基于面形斜率的高斯径向基自由曲面模型在面形表征和系统设计中具有优势, 但基函数数目较多, 导致优化效率低、公差分析困难等问题。本文对基于面形斜率的高斯径向基模型优化设计和公差分析方法开展研究, 利用模型的面形表征局域特性, 将全局优化和局部优化相结合, 提出了一种新的优化设计方法。利用数学统计的方法, 确定了基函数系数和自由曲面面形矢高之间的线性关系, 直接设定系数公差范围初值, 通过大样本统计后确定自由曲面的合理面形公差。将该优化设计和公差分析方法应用到基于面形斜率的高斯径向基自由曲面型头戴显示系统, 设计结果表明: 头戴显示系统全视场内在23 lp/mm处大于0.3, 系统最大畸变为3.45%, 达到了系统设计指标, 并基于公差分析结果进行实验系统集成, 成功实现了图像显示。本文所提出的优化设计方法和公差分析方法为基于面形斜率的高斯径向基自由曲面模型和其他局域型自由曲面模型的应用提供了重要的借鉴意义。

为了优化气体受激拉曼散射系统, 采用理论与实验相结合的方法, 对气体受激拉曼散射现象进行了研究。根据受激拉曼基本理论计算了CH4和D2在不同气压下的拉曼增益系数, 然后采用输出能量为70 mJ的Nd∶YAG三倍频355 nm激光进行了受激拉曼散射实验, 测量了在拉曼池气体气压为1×105~2×106 Pa, 焦距分别为500, 750 mm下的斯托克斯光的输出能量。发现CH4拉曼增益系数随气体压力升高而增大; D2拉曼增益系数在1×106 Pa左右达到最大值, 之后不随气压升高而改变。实验结果表明, 在气体受激拉曼装置中, 合理选择拉曼池气体气压和耦合聚焦透镜的焦距, 即甲烷气体系统选择长焦距高气压, 氘气系统选择长焦距低气压。理论计算与实验结果基本一致, 此研究对NO2差分吸收激光雷达光源系统的优化有着很重要的作用。

为了在地面制造环境下实现大口径空间非球面反射镜的零重力面形加工, 建立了基于重力卸载的高精度旋转检测工艺方法。首先对N次等间隔旋转法的基本原理进行了介绍, 并结合一块Ф1 290 mm ULE材料的非球面反射镜加工实例, 分别给出了旋转法实施环节中的旋转角度和偏心误差控制方法, 实际角度误差和偏心误差分别优于0.1°和0.1 mm。然后, 在低精度阶段采用了3次旋转法对检测结果进行处理, 主镜面形精度快速收敛至0.029λ-RMS; 同时由于应用旋转法而导致镜面上的对称性误差累积放大, 进行了针对性去除, 面形精度进一步收敛至0.023λ-RMS。最后, 采用了6次旋转法对检测结果进行处理并指导光学加工, 反射镜6个方向下的实测面形精度为0.012λ-RMS, 去除重力变形误差后面形精度达到了0.010λ-RMS, 该面形可以认为是卫星入轨后零重力空间环境下的反射镜面形。文中所述加工工艺方法不仅适用于米级口径, 还适用于更大口径空间非球面反射镜零重力面形的高精度加工。

光纤表面等离子体共振(SPR)传感器通常以纤芯为共振基底, 需要采用腐蚀、侧抛、研磨等复杂的加工工艺将光纤包层去除, 存在倏逝波不易泄露, 传感探针制作困难的问题。本文提出一种以光纤包层为SPR共振基底的阶跃折射率多模光纤包层SPR传感器。采用单模光纤与阶跃折射率多模光纤偏芯熔接结构, 将单模光纤纤芯中的光直接注入多模光纤包层, 并在阶跃折射率多模光纤包层外镀50 nm金膜。在探针传感段, 光场能量全部分布在阶跃折射率多模光纤包层中, 发生SPR效应充分。与传统光纤包层SPR传感结构相比, 该传感器能够获得更深的共振谷, 折射率测量范围为1.333~1.385 RIU时, 传感器的平均灵敏度可达2 307 nm/RIU, 本文亦对传感段多模光纤纤芯直径与长度不同参数的影响进行了探究。本文提出的阶跃折射率多模光纤包层SPR传感器制作简单, 有效解决了光纤包层与空气界面不易获得倏逝波的问题。

