“光电信息获取与处理”综合实验科教融合体系探索——以遥感科学与技术专业为例

光电信息技术是一门综合交叉学科,知识体系涉及诸多学科基础理论和工程技术,培养的人才不仅应掌握综合知识内容,还应具备解决专业领域应用问题的能力。以遥感科学技术专业为例,针对光学物理量与非光学物理量的信息探测及处理这两个光电信息探测主题,以科教融合为导向,以专业课程体系为框架,探索将遥感专业前沿研究融入“光电信息获取与处理”综合实验的教学方案和实验内容体系,从而巩固学生专业知识,训练学生综合实践能力,拓宽学生学术视野,提升学生创新素质。

光电信息工程专业实验课程体系的建设

实验课程体系建设是实验教学最为重要的组成部分，对于学生实践能力和创新思维的培养具有非常重要的作用。该文针对新建光电信息工程专业的现状，对实验课程体系进行了建设，建立了具有光电信息工程专业特色的实验课程体系，有利于实验的再开发、升级和学生的自主综合训练，有利于地培养学生的综合实践和实际动手能力。

面向新工科建设的仪器类专业数字图像处理课程思政教学案例设计与探索

该文面向新工科建设的“复旦共识”“北京指南”“天大行动”,围绕“新工科建设”和“课程思政育人”两大目标,推进仪器类专业课程思政建设,把思想政治教育贯穿到人才培养体系的全过程,引导学生自尊、自信、自立和自强,强化学生“仪器报国、仪器强国”的使命担当,厚植家国情怀,培养担当民族复兴大任的时代新人。同时探讨结合学校的办学定位、专业特色、人才培养要求,探索课程思政教学与知识教学的有机统一。针对面向仪器类本科生开设的数字图像处理课程,从教学大纲、教案、教材等方面整理补充和仪器仪表行业相关的思政教育元素,设计题材新颖、具有时代特色的仪器类思政教学案例,实现具有“专业知识-思政育人-空天报国-敢为人先”特色的课程思政育人目标,进一步落实课程思政“立德树人成效”根本标准的具体化和可操作化。

大学新生适应性状况研究——以北京地区B高校为例

研究大学新生适应性状况,有助于高校思想政治工作队伍掌握新生的基本情况、探求学生的成长规律,从而增强思想政治工作的亲和力和针对性。本文通过大学新生适应性调查问卷,从身心健康、学习情况、人际关系、对学校的认可、生活总体等五个维度,对北京地区B高校2016级部分新生的适应性进行研究。结果显示,B高校的新生适应性总体水平良好,不同性别、专业、生源地、国际化及信息化程度的学生,其适应性状况在不同程度上存在差异。本文重点分析了产生差异的原因,并结合实际情况给出了工作建议。

新时代卓越工程师思政育人体系构建

基于新时代卓越工程师“爱党报国、敬业奉献、具有突出技术创新能力、善于解决复杂工程问题”的能力素质要求,结合工程教育领域的研究和实践,分析卓越工程师思政育人的培养目标,提出以“家国情怀”为“根”、“人文素养”“科学素养”“工程素养”为三脉的“一根三脉”思政素养指标体系,并结合高校育人实践提出“教学思政”“科研思政”“工程思政”三个维度的实施路径,系统构建“教学–科研–工程”三融汇的卓越工程师思政育人体系。

匀场线圈研究与设计工程实践平台搭建

匀场线圈是量子传感器中的关键部件,在原子磁强计实验中,线圈产生的磁场用于抵消剩余磁场,使磁强计在接近零磁的均匀磁场下工作,实现超高灵敏磁场测量。实验室搭建了支持匀场线圈理论研究、工程设计、测试验证的工程实践平台。平台以线圈磁场分布物理模型为基础,支持利用程序算法优化线圈结构参数,设计加工并测试线圈常数和均匀度指标。学生通过平台完成理论建模和工程实验,加强了对线圈磁场原理的理解,在优化设计过程中锻炼了数学思维,提升了工程实践能力。

基于条纹投影轮廓术的航空高光零件三维测量技术

针对航空工业零件高光表面结构光三维测量中强反光和多次反光问题,提出了基于高动态多步相移和单像素成像相结合的三维测量技术,有效地解决了测量复杂反光表面时的点云缺失和精度下降问题。对标准量块进行三维测量和精度评价,基于高动态多步相移的三维测量技术拟合均方根误差为0.0066 mm,基于单像素成像的三维测量技术拟合均方根误差为0.0046 mm。以台阶标准器作为测量目标,开展绝对尺寸测量精度验证试验,绝对偏差不大于0.007 mm。分别对金属表面结构件(如航空发动机叶轮、涡轮叶片)和碳纤维结构件进行测量试验。试验结果表明,三维测量结果基本无点云缺失,强反光和多次反光区域均获取了完整的点云数据,实现了航空工业高光零件的精密三维测量。

