关阈值参数的自动选定, 以及基于体素的生长替代基于点的生长进行平面提取。首先, 对点云进行八叉树初始剖分并计算其几何属性信息(包括法矢、特征值以及维度特征描述符等); 然后, 通过统计得到细分终止条件, 并对初始八叉树进行进一步自适应剖分, 得到一系列非均匀八叉树体素; 最后, 在体素层面进行区域生长阈值的统计与体素的分层次生长, 进行点云平面的精细提取。利用4种不同类型的点云数据对本文算法进行了测试。实验结果显示: 精度和召回率可以达到95%以上, 表明本文算法对数据质量不敏感, 可以自动适应不同平台采集的、不同分布密度和不同数据质量的激光点云, 并且高效地得到精细的点云平面提取结果。

基于图像对的立体重建是用于获取人脸三维信息的通用方法, 但根据图像数据和重建算法所得到的三维重建结果存在各种误差, 本文对通用形变模型进行改进并与三维立体重建融合以得到更精确的重建结果。首先使用Max-Margin对象检测算法来获取面部边界框, 其中回归树集合法能直接从像素强度的稀疏子集识别面部特征点。然后通过PCA颜色模型生成形状和颜色的三维面部统计模型, 利用ISOMAP算法将三维网格转换为二维表面并提取纹理信息, 得到面部模型。最后在源网格上进行两步非刚性表面配准的变形过程: 先通过对源网格进行二次采样来选择少量网格点来表示源的全局变化, 并选取径向基函数(RBF)进行非刚性全局变形; 再对源顶点进行Procrustes分析获得非刚性变换, 再通过加权方案来进行k-近邻变换, 得到平滑的局部变形。将单图像重建的面部模型, 立体重建的面部模型和本文的面部变形模型与高质量扫描云图进行对齐比较, 得到面部变形模型的3个RMS值分别为2.795 2, 2.102 8和2.153 4, 相比于其他模型, 面部变形模型更接近高质量扫描云图, 即与原图像一致性更高, 误差更小。面部变形模型的定性和定量分析表明, 立体重建与人脸一般形状信息的组合在几何信息的表达上优于基于通用模型的单个图像重建以及未考虑通用模型的立体重建。

为了提升海杂波中小弱目标检测能力, 通过研究海杂波在空域和时域上的动态特性, 提出基于空时混沌分析的海面小弱目标检测方法。首先, 在海杂波混沌动力系统相空间重构的基础上提取海浪序列图像的空域混沌参数和时域混沌参数, 验证海杂波在空域与时域具备混沌性; 然后, 采用径向基函数神经网络学习海杂波的空域混沌重构函数、时域混沌重构函数和空时耦合系数, 联合空域和时域混沌特性综合重构海杂波在时间与空间上的传播规律。多种复杂度海面目标检测试验结果表明, 与空域混沌和时域混沌方法相比, 预测误差可降低10%, 检测概率可提高20%, 基于空时混沌重构的海杂波抑制能力与小目标检测性都得以显著提升。

提出了一种基于深度卷积神经网络的光学遥感图像检索方法。首先, 通过多层卷积神经网络对遥感图像进行卷积和池化处理, 得到每幅图像的特征图, 抽取高层特征构建图像特征库; 在此过程中使用特征图完成网络模型参数和Softmax分类器的训练。然后, 借助Softmax分类器在图像检索阶段对查询图像引入类别反馈, 提高图像检索准确度, 并根据查询图像特征和图像特征库中特征向量之间的距离, 按相似程度由大到小进行排序, 得到最终的检索结果。在高分辨率遥感图像数据库中进行了实验, 结果显示: 针对水体、植被、建筑、农田、裸地等5类图像的平均检索准确度约984%, 增加飞机、舰船后7类遥感图像的平均检索准确度约95.9%; 类别信息的引入有效提高了遥感图像的检索速度和准确度, 检索时间减少了约17.6%; 与颜色、纹理、词袋模型的对比实验表明, 利用深度卷积神经网络抽取的高层信息能够更好地描述图像内容。实验表明该方法能够有效提高光学遥感图像的检索速度和准确度。

