磷酸二氢钾(KDP)晶体是一种经典的电光材料, 是目前唯一可用于惯性约束核聚变的非线性光学材料。鉴于籽晶和生长方法对KDP晶体的生长和质量具有重要的影响, 本文采用传统法生长法和点籽晶快速生长法生长KDP晶体, 通过改变籽晶的种类及切向, 不仅减少了晶体的恢复区, 同时缩短了晶体的生长周期, 生长出高透明度的单晶。对晶体的透过、结晶完整性及损伤等性能进行测试, 结果表明, 晶体在红外和可见光波段具有较高的透过率; 晶体(001)面的衍射强度较强, 峰形比较尖锐; 相比于1-on-1方式, R-on-1处理使KDP的损伤阈值提高了1.7~2.1倍, 晶体的抗损伤均匀性很高。生长的晶体具有优良的光学性能, 籽晶对晶体的生长具有重要的影响。

为解决当前激光选区熔化成型过程难以按需在零件上自由布置不同材料的难题, 基于多漏斗供粉+柔性清扫回收粉末原理, 对异质材料零件激光选区熔化增材制造技术展开了研究, 详细探讨了成型机理、粉尘污染防范机制及异质材料数据处理方法。采用CuSn10,4340两种不同的合金材料进行了工艺实验验证。实验表明, 该方法能自由地在不同层间或同层内不同区域按需布置不同的材料; 所得块状异质材料零件的铜合金材料区域Fe元素的平均质量百分含量可控制在2%以下, 钢材料区域Cu元素的平均质量百分含量可控制在1%以下; 成功成型了一个具有复杂外形及微细材料区域特征的异质材料齿轮零件, 零件异质材料区域不受零件复杂外形限制, 可自由按需布置材料, 0.5 mm宽的层内异质材料区域也能被较好地表达出来, 尺寸误差不超过±0.1 mm。该方法可以有效解决激光选区熔化成型过程中异质材料布置的难题, 实现异质材料零件成型。

为获得高性能紫外激光薄膜元件, 急需研制紫外高反射吸收薄膜, 实现吸收损耗的精确测量。本文采用离子束溅射技术, 通过调控氧气流量实现了具有不同吸收的Ta2O5薄膜的制备。以Ta2O5薄膜作为高折射率材料, 设计了355 nm的紫外高反射吸收薄膜。采用离子束溅射沉积技术, 在熔融石英基底上制备了355 nm的吸收薄膜, 对于A=5%的紫外吸收光谱, 在355 nm的透射率、反射率和吸收率分别为0.1%, 95.0%和4.9%; 对于A=12%的紫外吸收光谱, 在355 nm的透射率、反射率和吸收率分别为0.1%, 87.4%和12.5%。实验结果表明, 采用离子束溅射沉积技术, 可以实现不同吸收率的355 nm高反射吸收薄膜的制备, 对于基于光热偏转测量技术的紫外光学薄膜弱吸收测量仪的定标具有重要的意义。

根据大视场和快焦比空间遥感高光谱成像仪的研究目标, 采用折叠三反施密特望远镜和自由曲面Offner凸面光栅光谱仪结构, 设计了一个视场为5°, 焦比为2, 工作谱段在400~1 000 nm, 光谱分辨率为5 nm的星载高光谱成像仪光学系统。推导了非对称非球面施密特主镜的理论计算方法, 介绍了镜面的制造方法。利用Zemax光学设计软件进行了光线追迹和优化设计, 结果显示光谱畸变<0.88%, 光谱弯曲<1/3探测器像元, 所有谱段的光学传递函数均大于0.8, 满足星载高光谱成像仪的技术要求。施密特系统结构简单, 仅含有一个非球面, 在大视场工作时具有像质优良和畸变小的特点, 且中心遮拦比小、体积紧凑, 适合未来大视场快焦比的大口径星载遥感应用。

大尺寸反射式光栅是提高天文光谱仪分辨率和啁啾脉冲放大系统输出能量的核心元件。随着天文和激光核聚变技术的发展, 大尺寸反射式光栅的研制已成为国内外学者研究的热点。相较于单块大尺寸反射式光栅的研制, 拼接法以其难度系数低、制作成本低和待拼接的小光栅易制作、质量高等优点成为了制作大尺寸反射式光栅的主要方法。本文介绍了大尺寸反射式光栅拼接技术的基本原理, 详细综述了光栅拼接技术的研究进展, 包括光栅拼接误差检测理论、光栅拼接误差分离、拼接光栅波前相位校正、光栅拼接误差维数的削减和光栅拼接装置, 最后总结了光栅拼接技术的优缺点并指出了其未来的发展方向。

