烯烃工业生产过程中的多组分在线检测是对其工业过程有效控制、提高处理装置综合效益的重要手段。本文以在线检测烯烃裂解炉的清焦过程生成的一氧化碳和二氧化碳为应用案例, 采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为分析平台进行多组分分析。针对清焦过程, 设计了检测0~5%量程CO和CO2的模拟实验。对气体含量随机分布的19组数据分别采用多变量最小二乘算法(CLS)、单组分偏最小二乘算法(PLS1)和多组分偏最小二乘算法(PLS2)进行建模和评估。在后续的多组分交叉干扰实验和CO2的扩展量程准确性测试实验中, PLS1模型的最大误差小于±0.05%, PLS2的小于±0.10%, CLS的小于±0.20%。因此,TDLAS技术结合PLS1算法在实现化工过程中的多组分在线检测时具有先进性。

激光外差技术具有高光谱分辨率特性, 常用于地球大气探测研究, 尤其是测量整层大气透过率及气体浓度反演。本论文设计了以窄线宽3.53 μm分布反馈式带间级联激光器作为本振光源的激光外差系统, 实现了整层大气中水汽和甲烷气体吸收光谱的测量, 系统光谱分辨率达到0.002 cm-1, 信噪比为24.9 dB, 达到多普勒线型吸收谱线的测量要求。利用自行搭建的测量系统测量了3.53 μm波段整层大气透过率, 与辐射传输软件仿真分析结果进行对比, 其绝对差值小于0.1, 实测透过率与仿真透过率具有相同的变化趋势。该系统结合最小二乘法实现了实际大气中水汽和甲烷的同步反演, 合肥地区春季水汽和甲烷的柱浓度均值分别为1.20 g/cm2和1.31 mg/cm2。通过对3.53 μm激光外差太阳光谱测量系统的研究, 掌握了调提高光谱分辨率和信噪比的方法, 为获取大气分子更加准确的吸收谱线和气体浓度反演奠定了基础。

为了实现基于可调谐激光吸收光谱技术的高检测灵敏度、低功耗、小型中红外痕量气体传感器设计, 结合锑化镓(GaSb) ICL和紧凑型多反射气体吸收气室(MPC)研制了基于不同结构传感光学核的两个小型TDLAS传感系统。两个传感光学核的总功率消耗为3.7 W, 并通过探测甲烷(CH4)和甲醛(CH2O)分别验证了双层结构和单层结构系统的性能。实验结果表明: CH4和CH2O系统的检测灵敏度分别为5.0 nL/L和3.0 nL/L, 测量精度分别为1.4 nL/L和1.0 nL/L。此外, 相同配置情况下将两种结构系统应用于甲、乙烷(C2H6)同步检测, 通过对校园环境中甲、乙烷进行连续66 h的监测试验, 验证了设计的紧凑型中红外痕量气体检测系统能够稳定有效地工作, 基本满足目前民用气体测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。

露点温度是表征气体状态的一个重要参数, 针对低温环境的低露点温度精确、快速、连续、原位测量的迫切需要, 提出了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术对水汽露点温度测量的方案。首先与安徽省气象局的冷镜式露点仪一起对比测量标准温湿度箱内的露点温度, 验证波长为1 381 nm的TDLAS系统露点温度测量的可行性及精度, 然后结合一套开放式的测量装置, 进行低温度环境(最低温度100 K)水汽露点温度原位测量。得到了实时的露点温度值, 其中TDLAS露点测量结果与冷镜式露点仪测量结果一致性较好(相差小于1 K), TDLAS测量的时间分辨率为0.83 s, 远远快于冷镜式露点仪的时间响应速度。对于更低气体温度的露点测量, 获得了与气体温度变化趋势相同的露点温度, 同时得到了随着环境温度降低, 水汽逐渐趋向饱和的结论。

