激光选区熔化(SLM)能够实现由粉末到零件的自由制造,成形件尺寸精度高、表面粗糙度低,特别适合具有复杂结构的模具的成形。重点介绍了SLM成形模具钢的研究现状、成形材料、工艺特点、组织演变和性能优化等,并简要介绍了其应用现状,如随形冷却流道的应用案例等。总结了现阶段SLM成形模具钢存在的问题,并对其未来的研究方向进行了展望与探讨。

标定方法一直是线结构光三维测量系统研究的关键要素。重点讨论了线结构光传感器标定方法中的三个问题:标定靶物、光平面标定方法以及标定精度评定方法的比较。首先,总结了常用的标定靶物类型及其标定特点,为标定靶物的选型提供参考;然后,按照标定靶物和传感器标定时的相对运动关系,将当前主要的光平面标定方法划分为三类,分别是靶物与传感器位置关系固定不动的标定方法、靶物与传感器之间存在可控运动的标定方法以及靶物与传感器之间可自由移动的标定方法;其次,系统归纳了现有标定精度的评定方法,分析了各种方法的原理以及特点;最后,总结了线结构光标定方法的发展现状,指出线结构光自扫描测量系统和水下标定是线结构光传感器的发展趋势。

受波导结构和芯片封装等因素的限制,半导体激光器快慢轴方向上的光束质量差距较大。半导体激光器主要用作抽运源,即亮度转换器,很难作为高亮度光源被直接应用。介绍了提高半导体激光器输出光功率密度和输出光束质量的非相干合束技术--波分复用合束技术,并总结了其国内外发展现状及若干重要动向。该研究为半导体激光器波分复用合束技术的发展提供了参考。

自由空间的量子密钥分发(QKD)技术已成为量子通信领域的研究热点之一,连续变量QKD与离散变量QKD是其两大技术分支。介绍了近年来国内外自由空间QKD技术的研究进展,从实际应用角度出发,对比分析了两大分支主要的技术难点,重点分析了背景光干扰、大气信道中单光子的退偏振特性以及湍流引起的相位畸变等现象,并对自由空间QKD技术的发展前景进行了展望。

凭借非侵入、无损伤、高灵敏、高速率等优势,相移干涉技术已成为波前检测和相位测量的重要技术,也已被广泛应用于光学成像与测量等相关诸多领域。依据相移和光路特征对相移干涉技术进行了分类,对典型的时间相移和空间相移干涉技术进行了特征评析;继而依据相移技术的发展,列举了典型的相位恢复方法。针对发展的广义相移干涉技术,依据相移运算特征对各类典型相移获取方法进行了特征分类,继而讨论了广义相移获取方法中存在的问题和相应的解决方法。最后对相移干涉技术和相移获取方法的发展趋势作出了预测。

为了拓宽微波光子滤波器应用,综述了基于非相干和相干体制来提高微波光子滤波器带外抑制比的现有方案,分析了各方案的优缺点;利用载波抑制的单边带调制外腔光注入分布反馈式(DFB)激光器的方式实现了单通带微波光子滤波,该方法消除了DFB腔内的四波混频效应,将单通道微波光子滤波器的带外抑制比由原来的20 dB提高至32.3 dB,最后探讨了进一步提高带外抑制比的途径。

论述了光学相控阵的原理,回顾了光学相控阵的发展历程,特别是近年来硅光子相控阵的研究进展。利用与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺线相兼容的绝缘体上硅(SOI)技术实现了大规模的集成,目前国外报道的最大的硅光子相控阵集成了4096个阵元。在硅光子上实现的二维光束扫描角度可以达到46°×36°,光束宽度只有0.85°×0.18°,天线的损耗小于3 dB,且旁瓣抑制大于10 dB。此外,采用微机电系统(MEMS)器件实现的光学相控阵的光束扫描速度超过0.5 MHz。阐述了各种方式实现光学相控阵的优缺点,并对未来发展前景进行了展望。最后,介绍了光学相控阵在激光雷达、成像、**上的应用。