针对单波段导航敏感器通常只能获取目标某一方面的信息, 所获信息量少、识别率低的问题, 提出一种共用孔径、多波段光学导航敏感器的设计。从光焦度分配理论出发, 给出了以主次反射镜为共用部分, 工作在不同视场的共口径光学系统的初始结构设计。可见光、红外和激光三个通道共用一个Ritchey-Chretien系统, 实现大口径的设计要求。为了实现可见光成像、红外成像与激光雷达探测功能, 在次镜表面镀制选择性透过光学薄膜, 将激光雷达的接收部分与成像系统分开。通过棱镜将Ritchey-Chretien系统的反射光路分为两路, 一路成像于可见光探测器, 一路成像于非制冷型长波红外探测器。设计结果表明, 可见光系统在90 lp/mm的MTF大于0.4, 红外系统在14.7 lp/mm的MTF大于0.4, 成像系统的传递函数接近衍射极限; 激光接收系统在距离探测器质心30 μm处的能量接收高达90％, 在-20~40 ℃成像质量良好。

为了分析复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Collector, CPC)的几何光学效率及影响因素, 为线性菲涅尔式聚光系统的优化设计和实际应用提供理论依据。根据用于线性菲涅尔式聚光系统的CPC特点, 在Matlab软件中建立模型并进行光线跟踪计算其几何光学效率。利用TracePro软件对几何光学效率模型进行验证。最后, 采用该模型分析吸热管外径公差、吸热管位置偏移和线型误差对CPC几何光学效率的影响。结果表明: 间隙为32.5 mm、接收半角为55°、截取比为0.3的CPC配合外径为70 mm的吸热管, 当吸热管外径公差小于-0.4 mm、水平方向存在偏移、垂直方向存在正偏移或线型轮廓增大等因素时, 其平均几何光学效率迅速减小。实际应用中应尽可能避免以上因素, 或者设计时减小CPC入射角的范围, 从而降低对CPC平均几何光学效率的影响。

应用时域有限差分方法研究石墨烯纳米膜与折射率可调控基片铌酸锂间隔周期形成的多层结构在中红外形成的窄带带阻滤波特性的调节。通过控制多层石墨烯的层数对此滤波器特性进行调节, 数值结果表明, 随着层数的增加, 透射率变低, 最小透射率对应的波长变短, 带阻宽度明显变窄, 带阻特性曲线变得很尖锐; 通过电压控制影响各层石墨烯介电常数的化学势的变化来调节带阻窄带滤波特性, 数值结果表明, 在层数一定时化学势越大, 最小透射率对应的波长越短, 层数数值大最小透射率在波长较短处变化, 层数数值小最小透射率在波长较长处变化; 最后, 通过电压控制影响多层石墨烯中基片铌酸锂晶体折射率的变化来实现带阻窄带滤波特性的调节, 数值结果表明, 在层数一定时基片折射率越大, 最小透射率对应的波长越长, 层数数值大最小透射率在波长较短处变化, 层数数值小最小透射率在波长较长处变化。

为了解决暗弱场景下空间目标与背景对比度过低, 无法区分的问题, 采用分焦面偏振成像系统分别对室外暗弱场景、室内空间模拟环境进行成像; 为了弥补分焦面偏振成像系统图像分辨率下降的缺点, 采用双三次插值算法进行上采样。通过分焦面偏振相机的一次曝光便可获得4个不同偏振角度下的光强图, 进而解算出偏振度图像和偏振角图像, 并与传统的光强图像进行对比; 利用双三次插值算法对4幅光强图进行上采样提高图像分辨率, 然后再解算出偏振度图像, 与未通过上采样获得的偏振度图像进行对比。实验结果表明, 偏振成像较之传统的光强成像, 目标的对比度获得了提高, 边缘信息、纹理信息得到了更好的展现, 偏振度图像与光强图像相比, 与对比度有关的EME指标至少提高了17%, 双三次插值算法提高了成像分辨率。应用双三次插值算法的分焦面偏振成像系统, 对暗弱场景下的空间目标的识别具有潜在的应用价值。

自由曲面光学元件与球面和非球面光学元件相比能够提供更高的光学设计自由度, 应用于成像光学系统有利于简化系统结构和改善系统质量, 在新一代空间光学遥感领域具有广阔的应用前景。为了满足离轴反射式自由曲面空间光学遥感系统的快速、高精度研制需求, 本文瞄准微晶材质、复杂连续曲面类自由曲面反射镜超声铣磨加工表面粗糙度和亚表面质量的提升目标, 开展了主轴转速、切削深度、进给量等主要工艺参数的优化实验和研究, 完成了300 mm口径自由曲面反射镜的建模分析和超声铣磨加工, 最终铣磨加工表面的面形精度达8.89 μm PV, 亚表面损伤层深度低于18 μm, 实现了自由曲面光学反射镜的高精度、低损伤铣磨加工, 能够有效降低后续研抛加工的材料去除总量, 缩短整个加工周期。