航天轴承摩擦力矩的最大熵概率分布与bootstrap推断

滚动轴承摩擦力矩具有不确定的波动和趋势变化,属于概率分布与趋势规律都未知的乏信息系统。这是一个重要问题,它阻碍了对轴承摩擦力矩的小样本分析与总体把握。为了解决这个问题,根据最大熵原理,从小样本入手建立航天轴承摩擦力矩的概率密度函数。以此为基础,在讨论了摩擦力矩的时域特征与概率分布特征后,用bootstrap对摩擦力矩总体的分布参数进行统计推断。试验研究表明,推断结果和试验结果之间的误差很小,满足工程要求。因此,用小样本可以描述航天轴承摩擦力矩总体的统计特征。

航天器姿态自抗扰控制

为抑制航天器自身结构参数变化和内外扰动对姿态控制精度和姿态稳定度的影响,设计了航天器姿态自抗扰控制器.自抗扰控制器(ADRC)由跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)和姿态反馈控制器(AFC)3部分组成.跟踪微分器负责安排姿态指令过渡过程,并提取其微分信号.扩张状态观测器(ESO)充分利用姿态敏感器与速率陀螺的量测信息,可对航天器姿态及内部和外部干扰进行观测.姿态反馈控制器则在补偿ESO估计的干扰的同时,实现航天器的姿态控制.与已有研究相比,扩张状态观测器采用复合量测信息对状态估计进行校正,性能较好.而自抗扰控制器只采用一个环路即可实现姿态控制及干扰补偿,结构简单.对某航天器姿态控制系统的仿真结果表明,以上自抗扰控制器是可行的.

基于光谱技术的植物叶绿素浓度无损检测仪器的研制

开发了一种便携式植物叶绿素无损检测仪器,该仪器可实现对叶绿素浓度的实时、快速、无损检测。仪器主要包括4个部分:叶片夹具,光源驱动电路,光电检测及信号调理电路和微控制系统。提出了一种电流可调节的光源恒流驱动电路方案,在实现恒流驱动的同时还可以对驱动电流进行程控。同时提出了一种一体化叶片夹具设计方案,不仅简化了仪器的光学结构,而且提高了仪器稳定性。在仪器的标定实验中,用SPAD-502叶绿素测量仪测定的叶片叶绿素含量SPAD值作为标准值,建立了多元线性标定模型,对仪器的性能进行了评价,叶绿素预测值与标准值的相关系数为0.97,预测均方根误差为1.3SPAD,仪器重复性的均方根误差为0.1SPAD。标定实验结果表明,该仪器测量精度高、性能稳定。

航空遥感用三轴惯性稳定平台不平衡力矩前馈补偿方法

航空遥感用三轴惯性稳定平台用于稳定成像载荷,获取高分辨的遥感数据。但是由于稳定平台承载大且存在质量偏心,在载机加速度的作用下平台产生幅值较大的不平衡力矩,导致平台的稳定精度下降和相机成像质量退化。为了有效抑制不平衡力矩产生的影响,提高平台的稳定精度,提出了一种基于不平衡力矩观测器的惯性稳定平台不平衡力矩前馈补偿方法。首先设计一种不平衡力矩观测器,实时估计出平台的不平衡力矩;然后通过前馈补偿的方法抑制不平衡力矩的作用,从而达到提高平台的稳定精度的目的。仿真结果显示,平台的稳定精度得到大幅度提高,基于不平衡力矩观测器的惯性稳定平台不平衡力矩前馈补偿方法有显著补偿效果。

光电系统离焦量对其猫眼效应回波功率的影响规律及原因分析

离焦量是决定光电系统猫眼效应回波功率强弱的关键因素。为了分析不同离焦情况对猫眼效应回波功率的影响规律及原因,通过对光电系统猫眼效应几何光学传输模型的分析,推导了包含离焦量的猫眼效应回波功率和等效回波波束球心的表达式,分析了不同离焦情况对回波功率的影响机理,并进行了实验验证。研究结果表明:在离焦情况下,猫眼效应回波波束可以等效为从目标处发出的一束锥状球面波,随着离焦量的增大,该球面波的球心距接收点的距离逐渐增大,因此回波功率逐渐衰减;正离焦时,该等效球面波的球心与接收点位于目标的同侧,负离焦时,球面波的球心与接收点位于目标的异侧,因此,在相同离焦量条件下,负离焦所导致的回波功率衰减程度比正离焦时更大;实验结果验证了这个结论。

基于灰色马尔柯夫预测的测量仪器校准间隔动态优化

根据测量仪器校准参数数据特点,建立了仪器校准参数动态发展趋势的时间序列组合模型。将灰色预测与马尔柯夫预测方法优化互补,用灰色预测模型预测参数总体发展趋势,在此基础上采用马尔柯夫模型预测参数在总体趋势下的随机波动性变化,得到校准参数发展趋势预测模型的解。给出基于校准参数趋势预测的校准间隔动态优化方法,并通过实验数据对预测模型进行了验证。结果表明,此模型既能预测校准参数总体趋势,又适合于波动性较大的随机序列变化;校准间隔的优化改善了计量管理中不足计量和过剩计量的缺陷。