再生光纤布拉格光栅是通过对普通光纤布拉格光栅进行高温退火处理得到的一种耐高温光纤光栅,因其在高温下具有光栅光谱不衰退的特性,光纤光栅传感应用于高温环境成为可能。由于再生光纤光栅具有制作简单、成本低廉、传感性能良好等优势,国内外学者对再生光纤光栅的性能及其传感应用进行了大量的研究。从再生光纤光栅的形成机理、制作方法、特殊类型光栅再生以及光纤光栅机械强度保护4个方面对现阶段再生光纤光栅的研究进行总结、分析,并根据已经进行的研究内容对其高温传感应用进行了展望。

激光无线能量传输(LWPT)技术具有传输距离长、功率密度高、转换效率高以及无需能量传输线的优势,在空间飞行器、无人机以及空间太阳能电站等方面具有潜在的应用前景。随着激光以及光伏电池技术的进一步发展,LWPT技术的可行性大大提高。介绍了LWPT技术的发展现状和趋势,分析了LWPT系统需要解决的关键技术以及激光辐照下光伏器件的响应特性,针对高功率密度、特定波长的激光专门设计并优化光电转换器件,提高光伏电池的转换效率,为LWPT技术的实际应用提供支撑。

微光遥感成像技术是用微光像增强CCD(ICCD)弥补现有CCD成像器件不足的遥感成像技术,其主要特点是宽光谱响应、低噪声、高灵敏度、大动态范围和智能电子控制。该技术的应用将大大拓展各类航天器的有效工作照度条件和时段范围,从白昼10 ⁵~10 ² lx(10:00-16:00,6 h有效遥感),扩展为白昼/晨曦/黄昏/月光条件下的10 ⁵~10 ^-1 lx(06:00-18:00,12 h有效遥感),使遥感器材能在更宽的时段内从事观察、报告、预警地面的突发事件,如自然灾害、恐怖活动,并为满足必要的地理、地质和测绘等需求提供实时信息。简要评述微光遥感成像技术的基本原理、系统组成、关键技术、性能测试、总体评价及推广应用等方面的最新研发动态和成果。

基于CALIPSO卫星激光雷达数据,以卫星过境路线上33.5°N~34.5°N之间的区域为研究对象,对在清洁天气、霾、沙尘和烟花爆竹燃放污染天气下的气溶胶垂直分布特征进行了对比分析。研究结果表明:清洁天气时高空以大陆清洁型气溶胶为主;霾天时以大陆污染型气溶胶为主,其消光与后向散射能力强,粒子球形度较高且粒径较小;沙尘时气溶胶垂直分布广,近地面到高空范围内沙尘型气溶胶占主导,非球形度高且粒径较大;烟花爆竹燃放时主要产生集中在中低空的细粒子污染,以大陆污染型和污染沙尘型气溶胶为主。不同污染类型下气溶胶垂直分布特征各不相同,将CALIPSO卫星激光雷达数据与气象要素、Hysplit模型结合可用于对污染类型进行判别。

在散斑视觉测量中,通常引入标志点以提高散斑的测量效率。针对传统标志点匹配过程中存在的匹配时间长、匹配准确率低等问题,提出了一种采用改进KLT(Kanade-Lucas-Tomasi)算法的标志点匹配方法。该方法在利用改进加速稳健性特征(SURF)算法对标志点进行检测以建立初始匹配点的基础上,采用改进的KLT算法实现标志点的匹配,并利用最大双向误差作为约束条件删除匹配过程中存在的误匹配点,以提高匹配的可靠性。最后,对机翼颤振测量中涂敷在机翼模型散斑区的标志点进行了匹配实验验证。结果表明,与传统的尺度不变特征转换(SIFT)与SURF匹配算法相比,所提方法在匹配时间上分别减少了75.9%和42.8%,在匹配准确率上分别提高了30.6%和22.2%。

针对室内可见光通信系统中全光通信链路不易实现的问题,设计并搭建了一种基于离焦型猫眼逆向调制方案的室内可见光单光源全双工通信系统。该系统上下行链路相互独立,克服了传统单光源双工通信系统需要收发两端配合通信的不利因素,无须增加额外的光源就可以实现全光链路的双工通信。实验结果表明:该系统可在3.0 m的通信距离条件下实现下行5.0 Mbit/s、上行2.0 kbit/s的数据传输。