粘滑式压电驱动平台能实现高精度的大行程运动, 它由微动台和滑块组成, 而微动台的低阻尼振动限制了粘滑式压电驱动平台的运动速度。为了解决这一问题, 提出了一种基于主动阻尼的复合控制策略(PI-DPF-FF)。首先, 对输入的锯齿波信号进行滤波, 使其更平滑。接着, 采用时滞位置反馈控制器来主动提高微动台的阻尼, 抑制振动。选用跟踪控制器和改进型零相位误差跟踪控制器来减小跟踪误差, 提高跟踪带宽。最后, 在粘滑式压电驱动平台的样机上对PI-DPF-FF控制器进行了验证。实验结果表明: 与常规的比例积分控制器相比, PI-DPF-FF控制器将微动台跟踪带宽由32.7 Hz提高到1 466.5 Hz。当系统输入占空比为0.2和频率为100 Hz的信号时, 与常规的前馈控制器相比, PI-DPF-FF控制器将滑块角速度由3.52 mrad/s提高到9.03 mrad/s, 平台运动速度有了明显的提高。

为提高齿轮渐开线样板的制造精度, 本文研究了齿轮渐开线样板安装偏心对其齿廓倾斜偏差的影响。基于双滚轮-导轨式渐开线展成原理, 建立了齿轮渐开线样板安装偏心对其齿廓倾斜偏差影响的数学模型, 并依据该模型分离出齿廓形状偏差和齿廓倾斜偏差; 基于该数学模型, 推导出补偿特定齿轮渐开线样板齿廓倾斜偏差所对应的安装偏心; 最后, 搭建了齿轮渐开线样板实验装置进行验证。实验结果表明: 通过对安装偏心的补偿, 可将齿轮渐开线样板齿廓倾斜偏差由-3.53 μm减小到-0.06 μm, 达到了1级齿轮渐开线样板对齿廓倾斜偏差的要求。研究齿轮渐开线样板安装偏心对其齿廓倾斜偏差的影响规律可以用于补偿齿轮渐开线样板的齿廓倾斜偏差, 并为开发高精度齿轮渐开线样板提供技术支持。

为了解决在轨光学载荷地面试验振源模拟难的问题, 设计了一种基于并联机构的多维微振动模拟平台, 能够有效复现空间微振动分布频率宽、振动量级小的特点。首先, 利用虚功原理和牛顿-欧拉方程推导了系统固有频率解析式, 并结合设计指标进行构型优化。然后根据最优构型进行结构设计和优化, 使得平台固有频率满足5~250 Hz的模拟带宽。最后, 提出了一种基于传递函数的控制方法, 验证了其正确性并对平台工作能力进行了求解。平台第6阶基频3.4 Hz, 第7阶基频356 Hz, 满足带宽要求; 通过传递函数控制得到的输出与目标值之间最大误差为1.54%, 说明该方法适用于平台的控制; 上平台输出最大平动加速度为399.3 mg, 最大角度扰动为1 979.3 μrad, 满足指标要求。该平台具有模拟带宽大、高承载、振动量级小的特点, 能够作为空间微振动地面试验振源模拟设备。

随着磁流变抛光技术在超精密加工领域的应用需求不断增长, 提高该技术的抛光效率成为一种必然趋势。本文从研究磁流变抛光液料浆的性质出发, 建立了以pH值调节为手段改善抛光液性能的实验方法。采用透射电镜、粒度分析, 黏度测试和Zeta电位测试等实验分析表征了抛光颗粒的分散行为及料浆的流变特性, 并对抛光料浆特性进行了研究和优化。结果表明: 当pH值为12时, 抛光料浆具有绝对值最大的Zeta电位(33.28 mV)和最小的颗粒粒径(260 nm), 获得了抛光颗粒分散均匀、悬浮性能稳定的料浆。使用该料浆抛光液与初始抛光液在相同工艺条件下对熔石英进行抛光。实验结果表明, 在未明显恶化表面粗糙度的前提下, 该抛光液的峰去除效率和体去除效率分别提升87%和66%, 获得了良好、高效的去除效果。