为了研究六氟化硫(SF6)气体分子和水汽(H2O)对一氧化碳(CO)气体分子的弛豫率的影响, 建立了一个基于石英增强光声光谱(QEPAS)技术的痕量气体传感器系统。采用1.57 μm的近红外分布式反馈二极管激光器作为激励光源, 并对不同SF6和H2O气体浓度下的CO的光声信号进行对比研究。首先用CO传感器系统探测CO与N2的气体混合物中CO的光声信号, 然后在CO与N2气体混合物中加入不同浓度的SF6气体, 分别探测不同浓度SF6气体下的CO光声信号强度。最后在CO与N2的气体混合物中加入不同浓度H2O, 探测加入H2O后的CO的光声信号强度。实验结果表明随着CO和N2气体混合物中SF6气体浓度的增加, CO的光声信号幅值几乎没有变化, 而在混合物中加入2.5%的H2O后, 发现CO的光声信号提高了约5倍。因此, SF6对CO气体的弛豫率没有明显的影响, 然而H2O的添加能够有效缩短CO气体的弛豫时间。

为了实现对火灾的早期探测, 设计了一种高精度、高灵敏度CO传感器。该传感器以激射波长的为2.33 μm的连续型分布反馈激光器为光源。采用波长调制光谱(WMS)技术与一次谐波量化的二次谐波检测方法相结合的研究手段, 对典型环境压力下复杂、重叠的光谱吸收特征进行分离, 从而实现了良好的选择性和较高的灵敏度。基于Allan Werle方差的系统长期稳定性评估分析表明, 系统的检测限(LoD)为1.18 μL/L; 当积分时间达到 205 s时, 系统能够实现0.08 μL/L的测量精度。最后, 纸、棉花以及松木等容易产生阴燃的可燃物燃烧实验表明, 所研制的传感器具有良好的早期火灾探测能力。

为获取杭州市夏季臭氧浓度时空分布特征和气象要素对臭氧浓度的影响, 利用臭氧差分吸收激光雷达开展观测, 同时利用WRF-Chem模式模拟臭氧时空特征和气象要素。实验结果表明: 臭氧浓度模拟结果与激光雷达的观测结果具有很好的一致性。2016年夏季, 杭州市18天内发生了4次臭氧重污染, 每次持续2到5天, 最高浓度达550 nL/L。高空1~2 km存在较高浓度的臭氧污染层, 并存在垂直和水平传输, 对近地面臭氧污染有明显影响。近地面臭氧浓度平均最低值出现在凌晨2时左右, 为75 nL/L; 平均浓度最高值在中午12时左右出现, 为90 nL/L。近地面臭氧浓度的日变化明显, 而高空的臭氧浓度日变化不明显。臭氧差分吸收激光雷达系统对臭氧时空分布的探测是可靠的。强太阳辐射、高温、低湿都是臭氧污染形成的有利环境条件, 而强风对局地臭氧有扩散作用, 降雨对臭氧有很好的消除作用。

为实现冲压发动机地面直连试验中来流质量流量的测量校核, 研制了吸收光谱法测量系统并开展了台架验证试验。首先, 介绍了基于隔离段温度、流速测量计算质量流量的原理, 针对台架试验环境适应性、长期工作稳定性问题, 介绍了测量系统和光机设计方案, 然后介绍了波长标定、温度与流速反演关键算法。在Ma6.5, 6.0 kg/s流量状态两个独立车次台架试验吸收光谱法计算质量流量的最大偏差为5%, 验证了所提出方法的可行性。该方法为吸气式发动机来流状态的精细测量提供了新的方案和技术手段, 未来可望用于来流捕获的实时反馈控制。

为了实现大功率激光溶脂仪安全、稳定的输出, 设计了1 470 nm大功率半导体激光溶脂的控制系统。对该控制系统所采用的驱动模块、温控模块、主控模块和人机交互模块等进行了研究。首先, 采用FPGA实现恒流源的数字控制, 功率反馈闭环实现恒功率控制,以提供1 470 nm大功率激光器和弱激光红光指示的驱动, 单片机负责实现RS232的协议解析。采用数字模拟PID混合控制, 根据NTC的反馈对TEC进行驱动实现激光器温度控制。设计了基于ARM Cortex-M3架构的STM32F系列微处理器主控模块和人机交互模块, 实现了相关数据的输出显示与存储、触摸屏驱动及响应以及各接口控制。最后, 利用MDK平台编写控制软件并对整机控制系统进行联调和测试。实验结果表明: 整机输出功率与设置功率的偏差小于2%, 安全性能符合国家医用电气安全通用标准的要求。该系统能够满足1 470 nm大功率半导体激光溶脂仪的稳定可靠、安全性高、抗干扰能力强等要求。