为了满足空间多节点激光通信系统的研制与调试要求,提出了一种多用途激光通信光学天线。通过替换透镜或分光组件,实现激光通信光学天线与自准直平行光管功能的切换。对主镜室进行加强设计,提高了系统整体刚度并使其具有遮光罩的功能。主镜室前端面与盘式次镜架连接,方便光学系统的装校工作,内部通过6个粘接点与主镜相连,后端面连接主镜室背板,以提供透镜组件、分光组件及主镜辅助支撑组件的安装接口。有限元分析结果表明,本结构1阶模态为345 Hz,环境温度在20 ℃±5 ℃范围内,主镜面形误差均方根值优于λ/28。使用4维(4D)干涉仪对系统波像差进行检测,结果表明,激光通信光学天线工作模式下系统波前均方根值优于λ/14,能够满足激光通信系统的指标要求。

设计了基于时间波长交织技术的多通道连续型光子时间拉伸模数转换(PTS-ADC)系统。研究了互补型双马赫-曾德尔调制器(MZM)结构对多通道连续型PTS-ADC的性能影响。通过理论推导验证了互补型双MZM抑制PTS-ADC中二阶谐波产生的原理。设计了一种基于互补型双MZM的连续型PTS-ADC系统,利用Optisystem软件对该系统进行仿真研究,对频率为6 GHz的射频(RF)信号进行模数转换。仿真结果表明,基于互补调制的多通道连续型PTS-ADC系统可以对RF信号实现降频处理及连续采样,实现了4.69的有效量化位数。

从传感光纤的高双折射螺距和光纤结构两方面分析不同螺距下光纤内光的偏振态差异及其受温度变化的影响,对比了PANDA光纤、椭圆芯光纤、保偏微结构光纤的温度特性。结果表明,在全光纤电流传感器(FOCS)中,当传感光纤的螺距L_T是光纤对应的未螺旋状态下拍长L_p的2倍时,温度特性最差。L_T减小,光纤偏振保持能力减弱,抗物理干扰能力变差。当L_T≈L_p时,传感光纤既有较好的温度特性,也有较强的抗外界物理干扰能力。不同结构的传感光纤,传感器比差的范围不同,其中基于微结构保偏光纤的传感光纤,在-40~+70 ℃全温度下未经补偿,传感器比差变化范围最低,仅为±0.32%。

把光纤布拉格光栅(FBG)的有效折射率、周期用二元函数泰勒展开,理论验证FBG温度-应变和应变-温度交叉敏感方式相同,得出热光系数和弹光系数均与有效折射率平方成正比例关系的结论;列出温度、应变测量计算方程式,并阐述了计算方法。测试温度、应变同时存在时FBG的波长,可知温度-应变和应变-温度交叉灵敏度系数分别为-1.4743×10 ^-6 nm/(℃·με)、-1.3948×10 ^-6 nm/(με·℃)。把FBG静力水准仪放置于露天阳台上监测一天内波长变化,代入方程式计算,得到较为精确的水准仪液体深度变化解。结果表明,使用温度、应变计算方程式求解,能够提高FBG的测量精度。

在激光扫描投影校准过程中,激光投影的光斑大小直接影响校准精度,进而影响投影系统的投影精度。为达到激光投影扫描系统对精度的要求,提出了一种能提高激光扫描投影精度的方法,即采用固定倍率准直扩束镜组和动态聚焦镜组相结合的方式,在减小激光束发散角和激光投影光斑的同时,使投影系统在投影工作距离上具有足够的焦深,以获得较大的激光能量密度,进而实现平场聚焦。利用ZEMAX光学设计软件进行了仿真并通过实验进行了验证,在4~5 m的工作距离上,激光束经过固定倍率准直扩束镜组及动态聚焦镜组后,有效减小了激光束发散角及投影光斑大小,提高了目标定位点上投影光斑的能量密度,最终使激光扫描投影系统满足了对投影精度的要求。

采用单透镜型的传像系统研究分析了在同轴粒子场全息诊断中4f透镜组的特有作用(即4f光学透镜组的放大率对每个位置的粒子均为同一常数)是否为4f透镜组特有。实验结果表明,在记录面与透镜的位置相对固定的前提下,采用单透镜型光学系统记录的全息图同样可以用平面波进行高精度再现,而且其放大率与记录对象的物距无关。故在粒子场同轴全息诊断中4f的上述优势并非4f特有,即采用单透镜型成像系统进行粒子场记录时无须使用不同的再现或粒子尺寸标定方法。