应用于空间光学系统的机械拼接机构存在润滑、热膨胀系数匹配、结构复杂、拼接偏心距小等问题, 本文提出了可应用于空间大口径拼接反射镜的磁通钉扎接口方案, 采用永磁体的等效电流分布模型并融合磁场法, 建立了超导-永磁体磁通钉扎接口的数学模型进行仿真分析, 并通过实验验证了模型的有效性。结果表明, 超导体-永磁体的间隔在5 mm时, 垂直连接刚度ky可达7 000 N/m; 当磁体-超导体的间隔为10 mm, 二者处于中心位置时侧向刚度kx可达3 800 N/m; 磁通钉扎接口在偏心距Δx=4 mm时的垂直刚度ky相比于Δx=0时下降约20%, 刚度下降不显著。相比于传统机械接口, 磁通钉扎接口在反射镜对接时具备足够的连接刚度, 可以允许更大的偏心距Δx, 同时接口的力特性使得拼接镜在重构过程中满足缓冲定位的要求。

为了满足机器人精确感知和抓取物体的需要, 首先设计了以铁镓丝为敏感元件的新型触觉传感单元, 搭建了传感单元输出特性测试平台, 测试了其输出电压与施加静态和动态压力的关系。以触觉传感单元为核心设计了传感器阵列结构, 并将传感阵列安装在机械手上, 进行了抓取实验。实验结果表明, 施加静态压力时, 在1.908 kA/m的偏置磁场下, 长度为16 mm、直径为0.8 mm的铁镓丝组成的触觉传感单元在2 N压力下的输出电压可达96 mV, 灵敏度为48 mV/N。在1~4 Hz、0~2 N的动态压力作用下, 传感单元输出曲线平滑, 灵敏度高。传感器阵列安装在机械手上, 能感知多路压力信息, 精确显示机械手指的受力分布情况, 可广泛应用在机械手准确抓取与智能控制领域中。

为了解决传统滑模控制高性能与系统抖振之间的矛盾, 提高基于永磁同步电机驱动的航空光电平台系统的可靠性和指向精度, 本文提出了一种新型滑模控制器趋近律, 该趋近律可以有效削弱系统抖振并达到更好的跟踪效果。在此基础上, 为提高扰动观测器的带宽以提升观测的准确性, 将扩张状态观测器引入到光电稳定平台伺服系统中以观测系统的总和扰动, 并将观测到的总和扰动补偿进滑模控制器, 以更好地抑制系统抖振并提高系统抵抗外扰的能力。实验结果表明, 本文提出的滑模控制器结合扩张状态观测器的方法明显优于传统的PI+DOB的控制方法。在匀速跟踪实验中, 系统的位置指向误差的RMS值仅为0.005 7°, 完全满足航空光电稳定平台的需求, 约是经典PI+DOB控制方法精度的3倍; 在正弦波跟踪实验中, 本文提出的方法很大程度减小了速度跟踪的相位滞后, 位置指向误差仅为PI+DOB方法的1/6; 在三角波跟踪实验中, 位置指向误差RMS值约为PI+DOB的1/3。

针对生物、化学、医学、航空等领域混合输送微流体、微流体介质的需要, 提出了集流体混合、泵送为一体的复合阻流体无阀泵, 并借助复合阻流体致涡实现涡致混合功能。基于流体绕流原理对绕流阻力进行了全新诠释和表达; 并利用“尾流空间压强比较法”和“流体单元动量分析法”进行了绕流复合阻流体的阻力分析, 揭示了复合阻流体致阀及其本质性成因; 改变传统无阀泵的结构, 通过引入分流环和复合阻流体, 减少泵回流量的同时实现了涡致混合的功能。制作了泵样机, 在驱动频率为11 Hz、电压为180 V条件下进行了泵流量试验和流体混合试验, 其瞬时流量达到53.7 mL/min; 同时, 借助流体涡的运动较好地混合了流体, 试验验证了新型泵具有混合及泵送流体的功能。新型泵的提出创新和丰富了无阀泵的结构和功能, 为无阀泵应用于微流体混合传输领域奠定了基础。

