针对传统经验公式对高性能混凝土强度预测时存在偏差大、效率低等问题, 本文提出一种基于Stacking模型融合的高性能混凝土强度预测方法。首先, 通过数据清洗和归一化对1 030组高性能混凝土抗压强度试验数据进行预处理, 剔除异常数据及消除数据间量纲影响; 其次, 基于极端梯度提算法(XGBoost)、类别优先梯度提升算法、多层感知器和随机森林(RF)4种算法开展超参数优化、模型训练和评估, 采用决定系数、均方根误差和平均绝对误差对比分析4种基学习器对强度预测的整体效果, 在此基础上构建基于Stacking集成学习融合多种机器学习算法的高性能混凝土强度预测模型; 最后, 采用103组新的高性能数据集对模型进行验证, 并开展可解释分析。结果表明: 与其他基学习器的组合相比, XGBoost和RF融合模型的预测精度和性能均明显提高, 泛化性能较好, 且可解释分析显示最重要的输入特征变量是龄期和水泥, 说明模型内在的预测逻辑与工程实践的经验较吻合, 具有较高的合理性与可靠度。研究结果为进一步提高高性能混凝土强度的预测精度提供参考。

大功率射频板条CO₂激光器曾经是深熔焊接、切割的主力光源，目前主要用于超大规模集成电路晶圆退火。华中科技大学于2007年就开始了大功率射频板条CO₂激光器的研发，并进行大量的理论研究和产业化工作。本文介绍了射频板条CO₂激光器的国内外发展动态；重点分析了激光器的结构设计、(板条)面积放大、扩散冷却、激励电源、射频传输、阻抗匹配、射频气体放电等离子体、放电均匀性、电极热效应、非稳-波导混合腔、激光功率提取、输出光束特性、光束整形等核心技术；展望了射频板条CO₂激光器在超大规模集成电路晶圆激光退火中的重要创新应用。

由于高功率半导体激光器具有能量转换效率高、稳定性好、工作寿命长、体积小等优异的特性, 已经被广泛地用于固态激光器泵浦源、金属表面改性、焊接加工等领域。本文针对传统慢轴准直镜对于高填充因子的半导体激光阵列准直效果不好的问题, 提出了基于双焦距透镜的准直器件, 通过在一个面的相互正交的两个方向上分别设计不同的面型参数实现用一个器件同时对半导体激光器快慢轴两个方向同时准直的效果。应用费马原理推导了该透镜的面型参数, 得到两个面均为双曲面, 快轴方向的顶点曲率半径为0.074 95, 圆锥系数为-3.061, 慢轴方向的顶点曲率半径0.843, 圆锥系数为-3.061。最终得到的经过双焦距准直透镜准直之后的残余发散角分别为34.4 mrad (FWHM)和19 mrad (FWHM)。仿真结果表明这种设计可以实现与之前分离式两轴准直镜几乎相同的准直效果, 解决了传统FAC与SAC结构对高填充因子激光阵列参数受空间限制的问题, 同时减小了装调误差。

由于高功率半导体激光器具有能量转换效率高、稳定性好、工作寿命长、体积小等优异的特性, 已经被广泛地用于固态激光器泵浦源、金属表面改性、焊接加工等领域。本文对传统的单光栅光谱合束结构进行改进, 提出并设计了一种基于平行光栅-反射镜对结构的光谱合束系统。通过后置一个与透射光栅平行的全反镜让合束光束两次透过光栅进行衍射, 实现了合束单元间光谱间隔的压缩。搭建了半导体激光器外腔光谱合束实验平台, 将单光栅合束结构与平行光栅-反射镜对合束结构二者的输出光谱进行对比。在相同系统参数的情况下, 一个3管阵列与一个5管阵列在单光栅光谱合束结构下的光谱间隔分别为4.36 nm与4.69 nm, 而同样的阵列在平行光栅反射镜对的结构下测量的光谱间隔分别为2.15 nm与2.35 nm, 验证了平行光栅与反射镜对的结构相较于传统结构能够实现光谱间隔压缩一半, 可以在相同输出谱线宽度的范围内成倍增加发射单元的数量, 大大提高输出功率密度。

场景理解是信息科学里的重要研究内容,而三维(3D)数据相比于二维(2D)数据有着众多优势。目前点云的获取有多种方式,且不同获取方式的点云具有不同的特点,此外,基于点云的3D场景理解中的关键技术研究还没有完整、系统的综述。为此,总结了不同方式的点云获取方法,并对不同的点云数据及相关数据库进行对比分析。基于目前3D场景理解的研究进展,针对3D场景理解中的点云滤波、特征提取与点云分割和点云语义分割等技术进行了对比分析与总结。通过对近些年国内外文献的结论进行梳理,凝练出3D场景理解关键技术中存在的问题,并对3D场景理解问题的发展趋势做了展望。基于点云的3D场景理解因其数据的丰富性而被广泛应用在众多领域中,但是目前基于3D点云的场景理解效果,尤其是针对具有颜色信息的激光点云的场景理解,还有众多内容有待深入研究。