针对利用现有深度学习方法进行植被提取时出现的相邻地物处于同一窗口、分类结果出现一些无用破碎图斑和“椒盐现象”等问题,提出最优分割尺度与深度置信网络相结合的方法进行植被提取研究,并利用光谱-纹理特征等信息进行对比实验。实验结果表明,与现有的深度学习方法相比,本文方法分类结果的总体精度达到91.92%,Kappa系数为0.8677,能够有效提高实验的分类精度,而且分类结果显示本文方法能有效减轻“椒盐现象”,并能很好地表达影像上各类地物清晰的边界。

为了准确地描述人体骨骼的运动细节以及3D骨骼间的几何关系,提出一种基于四元数3D骨骼表示的人体行为识别方法。首先,在已捕获的关键帧集合的基础上,对普通关键帧和变速关键帧分别采用线性插值和二次多项式插值,获得相同帧数的骨骼序列;然后,针对所得的骨骼序列,采用四元数对每帧中3D骨骼间的几何关系进行描述,获得四元数骨骼特征描述子;最后,采用支持向量机分类器对这一系列特征描述子进行训练和测试,得到最终的识别结果。在3个标准数据库上的实验结果均显示,四元数骨骼特征描述子对噪声、运动速度变化、视角变化和时域不对齐都具有很好的稳健性,可以显著提高人体行为识别的准确率。

在三维立体成像技术研究中,图像深度提取不受光源照射方向及物体表面发射特性的影响,不存在阴影,因此可以更准确地表现物体目标表面的三维深度信息。为了获取精确的深度图像,提出一种深度获取方法,采用基于改进的遗传算法的最佳熵阈值图像分割法对图像进行分割处理,进而得到深度图像。此方法可明显提高所得到的深度图像的准确度和有效性。同时,改进遗传算法可以快速逼近最佳阈值,大大缩短最佳阈值图像分割过程中阈值的选取时间,提高分割效率和深度获取的准确性。

为了达到更好的去噪效果,对现有空域中基于偏微分方程去噪模型的优缺点进行分析,并且在L ^p范数自适应去噪模型的基础上,提出基于全变差的双保真项去噪模型。此模型引入了自适应参数作为保真项的权重,使得模型能够根据不同的区域控制保真的强度,增加自适应去噪能力。为了克服平滑区域的“阶梯”效应,在模型中加入自适应的梯度保真项,使去噪后的图像与原图像具有相似的梯度结构。实验结果显示,无论是在峰值信噪比、结构相似性还是在视觉效果方面,本文模型都具有更好的效果。

深度卷积神经网络在图像分类任务中取得了极大的成功。现有的基于简化卷积的卷积神经网络结构能够减少网络参数,但会丢失部分特征信息,降低网络性能。为了提高图像分类正确率,提出一种二分支卷积单元。该卷积单元包含两种类型的滤波器,分别用于提取包含特征通道内与通道间信息的特征。以此卷积单元代替传统的滤波器,构建深度卷积神经网络,称为CTsNet。将该网络应用于图像分类任务,在CIFAR10、CIFAR100数据库上进行验证实验。结果表明,二分支卷积单元能够有效提取包含不同信息的特征,增加特征的多样性,减少信息损失,基于二分支卷积单元的CTsNet结构能有效提升图像分类性能。

高分辨率图像的获取是图像模式自动识别的前提和基础。以稻田害虫为对象,研究立体害虫多聚焦成像问题。以Harris角点数和图像熵为图像质量检测标准,采用基于小波变化的图像融合算法,针对不同倍率的稻田害虫图像,分析图像采集时的步进量对图像融合分辨率的影响。通过实验对比,获得最佳的图像采集与图像融合策略,得到放大倍率与最适步进量的关系曲线。实验结果显示,该方法对于立体害虫采集有较好的景深扩展能力,可为建立高质量稻田害虫样本图像数据库提供有效手段。