磁场信息对于确定航向角和姿态信息有着至关重要的作用, 但其极易受到周围铁磁性物质的干扰, 而传统用于磁场校准的椭球拟合算法对磁力计数据的质量要求较高, 对于客户的使用并不友好。本文在实现了一种使用更便捷, 精度更高的实时磁场校准。首先, 根据角速度和磁场物理关系, 推导使用陀螺仪数据递推得到磁力计数据的状态转移方程, 并把磁力计的测量作为量测方程, 结合扩展卡尔曼滤波算法完成陀螺仪补偿的实时EKF磁场校准算法。然后, 在手机中实时调取磁力计和陀螺仪数据, 对二者进行实时EKF磁场校准运算并输出校准结果, 之后与未校准数据和椭球拟合算法校准数据进行比较。在对比实验中: 当外部磁场环境改变时, 陀螺仪补偿算法不仅能够实现实时校准, 并且在2 s以内就可以完成对磁力计数据的校准。在校准精度方面, 当手机静置时, EKF算法可以实时减少磁场干扰, 校准的质量参数Q为0.72; 手机绕“8”字运动时, 校准的质量参数Q为0.53, 优于椭球拟合算法的0.03。模拟手机日常活动的四个情境时, 质量参数Q分别为0.73,0.54,0.52和0.48, 而这些情况下椭球拟合算法已经失去了校准作用。实验表明, 基于扩展卡尔曼滤波的磁场校准方法可实时对磁场干扰进行动态校准, 校准速度快, 精度高, 抗干扰能力强, 在消费类电子、车载惯导系统和**上均具有广泛应用。

生产线上检测大型复杂工件平面度误差时, 存在检测面积较大、数据量较多的问题, 为了提高检测效率及精度, 采用优化算法提高其平面度误差评定速度。提出将差分进化(DE)算法应用在其平面度误差的评定中, 并提出将粒子群(PSO)算法的优化方法融入差分进化算法的框架, 改进变异操作以提高标准DE算法的收敛速度。介绍了大型工件平面度误差评定采用最小区域法的数学模型, 阐述了改进的DE算法的原理和实现步骤, 最后以叉车外壁板为例, 通过对外壁板平面度误差的评定以验证算法的收敛速度与精度。结果表明, 改进的DE算法在大型工件平面度误差评定中收敛结果稳定, 误差接近于0; 精度较遗传算法提高36.83%; 收敛速度较遗传算法提高58.33%, 较标准的DE算法提高28.57%。可以很好地应用在大型工件平面度误差检测中, 提高检测效率。

为了解决局域对比度方法(LCM)无法检测局部亮区损伤目标和分离效率低的问题, 本文提出了基于邻域向量内积局部对比度图像增强的光学元件损伤目标检测方法。首先, 将图像中的每一个点的3×3邻域生成一个9维邻域向量, 并将邻域内的最大值扩展成一个9维度极值向量, 计算邻域向量与极值向量的内积; 其次, 计算每个像素的邻域向量内积对比度值(NVDC); 然后, 计算每个像素的邻域向量内积局部对比度, 即在一个较大的区域内(5×5)搜索当前像素所有邻域向量内积对比度的最大值, 作为当前像素的邻域向量内积局部对比度值(NVDLC); 最后, 对NVDLC图像进行二值化和目标分离。实验结果表明, 通过本文的增强方法使得损伤图像的信噪比从3.775提高到12.445, 损伤目标信号得到极大的增强。在经过邻域向量内积局部对比度方法图像增强后, 能够直接使用自适应阈值公式将小于2 pixel的损伤目标从背景中分离出来, 满足了弱对比度损伤目标检测对于精度和效率的要求。

融合相同场景下低分辨率高光谱图像和高分辨率多光谱图像生成高分辨率高光谱图像是获取空间域和光谱域的综合场景信息一种重要方法。为充分利用图像的光谱信息和空间信息, 提出了向量总变差正则的局部光谱解混的高光谱图像超分辨方法。本文基于耦合狄利克雷自编码分别从高光谱图像和多光谱图像提取光谱特征和对应的空间信息。耦合网络的解码部分能有效地保留光谱特征, 集成局部低秩约束和向量总变差约束的正则项可以充分利用多光谱图像空间结构信息从而提取稳定的丰度矩阵, 最小化角相似性可以有效减少光谱失真, 最后通过端元和丰度的线性组合生成高分辨率的高光谱图像。实验表明, 在CAVE和Harvard数据集上重构误差分别达到3.78和1.66, 光谱角映射分别为6.57和3.03, 较其他方法有明显提高。本文方法能充分利用图像的空间性质, 具有更好的高光谱图像超分辨效果。

