激光光束质量因子(M²)是全面表征激光光束质量的一个技术评价指标。提出了一种基于振幅调制的M²测量方法,该方法通过记录单幅激光光斑就可以利用迭代计算重建光束的复振幅;进而根据标量衍射理论,可以得到沿光束传输方向任意截面位置的光束强度分布;最后由二阶矩和双曲线拟合方法计算M²因子。模拟和实验验证了所提方法的有效性,且该实验技术简单、快速,不需要复杂的机械扫描结构,适用于脉冲激光光束质量的测量。

将光斑矩推广应用到离焦型Shack-Hartmann波前传感器中,提出了一种高精度的波前重建方法。针对离焦型Shack-Hartmann波前传感器,不仅提取了每一个微透镜光斑的质心偏移量,而且提取了每一个光斑的二阶矩,用于计算波前的局部斜率和局部曲率。将传统Shack-Hartmann传感器利用波前局部斜率进行波前重构的算法,推广到同时利用波前的局部斜率和局部曲率进行波前重构,并进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明:所提波前重建算法可以进行高精度的波前重建。将peaks函数作为输入波前,采用所提波前重建算法得到的波前残差RMS为0.0327λ,小于常规算法的0.0903λ,表明所提算法可以显著地提高波前重建精度。

鉴于传统确定性优化方法没有考虑结构参数的随机性对结构性能的影响, 本文提出了一种基于可靠性灵敏度的锁紧弹片结构优化方法。首先, 以某磁悬浮控制力矩陀螺锁紧弹片为研究对象, 研究了有限元建模和失效模式; 然后, 考虑弹片结构尺寸和材料参数的随机性, 结合响应面法与一次二阶矩法, 研究了串联失效模式下弹片的可靠度计算方法, 进而推导了可靠性关于设计变量均值和方差的灵敏度计算公式; 最后, 根据灵敏度分析结果, 研究确定了弹片结构优化策略, 构建了弹片可靠性优化模型。分析了安全系数法和可靠性法优化结果的差异, 结果表明：与安全系数法相比, 可靠性法的优化结果更好; 在保证弹片可靠度的前提下, 采用可靠性优化方法不仅使弹片质量下降了2371%, 使锁紧机构更加优化, 而且使陀螺房质量也下降了0.98 kg, 有利于磁悬浮控制力矩陀螺整机结构的轻量化。

为实现全景视场下人体行为特征的有效提取, 在原始形状上下文特征匹配算法的基础上, 提出一种基于自适应分块思想的金字塔匹配核算法.结合光学成像原理及全景视场下人体投影特点, 计算图像二阶中心矩对人体轮廓主轴方向进行补偿.然后对轮廓点进行均匀采样, 对各采样点提取形状上下文特征, 在匹配过程中分析高维特征空间中采样点的分布特点, 采用自适应分块的思想对金字塔匹配核函数的收敛策略进行改进, 根据各维度上数据的分布范围自适应地调整收敛系数, 以保证各个维度上的点集收敛速度一致.最后通过室内摔倒检测实验来验证算法的可靠性, 使用K均值聚类方法进行识别, 识别率可达92.9%.该特征提取算法为智能监控系统的稳定性提供了保障.

基于扁椭球面坐标系下非傍轴高斯光束的电场分布表达式, 给出非傍轴LG10模高斯光束的远场电场振幅分布表达式; 分析了非傍轴LG00模和LG10模高斯光束的远场电场振幅分布特性; 计算了非傍轴与傍轴高斯光束远场电场振幅分布的匹配效率和二阶矩参量的相对计算误差。分析表明, 当扁椭球坐标系的半焦距远大于波长时, 非傍轴LG00模和LG10模高斯光束的远场电场振幅分布趋近于傍轴LG00模和LG10模高斯光束的远场电场振幅分布。

根据非Kolmogorov湍流谱和二阶矩理论得到非Kolmogorov湍流中光束漂移模型的一般表达式, 结果表明光束漂移与湍流参数(广义指数参数α、折射率结构参数C2n、湍流外尺度L0和湍流内尺度l0)以及输入平面上的初始二阶矩有关。以部分相干反常椭圆空心高斯光束(PCAEHGB)为例, 对光束漂移的均方根值Bw和相对光束漂移Br进行数值模拟。结果表明, 广义指数参数、折射率结构参数、湍流内尺度、湍流外尺度、相干长度和束腰半径越大, Bw和Br越大。当C2n=10-14 m3-α、传输总路径L=10 km时, Bw≈0.22 m; 当L≈5 km时, Br达到最大。在相同参数条件下,PCAEHGB受湍流的影响比高斯-谢尔模型光束小。

激光在强湍流中的传输以及斜程传输问题是随机介质波传播研究中的热点，也是难点。文中尝试建立一个可以在任意湍流环境下通用的激光传输二阶矩演化模型。首先利用广义惠更斯-菲涅尔原理及球面波结构函数的二次近似推导了高斯-谢尔波束在大气湍流中传输时的互相干函数表达式。建立了波束互相干函数的三参数模型，得到了三参数的递进公式。利用三参数迭代法计算了部分相干波束在强湍流中及斜程传输时的等效波束半径及相干长度。计算结果证明了在强湍流中，相比于直接利用广义惠更斯-菲涅尔原理的计算结果，迭代法得到的等效半径较小，而相干长度较大。在斜程路径上，上行与下行传输激光的统计特性是不同的。

根据广义惠更斯-菲涅耳原理及交叉谱密度矩阵推导出部分相干径向偏振光束及高斯光束在大气通信中二阶矩束宽的解析表达式,同时通过对比大气湍流强度、相干长度及光源波长对两种光束在大气通信中束宽展宽及角扩展的影响,说明部分相干径向偏振光束在大气通信中更具优越性.研究表明,部分相干径向偏振光束及高斯光束在大气湍流中的传输都满足如下规律：大气湍流强度越大,则束宽展宽越大,角扩展越大:光源相干长度越大,则光束受大气湍流的影响越大,角扩展越小:光源波长越长,光束受大气湍流的影响越小,角扩展越大.但大气湍流强度、光源相干长度及波长三方面对部分相干径向偏振光束束宽展宽的影响远小于其对高斯光束束宽展宽的影响,即同一参数下,高斯光束束宽展宽远大于部分相干径向偏振光束束宽展宽.此外,高斯光束的角扩展不仅与上述三参量有关,还受其光束束腰宽度影响,而光束的束腰宽度对部分相干径向偏振光束的角扩展并不产生影响.以上结论表明部分相干径向偏振光束相对于高斯光束更有利于在大气湍流中传输,同时关于大气湍流强度、光源相干长度及波长三参量的研究,对于部分相干径向偏振光束在大气光通信中的应用具有指导作用.

根据单管半导体激光器出射光束特点，分别采用1/e2、环围能量以及二阶矩定义描述光束束宽，在高斯光束近似下采用双曲线拟合法测算得到不同方法定义束宽时的光参数积(BPP)，并与芯径为105 μm、数值孔径为0.2 的光纤所能接受的最大BPP 进行比较。对该单管半导体激光器进行光纤耦合，实验中单管半导体激光边模数量随注入电流的增大逐渐增多，光束质量的恶化导致其光纤耦合效率逐渐降低，当注入电流由1 A 增大到13 A 时，光纤耦合效率由96.5%降为88.8%。研究表明以二阶矩定义束宽半径测算光参数积BPP 去描述与评价单管半导体激光器光束质量特征是最为准确合理的。