彩色图像质量评价(CIQA)是目前图像质量评价(IQA)研究的一个热点。色度信息对人类视觉系统(HVS)会产生一定的影响,将RGB图像转换到另一色彩空间YIQ,将灰度图像的结构相似性指标(SSIM)、基于梯度的SSIM(GSSIM)扩展得到彩色图像的SSIM和GSSIM(即C-SSIM和C-GSSIM)。HVS是一个复杂的非线性系统,采用2种广义平均池化策略来刻画HVS特性,以提高C-SSIM、C-GSSIM及彩色图像的特征相似性(C-FSIM)的评价效果。在TID2013图像数据库中进行数值计算,结果表明:基于广义平均池化策略的C-SSIM、C-GSSIM及C-FSIM能有效提高IQA的准确率。

组织病理图像的自动分类是医学图像处理领域的重要问题,有效特征提取方法是实现准确诊断的关键。为了实现组织病理图像的特征表示,提出一种基于专家乘积系统(PoE)的特征提取算法,利用最大似然和蒙特卡罗随机采样方法训练对应不同图像类别的PoE模型,将图像样本在所有模型下的响应相连作为其特征向量。根据训练图像样本的特征向量建立支持向量机分类模型。实验测试了宾夕法尼亚州立大学诊断实验室公开的组织病理图像数据库中的肾、肺和脾的健康及患病器官的组织病理图像,结果显示,所提算法在3种器官图像分类中均具有较高的准确性。

为提升水下图像的视觉效果,提出了基于红色暗通道先验(RDCP)和逆滤波的水下图像复原算法。该算法首先简化Jaffe-McGlamery水下光学成像模型,在此基础上,利用RDCP消除水下成像过程中后向散射引起的图像雾化效果;然后结合各通道透射率图与光学传递函数的数学关系,采用逆滤波去除前向散射分量;最后采用基于高斯分布的线性拉伸提高图像对比度。使用该算法与几种主流的水下图像处理算法对多种水下环境拍摄得到的图像进行处理,并计算信息熵等客观评价指标。实验结果表明,该算法能够更好地平衡图像的色度、对比度及饱和度,视觉效果更接近自然场景下的图像。

传统的图像对比度增强技术容易造成图像的局部区域过分增强或增强不足等问题,因此提出了一种结合不可分小波分析和曲线拟合的图像对比度增强方法。该方法以标准清晰图像的均值和标准差作为图像对比度增强的理想目标,首先对同一目标的标准清晰图像和低对比度图像进行四通道不可分小波分解,然后利用曲线拟合的预测能力得出分解后具有相同频率通道和相同方向子图像的均值之间及标准差之间的函数关系,通过该函数关系和直方图匹配公式即可得到理想的增强后的子图像,最后将这些新的子图像进行不可分小波重构,并采用清晰度、标准差指标对图像对比度增强结果进行评价。实验结果表明,所提方法所得低对比度图像的增强效果较好,且得到了高清晰度图像。

在双目视觉工件圆弧半径测量过程中,圆弧轮廓特征提取是后续边缘轮廓点匹配及空间圆弧重构的关键。受工件表面纹理、周围环境干扰、光照不均匀等影响,现有算法并不能准确提取圆弧轮廓特征。在Sobel算子进行边缘检测的基础上,利用自适应卷积运算和双局部二值模式纹理特征进行归一化处理产生融合灰度值,进而利用融合灰度值对Sobel算子检测结果进一步筛选出边缘轮廓点。对极坐标分布直方图进行一般正态分布处理,排除背景复杂时噪声点的干扰,进一步区分外轮廓特征和内轮廓特征。实验结果表明,本文算法不仅消除了光照影响,而且具有很好的准确性和稳健性。

船载经纬仪测角精度受自身轴系误差、惯导姿态误差以及未知船体变形的影响较大,为了减小这些因素的影响,提出了基于机载光源模拟恒星的经纬仪光轴空间指向标校方法。该方法将星敏感器和全球定位系统(GPS)载波相位差分技术进行有效融合,利用两个无人机进行伴飞,使得两个机载光源同时出现在标校望远镜视场内,从而建立两条高精度基线,使用双矢量定姿技术完成了标校望远镜光轴空间指向的计算,最终实现了经纬仪光轴在地平系下准确指向的标定和计算。仿真结果表明,通过优化参数配置,经纬仪光轴空间指向标校精度优于10″,该方法可以实现海上动态条件下经纬仪光轴空间指向的精确标定。