为了抑制边缘纯转动拉曼光谱成像偏差, 提出了一种高精度测温拉曼激光雷达光谱仪光学系统设计。该系统利用非球面透镜组对光谱仪成像球差进行校正, 针对光谱仪10 mm/nm的线分辨率要求, 采用双光栅结构设计并对测温拉曼光谱仪各参数进行光线追迹, 拟合得到双光栅的入射角、准直镜焦距和聚焦镜焦距的最优值。将拟合最优化结果代入Zemax 软件进行优化分析, 结果显示单个成像光谱成像宽度控制在0.771 5 mm, 间隔0.1 nm的纯转动连续光谱成像中心间隔可以达到1 mm, 满足了线阵探测器对成像质量的要求。通过计算在J=6级的纯转动拉曼后向散射信号对瑞利-米散射信号实现了108抑制, 达到了高精度纯转动拉曼激光雷达测温的目的, 解决了目前双光栅光谱技术无法达到提取355 nm波段纯转动拉曼高光谱精度的要求, 对测温拉曼激光雷达的技术发展有着深远的意义。

为了抑制甲烷传感器中统计特性无法预知的电学噪声, 本文结合递归最小二乘自适应去噪算法和直接吸收光谱技术,使用中心波长为3 291 nm的带间级联激光器和多反射吸收气室, 研制了一种电域自适应中红外甲烷传感器系统。在传统探测器输出信号(称为信号通道)的基础上, 增加了激光器电流驱动器的反馈信号作为噪声通道来感知电学噪声。利用MATLAB软件对最小二乘法在直接吸收光谱技术中的滤波效果进行了仿真。通过在激光器驱动信号中施加不同的噪声,实验验证了最小二乘法的去噪效果。针对该传感器的Allan标准差结果表明, 当不使用自适应最小二乘法时, 系统在积分时间为6 s的检测下限为78.8 nL/L; 使用RLS自适应算法时, 系统的检测下限为43.9 nL/L。相比基于传统传感结构和滤波方法的中红外直接吸收光谱传感器, 本文所报道的中红外甲烷传感器由于采用了电域自适应滤波方法, 因而呈现出更好的抗干扰性和稳定性。

为了提高微量气体的拉曼散射强度, 本文设计并搭建了注入锁定腔增强拉曼光谱微量气体检测平台。半导体激光器(波长为638 nm, 功率为15 mW)输出到由三块高反镜组成的V型增强腔中, 结合注入锁定技术, 腔内激光强度达到7.5 W, 实现了500倍的增强效果。利用该实验平台对微量单一气体及其混合气体进行了拉曼检测, 并根据拉曼特征谱峰选取原则及信噪比大于3的原则, 确定了H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2的特征拉曼谱峰分别为4 156, 2 143, 1 388, 2 918, 2 955, 1 344, 1 975 cm-1, 最小检测极限分别为10.2, 21.7, 9.4, 2.1, 8.9, 4.9, 3.3 Pa。腔增强拉曼光谱法可以实现微量同核双原子气体检测及利用单一波长激光的混合气体同时检测, 具有替代气体检测传统光谱方法的潜力。

鉴于常规的标识性气体监测方法在响应速度、测量精度、使用寿命、实时性、监测目标种类、测量范围和应用场合等方面相比激光吸收光谱技术存在不足, 本文以可调谐半导体激光吸收光谱技术为依托, 选取合适的无干扰激光吸收谱线, 阐述了工业管道抽取式、管道原位在线对射式、扩散探头式(全量程激光监测一体机形式与多点无源传感器探头形式)、无组织排放开放光路式等多种形式的监测方法。上述系统的测量结果显示: 抽取式可实现CO、CO2、O2等不同多组分气体的同时测量; 管道对射式实现了O2及10 μL/L以下CO的高精度在线测量; 探头式则以CH4测量为例实现了响应时间T90=15 s, 监测极限小于150 μL/L, 泄漏报警准确率达100%; 开放光路形式以天然气集气站场测量CH4、C2H2、C2H4三种气体为例实现了0误报的监测能力。上述分析结果表明, TDLAS技术应用于工矿安全生产及安全预警方面的标识性气体监测是完全实用、有效、准确、可靠的。