为了抑制激光测距仪采集3维距离图像的噪声与畸变, 提出了一种各向异性自适应平滑去噪方法。该方法集成了随机信号处理和尺度空间表述技术, 根据邻域点构建特征估计模型, 对距离图像中局部区域内测量点间的流形拓扑关系进行预测, 并利用无嗅采样技术计算原始图像和估计模型间的马氏距离作为相似性测度构建卷积滤波核, 实现三维距离图像各向异性扩散平滑去噪。通过该方法能够有效抑制原始图像发生的变形或偏移, 在抑制噪声的同时突出主要特征。试验结果表明: 在噪声方差为4.0×10-4 m2时, 经自适应平滑处理后的图像的峰值信噪比增益达16.41 dB, 均方误差减小66.16%。本文方法能够有效提高三维距离图像的质量, 为基于激光测距仪的三维环境感知与测量建模提供技术支撑。

为解决雾天场景图像恢复过程中图像清晰度和对比度下降的问题, 提出了一种结合残差学习和导向滤波的单幅图像去雾算法。使用雾天图像与对应的清晰图像构建残差网络; 采用多尺度卷积提取更多细节的雾霾特征; 利用导向滤波各向异性的优点, 对残差网络去雾后的图像进行滤波以保持图像边缘特性, 得到更加清晰的无雾图像。通过与DCP算法、CAP算法、SRCNN算法、DehazeNet算法和MSCNN算法相比, 在合成雾天图像上, 峰值信噪比值最高达到31.951 8 dB, 结构相似度值最高达到0.979 6, 在自然雾天图像上的运行时间最低达到了0.4 s, 主观评价和客观评价均优于其它对比算法。实验结果表明, 所提去雾算法不仅去雾效果较优, 而且速度较快, 具有较强的实用价值。

基于图像组的稀疏正则化图像复原方法采用自适应的结构组字典来代替传统的基于整幅图像块的学习字典, 既能够更好的学习局部特征又显著降低字典学习的时间复杂度; 然而, 因算法中的一些参数还未优化, 使得算法复杂度还比较高。因此, 本文提出了基于粗糙度的自适应图像组的稀疏正则化图像复原方法。首先, 计算图像的全局粗糙度和局部粗糙度; 然后, 根据全局的粗糙度计算自适应调整正则化的迭代次数, 根据局部的粗糙度调整学习字典所需的样本数; 最后, 将自适应调整出的参数应用于基于图像组的稀疏正则化的图像复原中。将本文所提出的方法应用到不同平滑度图像的去文字图像复原案例中, 实验结果表明, 在保证相近的复原效果下, 能够大幅度提升效率, 尤其在较为平滑的图像中能够达到接近30倍的加速比。

针对基于深度学习的DeepLabV3+语义分割算法在编码特征提取阶段大量细节信息被丢失, 导致其在物体边缘部分分割效果不佳的问题, 本文提出了基于DeepLabV3+与超像素优化的语义分割算法。首先, 使用DeepLabV3+模型提取图像语义特征并得到粗糙的语义分割结果; 然后, 使用SLIC超像素分割算法将输入图像分割成超像素图像; 最后, 融合高层抽象的语义特征和超像素的细节信息, 得到边缘优化的语义分割结果。在PASCAL VOC 2O12数据集上的实验表明, 相比较DeepLabV3+语义分割算法, 本文算法在物体边缘等细节部分有着更好的语义分割性能, 其mIoU值达到83.8%, 性能得到显著提高并达到了目前领先的水平。

颅骨配准是颅面复原的重要步骤之一, 其配准精度和效率对复原结果有着重要的影响。为了提高颅骨点云模型的配准精度和效率, 本文提出了一种层次优化的颅骨点云配准方法。将颅骨配准分为粗配准和细配准两个过程。首先对颅骨点云模型进行去噪、简化和归一化等预处理; 然后对颅骨点云模型提取特征点并计算其特征序列, 根据特征序列进行约束寻找初始对应点对, 并采用k-means算法剔除误匹配点, 实现颅骨粗配准; 最后通过加入几何特征约束的改进迭代最近点(ICP)算法实现颅骨细配准, 从而达到颅骨精确配准的目的。本文分别对粗配准、细配准和先粗再细完整配准过程进行实验, 结果表明: 粗配准过程, 与未优化的粗配准算法相比, 本文优化后的粗配准算法的配准精度提高了约35%, 算法耗时增加了约6%; 细配准过程, 与ICP算法相比, 本文改进ICP算法的配准精度和收敛速度分别提高了约20%和43%, 算法耗时减少了约47%; 先粗再细的完整配准过程, 本文算法的配准精度和收敛速度都要优于其他两种方法。证明了本文方法是一种有效的颅骨点云配准算法, 可以实现颅骨点云的精确配准。