基于Mueller矩阵和斯托克斯矢量的测量原理及方法,实现了对波片相位延迟量和快轴方位角的快速同时测量。激光通过偏振片和标准1/4波片后产生标准的右旋圆偏振光入射待测波片,用斯托克斯测量仪记录通过样品后激光的斯托克斯矢量,同时得到待测波片的相位延迟量和快轴方位角;分析了标准1/4波片的参数误差及系统稳定性对测量结果的影响。利用该实验系统测量得到的波片相位延迟量和快轴方位角的平均标准差分别为±0.05°和±0.03°,同时,得到了云母波片及石英波片的参数与温度的实验关系。所提方法具有测量过程简单、精确度高及可以对未知各向异性材料相位延迟量及其等效快轴方位角进行实时测量等特点。

为设计性能优异的大调谐带宽的滤波器,在二维光子晶体结构中,利用波导与微型谐振器不同耦合结构设计了带有两类微型谐振腔的4种滤波器,借助于耦合模理论(CMT)定性分析了相位失谐因子、耦合因子比值改变对滤波器工作性能产生的影响。调节5×5微型谐振器的柱半径大小,用时域有限差分法(FDTD)方法研究了滤波器传输谱特性,结果表明:3种对称结构提取的各个峰值波长具有归一化传输率高(85.3%~99.9%)、通带宽度窄(1.8~5.6 nm)、提取峰值波长调谐范围宽(1308.0~1582.3 nm)的特性。与非对称结构滤波器相比较,对称结构滤波器的提取峰值波长具有更高的归一化传输率,其结构在光学信号提取接口、光传感、光互联网络设计上有潜在的利用价值。

为研究样品温度变化对激光诱导击穿铝(Al)等离子体特征参数的影响,采用双脉冲激光器诱导激发在中频炉中加热的Al样品形成等离子体,对比分析了样品温度变化时不同特征谱线强度的变化;分析了CCD相机采集的不同样品温度下等离子体羽的形态变化;在局部热力学平衡条件下,用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析了等离子体电子温度和电子密度随样品温度的演化规律;使用Lorentz线型拟合分析了随样品温度变化的不同谱线的半峰全宽(FWHMs)。研究结果表明,等离子体羽的形态大小变化可以作为其电子温度和电子密度等特征参数随样品温度变化的直观反映;随着样品温度升高,等离子羽形态、谱线强度、FWHM、电子温度和电子密度都增大至饱和状态,并且样品温度对离子线和原子线的谱线强度和FWHM有不同的增强效果。

提出了两种利用红外激光诱导钡化合物化学反应刻蚀石英玻璃的新方法,钡化合物分别选用BaCrO₄和Ba(OH)₂。通过能谱分析进行推理和利用X射线衍射图谱分析和验证,发现激光诱导BaCrO₄化学反应刻蚀石英玻璃过程中得到的微通道出现崩边和微裂纹现象,BaCrO₄分解生成的BaO在高温条件下与SiO₂发生化学反应生成BaSiO₃,因此这种方法能直接用于刻蚀石英玻璃;在激光诱导Ba(OH)₂化学反应刻蚀石英玻璃的过程中,Ba(OH)₂以及其分解生成的BaO在高温条件下都会与SiO₂发生化学反应生成BaSiO₃,也能直接刻蚀石英玻璃。两种方法的刻蚀机理不同,故刻蚀效果存在较大差异。

利用激光熔覆技术,在W6Mo5Cr4V2高速钢(HSS)表面制备了Ni基WC条纹,分别对HSS试件和Ni基WC熔覆条纹试件进行了摩擦磨损实验,测试了试件的摩擦因数,研究了Ni基WC条纹HSS试件的减摩机理。结果表明,Ni基WC熔覆条纹试件的摩擦因数小于HSS试件的,并且随着熔覆条纹间距的减小而减小。Ni基WC熔覆条纹试件中析出的石墨和自身含有的Ni金属具有良好的减摩作用;Ni基WC熔覆条纹的减摩机理是软基体与硬相的相互结合。

