为了克服返波管太赫兹连续波成像系统所获取图像存在的对比度低、干涉条纹强等缺陷,较好地区分出目标和背景,避开不规则干涉条纹的干扰,采用基于模糊局部信息C均值的聚类算法用于目标检测,并针对太赫兹图像性质,对其中的隶属度函数进行了改进.结果表明,新的聚类分割算法适用于具有不规则条纹干扰下的太赫兹连续波图像,能较好地提取出图像中的目标,较经典图像聚类算法具有更好的目标检测精度.

为了降低激光噪声对光学实验的影响,采用了锁相放大器配合光学斩波器进行降噪.斩波器将激光调制成某一特定的频率,并把该频率传送至锁相放大器作为参考信号,锁相放大器再利用相干检测的方式提取出有用信号.为了减轻实验过程中操作员的劳动,使用LabVIEW平台开发了一套自动化软件系统,实现了实验操作和数据记录的自动化,极大地简化了操作流程.结果表明,与直接使用功率计测量激光强度的方法相比,该方法测量噪声从9.1%降低到4.7%;与人工记录数据相比,使用自动化软件系统节约了一半以上的实验时间.

为了实现无损测量生物组织光学参量,利用CCD技术结合最小二乘支持向量机,对测量组织模拟液的光学参量进行了实验研究.通过实验测量了组织模拟液的表面漫反射光分布,建立了漫反射光分布与光学参量间的最小二乘支持向量机回归模型,该模型实现了小样本条件下对组织模拟液光学参量的预测误差仅为5%.结果表明,最小二乘支持向量机结合CCD测量技术能够准确测量组织模拟液的光学参量.

为了满足布里渊光时域分析(BOTDA)光纤传感系统需要频差为布里渊频移的两种激光输出光源的需求,采用布里渊环形腔频移和电光调制的方法设计了双通道光源系统.根据光源的脉冲宽度、重复频率、扫频量等参量,对双通道调制光谱输出进行了仿真,并采用现场可编程门阵列配合直接数字式频率合成器技术的方案建立了系统实验装置,实现了脉冲探测光和扫频抽运光两种激光输出.脉冲探测光输出最小脉宽达10ns,扫频抽运光输出扫频范围达0MHz~90MHz,扫描频率步进值为30Hz,时间步进为1.6μs.结果表明,该光源技术参量满足BOTDA系统的要求,不需引入高频微波信号源等高速器件,信号采集模块可采用100MHz以下光电探测器件实现,降低了系统成本.

为了提高大功率轴快流CO2激光器的单根放电管的质量流量,得到更大的单根放电管的输出功率,对原有放电管的喷嘴、绕流环等结构进行了改进和优化,设计出一种新型的大质量流量放电管.采用数值模拟和实验验证的方法对新设计的放电管内的气体流动状态和输出功率进行分析,得到了工作气体的质量流量,放电管的输出功率以及工作气体在放电管内的流场分布,数值模拟结果和实验结果一致,并对不同结构的放电管的输出功率和流场分布进行了比较.结果表明,新设计的放电管的质量流量明显增加,单根放电管的输出功率提高,且能够得到均匀的辉光放电.

为了形成胶体晶体-微纳光纤结构,采用提拉生长法,将单分散的聚苯乙烯微球在微纳光纤表面自组装生长成胶体晶体,并用扫描电子显微镜和光谱仪对胶体晶体的显微形貌和透射光谱特性进行了表征.结果表明,聚苯乙烯微球有序堆积,自组装成胶体晶体,其结构为面心立方密排结构,表面为面心立方结构的[111]面.胶体晶体-微纳光纤的透射光谱在1400.8nm处有透射峰,对应于面心立方结构在[111]方向上的光子带隙.这种光子晶体微纳光纤在光纤传感器及滤波器方面有广阔的应用前景.

为了满足高精密测量领域对半导体激光器高稳定度的要求,设计了一种高稳定度、低噪声的半导体激光器控制系统.该控制系统由电流驱动和温度控制两部分组成,电流控制部分采用负反馈控制保持电流稳定,温度控制部分采用高度集成的MAX1978作为主控芯片,驱动半导体制冷器进行温度补偿.经过实验验证,电流在200mA范围内连续可调,电流控制精度高达1μA,在3kHz~100kHz带宽内交流噪声有效值小于300nA,长期温度漂移小于2m℃.结果表明,该系统可用于驱动分布式反馈外腔半导体激光器和分布式布喇格反射半导体激光器.

