多方向金属光栅偏振器及在偏振导航中的应用

在同一聚碳酸酯基底上制作了6个不同方向的双层金属光栅偏振器,用于消除分立器件带来的安装误差。将该偏振器应用于偏振导航传感器上并进行了测角精度测试,基于神经网络法研究了角度测量的误差补偿方法。首先,基于严格耦合波理论设计了一种亚波长双层金属光栅偏振器,分析了它的周期和金属厚度对偏振器性能的影响,其在510nm波长入射时TM偏振光透射率高于71%,消光比大于2 100。应用纳米压印技术在聚碳酸酯基底上加工制作了设计的偏振器,其基底上设有6块结构参数相同但朝向不同的双层金属光栅结构。将此偏振器安装在偏振导航传感器上并在测试平台上测试了测角精度,测试的原始误差在±1°以内;经BP神经网络法误差补偿后,测角误差在±0.2°以内。得到的结果可较好地满足偏振导航的要求。     

基于双向反射分布函数的海面红外偏振特性表征模型

针对红外波段下海面偏振特性建模的问题,在双向反射分布函数的基础上,建立了海面微面元的偏振双向反射分布函数模型。综合考虑了海面的自发辐射效应和反射效应对探测器接收辐射的影响,提出了一种新的海面红外偏振特性表征模型。利用Elfouhaily海浪谱和快速傅里叶变换计算了海面的高度场信息和斜率信息。数值计算了不同观测天顶角和不同风速下海面自发辐射的线性偏振度,以及不同入射天顶角下海面反射辐射的线性偏振度,仿真生成了海面和舰船的红外偏振图像。仿真数据与文献数据的对比分析表明,本文所建立的红外偏振特性模型适用于分析海面的红外偏振特性。与传统的红外强度图像相比,红外偏振图像可以提供更多关于海面的细节信息。同时,目标与海面的偏振特征差异更明显,对比度更高。所提出的海面红外偏振特性表征模型对海上目标的探测识别应用具有重要的意义。     

偏振导航传感器测角误差分析与补偿

借鉴沙漠蚂蚁等昆虫利用天空偏振模式进行导航的方法,设计了偏振传感器来获取导航系统的航向角。为提高偏振传感器的测角精度,研究了影响偏振传感器测角精度的误差因素与补偿方法。讨论了如何利用偏振传感器从天空偏振模式中提取偏振方位角信息的方法,分析了影响偏振测角精度的主要误差因素,建立了偏振传感器的测角误差模型。根据测角误差模型,推导了偏振方位角的解算方法,并利用最小二乘算法,通过估算模型的误差参数值间接补偿测角误差。最后,采用提出的误差补偿算法在晴朗天气下进行了实验测试。测试结果表明：误差补偿后测角精度得到明显提高,约为0.17°（3σ）。实验结果验证了提出的误差补偿算法可以实现对角度误差的有效补偿。     

偏振场景目标探测的建模与仿真

针对用光学遥感技术探测复杂场景下的目标时,真实环境下的目标、背景反射以及大气气溶胶辐射之间具有相当大的互干扰性,本文研究了偏振场景目标的建模与仿真技术。介绍了偏振场景仿真的光学理论与偏振模型基础,对Priest-Germer模型进行了数值仿真与分析。基于Priest-Germer模型,开发了偏振视景目标探测仿真软件,给出仿真软件的设计思想和软件框架。介绍了偏振双向分布反射函数模型,给出其偏振形式的Stokes表达式并进行数值仿真分析。给出了两种目标模型分别赋予两种不同表面材质时在440nm和600nm波长辐照条件下的4组偏振仿真实验及偏振图像的灰度直方图,并进行比较和分析,结果表明:基于Priest-Germer模型的偏振仿真软件对目标、辐照波长、材质具有较高的敏感性,能够提供较好的分辨和识别能力。     

仿生偏振视觉定位定向机理与实验

为了有效利用全天域的偏振光信息,探究仿生偏振光导航机理,设计了偏振视觉传感器。介绍了基于四相机的偏振视觉传感器及其标定方法,推导了冗余配置下偏振态的最小二乘估计算法。分析了基于一阶瑞利散射模型的天空光偏振模式,将太阳方向矢量的最优估计问题转化为求解矩阵的特征向量问题,推导出了基于天空光偏振模式的定位定向算法。最后,设计了静态实验与转动实验,对理论分析结果进行了验证。实验结果显示:测量的天空光偏振模式与瑞利散射模型相一致,并可从中成功提取太阳方向矢量。静态实验测量的太阳天顶角的最大误差约为0.4°,误差标准差为0.14°;基于1h对天空偏振光的观测数据实现的定位误差为68.6km。转动实验(转动两周)得到的最大定向误差约为0.5°,误差标准差为0.28°。研究结果揭示了生物利用偏振光导航的机理,为仿生偏振光导航的应用提供了理论依据。     