为了实现大范围、长距离的大气烷烃气体检测, 将研制的中红外双组分甲烷、乙烷传感器以车载方式, 对某一地区的大气甲、乙烷含量进行了移动探测。该传感器系统采用中红外室温连续的带间级联激光器(ICL)作为光源, 采用高速数据采集卡采集信号, 利用上位机LabVIEW平台编写程序产生激光器扫描及调制信号、获取探测器信号并提取二次谐波, 通过计算, 确定大气烷烃气体浓度。根据气体采样时间、实时风速及车速, 计算得到系统的响应时间为82.5 s, 实验测量为85~95 s, 与理论一致。对系统噪声水平进行测试, 实验室中甲烷浓度波动为±40 nL/L, 乙烷波动为±2 nL/L, 车载过程甲烷浓度波动为+40至-80 nL/L, 乙烷波动为±4 nL/L。为验证传感器性能, 与美国Aeries公司的商用传感器结果做了对比, 二者呈现较好的一致性。最后, 给出了车载传感器系统在某条线路上的甲烷、乙烷浓度移动探测结果, 以及某小区甲烷、乙烷浓度的二维分布测绘结果, 分析了二种烷烃气体的变化关系。本文所开展的工作为探测烷烃气体泄漏并监测大气质量提供了技术保障。

空间干涉测量系统是空间引力波探测的重要组成部分。本文介绍了一种全玻璃材料的差频激光干涉仪的组成结构和工作原理, 对差频干涉仪中双相干光束的匹配对准难题, 介绍了一种适用于光黏装配工艺的角度公差和位置公差保证方法。这种方法采用了监测系统和微量调整机构相结合的方式, 首先,监控系统可以实现光线相对位置的实时测量, 给出被调整光线的调整方向和调整量; 然后, 微量调整机构可以在平面移动和轴向转动3个自由度上, 对目标器件实现微米量级的微量调整; 监控过程和调整过程反复迭代, 可实现对光学元器件的高精度位置控制和角度控制。实验结果表明, 在调整方向上角度公差优于80 μrad, 位置公差优于85 μm。本方案基本满足差频激光干涉仪的装配精度需求, 为后续更高精度的装配奠定基础。

高端玻璃的内部应力精确测量关系其所在系统的安全性和可靠性。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法, 激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成, 待测样品放置在回馈外腔中, 通过回馈光对激光器内部增益调制产生的偏振跳变现象提取双折射信息, 进而获得应力。首先, 从理论上分析了回馈系统中激光器输出的正交偏振模式相位与外腔应力双折射的关系; 接着, 通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息; 然后, 采用标准四分之一波片对系统和算法的精度进行了测试。最后, 采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量, 并给出测量结果。实验结果表明: 该系统对应力的条纹数测量精度优于8.3×10-4, 满足高端玻璃的应力检测需求。

为了研究硅量子点薄膜在太阳电池中的应用, 本文采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术, 低温制备了镶嵌有纳米晶硅(nc-Si)的纳米硅氧多层(nc-SiOx/a-SiOx)薄膜样品。TEM图显示, 通过调整nc-SiOx层的厚度, 实现了薄膜多层结构的低温调控。利用拉曼散射光谱(Raman)、紫外可见透射光谱以及稳/瞬态光致发光(PL)谱等检测手段对薄膜的微观结构、能带特征以及发光特性进行了分析。光吸收谱分析表明, nc-Si粒子尺寸及其a-SiOx边界层共同影响薄膜的光学带隙。稳/瞬态PL谱分析表明, 多层结构发光表现为一个固定于1.19 eV附近的发光峰和一个随nc-SiOx层厚度增加而发生红移的发光峰, 其中固定发光峰归因于非晶SiOx网络中缺陷发光, 发光衰减寿命约在4.6 μs, 峰位可调的发光峰为nc-Si量子限制效应-缺陷态复合发光, 对应两个发光衰减过程, 其中慢发光衰减寿命随nc-SiOx层厚度增加由9.9 μs增加到16.5 μs, 快发光衰减过程基本保持不变。低温PL谱的温度依赖特性进一步表明, 薄膜样品的发光主要表现为nc-Si的量子限制效应发光。

