● 摘要
本文针对深空探测原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）的几个关键技术进行了研究，包括基于AVR单片机的样品轮定位和粗逼近控制系统的研发、针对AFM自动操作的图像选区技术和针对压电陶瓷管扫描器运动误差的在线自动校正技术。在电控系统的设计中，把样品轮和粗逼近的控制融合在一个模块中实现，实现了体积小、质量轻和低功耗等要求。该模块采用AVR ATmega16作为处理器并通过基于RS232的自定义通信协议与控制AFM扫描器的工业主板通信。开放的电路和软件设计构架，为升级提供了方便的接口。在图像的自动选区技术中，针对提取图像高度差最大的子区域或者图像细节最丰富的子区域两种情况，归纳出相应的目标函数，从数学上确定了基于标准差和离散余弦变化压缩的算法原理。在比较了固定网格和区域游走两种模式优缺点的基础上，创新性地采用了区域游走模式。为了解决由此带来的高计算量问题，针对DCT的块计算特点提出了一种新的算法，可以使计算时间成百倍的缩短，为实际应用奠定了基础。针对压电陶瓷管扫描器非线性和滞后等运动误差，在分析其电压-位移曲线的基础上，建立了一个新的校正模型。该模型从畸变的电压-位移曲线的正反方向扫描中提取相同的特征点，计算出电压-位移曲线的三次拟合畸变因子，通过畸变因子得到校正后的电压-位移关系表，从而实现对误差的校正。为了较好地解决对正反扫描线相同特征点获取的难题，研究出了一种基于逐次模板匹配的自动定位算法。