基于FPGA的精跟踪系统

主要研究空间激光通信系统中精跟踪技术,根据精跟踪系统的组成原理与工作原理,设计了一种轻小型化、智能化精跟踪系统,该系统以FPGA作为核心器件,完成光斑图像采集、图像滤波、光斑位置计算、数字控制补偿函数及脱靶量的实时输出等功能。同时系统可根据外部环境变化,自动调整相机阈值、开窗口位置、积分时间。搭建试验系统完成精跟踪实验,实验表明系统可实现脱靶量实时输出3 000 Hz以上,符合精跟踪控制系统技术指标要求。系统在像元分辨力为3μrad的情况下,实时跟踪均方根值为1.17μrad,满足空间激光通信对精跟踪的要求,为其在空间激光通信中应用打下基础。     

光电测量系统畸变的实时数字校正

根据视场角为70°的大视场光电测量系统中光学系统产生畸变的机理及径向变化的特点,设计了由11个等距激光目标点组成的畸变检测装置。对于不同的光学测量系统,按照畸变检测的三个步骤对光学系统的畸变进行检测,根据测量得到的系统畸变变化情况,拟合出实时测量时目标点在线阵CCD上成像位置的补偿方程,编写出成像位置数据采集及实时处理的补偿程序,提高了测量系统实时测量的精度。在对焦距为29.98 cm的光学系统进行实际校正测试中,结果表明,当目标物距为1 651.59 mm、物高为400.007 mm时,按照拟合的二次补偿方程进行计算补偿,可将畸变误差从校正前的-0.026 4 mm提高到校正后的-0.002 9 mm,并使系统整体检测精度从0.36%提高到0.04%。     

基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探测

为了解决星地自由空间光学通信系统中的提前角问题,采用了一种基于光强传输的新型波前探测技术——投影光瞳面分布（Projected Pupil Plane Pattern,PPPP）,并通过实验室实验验证了该技术的可行性。PPPP基于TIE光强传输公式,根据不同传输距离下光强分布的变化反解出大气湍流引起的波前畸变。由于PPPP采用的是上行通信激光本身的后向瑞利散射,其测量的大气湍流方向与通信卫星方向一致,因此可以有效解决星地激光通信中的提前角问题。实验模拟了1 m口径的地基望远镜作为上行激光发射装置和后向散射光斑成像设备,通过等效高度分别为10 km和17 km的上行激光后向散射光斑图像来实现对10 km以下大气湍流的波前探测。实验采用的波前畸变模拟装置包括空间光调制器和透明塑料片,实验结果表明,对不同的波前畸变PPPP和通用的夏克-哈特曼波前探测器可以实现相似的波前重构,两者重构相位的残差约为初始相位的30%。     

基于双目摄影测量的风力机叶片振动测量方法

提出了一种带径向畸变和切向畸变的成像模型,利用Levenberg-Marquardt算法进行非线性优化参数标定的双目摄影振动测量方法,并对某型风力机叶片进行了模态频率辨识。两台摄像机同步采集振动图像序列并用自适应动态阈值对图像进行目标分割,以编码点区域灰度梯度跳跃最快的方向作为边缘,进一步用最小二乘法拟合边缘,用灰度平方加权质心法获取动态连续图像序列中编码点的精确亚像素中心坐标。每一个编码点类似于微小的"位移传感器",能够反映叶片时域振动响应。最终,从时域响应数据中获取叶片固有模态频率,与有限元法和激光多普勒测振仪分析结果比对,相对误差都在5%以下,验证了双目摄影测量方法的可靠性和有效性。     

氟化氘高能激光系统中的光学薄膜

报道了氟化氘(DF)激光系统腔镜高反射膜、CaF2窗口红外宽带增透膜和共孔径分光镜的研制,并介绍了DF腔镜高反射膜的热畸变和损伤实验测试结果.实验结果表明,DF腔镜高反射膜的损伤阈值大于100kW/cm2,CaF2窗口红外宽带增透膜和共孔径分光镜均经受了200kW激光功率的输出,达到了总体提出的要求.     

氟化氘高能激光系统中的光学薄膜

报道了氟化氘(DF)激光系统腔镜高反射膜、CaF2窗口红外宽带增透膜和共孔径分光镜的研制,并介绍了DF腔镜高反射膜的热畸变和损伤实验测试结果.实验结果表明,DF腔镜高反射膜的损伤阈值大于100kW/cm2,CaF2窗口红外宽带增透膜和共孔径分光镜均经受了200kW激光功率的输出,达到了总体提出的要求.     