为了提高CO2探测仪的在轨辐射定标精度, 建立了在轨辐射校正原理, 并对关键环节漫反射板的制备、BRDF定标和应用进行了系统的研究。根据CO2探测仪的工作原理与系统组成, 介绍了星上定标设备和在轨辐射定标策略, 确定了漫反射板的制备方法和优化工艺参数, 制定了以标准灯和标准探测器为传递链路的漫反射板BRDF的精确定标方法。对漫反射板基准BRDF、角度修正因子和半球反射率进行了测试, 对其实验室定标精度进行了分析, 并通过在轨初期的应用结果予以验证。发射前的定标结果表明, 漫反射板在760 nm、1 610 nm和2 060 nm 3个波段的定标精度均优于3%。在轨初期的测试结果表明CO2探测仪1 610 nm波段在轨绝对辐射定标精度优于5%。CO2探测仪漫反射板的定标结果满足仪器辐射定标对漫反射板定标的精度要求。

为了简化系统配置、提高图像采集及处理效率, 实现单一光学系统环视高清全景成像, 依据折反射式光学系统的工作原理, 设计了高阶非球面反射式360°全景镜头, 并对光学结构和系统像质进行优化设计。该相机采用高阶非球面反射镜压缩视场角, 将垂直光轴方向俯仰角从-55°到20°的环视目标光引入到系统, 接着, 在后续光路中利用玻璃透镜组对目标光进行接收, 并使其聚焦于相机靶面, 获得物体的环形全景图像。通过对系统像质的优化, 得到高清的360°环视全景图像, 并对光学系统的主要性能指标进行了分析。所设计的360°全景镜头采用1片高阶非球面反射镜和10片玻璃球面镜组成, 系统的焦距为0.4 mm, 光圈数为2.2, 俯仰角达到75°, 像方全视场在150 lp/mm处的光学传递函数值均大于0.3。该360°全景镜头采用单一光学系统成像, 解决了传统拼接式全景镜头图像采集与图像处理效率低的问题, 同时通过简化系统结构, 使该产品符合成本低、可量产的要求。

针对大型装备智能制造中的机器人在线位姿激光跟踪测量与实时引导需求, 提出了一种机器人坐标系与激光测量坐标系标定转换和解算方法。设计了基于距离原则的机器人末端光学工具中心点TCP(Tool Center Point)位置标定算法。通过运用空间点坐标重心化配置算法和基于罗德里格矩阵变换的最小二乘优化算法解算出了具有单位正交性的位姿变换旋转矩阵。进行了机器人坐标系位姿变换激光测量标定和优化对比实验, 旋转矩阵初值和正交优化值进行点坐标转换后的综合RMSE分别为0.579 0 mm和0.501 5 mm。结果表明该方法能够有效改进姿态旋转矩阵正交性, 并提高位姿变换解算精度。

表面粗糙度会直接影响零部件的耐磨性、密封性以及抗腐蚀性等, 是评定机械加工和产品质量的重要指标。现代科技水平的不断提高对零件表面性能的要求也日益严苛。传统的二维表面粗糙度的测量和表征已经不再能够满足技术发展的要求,三维表面粗糙度由于能够更加全面、真实地反映工件表面的状态而受到人们的重视, 成为研究热点。本文回顾了三维表面粗糙度的发展历史, 系统地介绍了三维表面粗糙度参数及标准的发展现状, 分析了表面形貌与功能特性的联系, 概述了三维粗糙度参数在制造业、生物医疗、摩擦学与材料科学等领域的广泛应用, 并进一步指出了三维表面粗糙度表征和应用的发展方向。未来随着相关研究(比如, 三维测量的溯源性、重复性、参数表征体系等问题)的深入以及三维表面测量手段的发展, 三维表面粗糙度参数也将不断完善和推广, 并更多地与实际功能相结合来预测并指导生产, 确保工件的表面质量。