粗糙表面弹性微动接触数值研究

由于实际工程表面多为粗糙表面,这里研究了粗糙表面对微动接触中压力和切向应力的影响。研究接触过程中法向载荷保持不变,切向载荷为周期性的交变载荷。首先,建立接触算法和模型,其算法核心是利用共轭梯度法(CGM)计算微动接触中的表面压力及切向应力并使用快速傅里叶变换(FFT)加快计算速度。然后,在验证算法正确的基础上,分析正弦和非高斯粗糙表面接触的压力和切向应力的分布,通过对光滑与粗糙表面的研究对比,表明:(1)在正弦表面接触切向应力分布呈现尺寸效应;(2)在非高斯表面接触中,切向应力分布跟光滑表面形状类似;同时由于粗糙峰存在,粗糙表面下的切向应力比光滑表面下的要大,研究粗糙表面微动接触对实际工程具有重要意义。     

基于偏振激光共聚焦的研磨石英玻璃亚表面损伤检测

石英玻璃在研磨过程中会不可避免地产生亚表面损伤,对石英玻璃亚表面损伤的检测一直是石英玻璃加工工艺优化中的热点。本文结合偏振激光散射法及激光散射共聚焦法,提出了基于偏振激光共聚焦的研磨石英玻璃亚表面损伤的无损检测方法。搭建无损检测系统,对采用不同金刚石研磨液研磨的石英玻璃亚表面损伤进行检测,并采用横截面显微有损检测法对同一批石英玻璃检测结果进行验证。对比无损和有损检测结果,亚表面损伤深度的相对误差在5%以内,亚表面裂纹构型基本一致。结果表明,偏振激光共聚焦无损检测方法可实现研磨石英玻璃亚表面损伤的定量、非破坏检测,可为后续石英玻璃的加工工艺优化提供有效的检测手段。     

航空多角度偏振辐射计的偏振定标

研究了航空多角度偏振辐射计的辐射定标方法,以消除其自身引入的偏振效应,提高偏振辐射计的测量精度.首先,根据引入仪器偏振效应的主要因素推导了含定标系数的仪器探测方程,由仪器在0°和90°两个状态下对同一信号的探测方程求解了定标系数表达式,并设计了仪器分别处于两个状态下获取信号、求解定标系数的定标方法.最后,分别针对非偏振光源和完全线偏振光源的测试数据求解了所有的定标系数,使用可调偏振度光源验证了偏振定标结果.结果显示,该仪器偏振测量精度不低于o.5％,满足仪器精度指标要求.     

光学薄膜中的偏振效应

介绍了薄膜偏振效应的基本理论.光学薄膜在光倾斜入射时可等效为一线偏振器和一位相延迟器,这一特性可以用琼斯算法进行描述.利用薄膜的这一特性可以消除光学系统中不想要的偏振效应以保持光的偏振状态,也可以用来制作薄膜位相延迟片.用琼斯算法对YAG激光用全反射角立方反射镜的偏振特性进行了分析,并利用薄膜的偏振特性设计了两膜系对其进行了补偿;最后对一全介质高反射膜的相移特性进行了分析和优化设计,得到了一偏振保持高反射膜.     

生物组织后向散射光信号非接触拾取方法的研究

本文通过研究线偏振光照射在生物组织表面时其散射光的偏振态特性,基于实验结论,提出了一种非接触方法进行生物组织后向散射光信号拾取的方法,既克服由接触测量带来的压力和温度的影响,又有效减小表面反射光对测量的干扰.并对此进行了实验验证,实验结果证实了设计的合理性和可行性.     

Terahertz scanning techniques for paint thickness on CFRP composite solid laminates

Terahertz ray (T-ray) scanning applications are promising tools. The use of T-ray for nondestructive evaluation was investigated on composite materials. In this characterization procedure, electromagnetic properties, such as the refractive index, were analyzed. The estimates of properties are in good agreement with known data. We successfully demonstrated the characteristics of T-ray propagating through Carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) composites to acquire the refractive index by using the characterized material properties. A T-ray technique was developed for measuring paint thickness on CFRP laminates. Good results were obtained from tests performed on standard paint samples with thickness starting from approximately 100 μm. The method was based on reflection mode measurement with time of flight. Another method developed for measuring paint thickness using resonance frequencies was utilized to determine paint thickness on composite laminates. The paint thickness deduced from resonance frequencies agrees well with the result obtained directly from time-domain echoes.     