为实现太阳模拟器的大辐照面积均匀照明, 研究了大面积发散太阳模拟器光学系统的设计与仿真。分析了复眼透镜阵列组与发散投影系统的工作原理及旁瓣效应的产生机理; 基于嵌套建模思想, 结合多项式拟合方法, 得出了氙灯轴上的强度分布曲线, 并根据氙灯发光能量对称的性质, 实现了氙灯空间光强分布的模拟; 结合提出的光学系统设计边界条件与参数, 设计了光束整形系统、复眼透镜阵列组和发散投影系统。实验结果表明: 大面积发散太阳模拟器的工作距离为20 000 mm, 辐照面直径为1 500 mm, 辐照均匀度为92.8%, 满足均匀照明的使用需求。

为了克服现有二维转角动态测量方法结构复杂、成本昂贵的缺点, 提出了结合激光准直的二维转角动态测量方法。首先, 根据二维转角测量的关键问题提出基于激光准直的测量方法, 采用准直激光作为测量基准, 以远端的位置探测器作为检测器件。接着, 设计测量系统和各组成模块, 根据测量要求对系统中的关键模块进行设计和优化。然后, 具体设计系统中的测量算法, 完成测量模型建立。最后, 在±2°范围内进行实验测试和分析。实验结果表明: 系统可动态测量, 稳定性好, 测量重复性误差为1 μrad, X轴非线性误差为1.8%, Y轴非线性误差为1.7%, 动态带载响应频率在±0.01°内优于200 Hz, 基本满足二维转角测量的高精度、高重复性、高稳定性的要求。

为提高大气臭氧观测中的临边大气反演精度, 克服臭氧探测仪在轨热变形和卫星姿态误差对临边指向精度的影响, 建立了在轨视轴临边指向的精度补偿方法。通过分析低星等恒星的能量和观测时机, 设计合适的恒星观测窗口和积分时间; 采用平板玻璃获取星点像的弥散斑, 用阈值距心法计算恒星像在像面上的位置; 然后根据卫星轨道和探测仪的几何结构, 设计临边指向精度的在轨补偿方法并分析了补偿后的临边指向精度。地面对星观测实验的结果表明: 采用恒星定位补偿法, 可使星点像的定位误差小于1.83″, 当前视轴的指向误差控制在±3.08″以内; 在编码器的位置重复精度为±2.47″的条件下, 使临边观测光轴位置上的扫描镜定位误差控制在±3.95″以内, 臭氧探测仪临边指向精度达到±7.9″以上,完全满足反演所需的指向精度优于±12.4″的要求。

为提高旋转式压电发电机的安全性与有效带宽, 提出一种可调频旋磁激励式压电发电机, 并从理论、仿真与试验三个方面对发电机的工作特性进行了研究。建立了压电梁在端部外载荷作用下的刚度/频率偏移模型, 并通过仿真获得了刚度、动磁铁数量对发电机响应特性的影响规律。结果表明, 压电梁刚度随端部拉/压力的增大而线性增大/减小, 固有频率相应地提高且趋于平缓/降低且速率增大, 而动磁铁数量将影响发电机的谐振峰数量与放大比。在此基础上进行了相关试验, 试验表明, 压电梁受拉伸/压缩都将提高发电机的固有频率并降低输出电压幅值, 且受压时减幅更大; 此外, 动磁铁数量除仿真中影响因素外对发电机的固有频率也具有一定影响; 通过改变动磁铁数量与调节量, 实现了发电机固有频率在39.2~112 Hz内的调整, 最大频率偏移为185.7%。

轮廓曝光技术可大幅提高跨尺度结构电子束直写的加工效率, 但对于复杂图案, 前期人工绘制曝光版图的过程费时费力。为了进一步提高版图生成效率, 本文提出一种利用边界追踪算法提取数字图像轮廓并将它转换为曝光版图的方法。首先, 通过图像灰度化以及Otsu自适应阈值分割法将图像转换为二值图像。接着, 使用MATLAB bwboundaries边界追踪函数追踪二值图像边界。最后, 利用GDS工具箱将图像边界转换为曝光版图。实验结果表明, 本工作提出的方法可以有效地提取树叶、数字及动物等复杂图案边缘并将它们转换为版图进行后续曝光。通过制备“枫叶”图形证实利用本文方法生成的版图在轮廓曝光中可获得从纳米尺度到亚毫米尺度下的跨尺度、高保真度图形, 通过制备50 μm和100 μm等不同大小、不同复杂程度的金结构证实了此方法在微纳制造中的通用性。