在动载条件下, 为实现并联机构驱动器低能耗、平稳地运行, 针对一种球面5R并联机构, 对其进行动载分配优化。首先利用矢量法得到了机构的运动学正反解, 考虑重力、外力和各构件惯性力的作用, 采用拉格朗日方法和虚功原理建立了球面5R并联机构的动力学模型, 并对机构的数值算例进行了动力学仿真验证, 结果表明: 理论值与仿真值的最大误差为1.3%, 验证了动力学模型的正确性。然后, 基于动力学模型, 考虑驱动器输出功率和力矩因素, 定义了机构的多目标优化函数, 采用B样条插值法规划轨迹, 并用归一化加权求和法优化求解该机构的最优轨迹。最后, 通过数值算例, 验证了优化方法的可行性, 且优化结果表明: 功率峰值降幅为分别为11.77%、48.75%, 力矩峰值降幅分别为0%、51.17%, 速度峰值降幅分别为20.97%、8.1%。说明该优化方法可以有效降低驱动器输出峰值, 使得并联机构驱动器运行平稳, 且该优化方法也适用于其他并联机构。

传统的关节臂测量机工作时是依靠工作人员牵拉实现运动和测量, 存在路径规划不佳、主观性误差大、测量效率低等问题很难适应智能制造对在线自动测量系统的新要求。本文提出了利用含有无刷电机、谐波减速器及精密轴系的模块化关节构成自驱动关节臂坐标测量机的构想, 并对模块化关节进行了构型设计, 建立了单关节扭矩估算模型, 在此基础上选择了关节2的电机和谐波减速器, 设计了关节模块的测控电路, 研制了单关节部件样机并进行了重复性实验。其中单方向测量数据表明, 为保证较小的测量重复性误差, 关节在运动时应尽量避免速度或加速度突变的运动形式; 双方向测量的数据表明, 当控制电机运动速率小于1.53 rad/s时, 测头因回弹产生误触发信号的概率较小, 此时最大误差数据为±2.11″。上述实验也验证了模块化关节设计方案的可行性, 为后续自驱动关节臂坐标测量机整机研制提供了理论和实验依据。

靶准直器是惯性约束核聚变靶场中的重要部件, 其在靶室中的位姿是保证靶定位瞄准精度的主要因素之一。为了实现微米级的定位瞄准精度, 需要利用调整机构对靶准直器位姿进行调整。本文采取理论分析、有限元仿真和实验验证相结合的方法对靶准直器悬臂Y向调整机构的受力变形和稳定性进行了研究。根据对Y向调整机构的受力变形分析, 得到结构受力变形的理论关系式, 可从理论上优化Y向调整机构的刚度和稳定性; 基于有限元仿真对Y向调整机构进行相应约束条件下的稳定性分析和结构优化; 利用实验装置对靶准直器整体稳定性进行实验测试。实验结果表明: Y向调整机构优化后, 靶准直器静态Y向变形由原来的7.9 μm减小至小于2 μm, 动态稳定性满足系统2 μm/2 h的稳定性要求。同时, 试验、仿真和理论分析结果的变化趋势一致, 验证了理论和仿真分析的正确性。

为了实现对轴承滚子凸度轮廓误差的精确评定, 依据圆弧修正型轴承滚子凸度素线轮廓的几何特征和形状误差的定义, 基于最小二乘原理, 研究了轴承凸度轮廓(两段圆弧和一段直线)的最小二乘拟合和误差评定方法。首先利用各测量点的曲率差值确定了圆弧段与直线段的相切参考点; 其次分别选取两个参考点临近的测量点作为辅助相切参考点, 并与对应的圆弧段测量点一起拟合出一系列的最小二乘圆弧并计算拟合误差; 然后基于直线与两段圆弧相切的原则确定出一系列的直线方程并计算对应的直线度误差; 通过比较判断最终确定出圆弧修正型轴承滚子凸度轮廓的最小二乘拟合及误差评定。实例结果表明: 圆弧修正型凸度轮廓曲线的总误差0.020 9 mm与文中设定标准凸度轮廓曲线引入的法向误差0.02 mm相差4.5%。本方法可以有效的实现轴承凸度轮廓的拟合与误差评定, 为平面多段曲线的最小二乘拟合提供了一种新的思路。

