热晕效应是影响高功率激光光束质量的重要因素之一，对这一效应进行合理的仿真，有利于高能激光的应用。针对目前模拟高能激光热晕效应的微扰法、积分法和相位屏法适用条件不清晰的问题，对三种数值模拟方法进行了系统的对比，并结合实验数据确定了每种方法最为合适的适用范围：广义畸变参数N<3时，选用积分法；3<N<4.8时，选用微扰法；N>4.8时，选用相位屏法。此外，利用可编程的液晶空间光调制器实现了热晕相位畸变的实验室模拟，得到的实验室模拟结果与数值仿真结果高度吻合。合理的数值模拟及实验室模拟对于强激光的实际应用具有重要的参考价值。

针对全驱动无人船(USV)的轨迹跟踪问题, 提出了一种模型预测控制和积分滑模控制相结合的双层控制方法。首先, 针对无人船系统的运动学模型, 设计模型预测控制器(MPC)根据期望轨迹得到满足约束条件的期望速度信号; 针对动力学模型, 设计积分滑模控制器(ISMC)使得系统在外界干扰存在的情况下, 实现对期望信号的跟踪, 提高了系统的鲁棒性; 设计非线性干扰观测器对外界干扰进行估计, 并在控制律的设计过程中进行补偿; 最后, 采用李雅普诺夫方法证明了系统的稳定性。数值仿真证明了两者的结合可以有效地实现全驱动无人船的轨迹跟踪。

针对无人直升机的位置和姿态控制中存在不确定和外部干扰的悬停问题, 提出一种基于滑模方法的有限时间飞行控制策略。首先, 对无人直升机的六自由度模型进行分析, 将模型分为位置模型和姿态模型两个部分; 其次, 在悬停状态下对模型做简化处理, 根据位置和姿态之间的特点以及控制要求, 分别采用非奇异终端滑模和积分滑模设计位置控制器和姿态控制器, 并在Lyapunov理论框架下证明系统误差能在有限时间内收敛至平衡点; 最后, 通过仿真分析表明该控制策略具有良好的控制性能。

近红外波段(NIR, 波长范围: 780～2 500 nm)在线光谱分析技术具有小型化、 快速检测、 结果稳定可靠等优点, 在工业现场检测领域有着广泛的应用。 由于近红外光谱分析系统受温度影响较大, 传统的光栅分光在线光谱分析系统所采用的光谱仪通常仅对探测器制冷, 光路部分仍然会受到温度影响产生波长漂移等测量误差。 此外, 系统也多采用PC计算机来进行数据采集和控制, 并通过配备独立的工业通讯模块实现光谱分析系统与产线总控系统的通讯, 不仅增加了设备成本与体积, 也显著降低了系统的稳定性。 针对这些问题, 基于STM32单片机开展了在线恒温光谱分析系统研制与测试。 系统采用STM32单片机来控制近红外光谱仪, 通过设定和修改采集间隔时间并采集光谱数据, 对光谱数据进行预处理, 来计算得到目标样品的理化指标。 对于温度控制, 开发了在STM32单片机上运行的基于比例-积分-微分(PID)控制算法的恒温控制系统, 对光谱仪整体(包含光路和电路部分)实现了闭环恒温控制。 同时, 开发了基于STM32单片机的工业通讯接口(包含Modbus协议通讯和4～20 mA电流信号通讯)。 系统实验测试结果表明, 该设计能够长时间稳定运行, 并有效降低了环境温度变化对光谱数据带来的干扰。 在长达48小时的系统运行过程中, 光谱仪温度稳定控制在5 ℃左右, 温控精度优于0.25 ℃。 相对于未恒温控制的运行模式, 恒温控制条件下的平均吸收光谱强度相对标准差显著减小, 并实现了数据采集、 预处理、 样品理化指标计算、 工业信号通讯及温度控制的一体化设计, 以满足工业现场在线检测需求。

针对高温条件下光谱高精度反演的需求, 对比分析了7种不同的光谱线型模型在光谱反演中的精度和稳定性, 并发展了适用于高温诊断的光谱线型选择策略。 首先测量了1 100~1 600 K温度范围的两条H2O吸收光谱, 采用七种不同的光谱线型模型分别进行分析, 获取了各测量光谱的积分吸光度, 速度依赖线宽和多普勒半高宽, 并根据双线比值法计算气体温度值。 对比分析表明, 在高温常压条件下, Gaussian线型拟合精度最差, 但通过Gaussian线型反演的气体温度精度最高; 光谱拟合过程中, 通过设置线型模型中的多普勒半高宽参数为已知量, 能有效提高光谱线参数的反演稳定性和精度, 也能有效提高各光谱线型温度反演精度。 与高阶非Voigt线型(Speed-dependent Voigt线型, Rautian线型, Speed-dependent Rautian线型和Hartman-Tran线型)对比, Voigt线型获取的积分吸光度和速度依赖线宽偏小, 计算的温度结果相对误差偏大。 最后, 对比了7种线型模型拟合程序的运行时间, 在保证精度的条件下, Speed-dependent Voigt线型拟合速度最快。 因此, 通过Gaussian线型获取气体温度, 然后根据温度计算多普勒半高宽参数并将其固定为已知量, 采用Speed-dependent Voigt线型拟合能有效提高高温光谱的反演精度, 速度和稳定性。