为了找到一种适用于激光修锐砂轮工艺参量预测和优化的方法,采用神经网络和粒子群算法,建立了激光修锐砂轮工艺参量优化模型.首先构建了工艺参量与工件表面粗糙度之间映射关系的神经网络模型,然后基于预测模型采用粒子群算法实现工艺参量优化,最后采用粒子群算法优化获取的5组工艺参量进行了激光修锐试验.结果表明,样本值与神经网络仿真输出值的相对误差小于3%,试验值与期望值的相对误差控制在6%以内.综合说明该优化模型具备良好的优化能力.

为了研究双光子聚合加工光路系统对聚合效果的影响,使用ZEMAX软件对光路系统的3个主要部分,即扩束镜、扫描振镜和聚焦透镜分别进行了设计,然后将3个部分结合到一起,从整体上模拟了整个光路系统,并且在光路中放置探测器来监控激光光束的变化情况.从模拟结果中可以直观清晰地观察到激光光束的能量分布在光路中的变化情况,主要分析了扩束镜对最终聚焦效果的影响.结果表明,扩束倍数越大,扩束镜越靠近光源,聚焦后焦点处的能量越高.该模拟结果也为实际实验系统的搭建提供了依据.

为了实现石英光滤波器中心波长随角度变化不敏感的目的,利用石英光滤波器绕着平行于或垂直于石英光轴的方向旋转时,石英光滤波器输出中心波长漂移方向不同的原理,提出了一个新型的两级改进型的Lyot石英光滤波器滤波的方法,并进行了相关理论分析和实验验证.结果表明,当入射角小于18°时,这个新型的光滤波器的中心输出波长的确对入射角度的变化不敏感.该结论与相关的实验结果是相符合的.

为了改善传统硬件相位测量中存在电路复杂、测量精度低、工作频带宽窄等诸多缺陷,利用AD8302的良好高频测相能力,设计了一种新的激光外差干涉信号处理系统,分析了其工作原理,并取得了静态、动态实验数据.结果表明,系统测量误差小于0.5°,使外差干涉理论测量分辨率提高到0.088nm,更有利于微振动信号的测量.

为了满足大口径(800mm×400mm)矩形轮廓反射镜的结构稳定性设计要求,采用背部3点支撑方式,基于Bipod原理,为某超宽覆盖空间的相机主镜设计了一种新型柔性支撑结构.分析了反射镜各结构参量对其质量和刚度的影响,选取其中影响较大的参量作为设计变量,对镜体轻量化结构进行了优化设计,并进行了有限元分析.结果表明,优化设计后的反射镜组件具有较好的力学适应性、温度适应性和动态刚度.振动试验结果与有限元分析结果相符,证明了其准确性.

平面标靶的定位是3维激光扫描数据处理过程中的重要一环.为了减小中心坐标提取对多站数据拼接配准、不同坐标系转换、辅助定位等精度的影响,提出了一种基于最小二乘法、K-means聚类法以及扫描点反射强度值的新方法,并进行了理论分析和实例验证,取得了准确的定位数据.首先采用总体最小二乘法对扫描数据中的粗差点进行剔除,然后基于扫描点反射强度值和K-means聚类方法进行区域分类,接着对中心坐标提取,最后对中心坐标进行计算得到坐标位置.结果表明,在一定距离内,该方法可以在实际应用时获得较高的定位准确性,在不同方向上与软件自动识别的坐标相差在亚毫米级,与实际测得标靶距离相差也在亚毫米级.该研究对实现平面标靶中心坐标自动提取是有帮助的.

传感器在铁路安全维护方面应用广泛.为了实现实时在线轨距测量,将激光技术与CCD图像式传感器相结合,建立车载轨距机器视觉检测系统.首先介绍系统的构成与工作原理,并提出基于去噪前置与距离变换算法的快速轨道轮廓中心线提取方法.然后采用强对比度拉伸和指数变换的方法进行图像增强,并结合高斯平滑与动态感兴趣区域对图像进行快速去噪前置处理.最后对图像进行精确阈值分割处理,采用距离变换的方法得到轨道轮廓中心线并定位轨距测量点.结果表明,该系统检测精度满足-1mm~+1mm,图像帧处理速率为14.35m/s.轨距机器视觉检测系统满足实时在线轨距检测对系统鲁棒性、检测速度和精度的要求.