设计了V型折叠非稳定光学谐振腔,对不同氧化剂过量系数条件下连续波氟化氢(HF)激光输出谱线变化规律进行分析。结果表明,在合适的激光反应体系配方和光学谐振腔参数下,波长大于2.87 μm的2P8和2P9等HF激光长波谱线能够有效输出。调节燃烧室反应相对氧化剂过量系数,控制参与光腔激射反应的自由氟原子量,能够在一定程度上调节HF激光输出谱线分布。激光器输出功率与增益系数密切相关,单支谱线的最高输出功率与其最大增益系数相对应,激光器最高输出功率与各支谱线增益系数之和的最大值相对应。

提出一种可用于降低半导体激光器(SL)输出混沌光的自相关性并增加其带宽的方案。该方案将具有单路相位调制光反馈的SL作为主激光器,将具有双路滤波光反馈的SL作为从激光器,并将主激光器输出的激光注入到从激光器中。数值研究了抽运因子、外光注入系数和主从激光器之间的频率失谐对从激光器输出混沌光的自相关性及其带宽的影响。结果表明:在所选的参数条件下,该方案能有效地降低从激光器输出混沌光的自相关性并增加其带宽,混沌激光带宽的极大值达到18.45 GHz。

通过光谱成像及等离子体监测技术,研究了基于碳(C)元素的激光诱导击穿光谱(LIBS)技术,并对样品的烧蚀质量和重复加热进行了深入研究。研究结果表明,单双脉冲LIBS下的C元素的谱线强度明显不同。双脉冲信号增强的原因不只是烧蚀质量的增加,还在于双脉冲信号再次加热的物理变化使等离子体形成的环境发生了变化。

通过激光喷丸成形实验研究了不同工艺参数对2024铝合金单曲率件及S形双曲率异形件的变形方式和变形量的影响规律,分析了S形双曲率异形件的制造方法,并实验获得了三维扭曲件。结果表明,当增大激光单脉冲能量和减小试样厚度时,试样容易发生凹面成形,反之,试样容易发生凸面成形。增大冲击区面积和光斑搭接率会增大试样的变形量,但不会改变其变形方式。激光喷丸成形2024铝合金S形双曲率异形件和激光喷丸成形单曲率件的规律一致。为了获得2024铝合金S形双曲率异形件,薄板材可采用“凸面成形+凸面成形”的方式,厚板材可采用“凹面成形+凹面成形”的方式。

通过SUS301L不锈钢材料的激光-MAG(熔化极活性气体保护电弧焊)复合焊试验,研究了激光功率对不同过渡模式下熔滴及焊缝尺寸的影响。结果表明,随着激光功率的增大,金属蒸气的反作用力增大,电磁力方向发生改变并影响熔滴的过渡。在短路过渡模式下,当激光功率超过2000 W后,熔滴过渡困难,熔滴与熔池的接触点偏向激光侧。在射滴过渡和射流过渡模式下,当激光功率达到3000 W后,熔滴过渡及焊接电压出现不稳定现象。在不同过渡模式下,焊缝的熔深、熔宽均随激光功率的增大而增大;当激光功率达到2000 W后,熔深与激光功率呈线性递增关系,而熔宽基本保持不变。

为研究强激光直接辐照靶材诱导残余应力的分布特性,利用Nd∶YAG型激光器对7075铝合金试样在无吸收层和有吸收层的条件下分别进行了激光辐照试验,并对试验结果进行了对比。结果表明,激光直接辐照后的试样表面产生了重熔层和激光烧蚀斑点,试样表面分布的最大残余拉应力(TRS)为116.2 MPa,试样深度方向分布的残余应力为“拉应力-压应力(CRS)-拉应力”,且深度方向最大残余压应力为153.6 MPa,显微硬度在深度方向的最大值为174.5 HV。有吸收层时,吸收层激光辐照处存在近似光斑大小的圆形烧蚀区域,去除吸收层后试样表面存在光滑的凹坑;试样表面分布的最大残余压应力为264.7 MPa,试样深度方向分布的残余应力为“压应力-拉应力”,深度方向的最大残余压应力为258.3 MPa,显微硬度在深度方向的最大值为193.6 HV。