本文以空间超大幅宽低畸变红外变焦扫描成像系统为研究对象, 分析给出地面畸变与成像系统瞬时视场角的关系, 提出变速扫描成像并推导了扫描角速度公式。为解决匀速360°旋转扫描效率低和双向摆动扫描成像需安装扫描线矫正器所导致的系统复杂性高、可靠性低的缺点, 设计了一种正弦加速度快速回扫的方法。对变速扫描以及正弦加速度快速回扫方法进行了仿真及实验, 结果表明扫描控制系统慢速扫描与快速回扫之间状态切换稳定, 扫描起止角度误差仅为1.44角秒, 扫描速度稳定度为±0.5%, 扫描成像过程时间误差为83 μs, 回扫时间误差为250 μs, 整个扫描周期时间偏差小于1倍像元积分时间(355 μs), 扫描效率达86%, 在提高了扫描效率的同时减小对扫描机构的冲击与振动, 满足成像要求。正弦加速度快速回扫方法对机载红外扫描成像系统快速回扫运动设计也具有一定指导意义。

利用闪电探测资料研究闪电放电特性及其活动特征, 对于雷电灾害的监测和预警具有重要意义。卫星闪电探测不受下垫面条件限制, 可观测覆盖区域内的总闪电, 但无法区分云闪与地闪, 地基闪电探测以定位地闪为主, 且二者探测原理不同。本文分析了卫星与地基闪电探测在观测目标、定位精度和探测率等方面的差异; 在此基础上, 利用卫星闪电成像仪TRMM LIS与我国国家雷电监测网资料, 提出一种结合星地同步闪电观测数据的闪电活动分析方法, 该方法对两种资料中时空特性较为相近的探测单元进行匹配处理, 通过聚类算法得到闪电信息; 利用该方法分析了我国西南地区2008~2014年的闪电分布特征。结果表明: 该方法可有效获得观测区域的闪电信息, 且从气候与地形因素等方面可对分析结果给予解释; 下一步结合静止卫星闪电探测资料, 可从数据匹配误差上获得改进, 同时可将多源闪电观测资料结合的方法扩展到更多应用。

为保证钢轨磨损动态视觉测量的高精度, 综合图像获取和图像处理技术, 实现了清晰光条图像获取和光条中心点亚像素坐标精确提取。根据光条与背景环境亮度的高对比度, 提出一种依据光条亮度的相机自动曝光法, 用于获取清晰的光条图像; 分析图像光条法线方向的亮度衰变特征, 采用动态阈值分割法初步提取光条, 滤除图像背景的同时保留光条法线方向的亮度衰减信息; 根据图像过度曝光信息确定光条中心点像素大致位置, 再对分割的光条图像相对应像素位置点计算Hessian矩阵, 获取光条中心点的亚像素坐标。采用MFC编写应用程序进行试验, 在不同光照环境和背景物的干扰下, 该方法可精确地提取光条中心, 与经典Steger算法相比提取精度偏差为0.05 pixel, 运算时间节约40%。试验结果验证了该方法稳定性好, 有较强的抗干扰能力, 较好地满足钢轨磨损测量的现场要求。

为克服传统光电被动测距系统稳定性差、远距离条件下测距精度收敛性差、系统难以小型化等不足, 本文提出一种基于目标特征尺寸的可视化光电被动测距系统。建立了被动测距模型并分析测距原理, 从理论上分析获得距离反演公式和测距误差精度; 设计了被动测距算法并分析相关成像参数获取途径和方法; 通过高清成像器、半导体激光器和信号处理器等软硬件设计, 实现了系统的可视化被动测距功能和全天候图像信息获取; 最后通过目标特征尺寸及其成像系统参数反演目标距离, 实现了在成像过程中实时测距并进行被动测距实验验证。实验结果表明, 被动测距精度优于10%, 当前软硬件参数配置下, 目标的测距距离大于1 km, 测距鲁棒性好, 性能稳定, 可广泛应用于全天候目标图像信息获取和光电被动测距的实际工程实践中。

为了实现平坦度更好、光谱覆盖可见光波段的超连续谱激光输出, 研究了泵浦波长可调谐的全光纤结构超连续谱光纤激光器。设计搭建了一台非线性偏振旋转锁模脉冲光纤激光器, 实现了9种中心波长的耗散孤子皮秒脉冲输出, 波长调谐范围为1 041~1 076 nm; 以它作为种子源进行了两级功率放大, 并泵浦10 m 长的光子晶体光纤, 在泵浦激光功率为500 mW时, 得到9种输出光谱特性不同的超连续谱激光, 得到当泵浦激光中心波长为1 050 nm时, 更利于实现光谱范围更宽、平坦度更好、可见光分量更多的超连续谱激光输出。为进一步拓宽超连续谱激光的光谱范围、提升光谱平坦度, 将泵浦激光功率提升至1.45 W, 最终实现了输出功率为600 mW、短波边界为470 nm、600~1 700 nm内10 dB光谱宽度为1 053 nm的超连续谱激光输出。