光电探测器非线性响应对相干激光多普勒测速仪的影响

光电探测器是相干激光多普勒测速仪的重要组成部分,其对光信号强度的响应特性直接影响着系统的信噪比。为了提高系统探测性能,从光电探测器非线性响应对相干激光多普勒测速仪的影响的角度进行研究。通过对响应函数进行多项式分析,研究输入拍频信号为带偏置的余弦信号时的输出电压波形,对比分析存在二阶非线性响应与在线性响应下的信号,从理论上说明探测器非线性响应对系统信噪比的影响。并对测速仪进行了对比实验,在对非线性响应进行抑制之后,系统信噪比由16dB提高到35dB,从实验角度验证了分析的正确性。

航空遥感用三轴惯性稳定平台动力学建模与仿真

航空遥感用三轴惯性稳定平台由于其机械结构特点,飞机姿态的扰动会耦合到安装在平台的相机上,影响相机的成像质量。为了对复杂耦合关系进行分析,从分析力学的角度出发,采用拉格朗日第二类方程,考虑轴承摩擦,建立了航空遥感用三轴惯性稳定平台动力学模型。在此基础上,对基座振动对相机相对于惯性系的扰动进行了数值仿真。仿真结果表明:基座振动同框架间的耦合力矩相比,基座振动对相机相对于惯性系的扰动占主导作用。当轴承间为动摩擦时,基座振动频率越高,对相机相对惯性系的扰动越小,并从理论上证明了此结论的正确性。研究结果为深入研究航空遥感用三轴惯性稳定平台的振动主动控制提供了理论依据。

基于虚拟仪器的无线传感器网络监控平台

为了提高无线传感器网络监控平台后台软件的通用性和开发效率,提出一种基于虚拟仪器的无线传感器网络监控平台的构建方案。后台软件采用图形化编程语言LabVIEW开发,实现了对无线传感器网络数据的读取、解析、存储、可视化显示、监测报警、远程监控和网络运行状态分析等功能。由于采用虚拟仪器模块化设计,更便于功能扩展,兼容多种无线传感器网络硬件节点,适用于多种场合。

液晶相位可变延迟器的光电特性研究

液晶相位可变延迟器(LCVR)是一种新型的精确偏振器件。阐述了LCVR的工作原理,研究了LCVR的时间响应特性和相位延迟特性,提出一种基于斯托克斯矢量和穆勒矩阵的LCVR相位延迟测量方法。研究结果表明,LCVR具有调谐电压低、易控制、调节范围大且连续可调、无需转动等优点,当偏振测试系统通过LCVR进行偏振光的相位调制时,应尽可能地使LCVR电压变化方向为从小到大,即相位延迟从大到小的顺序进行调制,以减小测试系统的响应时间,同时应将LCVR上的光的入射角度控制在较小的范围之内,以提高偏振测试系统的测试精度。

航空遥感惯性稳定平台模糊/PID复合控制

为提高航空遥感惯性稳定平台控制系统稳定精度和扰动抑制能力,在常规PID控制的基础上设计了一种模糊控制与PID相结合的复合控制算法,分别应用于稳定平台横滚框及俯仰框系统进行实验验证。在三环控制系统位置环中将模糊控制与PID控制方法结合使用,并引入变论域思想,建立模糊/PID复合控制器,满足输出偏差变化不同时刻对PID参数整定的要求。通过模糊控制器实时调整PID参数,使系统具有良好的动、静态特性,实现多源扰动下惯性稳定平台的高稳定精度控制。分别通过仿真和静动态实验对方法进行分析和验证。实验结果表明:与常规PID控制及单纯模糊控制相比,模糊/PID复合控制器具有优越的扰动抑制能力和高稳定精度。相对传统PID控制,横滚框和俯仰框的静态均方根误差(RMS)值分别下降51%和73%、动态RMS值分别下降约20%和30%。

航空遥感用惯性稳定平台动力学耦合分析

航空遥感用惯性稳定平台承载重量较大的成像载荷,系统相对复杂,耦合明显。根据航空遥感用三轴惯性稳定平台的结构特点,应用矢量叠加原理推导了平台环架运动学方程,建立了欧拉动力学模型,并分析了基座运动情况下各环架间的动力学耦合误差。仿真结果表明,基座对平台环架耦合较大,环架交叉耦合相对较小,且在外界干扰下基座及环架间的耦合加强。研究结果为稳定平台控制系统设计提供了依据。

光电探测系统辅助SINS的动态对准方法

针对陆地战车对定位和定向系统的要求越来越高,提出了一种高精度的对准方法。采用光电探测系统计算出精确的车辆位置和航向,在两次光学定位过程中利用运动约束与零速修正组合的方法估计出惯导系统系统误差,进而估算出光电探测系统与捷联惯导系统之间的敏感轴安装偏角。仿真结果表明:光电探测系统的定向精度优于10″,定位精度优于0.1 m,敏感轴安装偏角的估计精度优于20″,因此本系统满足陆用战车的高精度动态对准需求。