量子级联激光器（QCL）具有出射功率高、 覆盖范围宽等优点, 在中红外探测领域发挥重要作用。 由于激光器对外界环境变化的敏感性导致激光波长波动, 在400 s的观测时间内频率漂移峰峰值高达180 MHz, 在一定程度上限制了QCL激光器的性能, 影响分子光谱探测的准确度。 频率锁定技术作为改善激光器运行状态最有效的方法在中红外区域得到广泛应用。 该研究发展了一种基于气体分子吸收的QCL激光频率锁定技术, 以5.3 μm QCL激光器为例, 采用调制激光波长的方法将激光频率锁定于一氧化氮（NO）分子1 875.812 8 cm-1处的吸收峰上。 介绍了误差信号的产生原理, 分析了使用三次谐波信号作为误差信号用于频率锁定的优越性。 使用长30 cm的单通道NO吸收池得到了高信噪比（SNR）的NO吸收信号, 标定了三次谐波幅值电压与激光频率的转换系数。 并对锁定过程进行详细的介绍, 探究了反馈控制回路中比例、 积分、 微分参数设置在激光锁频过程的重要性, 给定了详细的锁定参数。 主动干扰激光器锁定, 从扰动开始至恢复稳定的时间好于40 ms, 证明了该锁定系统可以抵抗外界干扰迅速响应并保持稳定。 使用误差信号的波动结合电压-频率转换系数分析了频率锁定系统的稳定性, 在10 ms的积分时间下频率漂移好于673 kHz, Allan方差分析结果显示, 当积分时间延长至100 s时, 相对频率漂移为4.5 kHz（对应稳定度为8×10-11）, 有效提高了激光频率的长期稳定性。 这种使用直接调制激光器而不需要使用外部调制器件的方法, 简化了系统复杂度的同时也提升光学探测系统的探测性能。

现代科技发展对温度的辐射测量提出了更高的要求, 采用波长封闭求解温度的多波长测温法得到了广泛应用。 然而准确确定被测物体发射率的函数表征是测量真实温度的难题。 引入仪器测量的概念后, 将确定物体发射率的难题转化为确定仪器发射率模型, 用物体与仪器发射率光谱分布曲线的交点波长构造真实温度封闭求解的条件, 是辐射测温的一大进步。 研究提出采用波段积分消除物体辐射二元函数带来的波长对测温的影响, 并且积分中值波长恰巧可以取代交点波长, 结合“谱色函数”实现了对上述曲线交点的捕捉, 完成了真实温度的测量。 需要明确, 测温所需波长个数并非越多越好。 对普朗克定律中第一、 第二辐射常数进行修定, 得到了广义测温模型, 使得测量所需波长数目限定为“3”, 其可以作为普朗克定律与发射率级数模型乘积表征所需测温波长的下限数目, 这是辐射测温的另一突破。 用物体辐射定义层面上的数学形式表示广义模型, 实现广义模型与线性仪器发射率的对接。 在可见光与近红外大气窗口波段内, 对广义模型和仪器测量方程进行数值拟合, 验证了定义式与广义模型在任意波段内的适应性。 在可见光波段内, 对金属钨的实验数据进行仿真计算, 结果表明: 广义模型通过调整有限的待定参数, 很好地还原了金属钨的辐射数据; “谱色函数”的设计能够实现对测温波长的有效分辨; 计算得到金属钨的温度相对误差均小于0.15%, 证明基于光谱分布曲线交点捕捉的测温方法是实现物体真实温度辐射测量的有效途径。

该文从理论上仿真了切割方向为165°Y，传播方向为75°Y的LiNbO3晶体(简称165Y LN)的表面波声光调制器的场分布及其重叠积分、驱动功率随波导厚度变化的关系，并与其他切割方向的仿真结果进行了比较。该方向位于材料退耦面内，且在该面具有最大的机电耦合系数，是潜在的高性能切割方向。测试表明，165Y LN的TE模和TM模在低频区均有较低的驱动功率和较大的重叠积分带宽，可被用于制作具有高性能且对偏振不敏感的表面波声光器件。