多关节测量臂是一种便携式的坐标测量设备, 它由一系列的旋转关节组成。为了提高多关节测量臂的测量精度和可重复性水平, 必须对其运动学参数进行校准。首先, 利用小生境的混沌优化算法提出了一种新的运动学校准方法以及一种混合目标的运动学校准函数, 它考虑了诸如单点测量实验、容积性测量实验等多种性能测量实验的实验结果, 然后, 采用Levenberg Marquardt(L-M)算法和小生境混沌优化算法应用于运动学参数校准。小生境混沌优化算法显示出了优于L-M算法的性能。实验结果表明: 使用NCOA算法校准后, 测量误差的标准差始终优于LMA算法, 并且校准前后多关节测量臂的测量精度提高了40倍。采用L-M算法和小生境混沌优化算法应用于运动学参数校准。小生境混沌优化算法显示出了优于L-M算法的性能。

为提高导引头稳定平台抗扰性, 提出了一种导引头稳定平台的扰动补偿及改进滑模控制策略。首先根据扰动特点将扰动分为摩擦力矩和“剩余扰动”两部分, 基于Stribeck摩擦模型辨识摩擦参数, 并进行摩擦力矩补偿; 采用扩张高增益观测器对“剩余扰动”进行估计, 并给出了扩张高增益观测器的收敛条件。然后设计了改进滑模控制器作为稳定回路的控制器实现伺服控制, 采用Lyapunov函数证明其稳定性。最后, 搭建测试系统分别进行了稳定平台性能测试和导引头性能测试, 用于验证跟踪和抗扰效果。实验结果表明, 跟踪1 (°)/s的梯形波时, 提出的控制器有效地补偿了摩擦, 同时稳态精度提高了0.032 8 (°)/s; 给定三轴转台典型幅值和频率扰动下, 采用提出的控制器时系统隔离度至少提高了0.57%。表明提出的控制器改善了系统抗扰性。

当昆虫视野内存在部分遮挡时, 能够依靠其复眼背部边缘区域中偏振敏感多小眼结构, 感知天空偏振光信息进行导航。模仿该偏振敏感多小眼结构设计了阵列式偏振导航传感器。实际应用中, 传感器视野内的随机遮挡、金属纳米光栅偏振器局部缺陷和尖锐噪声等造成各偏振方向内存在干扰像素影响偏振光强提取, 基于线性灰度拉伸的Otsu阈值分割及3σ法则, 提出了一种具有鲁棒性的偏振光强提取算法。首先, 详述了传感器的偏振导航算法和传感器组成;然后, 基于MFC对话框项目, 开发了传感器的实时监控界面, 实时显示偏振信息变化, 数据更新率达10 Hz;最后, 对传感器进行了测试实验。标定实验结果表明: 该传感器性能稳定, 定向精度±0.25°; 在室外有无遮挡条件下的对比实验结果表明: 该传感器能适应视野内的部分遮挡环境, 具有较好的鲁棒性。

为了实现快速、准确、鲁棒的荧光分子断层成像(FMT)重建, 有限投影FMT和可行域选取策略得到了越来越多的关注。为了解决现有的可行域选取方法中存在的参数设置困难以及多目标选取不准确的问题, 从而提高有限投影FMT的重建质量, 提出了应用迭代自组织数据分析技术算法(ISODATA)的FMT可行域选取方法。首先采用ISODATA对初级重建结果聚类分区, 然后在各分离的区域上分别选取可行域。为了验证提出的方法在应用中的可行性和有效性, 设计了三目标荧光团重建的对比实验。实验结果显示,使用2个投影数据时, 只有使用本文提出的方法可以准确地重建出三个荧光源的位置; 使用4个投影数据时, 重建的平均位置误差为0.18 mm, 荧光产额相对误差小于50%, 而此时使用阈值法不能重建, 使用区域收缩法的荧光产额相对误差为61.2%。即使在测量数据较少时, 提出的方法也可以准确高效地选取可行域, 提高有限投影FMT重建的精确度和鲁棒性。

提出一种基于扩张状态观测器并引入加速度补偿策略的控制器设计方案, 以实现快速步进/凝视成像机构对控制性能的高要求。首先, 阐述了扩张状态观测器理论, 对其特性进行了详细分析, 并设计了以成像机构为被控对象的三阶线性扩张状态观测器。通过将观测器置于速度内环反馈通道, 设计了基于扩张状态观测器的位置和速度双回路控制器。在此基础上, 利用观测器输出的加速度估计值, 提出加速度补偿策略, 并设计了补偿环节。实验结果表明, 与无加速度补偿环节相比, 引入加速度补偿后, 成像机构每次步进调节时间由76 ms减小到33 ms, 凝视期间的角位置精度由约0.07°减小到0.01°以内, 速度波动减小约2～3倍, 成像机构的控制性能明显改善。控制器设计简单, 需整定参数少, 对于提高同类控制系统性能具有较高的实用价值。

