【摘要】：表面結(jié)構(gòu)的磨損、支承、潤滑、潤濕、抗反射和腐蝕等性能與表面形貌緊密相關(guān)。當(dāng)前,在科學(xué)研究和工程應(yīng)用的很多領(lǐng)域中,對(duì)表面形貌的定量測(cè)量顯得尤為重要,人們對(duì)高效率、高精度的測(cè)量需求也日益強(qiáng)烈。然而,每種表面測(cè)量儀器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),沒有一種儀器能滿足所有的測(cè)量需求。像掃描探針顯微鏡(SPM)、三坐標(biāo)測(cè)量儀(CMM)這類儀器具有較高的測(cè)量精度,然而這種逐點(diǎn)式掃描的測(cè)量效率較低,且SPM測(cè)量范圍較小。光學(xué)顯微鏡(OM)具有高測(cè)量效率、測(cè)得數(shù)據(jù)密度大、非破壞性等優(yōu)點(diǎn),但光與表面結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的相互作用也會(huì)帶來較大的測(cè)量誤差。因此,為了滿足高效率、高精度的測(cè)量需求,本文基于高斯過程的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,分別從算法提出、仿真和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究工作:1、基于高斯過程算法,研究了在擴(kuò)大范圍、棋盤式、Hilbert曲線及阿基米德螺旋線這四種特定路徑下的表面重構(gòu)。針對(duì)隨機(jī)粗糙、自由曲面和結(jié)構(gòu)化表面,分別從仿真和實(shí)驗(yàn)上得出:在不損失測(cè)量精度的前提下,這種特定軌跡掃描具有減少測(cè)量點(diǎn)、提升測(cè)量效率的優(yōu)點(diǎn)。2、為了減少采樣密度且不損失表面測(cè)量精度,本文提出了基于高斯過程的自適應(yīng)采樣算法,且驗(yàn)證了算法的有效性和魯棒性。在每次迭代中,將當(dāng)前的采樣點(diǎn)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)表面形貌,然后在預(yù)測(cè)出的最大不確定度處添加一個(gè)新的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn),進(jìn)而將更新后的采樣點(diǎn)作為下一次迭代的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。通過這種訓(xùn)練、預(yù)測(cè)、采樣的迭代算法,重構(gòu)出的表面形貌可以有效地收斂到真實(shí)表面形貌。在隨機(jī)粗糙、自由曲面及結(jié)構(gòu)化表面上的仿真實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了該采樣算法的有效性。該算法不僅可以精確地重構(gòu)出表面形貌,也能大幅度地減少測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)。此外,本文驗(yàn)證了算法在表面的隨機(jī)特征、測(cè)量噪聲和表面結(jié)構(gòu)突變情況下的魯棒性。該算法尤其適用于逐點(diǎn)式測(cè)量。3、研究了基于高斯過程的數(shù)據(jù)融合算法在表面測(cè)量上的有效性。在復(fù)合式儀器測(cè)量中,主要存在兩種不同特點(diǎn)的數(shù)據(jù)集:高精度低密度(HALD)與低精度高密度(LAHD)。在測(cè)量結(jié)構(gòu)化表面時(shí),為了提高表面測(cè)量精度和效率,本文將基于高斯過程的數(shù)據(jù)融合算法應(yīng)用在這兩種數(shù)據(jù)集上,對(duì)各種結(jié)構(gòu)化表面的仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該融合算法的有效性。此外,本文系統(tǒng)分析了測(cè)量偏差、噪聲及采樣間隔對(duì)融合結(jié)果的影響。融合的表面形貌精度高于LAHD數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)密度高于HALD數(shù)據(jù)集。同時(shí),該融合算法提高了測(cè)量效率,提升了復(fù)合式儀器測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。
【圖文】：