为了研究离焦量对激光超声信号幅值的影响,采用相同能量的脉冲激光辐照不同厚度的铝质试块进行了工件测厚的实验.光路会聚采用焦距100mm的平凸球面聚焦透镜,将该透镜固定于5维光学调整架上,调节水平轴旋钮以改变离焦量;利用中心频率5MHz的压电探头接收激光超声波信号,并记录所有试块在每个离焦量下的超声信号数据;依据信号之间的时间间隔,求出每个铝质试块的厚度.结果表明,测厚结果与工件实际厚度之间的相对误差均在3%范围内;在等量激光脉冲激励下,当工件表面处于离焦量-10mm时,获得信号的幅值最大.

为了减小温度对半导体激光器输出光波长和功率稳定性的影响,设计了由恒流模块驱动半导体制冷器,通过改变恒流模块的电流来控制半导体制冷器的制冷量,利用分段积分的比例-积分-微分控制算法,选择最优控制参量,实现大功率半导体激光器的精密温控系统.系统包括高精度测温电路、控制核心DSP F28335、半导体制冷器控制电路、人机交互及通信模块.在5℃～26℃环境下对系统进行测试,实现50W大功率半导体激光器的恒温控制,温控范围为15℃～45℃,温控精度达到±0.02℃.结果表明,该系统温控范围广,控制精度高,满足大功率半导体激光器的温控要求.

为了实现飞机泊位系统的精确性和实时性、保证激光扫描数据的可靠性,建立了基于双振镜的激光扫描系统.采用数据精简、去噪处理、坐标转换、距离值补偿等数据处理技术,对激光扫描系统的数据进行了误差分析和噪声分析,通过机场的实地测试,取得了飞机泊位过程中的激光扫描数据.结果表明,通过对激光扫描数据的处理,可以实现飞机的准确泊位,与飞机停止线的误差小于100mm.

为了研究有限长激光脉冲在部分离化等离子体中的传播特性,采用变分法推导出有限长激光脉冲在部分离化等离子体中的参量演化方程,分析了尾波场、相对论自聚焦和部分离化非线性极化强度的影响因素;通过分析焦斑半径和脉冲宽度满足的耦合方程,讨论了横向和纵向尾波场影响下的激光脉冲传播特性.结果表明,由于焦斑半径和脉冲宽度的耦合,激光脉冲在部分离化等离子体中传播必须满足一定条件;在部分离化等离子体中,考虑激光传播时脉冲宽度的变化是有必要的;对给定强度的激光脉冲,等离子体密度不变时,随着电离程度增大,尾波场会进一步增强激光脉冲的自聚焦,其中纵向尾波场比横向尾波场对激光脉冲的自聚焦作用更明显.这一结果对有限长激光脉冲电离诱导自注入及尾波场加速电子的方案具有理论指导意义.

为了满足光码分多址系统中不同用户能够获得不同发送速率的需求,根据所需地址码的容量和码重,通过MATLAB编程,设计出没有重复数字的间隔集,得到具有理想相关性的多码长地址码.根据该地址码的构造特点推导计算出该地址码的误比特率,并绘制出误比特率随同步用户数变化图.设计并仿真了多速率光码分多址系统,分析了误比特率和系统性能.结果表明,该多码长地址码具有良好的相关性和误比特率性能,能够满足各种速率需求的用户.通过系统编解码后能够理想地恢复出原始信号,得到优良的眼图.此研究对光码分多址多速率系统的进一步发展是有帮助的.

微脉冲激光雷达是探测气溶胶的有效工具.为了验证探测的准确度,对一台微脉冲激光雷达观测数据采用Fernald算法进行反演,得到了南京北郊上空的气溶胶光学厚度,并将反演结果同太阳光度计观测数据、喇曼-瑞利-米雷达观测数据和中分辨率成像光谱仪的标准气溶胶产品进行了比较.结果表明,它们之间具有一定相关性.微脉冲激光雷达是反演气溶胶光学厚度的有效手段,可以用于其它观测手段的地面验证.