实时图像自适应阈值边缘检测FPGA实现

传统的Sobel边缘检测算子对噪声变化抑制能力较差,并且其使用固定阈值导致适应性差.该方法利用中值滤波思想来确定图像的每一像素点局部边缘阈值来实现自适应阈值Sobel边缘检测,并在FPGA平台实现.实验结果表明,该算法检测出的实时图像边缘更加精细,并且能很好地抑制背景噪声.     

高功率激光热效应对合束系统的影响

提出利用镀膜合束的方法对三路光束进行合束用于高功率红外激光合束系统设计。考虑系统中关键元件使用的红外材料ZnSe易受热效应影响,采用光机热耦合分析方法,研究了在温度边界条件固定时,各波段激光所产生的耦合热效应对各路激光波前畸变的影响,同时定性分析了系统中存在的激光偏置热效应。研究结果显示,系统中各波段的激光波前畸变均方根值(RMS)均满足设计要求(各波段波前畸变小于λ/8);激光偏置造成的波面高频成分增大了长波激光波前畸变量,但高频成分对系统波前畸变影响依然满足要求;轴向温差可在35s达到平衡,对光束波前造成主要影响的是各块镜片的面型畸变。根据分析结果搭建了实验平台,利用系统中短波400 W激光进行实验,采集了该条件下的面型并与仿真结果进行了对比,实验结果验证了该分析方法计算结果的准确性。     

9.3μm脉冲CO_2激光倍频实验

介绍了利用9.3 μm脉冲TEACO_2激光通过AgGaSe_2晶体二次谐波产生(SHG)技术实现4.65 μm中红外波段激光输出的实验研究.根据非线性光学原理和倍频技术的基本要求,通过有针对性的技术手段选择TEACO_2激光器的输出谱线并控制脉冲波形的时间分布,使之满足激光倍频实验对泵浦脉冲光源在波长和输出时间分布上的基本要求,并以此为基波光源进行了产生二次谐波的实验研究.实验结果显示,即使是相同的AgGaSe_2倍频晶体材料,也会由于生产厂商的不同而具有完全不同的表面破坏阈值行为,而相同点是体损伤阈值均大于表面损伤阈值.实验获得倍频输出最大能量为12.9 mJ;倍频输出最高平均功率为940 mW. 4.65 μm中红外波段激光输出的实验研究.根据非线性光学原理和倍频技术的基本要求,通过有针对性的技术手段选择TEACO_2激光器的输出谱线并控制脉冲波形的时间分布,使之满足激光倍频实验对泵浦脉冲光源在波长和输出时间分布上的基本要求,并以此为基波光源进行了产生二次谐波的实验研究.实验结果显示,即使是相同的AgGaSe_2倍频晶体材料,也会由于生产厂商的不同而具有完全不同的表面破坏阈值行为,而相同点是体损伤阈值均大 表面损伤阈值.实验获得倍频输出最大能量为12.9     

基于LabVIEW的S7-300PLC与PC机的串口通信

根据工业系统设计需求,采用图形化编程语言LabVIEW设计了S7-300 PLC和PC机间的串口通信.介绍了使用3964(R)协议编写通信程序的方法,利用VISA技术和状态机设计模式,实现了上下位机的通信,并将该通信方法应用于煤矿压风机组状态监测及故障诊断系统设计中,将由PLC所读取的数据在上位机上进行实时显示及分析处理.     

大气激光通信光斑图像的快速复原与实时检测

针对大气湍流对激光通信中对信标光的捕获、跟踪与对准(ATP)的影响,提出了基于盲解卷积的快速复原与实时检测算法。采用一维点扩散函数重新构造方位退化模型,取代了原有经典二维退化模型;改进了约束共轭梯度算法中的约束算子,并通过改进的共轭梯度迭代算法求得对原始图像的估计;最后通过连通域计算提取估计结果中的光斑中心位置。采用现场可编程门阵列和数字信号处理器实现所提出的共轭梯度算法并提取光斑中心位置,满足了系统实时性要求。实验表明,所提出的快速复原算法能够实时复原分辨率为200pixel×200piexl,帧频为100 Hz的光斑图像,所提取的信标光光斑中心位置与事后计算结果的误差小于1pixel,能够满足激光通信系统对信标光的实时跟踪要求。     

高速预检系统小型局域网的配置与控制

超限检测高速预检系统,采用集散控制技术和网络通讯技术相结合的方法,具有实时性好、可靠性高、便于维护、成本低廉和实现控制管理一体化等优点。本文简要介绍了小型局域网和通讯网络控制在高速预检系统的应用。     

基于射频通信的液力耦合器多点监测系统的研究

为了实现对液力耦合器机组的多点实时监控、组网传输并及时报警,设计了一种基于射频通信的液力耦合器多点温度、压力监测系统.该方案可实现现场单台接收设备同时采集并上传多台液力耦合器的状态参数,利用 LoRa 通信实现局域组网,配合相关通信协议实现高效组网、便捷监测的效果.并针对传感器设计与厂区局域网建立方面涉及到的射频传输、天线设计、组网建立、实时监控等难点重点进行方案分析,并进行必要的实验测试.测试结果表明:传感器信号质量高,传输数据稳定;LoRa 通信组网传输信号稳定、范围广,基本可满足现场使用需求.     