１．１．１表面結(jié)構(gòu)逡逑表面結(jié)構(gòu)是指一個(gè)真實(shí)表面的所有表面結(jié)構(gòu)或波長部分［２］。一般來說，表逡逑面可按圖１．邋１所示分類。邐邐逡逑表面分類逡逑Ｉ逡逑Ｉ邐Ｉ逡逑功能性表面邐非功能性表面逡逑邐Ｌ＿邋－－ｉ邐邐＊邐－隨機(jī)表面逡逑結(jié)構(gòu)化表面邐｜非結(jié)構(gòu)化表面邋邐逡逑Ｉ邐Ｉ邐Ｌ系統(tǒng)表面逡逑有向表面｜邐｜無向表面逡逑圖１．１表面的８種類別［３］逡逑功能性表面：為了實(shí)現(xiàn)特定的表面性能，通過改變表面或亞表面層而得的表逡逑面。逡逑非功能性表面：沒有考慮表面性能、直接制造出來的表面。大多數(shù)傳統(tǒng)的機(jī)逡逑械加工表面屬于非功能性表面。逡逑結(jié)構(gòu)化表面：為了實(shí)現(xiàn)特定的表面性能，通過設(shè)計(jì)高深寬比幾何特征的確定逡逑性圖案構(gòu)成的表面。一些表面的縱橫比是可變的。逡逑非結(jié)構(gòu)化表面：制造過程中，由非確定性表面圖案構(gòu)成的表面。通過拋丸與逡逑１逡逑

逑的數(shù)據(jù)集，右側(cè)安裝的是一個(gè)接觸式探計(jì)．可用它測(cè)量稀疏但高精度、Ａ分辨率逡逑的數(shù)據(jù)集。圖１．邋４為多傳感器三坐標(biāo)測(cè)量儀，它集成了多個(gè)高精度傳感器［Ｉ邋１］，逡逑Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ逡逑Ｃｏｏｒｄｔｎａｔｏ邋Ｍ？Ａｓｕｍ＞９逡逑Ｍａｃｈｉｎｅ邋（ＣＭＭ）邐－逡逑“邐；；…ｒ：ｒｒ．，；ｒ邋＇邋＇？－／）邐＇邐１００－邐４．Ｕ．逡逑Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邐＊邋ｉ逡逑一邐ｍ．ａｏｓｃｏｐｅ＜ＳＥＭ）邐；邋．邋ｉ邋ｇ邋ｒ邐ｐｍ邋１0－邐ｒ————一 逡逑Ｉ邋！0１ｉ邐！邋Ｊ｜邋Ｓ邋ｉ．逡逑？｜邐；邐｜邐１００－邐邐邐＂Ｉ逡逑Ｊ邐＾邋．ｖ，，邋，邐＾邋ｎｍ邋？0－邐Ｉ逡逑ｔｏ＇．邐／邐？邐＇邐ＴＯ邐．’…：士邋．－．．逡逑ｒ邐Ｓｔｙｌｕｓ邋？Ｗ？ｒｕｒｒｗｆ？邐“邐ｕ——奢—逡逑－－邐0＜ｒ邋Ｉ邋ｆａｎａｎ－ｉｆｓｓｔｏｎ邋Ｅ＊？ｃｔ＜ｏ？逡逑．邐ｃＴ邋ｒｒ＾ｃｒＷｆ＾ＪＴＥＭ）邐ｐｍ邋１0＿逡逑１０邋－■逡逑邐ｊ邐ｓ＿＿＿，—，邐■…飛．－邐？．邐ｒ邐邐－．邐．，逡逑—＊Ｈ—奪？一丨．“．ｆ￣４Ｈ邐＼邐ｂ—邋．．ｆ邐１邐■！邐１邐邐邋４０邐ＩＣＯ邋１邐１０邐１００邐，邐１０邐１００逡逑，Ｄ，，邐１０＜邐，0１邐１0Ｃ邐ｐｍ邐｜邐郵丨邐ｍ逡逑Ｌａｔｅｒａｌ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ邋（ｍｊ邐（ａｔｅｒａｆ邋ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ邋（Ｘ
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG84

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本文編號(hào)：2640601