为了获得高功率、高光束质量的1064nm激光,采用凹透镜作为补偿透镜来补偿激光棒的热透镜效应.对补偿透镜的选取进行理论分析,并使用所设计的包含补偿透镜的平平谐振腔Nd∶YAG激光器进行了实验验证.在实验中,使用焦距为250mm的凹透镜、透过率为30%的输出耦合镜,获得了55W的高功率、高光束质量的1064nm激光输出.结果表明,此项研究对高功率、高光束质量激光器谐振腔的设计是有帮助的.

为了降低噪声对高光谱异常检测结果的影响以及提高异常检测率,提出了一种基于改进最小噪声分离(MNF)变换的新型高光谱异常检测算法.首先对传统的MNF变换进行改进,采用加权邻域均值法对噪声矩阵进行估计,对邻域内每一个像元给予一个特定的权值,提高背景像元在邻域矩阵中的比例,进而抑制噪声像元的比例,通过差值计算提取噪声信息,然后应用改进的MNF变换对高光谱图像进行降维去噪处理,最后,将获取的低维去噪图像利用异常检测算法进行检测,并用真实的AVIRIS数据进行了测试.结果表明,该算法有更好的降维去噪效果,提高了异常检测率.

为了提高传统线性半导体激光器电源的电能转换效率、输出电流的动态响应以及对负载电压的自适应能力,采用两相两重斩波变换技术,设计了一种半导体激光器用2kW直流驱动电源.测试并分析了该电源在激光系统中的静态特性、动态特性以及两相两重斩波变换电流源的效率.结果表明,电源对负载电压自适应能力强,具有较好的矩形输出特性;直接驱动激光二极管模块时,该电流源的电能转换效率高达93%,输出电流0A~100A的上升、下降时间仅为0.5ms,电流纹波系数小于0.03%.

为了实现玻璃中气泡尺寸的在线测量,基于激光视觉原理,采用线结构激光器、线阵CCD相机和运动控制系统在实验室搭建玻璃气泡的动态测量系统.投射到玻璃表面的线结构激光光斑经变焦镜头成像在相机的光敏阵列上,相机的横向扫描与运动平台的纵向扫描配合,利用Sapera CamExpert图像采集软件获得玻璃气泡的灰度图像;理论上讨论了图像的纵向和横向精度,给出了气泡图像失真的判断依据及工作像素时钟频率与玻璃板纵向运动速率之间的匹配关系;采集了不同纵向运动速率下气泡的灰度图像,利用Sapera Architect软件测量气泡图像的横向和纵向像素数,通过理论计算得出气泡的横向和纵向尺寸,并与直尺测量结果比较,发现纵向尺寸相对误差为0.18,横向尺寸相对误差为0.05.结果表明,在相机工作距离、焦距和像元尺寸确定的情况下在误差允许的范围内该系统可以用来测量气泡的横向尺寸.

为了研究飞秒激光诱导的硅材料周期表面结构,采用了理论分析和实验验证相结合的方法,对波纹周期与入射激光波长之间关系的理论分析计算,得到了单晶硅表面波纹周期约为800nm,研究了1kHz的飞秒脉冲(中心波长800nm,脉宽35fs)加工单晶硅引起的波纹结构.结果表明,在功率密度略大于样品损伤阈值的条件下,单晶硅表面形成了清晰的平行等间距直线周期条纹结构,测得该条纹的周期约为750nm,与所用激光中心波长接近.使用可旋转的格兰-泰勒棱镜改变入射激光的偏振方向,发现周期波纹方向随入射激光偏振方向的改变而改变,条纹方向与飞秒激光的电矢量方向垂直,并且由加工图片看出经辐照过的区域比未经辐照区域干净得多.这一结果对进一步研究激光诱导的周期性表面结构具有参考意义.

为了改善H13钢表面性能,采用激光熔覆方法,在H13钢表面制备了Co42高硬度涂层.对不同工艺下涂层的稀释率、粗糙度、表面形貌、显微组织及硬度分布等进行了测试分析.最佳工艺参量为离焦量20mm、扫描速率1.7mm/s、脉宽2.0ms、频率30Hz.此参量下制备的熔覆层厚度约为230μm,显微组织为致密细小的枝晶结构,与基底形成了良好的冶金结合.自熔覆层至基底,显微硬度梯度下降.熔覆层内的平均显微硬度为650HV0.1,为基体硬度(240HV0.1)的2.7倍,显著提高了H13钢的表面性能.结果表明,工艺参量(离焦量、扫描速率、脉宽、频率)对涂层的稀释率、粗糙度和表面形貌等有很大影响.这一结果对推动搅拌摩擦焊技术的发展是有帮助的.

