根据透明固体介质的光学折射特点，对激光散斑测量透明固体折射率的传统方法进行了误差分析，并提出一种减小误差的改进方法：首先搭建像面散斑测量系统，透明固体则置于成像透镜和CCD相机之间，通过CCD相机先后采集待测透明固体垂直光轴放置时和偏转一定角度放置时的散斑图；然后利用数字图像相关法对采集到的两张散斑图进行相关处理，获得固体偏转前后的散斑面内偏移量；最后根据理论公式计算出其折射率。通过对比试验发现利用改进方法测量出来的结果误差小、精度高。

为了解决殷瓦合金焊接中易出现的焊接缺陷问题, 研究了液化天然气(LNG)船用薄板殷瓦合金搭接焊(上下板厚度均为1.5mm)工艺参量。通过设计制造气体保护盒, 采用数值仿真分析和正交试验的方法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了殷瓦合金搭接焊最优工艺参量。结果表明, 气孔缺陷在完全保护气下得到有效抑制, 殷瓦合金搭接焊的最优工艺参量为激光功率3.4kW、焊接速率1.3m/min、离焦量+20mm、激光入射角5°、激光光斑能量分布2∶1;在此最优工艺参量下, 焊缝表面呈银白色, 无气孔等缺陷, 焊缝处硬度小于母材但大于热影响区, 拉伸强度为417.16MPa, 达到母材的94.8%, 且仿真结果与试验结果误差较小, 证明了本文中所建立的仿真模型的可靠性。这一结果对殷瓦合金激光搭接焊工艺参量数据库搭建是有帮助的。

根据透明介质的光学折射特性，分析了内标法的测量误差，提出了一种激光散斑干涉测量液体折射率的改进方法，设计了一种由完全相同的两个长方体槽组成的双槽结构，其中一槽装有待测透明液体，并以此搭建了一套像面散斑光学测量系统，双槽结构则置于成像透镜和CCD相机之间。首先调节双槽至平行且垂直于光轴放置，利用CCD相机采集一张散斑图，接着调节双槽的夹角使其左右对称地偏转微小角度放置，此时再采集一张散斑图，然后采用数字散斑相关方法进行处理得到变化前后的散斑面内偏移量，最后理论计算出透明液体的折射率。利用这一方法测量了水和乙醇的折射率，并与内标法相比较，结果表明改进方法具有误差小、精度高的特点。

为了有效抑制离轴积分腔输出光谱气体传感中存在的系统及腔模噪声并提高信噪比和气体检测灵敏度,在传统经验模态分解(EMD)方法的基础上,提出了一种改进型的EMD滤波算法。在对含噪信号进行分层分解的过程中,结合Savitzky-Golay(SG)滤波算法和互相关运算,利用滤波信号与互相关系数来得到重构滤波信号。利用甲烷气体样品开展的仿真和实验结果表明,采用EMD-SG滤波方法能显著提高信噪比,降低气体检测下限。与传统的小波去噪、卡尔曼滤波相比,EMD-SG滤波算法在处理系统噪声中的高斯白噪声成分和非线性、非平稳的随机噪声成分上具有明显的优势,实现了较好的滤波效果。经EMD-SG滤波算法处理后,吸收信号的信噪比提高了1.9倍,系统的检测下限由8.7×10 ^-6下降到4.6×10 ^-6。所提出的基于离轴积分腔输出光谱技术的EMD-SG滤波算法具有较高的信噪比和较好的去噪效果,有效提升了系统的检测性能,为研制低噪声离轴积分腔气体传感器并将其用于大气环境监测提供了方法和依据。

为了研究地铁车顶SUS301L不锈钢叠焊工艺中对熔宽熔深的技术需求, 运用数值模拟技术分析了各项焊接工艺参量对熔宽熔深的显著影响, 采用正交实验法则对工艺参量进行了优化设计, 取得了激光焊接SUS301L不锈钢薄板的工艺参量。结果表明, SUS301L不锈钢薄板激光焊接在激光焊接功率为1050W、焊接速率为36mm/s、离焦量为1mm、保护气体流量为25L/min时, 熔宽和下板熔深分别为1216.4μm和407.4μm;在最优工艺参量条件下, 焊缝表面呈银白色, 连续且完整, 焊缝区为等轴晶与柱状晶, 焊缝平均拉剪强度为2559.96kN;仿真结果与试验结果具有较好的一致性, 表明所建立仿真模型的正确性。该研究为后期工艺数据库的搭建提供了参考。

为了实现大气甲烷(CH₄)浓度的高灵敏、实时检测,研制了一种基于开放光路的高稳定性笼式结构光学谐振腔,并结合离轴积分腔输出光谱技术研制了一种大气CH₄浓度传感系统。采用中心波长为1653 nm的可调谐半导体激光器作为光源,将反射率为99.92%的高反射镜置于距离光源35 cm处构建光学谐振腔。实验测得高反射镜的实际反射率为99.93%,谐振腔的有效光程可达516 m。Allan方差结果表明,当积分时间为4 s时,基于离轴积分腔的CH₄检测系统的最低检测下限为8×10 ^-9。利用开放光路的优势,开展了CH₄泄漏模拟实验,实验证明该系统具有快速检测CH₄泄漏的能力,为进一步研制应用于现场、且能快速响应的甲烷泄漏检测仪提供了依据。

为了有效抑制检测系统的噪声,提高气体浓度的反演精度,研究了近红外宽带腔增强气体传感系统的小波去噪方法。小波去噪方法的优化分析结果表明,选择db2小波函数作为小波基对含噪信号进行6级分层处理,并选择heursure阈值估计方法,采用局部阈值方式对噪声部分小波系数进行置零处理,可达到最优去噪效果。将近红外宽带腔增强吸收光谱技术与高分辨率傅里叶变换红外光谱仪相结合,建立了用于甲烷检测的气体传感系统,使用最小二乘拟合算法对去噪前后的甲烷吸收系数进行反演。结果表明,采用小波去噪后,反演浓度更接近真实值,反演精度提高7%,信噪比提高90%,系统检测下限降低45%,证明小波去噪算法可以有效提高系统的检测精度。