为了研究一种星载光纤光栅传感解调系统, 通过高掺锗光纤载氢增敏和优化紫外曝光功率, 实现了栅区长度小于0.5 mm, 反射率大于40%, 3 dB带宽大于5 nm, 反射谱边缘有效线性区域大于2 nm的超短光纤光栅的写制。提出了一种将超短FBG作为传感器件, 利用其光谱线性区进行传感解调的方法。将中心波长位于光谱线性区域的稳频激光入射到超短光纤光栅, 随着超短光纤光栅光谱的漂移, 反射光的功率随之变化。由于稳频激光位于线性区域, 返回光功率与光谱漂移量呈线性关系, 因而可实现传感测量。将该系统用于应变和温度的测量, 结果表明, 光功率随应变、温度变化具有较好的线性关系, 线性度分别为0.997和0.999, 灵敏度分别为54.59 nW/με和230 nW/℃。该方法可用于温度及应变的精确测量, 并且具有结构简单、功耗小、测量空间分辨率高等潜在优势。

为了优化变焦镜头的设计过程, 本文提出了基于混合镜组模型的变焦镜头设计方法, 包括近轴设计, 镜组模型确定以及基于混合镜组模型的像差设计。近轴设计阶段采用了高斯括号和矩阵光学, 可以很方便地构建镜组间隔和镜组焦距之间的关系。镜组模型确定阶段是根据现有镜头专利训练了一个镜组分类模型, 它可以根据镜组近轴数据将镜组分为薄透镜模型或者厚透镜模型。像差设计阶段综合了薄镜组模型像差设计和厚镜组模型像差设计。镜组分类模型成功地将80%以上的镜组进行了分类。最后采用基于混合镜组模型设计方法设计了一个物方远心的变焦镜头。结果表明, 该镜头具有良好的设计初值, 基于混合镜组模型的变焦镜头设计方法能减少像差变量数量, 准确、方便地完成像差设计。

为满足机动式车载自适应光学系统的需求, 设计了专用的波前处理器。该波前处理器采用波前处理主板、波前处理子板和DA转化板相结合的硬件架构, 由光纤作为通信载体。在满足功能需求的同时提高了系统的可靠性; 波前处理器是自适应光学系统闭环控制的运算中心, 其运算延时直接影响系统的控制带宽。本文提出一种基于FPGA的多线流水自适应光学实时波前处理方法, 实现了波前斜率计算、复原运算和控制运算。结果表明: 对于两级精密跟踪, 97个子孔径以及97单元变形镜的自适应光学系统, 系统处理延时为506.25 μs, 满足系统1 500 Hz的实时波前处理需求。

为了研究键合晶体在被动调Q激光器上的应用优势, 采用Yb∶YAG/Cr4+∶YAG/YAG键合晶体搭建了紧凑的端面泵浦被动调Q激光器, 获得了高效的1 030 nm和515 nm脉冲激光。实验研究了泵浦功率和初始透过率T0对各项激光性能的影响, 结果在T0=95%时得到了平均功率为1.97 W的1 030 nm激光, 对应33%的斜效率, 而当T0=85%时输出的1 030 nm脉冲峰值功率高达87 kW, 脉冲宽度低至3.14 ns。另外在与LBO的倍频实验中, 用T0=90%的键合晶体获得了较高的绿光输出功率634 mW, 对应11.2%的斜效率和15 ns的脉冲宽度。最后还研究了光谱的红移和输出镜的漏光现象, 找出进一步提高绿光功率的方法。

现有的数字光处理投影(DLP)系统采用色轮和中继透镜等元器件, 由此导致投影系统结构复杂。针对现有技术的缺陷, 本文设计了一种以三色LED作为照明光源, 以梯度折射率透镜形成平行光的新型DLP投影系统。和传统的投影系统相比, 减少了色轮、中继透镜、反射镜等元器件, 简化了光学系统的结构。借助于Tracepro软件进行了模拟与仿真, 对光线追迹的结果进行分析, 分析得到整个投影系统的光斑均匀性为96.9%。结果表明本设计使投影系统的光路得到了简化, 光斑的均匀性也得到了改善。本设计只需要选择合适的投影镜头, 就可以消除LED面光源宽度过大对投影光斑的影响。

为了测量脉冲激光沉积法制备的小面积薄膜的残余应力, 并解决Stoney公式在特定情况下误差较大的问题, 本文提出了一种基于悬臂梁结构和数值计算的薄膜残余应力测量方法。该方法以初始曲率为零的原子力显微镜探针作为衬底梁, 在衬底梁上使用脉冲激光沉积方法沉积被测薄膜, 并记录衬底梁在薄膜沉积前后的翘曲形貌变化, 再结合薄膜厚度、衬底梁几何尺寸、所涉及材料的杨氏模量与泊松比等其他参数, 借助数值计算对实验数据进行分析, 得出被测薄膜的残余应力。使用该方法测出: 基于脉冲激光沉积法在高温环境下制备的二氧化钒薄膜的残余应力为-340 MPa, 与文献报道的结果相符。本文提出的基于悬臂梁结构和数值计算的薄膜残余应力测量方法具有适用范围广、准确度好、实验成本低的优点。