板条激光器初始光束为矩形光束, 光束的发散角与半径在相互垂直方向上相差很大。因此, 光束整形系统是板条激光器能够实际应用的关键技术之一。以2 kW射频板条CO2激光器为基础, 针对双柱面镜整形系统与带空间滤波器整形系统, 应用特征向量法与柯林斯公式进行了仿真分析。给出了光束通过这两种整形系统后光强的分布与光束半径的变化。结果表明, 板条激光器的矩形光束经过这两种整形系统后都能转变为近似圆形分布, 两个方向上的半径差值小。但光束通过双柱面镜整形系统后非稳方向光束质量没有得到改善, 聚焦后存在旁瓣, 能量占比约为9%。带空间滤波器整形系统则能够将旁瓣完全滤除, 提升了光束质量。

针对3 kW大功率射频板条CO2激光器的多组电极放电均匀性与阻抗匹配性问题, 采用麦克斯韦时域差分法构建了多组电极下的放电模型, 获得了最佳放电均压效果的均压电感值。以放电区等效阻抗值为基础结合均压电感值得到极板放电的总负载阻抗值。利用总负载阻抗值并通过Smith圆图获得与之对应的匹配网络阻抗参数, 使总负载阻抗与匹配网络阻抗之和为纯电阻50 Ω, 实现射频输入功率的完全馈入。实际测得当放电均匀与阻抗匹配时驻波比为1.18。研究结果表明, 在时域差分法模型中增加匹配的均压电感后, 极板整体放电均匀性波动从之前的15%降低到2.8%, 且每组电极的放电均匀性差异控制在0.3%以内。放电实验表明, 在放电均匀且阻抗匹配情况下, 对应激光器输出功率为3.1 kW, 且在2 h内波动可稳定在±1%以内。

为了解决3kW射频板条CO2激光器在高功率工作条件下功率波动的问题, 采用外光路转折镜调节方法对腔镜热畸变造成的光路偏移进行补偿。研究了基于芯片TMS320LF2407的脉宽调制器控制激光器注入功率的关键技术, 设计了整形光路尾镜取样功率检测系统, 并分析了外光路自适应调节系统的补偿原理。结果表明, 整形光路尾镜取样功率检测系统与基准功率计的最大误差为±2.59%, 其具有高线性度; 采用PA 100/T 14型压电陶瓷微位移驱动器, 对微动距离不超过54μm的自适应调节转折镜进行调节补偿, 光束偏移不会超出空间滤波器的0.8mm狭缝宽度; 调节补偿前后输出功率波动由18%降到2%, 达到了由于腔镜热变形导致光束偏移的补偿要求, 整形光束的旁瓣消失, 获得最佳模式输出。此项研究对提高激光器输出功率稳定性具有一定的实用价值。

为了解决射频板条CO2激光器因安装或腔镜热畸变造成的光路偏移问题, 采用外光路偏移补偿的方法对其进行校正。研究了基于压电陶瓷的偏移补偿装置, 设计了压电陶瓷驱动电路,并分析了控制精度和自适应控制方法。结果表明, 通过偏移补偿装置, 激光输出功率在任何占空比下均可达到或超过标准参考功率值, 并通过对比有无自适应调节, 激光输出功率最大相差100W, 且可保持激光输出功率在2h运行中波动小于2%。此项研究可保证激光器高效运行, 提高激光器的输出功率和模式的稳定性, 具有较大的实用价值。

焊缝质量在线检测是冷轧带钢激光拼焊过程中的重要关键技术之一。为了解决武钢TRUMPF12000 轴快流激光拼焊设备在焊接过程中出现的错边、拼缝、焊缝形态等问题, 采用3个传感器分别采集焊前间隙图像信息、焊接过程图像信息以及焊后焊缝图像信息, 利用OTSU 自动计算图像阈值、运用投影矩阵的方法将图像坐标转换到工件坐标, 编写程序提取图像特征点的方式建立焊缝质量在线检测系统, 并以5m/min焊接速率对3mm厚冷轧板进行焊接实验, 测量焊接试样焊缝宽度相对误差在4.42%左右。结果表明, 焊缝质量检测系统可以计算出较为准确的焊缝宽度、焊缝错边量等信息。