对超声振动辅助磨削加工中BK7光学玻璃材料表面及亚表面的微裂纹扩展过程中的交互作用进行研究, 使用维氏金刚石压头进行了BK7光学玻璃二次印压实验来模拟超声振动作用影响下单颗磨粒对光学玻璃的反复印压作用, 同时采用界面黏结法获得了不同印压载荷及印压距离下产生的压痕及微裂纹的形态特征及分布情况。实验结果表明: 在相同载荷加载情况下, 第二次印压产生的亚表面中位裂纹扩展最大深度受到侧向裂纹影响减小了30 μm, 同时侧向裂纹闭合后在光学玻璃材料表面及内部产生破碎。基于压痕断裂力学理论, 分析了准静态载荷作用下光学玻璃内部应力场的分布及应力场驱动下微裂纹的扩展机制, 对超声振动效应影响下微裂纹扩展的交互作用进行研究。结果表明: 磨削过程中使用轴向超声振动辅助, 能够有效地降低光学玻璃材料亚表面裂纹的深度, 改善亚表面及表面加工质量, 同时促进了工件材料的去除。

调焦机构作为空间相机的重要组成部分, 其动力学性能很大程度上影响了相机的可靠性。为了完成调焦机构的动力学分析, 本文以某型空间相机调焦机构平台作为研究对象, 将导轨作为切入点, 在调焦平台的有限元模型中利用优化的串联弹簧阻尼单元完成对导轨结合部的建模。基于Hertzian接触理论获取动力学参数, 将调焦平台中滚珠丝杠和联轴器的刚度等效至导轨结合部上, 并提出了关系表达式和修正参数。通过以联轴器为变量的对比实验获取修正参数, 实现该空间相机调焦平台的动力学分析。最后, 利用该分析方法在不同的参数条件下完成了调焦平台的动力学仿真分析, 仿真值与实验结果得到的基频值的误差小于2%, 证明了该分析方法具备较高的精度和可靠性。

针对压电微定位台固有的率相关迟滞非线性严重限制其微定位精度的问题, 研究了基于Backlash-Like的Hammerstein率相关迟滞非线性模型及其建模方法。以改进的Backlash-Like分段辨识模型描述压电微定位台的静态非线性特性, 结合ARX(Auto Regressive eXogenous)模型, 建立描述压电微定位台的率相关动态迟滞模型。同时, 针对传统的粒子群算法(Particle Swarm Optimization, PSO)进行模型参数辨识时易陷入局部最优的问题, 提出一种具有交叉变异策略的改进型粒子群算法进行模型的参数辨识。实验结果表明: 与传统的Backlash-Like模型相比, 改进的Backlash-Like分段辨识模型在输入电压为60 V, 频率为2 Hz的信号时, 模型辨识的最大误差由0.68 μm下降到了0.104 μm, 最大相对误差由2.69%下降为0.35%。当压电微定位台输入电压为60 V, 频率分别为30 Hz, 60 Hz和90 Hz的单频信号时, Hammerstein率相关迟滞模型较Backlash-Like分段辨识模型, 均方根误差由0.393 1~0.700 6 μm下降至0.054 1~0.190 4 μm, 相对误差由1.721%~3.087%下降至0.236%~0.831%。验证了基于改进Backlash-Like的Hammerstein率相关迟滞模型较传统的Backlash-Like静态迟滞模型能精确地描述压电微定位台的率相关动态迟滞特性, 具有较好的频率泛化能力, 提高了压电微定位平台的定位精度。

为了解决长行程定子不连续永磁直线同步电机存在的因无法全程安装位置传感器和不同动子和定子之间的电磁参数不固定所造成的控制性能下降的难题, 提出一种在每一段定子内先进行参数标定, 再进行速度控制的控制系统设计。首先, 在动子进入过程中, 对电机进行电磁参数标定, 根据标定参数对控制器参数进行调整, 以达到更好的控制效果。然后, 使用无位置传感器控制系统使动子快速达到设定速度值并稳定运行。实验结果表明: 动子进入过程参数标定精度分别为0.002 Wb和0.000 4 H; 无位置传感器控制中位置估计精度为0.63 mm, 速度收敛时间为0.45 s, 稳态误差为0.02 m/s。基本满足永磁直线同步电机用于长行程运输的控制快速性、稳定性等要求。