高加速度运动系统中非线性摩擦的建模补偿对提高轨迹跟踪性能至关重要。本文针对传统参数化模型难以准确预估高加速度运动启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦的问题, 在传统模型结构的基础上, 结合扩展Stribeck模型, 提出一种扩展参数化模型, 模型参数的训练和学习样本源于高精度迭代学习控制获取的有限轨迹下非线性摩擦前馈补偿数据, 并采用Levenberg-Marquardt算法拟合模型参数。最后, 在音圈电机驱动的高加速定位平台上针对不同运动轨迹进行了实验验证。结果表明, 该方法能够克服传统参数化模型难以消除高加速度启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦对轨迹跟踪精度的影响; 且与迭代学习控制的轨迹跟踪精度接近, 有效避免了迭代学习泛化性差等问题, 可实现工作空间下任意轨迹的摩擦补偿。

为了使水下拉曼光谱系统更加易于搭载和布放, 并进一步提高其探测能力, 研制了一套探头式的小型高灵敏度水下拉曼光谱系统并对其探测能力进行了评估。通过优化结构设计和严格的器件选型, 系统的体积和重量得到了有效的控制, 其主体舱尺寸为Φ260 mm×L795 mm, 重量为548 N, 仅为国际上报道的首台深海拉曼光谱系统(DORISS)质量的三分之一。将激光器从主体舱移至探头舱, 有效避免了传统光学探头中激发光耦合进入光纤时产生的耦合损失以及激光在传输过程中引起的杂散光干扰。系统采用了300 mW能量可调激光器配合高衍射效率的体相位全息光栅和半导体制冷CCD, 有效提高了探测灵敏度。实验结果表明, 系统对于硫酸根的检测限在0.4 mmol·L-1以下, 是DORISS探测能力的4倍, 同时能够实现对水下矿石种类的原位鉴定。该深海拉曼光谱系统在海洋原位探测方面展现出了良好的应用前景。

为实现精密机械装置的快速定位, 增加压电直线电机中位移放大结构对压电叠堆输出位移的放大能力, 提出了一种基于二级杠杆和柔性铰链复合结构的新型双足压电直线电机。首先, 对电机的作动原理进行分析, 推导了驱动足轨迹方程。为提高其输出性能, 对直圆型柔性铰链的参数进行了优化, 得到最佳铰链参数为厚度th=0.2 mm、切割半径Rh=1 mm和宽度bh=10 mm。最后, 制作了该电机样机并进行了振幅、速度和负载性能测试, 基于正交试验方法对电机速度进行了分析, 得出电压对电机速度的影响更灵敏。实验结果表明, 驱动足Ⅰ、Ⅱ的位移振幅分别在75 μm和63 μm附近波动, 差值约为12 μm; 在120 V、110 Hz的信号激励下速度达16.163 mm/s, 最大负载能力为1.7 N。与现有的压电直线电机相比较, 该电机结构简单, 易于安装调试, 具有响应快、大振幅、速度大且运行稳定的特点。

为了提高3-RRRU空间刚柔耦合并联机构的轨迹跟踪精度, 提出了一种基于瞬态刚体校正法的逆动力学模型求解方法来构建该机构的非线性控制策略。首先, 利用自然坐标法和绝对节点坐标法建立该机构的非线性逆动力学模型, 它考虑了各支链柔性空间梁单元的剪切效应, 并能描述柔性梁的大范围非线性弹性变形。然后, 通过分析刚柔耦合动力学模型在求解过程中出现的相容性问题, 结合自然坐标法与理想运动学模型, 提出了瞬态刚体校正法并求出逆动力学模型的稳定数值因果解。最后, 基于该数值解构建并联机构的非线性控制策略, 通过仿真与实验验证了该方法的可行性与有效性。仿真与实验结果表明: 逆动力学方程组的求解精度为10-6, 约束方程的相容误差为10-8; 与刚性并联机构的控制方法相比, 该方法在圆形轨迹下的最大跟踪误差降低了0.465 mm, 圆度误差降低了0.416 mm。结果表明: 该求解方法解决了闭链机构多体动力学方程的违约问题, 有效地改善了系统的综合收敛性能, 所构建的控制策略提高了并联机构的轨迹跟踪精度。