基于绿色特征及质量功能配置技术的机电产品绿色性能优化

提出了绿色特征的概念,分别对产品生命周期中的定性与定量绿色特征进行量化分析。以用户对绿色产品的满意度为目标,通过绿色质量功能配置,将绿色性需求分析映射到产品全生命周期绿色特征,建立了以绿色性需求满意度最大为目标的优化模型。通过优化配置调整绿色特征改变量,在有限的企业资源下实现关键技术特征因素优化,达到了客户需求最大满意度,同时保证了产品的绿色性能。以某滚齿机为实例,验证了所提方法的可行性和有效性。     

基于多通道联合稀疏重建的全极化SAR成像

全极化合成孔径雷达(SAR)可对不同极化通道分别独立进行压缩感知(CS)稀疏重建来增强成像性能,但分别独立处理没有利用极化信息的冗余性与互补性,有可能破坏极化信息的完整性。依据雷达目标在全极化下的散射特性构建联合稀疏度量函数,将全极化SAR高分辨成像转化为多通道联合稀疏约束的最优化重建问题,并用改进的正交匹配追踪算法进行求解。由于有效利用全极化信息,多通道联合CS成像相比于单通道CS成像能够获得更好的成像质量,还能全面准确反映目标全极化散射特性。通过对Backhoe挖掘机电磁仿真数据的处理,验证了算法的有效性,并且在微波暗室搭建了全极化SAR半实物仿真系统,利用其获取的全极化实测数据进一步验证了该方法的工程可行性。     

某星载双反射抛物面天线轻量化设计

为了解决某星载双反射抛物面天线超重的问题,文中采用力学仿真和试验的方法对其进行了研究。首先,采用铝合金材料对天线进行结构设计,并计算整个天线的重量,结果显示不满足项目重量指标要求;然后,基于碳纤维复合材料的特性,对模型进行结构优化设计,使重量指标满足项目要求,同时进行力学仿真分析,校核天线的结构强度;最后,通过振动试验验证了这种轻量化设计的可行性。文中的研究思路和方法为星载双反射抛物面天线的轻量化设计提供了参考。     

Inverse estimation of bi-directional reflectivity in long-wave infrared region by using RPSO algorithm

The Infrared signature is used in the fields of remote sensing, military defense and auto navigation system by detecting objects against the background. Infrared signature of objects depends on many factors, including the shape of objects, surface temperature, emissivity, bidirectional reflectivity and radiation sources such as solar irradiation and sky shine. It is essential to procure radiative surface properties in predicting the infrared signature of objects. Especially the bidirectional reflectivity is difficult to obtain due to the limited data in the literature. In this study, we develop a software which estimates radiative properties of painted surfaces inversely from the measured temperature and radiance variations with time by using the Repulsive particle swarm optimization (RPSO) algorithm. In this study surface radiative reflection properties in the LWIR region are estimated for 3 different paints by using the pre-determined radiance in LWIR region and surface temperature. The results obtained from this study show fairly good agreement with the original BRDF data used to estimate the LWIR radiance and temperature as the input data.

     

基于时间域电磁系统的近地表小目标识别

时间域电磁系统被广泛地用于管线探测、考古和未爆物排查等近地表小目标探测领域,但异常目标的特性反演是一个难点,造成探测的虚警率和排查成本大大提升。提出一种三维正交磁偶极子等效模型和一种目标参数综合方法,通过反演等效磁偶极子的时间衰减特性并由此综合出目标的大小、材料和形状等参数。基于所研制出的便携式时间域电磁系统来验证方法的有效性,实验表明,基于磁偶极子时间衰减特性综合出的目标特征均可以有效地对目标进行识别,为近地表小目标特性识别的应用奠定了基础。     

腐蚀电化学实验教学中动电位极化测试的应用

通过对等离子弧焊7A52铝合金焊接接头设计动电位极化曲线实验,阐述了动电位扫描极化曲线的测试原理、方法步骤和实验结果的分析拟合,确定了7A52铝合金焊接接头部位腐蚀电位、腐蚀电流及腐蚀极化电阻。论述了极化曲线测试对材料耐蚀性分析的作用及其与电化学反应热力学和动力学参数的关系。通过实验,培养学生对腐蚀实验的兴趣和主动性,提高学生的实际动手操作能力、观察现象、分析问题、探索真理、解决问题以及创新能力。     

基于粗糙集的不完备信息系统空值估算方法

针对基于相似关系模型的空值估算方法存在的不足,从群体决策的角度提出了一种改进方法.通过定义属性的向域和对象的简单多数规则率,将其结合用于空值估算,从而无需原方法的投票策略就能实现不完备信息系统的完备化,并消除了原方法可能出现的对象无相容类问题和投票策略潜在的多众数、无众数问题,得到的估算结果在覆盖率和准确率两方面均优于原方法.通过算例及应用示例表明了本文方法的有效性.     

利用Kuhn-Tucker定理求解多机器人作用下物体内力极小值

利用Kuhn-Tucker定理可转化极值问题复杂约束条件的特性,提出了一种求解多机器人作用下物体内力极小值的方法。考虑两个机器人作用下的情况,以两种不同类型的二维物体为例,验证了该方法的正确性。对于其他复杂情况,该方法亦适用。