针对差分吸收光谱仪搭载于地球同步轨道卫星时对地成像的要求, 设计了一种扫描摆镜转动控制系统。从摆镜控制结构设计、控制电路设计两个方面阐述了摆镜系统的方案。摆镜系统受载荷主控器控制, 接收控制指令并回传当前摆镜位置状态,通过LMD18200驱动芯片进行功率输出,由步进电机和谐波减速器构成的驱动器驱动摆镜转动, 编码器读取摆镜角度信息。给出了PWM(Pulse Width Modulation)波占空比的测定办法, 并提出通过回转到成像起始点之前的方式, 消除回程误差对成像区域步距不确定性的影响。 实验结果表明该系统的步距角均值偏差小于1″, 最大偏差小于5″,标准偏差小于2″。该光谱仪摆镜控制系统满足步距精度指标要求。

针对空间光学镜指向机构高精度、轻量化的特殊要求, 提出一种基于球面5R机构的新型空间二维并联指向机构。传统球面5R并联机构存在负载不便安装的问题, 通过设计非对称支链形式和特殊连杆结构, 有效解决了这一问题。基于机构的运动学分析, 以工作空间、灵巧性和承载能力作为优化指标, 采用图谱法对机构的结构参数进行了优化设计。采用有限元方法对优化后机构的不同负载布置形式进行模态分析。优化结果表明非对称支链形式机构具有更好的灵巧性指标。设计光学镜负载质心位于球面机构球心处, 结构更加紧凑, 可以提高机构固有频率, 并且能够降低负载运动转动惯量。提出的新型空间光学镜并联指向机构具有良好的综合性能, 研究为高精度并联光学指向机构的应用提供了理论基础。

基于金属-电介质-金属表面等离子谐振原理的电磁波吸收器, 可以实现多波长及宽波段入射电磁波吸收, 其电磁波敏感波长决定于微纳结构的阵列形式、单元结构尺寸。从材料特性和结构匹配角度讨论了表面等离子电磁波吸收器的吸收机理; 重点介绍不同微纳结构单元及阵列形式的吸收器的发展; 介绍了微纳结构阵列吸收器在选择性热辐射、生物检测以及光电探测方面的应用; 最后探讨了吸收器的谐振频谱可调性、以及提高吸收效率和能量转换等问题。

为了实现工业现场中对机器人工具坐标系进行快速高效地校准, 同时提升坐标系的校准精度, 提出了一种机器人工具坐标系快速校准方法, 搭建了校准系统和实验平台。对校准系统的校准测量速度和精度进行了测量和研究。该校准方法使机器人按照预定圆周和直线的轨迹进行运动, 运动时统计该系统在光电传感器中出现的时刻, 得到工具坐标系偏斜的位置。本文分析了光电传感器由于装配工艺的原因无法形成直角坐标系而引起的误差, 同时根据坐标系转换原理, 对此项误差进行分析。最后实验结果表明: 机器人工具坐标系的校准精度为±0.5 mm, 恢复时间为15 s。该结果满足汽车生产线对于精度和效率的要求, 能够快速有效地对机器人工具坐标系进行校准。

提出了一种基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的湍流速度结构函数构造方法, 将该方法构造的速度结构函数与湍流模型拟合, 可以实现激光雷达的湍流识别。首先对激光雷达扫描的空间数据进行距离门扇区划分, 在每个子扇区内对湍流风场做奇异值分解, 得到特征速度基准值和每个距离门的湍流脉动速度, 构建出速度结构函数。选取标准von Kármán湍流模型函数作为拟合约束, 得出涡流耗散率的立方根来判断湍流的强度。最后, 利用兰州机场的实测数据, 对比分析了在不同湍流强度下SVD方法的速度结构函数与局部平均方法的性能。通过与机组报告的湍流数据进行对比分析, SVD方法进行湍流预警的预警率可以达到85.2%。该方法对提高机场湍流探测和识别有重要意义。

高光谱图像分类是利用高光谱数据图谱合一且光谱信息丰富的特点, 对图像中的每个像素进行分门别类, 以达到对地物目标进行高精度分类和自动化识别的目的, 是对地观测的重要组成部分。在分析高光谱图像特点的基础上, 本文从普通机器学习和深度学习这两方面对高光谱图像像素级分类的研究进展及效果进行总结、评述和比较, 通过具体实验的结果对比, 直观地展现各种算法的优劣。针对高光谱分类问题, 本文从两个方面对今后的研究方向及发展前景进行了分析和展望。一方面, 在算法研究上, 高光谱图像分类算法可在保证分类精度的前提下降低算法的复杂度, 利用多源遥感数据、多特征综合、多尺度复合, 提升小样本、少参数分类模型的分类精度, 适应智能化、快速化高光谱遥感对地观测的发展要求; 另一方面要紧密结合市场应用需求, 重视高光谱图像在实际中的应用, 研究具有市场竞争力的高效分类算法, 提升高光谱图像分类在遥感技术应用领域的竞争力。