为了提高低照度遥感图像的可视性, 提出了利用改进的多尺度Retinex算法与局部对比度自适应调整相结合的方法来改善图像质量。首先, 把原始图像变换到HSI色彩空间, 有效分离H、S、I分量; 然后, 然后在保持色调分量H不变的前提下, 对亮度分量I利用改进的多尺度Retinex算法进行处理, 对整幅图像进行亮度和对比度的初步调整, 通过使用Sigmoid函数替换多尺度Retinex算法中的对数函数来减少数据丢失; 为了使局部细节信息得到更好的改善, 在利用改进的多尺度Retinex算法处理后进行自适应局部对比度增强, 提高图像局部对比度; 对饱和度分量S采用分段线性增强的方法进行处理; 最后, 将处理后的图像变换回到RGB空间。实验结果表明: 图像信息熵由5.79提高至6.65; 图像感兴趣区域的局部对比度由0.695提高至0.701, 图像质量以及利用价值得到了提升。

针对核相关滤波器在跟踪中因目标快速运动导致的目标易丢失和部分遮挡问题, 本文在多特征尺度自适应核相关滤波器(Scale Adaptive with Multiple Features tracker, SAMF)基础上, 提出一种融合自适应模板更新和预测目标位置重定位的核相关跟踪算法。采用联合目标移动速度和特征变化的模板更新机制增大对目标快速运动适应性, 根据长时滤波器和短时滤波器协作跟踪提出目标位置修正和重定位模型提升跟踪器应对目标部分遮挡的能力。在OTB-2015视频序列集100组序列中与序列集提供的算法进行对比, 本算法跟踪精度相比SAMF提升2%。在目标发生快速移动时本文算法具有更好的追踪目标能力, 目标重定位也很好地解决了目标部分遮挡问题。

为了解决背景嘈杂、遮挡、形变和尺度变化情况下目标跟踪问题, 提出利用视觉显著性和扰动模型的上下文感知跟踪。本文以相关滤波算法为基础, 将目标周围的上下文信息引入到分类器学习过程中, 构造了上下文感知相关跟踪, 提高了算法鲁棒性; 同时引入直方图扰动模型, 利用加权融合的方法获得目标响应图, 以此估计目标位置变化; 最后利用视觉显著性构建目标稀疏显著性图, 解决严重遮挡情况下的目标重定位问题, 并利用尺度估计策略解决目标尺度变化问题。利用公开数据集测试算法性能, 并与8种流行跟踪算法进行比较。实验结果表明, 本文算法的跟踪精确度得分和成功率得分分别为0.695和0.708, 均优于其它算法。与传统的相关滤波算法相比, 所提算法能很好地解决背景嘈杂、遮挡、形变和尺度变化等复杂下的目标跟踪问题, 具有一定理论研究价值和工程实用价值。

针对遮挡同时目标附近出现相似目标干扰所导致的错跟问题, 本文提出利用场景中辅助特征提升目标跟踪抗遮挡以及抗相似目标干扰性能。首先检测场景强特征及目标附近相似干扰, 定义二者为场景辅助特征; 其次, 建立能够较好描述场景强特征及目标运动规律的动态模型以及相似干扰约束; 最后, 将场景辅助特征及目标的动态模型以粒子滤波的形式表达, 提出T-S跟踪算法。采用SPEVI及OTB100数据库中若干典型测试视频, 与近年来6种先进跟踪算法进行对比实验, 并采用两种评价体系考量。实验结果表明, 本文T-S算法对SPEVI多人脸、红外车辆的跟踪误差分别为24 pixel和8 pixel; 对OTB100数据库中8种视频跟踪测试时, 在重叠率阈值为0.5时的跟踪成功率为0.51, 优于其它对比算法。本文T-S跟踪算法能够较好应对遮挡及相似目标干扰。