随空间入射角的连续变化,格兰-付科棱镜的光强透射比曲线会产生较大的波动.为了抑制这种波动,利用偏振光实验系统对格兰-付科棱镜的光强透射比进行了实验,并在假设棱镜空气隙间存在多光束干涉的条件下,对棱镜的光强透射比实验的过程进行了数值模拟.模拟结果和实验结果吻合的非常好.首次相对定量地给出了格兰-付科棱镜的光强透射比曲线随入射角变化而波动的根本原因.并提出了两种抑制格兰-付科棱镜光强透射比曲线波动的方法.结果表明,产生波动的原因是由于棱镜在充当检偏器的过程中,随着步进电机的转动,光束在空气隙上的入射角不断变化,引起空气隙间干涉光束光程差的变化,进而影响多光束干涉加强或减弱而产生的.曲线上的波动较大的原因来自于格兰-付科棱镜的透射光束在切割面上是入射面的s分量,其光强反射比较大的缘故.这一结果对研究具有光强透射比曲线波动抑制功能的格兰-付科棱镜是有帮助的.

为了有效对抗时间延迟积分电荷耦合器件成像设备的干扰,采用脉宽为10ns、波长为1.06μm的脉冲激光对其进行了干扰实验.分析了干扰现象与机理,采用数字图像处理方法测量了饱和阈值.结果表明,当激光能量密度为1.33mJ/cm2时,时间延迟积分CCD达到饱和;提高激光重复频率可以取得更有效的干扰效果.

激光散斑在相干光成像、全息术、多模光纤通信、计量等领域具有重要的应用.为了对激光散斑进行评价,提出一种在频域采用散斑图像功率谱谱宽作为激光散斑评价的方法,设计了一种基于光纤振动的功率谱散斑评价实验装置.采用0.5W,532nm激光作为光源,通过电压驱动音圈电机振动光纤对激光散斑进行控制,利用CCD图像采集卡采集图像后,分别采用散斑图像的对比度方法和功率谱方法对不同驱动电压下的散斑图像进行了分析评价.结果表明,功率谱方法具有较高的灵敏度及较宽的评价范围.

为了解决相位解包裹时由于相位变化快而出现的欠采样问题,采用剪切干涉的原理建立光场,利用加权离散余弦变换算法求解泊松方程的方法,实现了对横向剪切最小二乘相位解包裹算法的改进.在理论分析的基础上给出了具体的相位解包裹算法,并通过实验研究验证了改进后算法的可行性.结果表明,改进后的算法能够有效地避免由相位变化过快带来的欠采样问题.

为了提高可见光和红外图像融合效果,采用支持度变换的可见光与红外图像融合算法,首先对可见光和红外图像进行支持度变换,低频系数采用局部能量比例调制加权的方法进行融合,高频系数采用局部方差比例加权的方法进行融合,最后通过重构算法得到融合图像,并由理论分析得到融合图像的性能指标数据.结果表明,该算法同小波算法、Contourlet变换算法以及文献算法相比较,在图像细节信息、包含的信息量以及清晰度上都得到显著提高,达到了预期效果.

为了解决环形激光器小型化中信号信噪比随腔长减小而下降的问题,设计了一种能压制He-Ne气体放电辉光而不影响激光光强的窄带滤光片.基于OpenFilters软件独有的“step”自动膜系设计方法,以初始膜层厚度为线索,设计了符合光谱特性实际应用要求的多个非规整膜系结构.考虑膜层数、膜层厚度及应力等因素,选出便于石英晶振监控的窄带滤光片.在45°的入射角下,该滤光片对s偏振光在632.8nm处的峰值透射率为99.9%,通带半峰值全宽为5.2nm,截止带平均透射率为1.35%.结果表明,该滤光片可有效压制He-Ne气体的放电辉光,提高小型环形激光器的信噪比.