基于激光三角法和嵌入式的微位移实时检测系统

基于激光三角法和嵌入式的微位移实时检测技术,采用激光三角法测距和灰度重心法提取激光条纹中心的原理,使线结构光、透镜、CCD位置信息满足Scheimpflug共轭清晰成像条件。通过图像处理获取像面坐标系位移信息,得到待测物体物面坐标系的位移,利用灰度重心法实时提取结构光条纹中心的特点,结合嵌入式系统尺寸小、稳定、便携的特性,实现对待测物体进行实时、非接触和微位移测量。     

基于改进模板匹配的在线钢坯标号识别方法

为避免钢坯标号数字字符出现局部畸变、笔画断裂和粗细变化等现象,提出了一种新的基于改进模板匹配的在线实时识别方法.利用灰度面积滤波、改进二值化等图像处理技术滤除干扰,完成字符提取;通过投影法得到单个字符;引入隶属度概念,改进了经典模板匹配方法,以增强抗干扰能力.试验结果表明,该方法可行有效,稳定性和实时性均满足实际生产需要.     

高精度卫星激光通信地面验证系统

为了在地面高精度评估激光通信终端对卫星平台扰动以及轨道姿态变化的适应能力,研究了卫星扰动模拟技术和卫星随动仿真模拟技术,据此提出了激光通信系统地面验证方案。首先开展了激光通信链路随动探测误差对系统随动性能影响分析、卫星扰振源特性分析及建模工作。其次,分析了卫星扰动模拟和随动模拟的关键技术及解决措施。最后,结合目前卫星激光通信及卫星平台技术水平,利用典型数据开展了扰动和随动仿真,完成了激光通信系统测试。实验结果证明:基于双反馈环路的高精度光束瞄准控制能够大幅提高卫星扰动模拟器光束瞄准的控制精度,光束控制精度优于0.1″;采用高低频联合卫星扰动模拟设计方法,实现了控制带宽优于1kHz的高精度光束控制;高精度随动系统在全卫星运行区域内对卫星光通信终端随动性能的检测精度可达0.1″。     

微细电火花加工放电状态逐级映射检测方法

在微细电火花加工中,对放电状态的准确检测是实现加工过程稳定控制的前提条件,而微细电火花加工过程中频繁出现的放电信号严重畸变、放电状态不稳定甚至突变等实际情况,使放电状态的准确检测成为微细电火花加工的技术难点之一。本文在分析和研究传统的微细电火花加工放电状态检测方法的基础上,结合系统辨识和模糊逻辑理论,提出了微细电火花加工放电状态逐级映射检测原理和方法。对实时采集到的极间电压和电流信号,通过模糊运算判别采样点的放电状态,再将采样点放电状态值映射为放电状态矢量,并对该矢量进行统计得到“短路率”和“火花/电弧率”,经过模糊推理辨识出各分析周期的放电状态。实验表明,该检测方法准确性高、运算量低并且运算速度快,检测结果为微细电火花放电加工过程的实时控制提供系统放电状态的反馈输入,保证了加工控制系统的稳定性和准确性。     

移动心电监护系统QRS波的实时检测算法研究

针对移动心电监护系统对ECG信号实时分析的需要,提出了利用动态心电图的二阶差分极小值和一阶差分过零点来实现QRS波精确定位的实时检测算法。该算法能克服或抑止各类噪声对ECG信号的影响,并设计了具有自学习和自适应功能的信号检测门限。经过对正常人和临床病人的动态ECG信号进行测试验证,QRS波检测准确率可达99.8%以上,试验结果表明该算法适合于移动心电监护系统QRS波的实时检测和分析。     

数控机床误差检测及其误差补偿技术研究

使用Renishaw激光干涉仪和高精度位移传感器实现了机床线性定位误差和主轴热误差的测量。通过补偿机床螺距和丝杠间隙误差,实现了机床线性定位误差的补偿。同时,使用PMAC控制卡对数控系统的G代码指令进行了实时修改,实现了机床主轴热误差的实时补偿。分析补偿后的机床,发现机床的加工精度得到了很大提高,表明该补偿效果明显。