谐波减速器中柔性环节与传动的非线性摩擦, 导致谐波传动出现了不可避免地影响传动精度的复杂迟滞特性, 为了描述谐波减速器的迟滞特性, 本文构建了一个结构简洁的神经网络迟滞混合模型。该模型由类迟滞特性预处理环节和动态RBF神经网络两部分组成: 对输入信号进行类迟滞预处理, 处理后的信号与输入信号之间具有类迟滞特性; 充分利用动态RBF神经网络实现类迟滞到谐波减速器迟滞特性的高精度映射。根据本文搭建的实验平台, 在不同实验条件下获得的数据进行建模验证, 在不同频率输入信号、不同负载, 实现相同建模精度下,神经网络迟滞混合模型的验证精度为0.449 6(MSE), 远高于经典RBF神经网络模型的3.032 1(MSE)精度, 证明了所构造的神经网络迟滞混合模型的有效性和适应性。

针对旋转不变性二进制描述算法(Oriented Fast and Rotated Brief, ORB)的尺度旋转性配准误差大, 配准率较低及随机采样一致性(Random Sample Consensus, RANSAC)算法随机性强且不稳定的问题, 提出一种ORB与RANSAC结合的快速特征匹配算法。首先, 对特征点提取方式进行优化选择, 消除特征边缘影响。之后构建简化的金字塔式尺度空间模型, 改进分层图像的尺度空间结构, 减少生成图像层数和数目; 然后采用梯度方向改进传统ORB算法中的主方向提取模式, 提高特征角点主方向的准确性。最后, 通过构建分块随机取样检测的方式改进RANSAC算法, 提高RANSAC算法的稳定性和图像配准的准确性。实验结果表明改进后的ORB和RANSAC融合算法在尺度和旋转配准方面性能有很大提高, 并且配准的精度较传统ORB算法高, 尺度配准精度提高55.41%, 旋转配准精度提高26.66%。满足复杂图像快速精确配准拼接的精度和实时性要求。

为了进一步提高遥感图像超分辨效果, 提高超分辨重建速度。针对以往稀疏超分辨算法中更容易丢失边缘信息和引入噪声的问题, 本文改进了特征提取算子, 以对称近邻滤波(SNN)代替高斯滤波, 重点解决特征空间中的字典学习问题。首先, 根据遥感图像退化模型生成训练样本图像, 并分别对高、低分辨率遥感图像进行7×7分块, 生成字典训练样本。然后, 建立连接高、低分辨率图像空间的双参数联合稀疏字典, 将字典学习过程中的稀疏系数分解为系数权值和字典原子的乘积, 依据字典原子指标训练和更新字典, 得到高低分辨率联合字典映射矩阵。最后, 进行遥感图像超分辨稀疏重构。实验结果表明: 与当前最先进的稀疏表示超分辨算法相比, 本文算法得到的超分辨重建遥感图像的主观效果更好, 恢复出更多的地物细节信息; 客观评价参数峰值信噪比(PSNR)提高约1.7 dB, 结构相似性(SSIM)提高约0.016。改进的稀疏表示超分辨算法可以有效地提高遥感图像超分辨效果, 同时降低重建时间。

鉴于传统维数约减方法对高光谱遥感影像进行降维时, 往往只利用了单一的光谱特征, 限制了分类性能的提升。提出一种基于多特征流形鉴别嵌入的维数约减方法, 该方法首先提取高光谱数据的LBP(Local Binary Patterns)纹理特征, 然后利用样本点的光谱-LBP特征联合距离及类别信息构建类内图和类间图以发现高光谱影像中的鉴别流形结构, 在低维嵌入空间中不仅保持来自同一像素的光谱和纹理特征的相似性, 而且使同类点尽可能紧致、不同类点远离, 实现空-谱联合低维鉴别特征提取, 以有效提高地物分类性能。在Indian Pines和黑河高光谱遥感数据集上的实验表明, 本文算法的分类精度在不同实验条件下均优于传统的维数约减方法, 其分类精度可达95.05%和96.20%, 在较少训练样本条件下优势更为明显, 有利于实际应用。