通过激光焊接技术,制备了DP980和22MnB5的拼焊接头,并研究了其组织和性能。结果表明,DP980侧的焊接热影响区(HAZ)存在明显的软化现象,软化区的最低硬度约为DP980母材的75%;22MnB5侧的HAZ无软化现象,HAZ的硬度提高到了22MnB5母材的2~2.4倍。拼焊接头的拉伸断裂发生在22MnB5侧的母材中,抗拉强度为670 MPa左右。DP980侧HAZ的软化区由回火马氏体和铁素体组成,两相区由少量的淬火马氏体和铁素体组成,硬化区基本由板条马氏体组成;22MnB5侧HAZ不完全淬火区的组成跟DP980两相区的相似,完全淬火区全部为板条马氏体;焊缝区为粗大的板条马氏体。

基于Nd∶GdVO₄晶体研究了自锁模拉盖尔-高斯(LG)涡旋光束。通过不断调节谐振腔内的损耗实现厄米-高斯(HG₀₀和HG₀₂)模式稳定的皮秒自锁模激光输出。模式转换器可将HG₀₂模式转换为LG₀₂模式稳定的皮秒自锁模涡旋脉冲,锁模脉冲频率为1.35 GHz。LG₀₀和LG₀₂模式锁模脉冲的平均输出功率分别为484 mW和371 mW,斜效率分别为30.3%和19.3%。

为了提高航空发动机热端部件的热障涂层(TBCs)与基体的结合强度、延长涂层使用寿命,利用激光快速成型技术在高温合金基体上制备了网状结构的衬垫,用等离子喷涂法制备了陶瓷涂层,并通过实验比较该陶瓷涂层与传统两层结构涂层的抗热震性能。基于热弹塑性力学理论,建立了二维有限元数值模型,分析了热震中网状衬垫对热障涂层应力分布的影响。结果表明,传统两层结构与具有网状衬垫的热障涂层分别在经历45和111次热震后失效,且由于陶瓷层和粘结层之间生长的热氧化层(TGO),边缘位置的陶瓷层均发生剥落。数值分析结果表明,网状衬垫的加入使得涂层边界区域的应力集中得到改善,涂层剥落被有效抑制,从而使得热障涂层抗热震性能提高。

正交法优化激光切割镍基合金的切缝宽度不是最优方案,应考虑交互作用即因素间联合作用对实验指标的影响。正交实验设计包括:确定切割质量评价指标、确定因素水平、交互作用表头设计。为了规避实验偶然性进行两组交互作用正交实验,分别采用L₈(2 ⁷)正交表分析气压、离焦量与切速以及三者间两两交互作用对切割质量的影响,采用L₁₆(2 ¹⁵)正交表分析切速、电流、脉宽、频率以及四者间两两交互作用对切割质量的影响。根据实验结果进行直观分析与交互作用分析对比可得:交互作用分析可以在全面实验中准确找出最优方案。总结了激光切割镍基合金时存在的、显著影响切割质量的交互作用,两组实验得出的最佳工艺参数以及实验中重要的影响因素。

利用半导体激光对AerMet100钢表面进行熔凝处理,研究了激光熔凝对材料结构、耐腐蚀性能以及耐磨损性能的影响。结果表明,通过激光熔凝可在AerMet100钢表面获得冶金质量良好、无裂纹的熔凝层;在750~1650 W功率范围内, 随着激光功率的增大, 熔凝层的厚度增大,熔凝层的硬度、耐腐蚀性及耐磨性均提高;当激光功率为1650 W时,其硬度、耐蚀性以及耐磨性达到最优;经过激光熔凝处理后,AerMet100钢未产生明显的物相改变,熔凝态中奥氏体含量减少,马氏体含量增加。

利用时域有限差分法,仿真设计了三组具有不同中心频率的十字形太赫兹带通滤波器,并搭建了飞秒激光微加工系统,在单层铝箔上实现了无衬底太赫兹滤波器的加工。利用时域太赫兹光谱系统,对所加工的器件进行了透射率测试,实验和仿真结果高度吻合,所加工的太赫兹滤波器中心频率处的透射率为85%以上,达到商业化太赫兹滤波器水平。

为了解决地下工程场景下巡逻机器人的定位与建图问题,提出了一种基于点线特征融合的半直接单目视觉里程计(SVO)算法。本文算法可分为特征提取、状态估计和深度滤波器3个线程。特征提取线程负责图像点、线特征的提取;状态估计线程利用点、线特征不同的匹配与跟踪策略获得相机的6自由度位姿,并通过帧与帧、特征与特征、局部帧之间的约束关系进一步优化相机位姿;而深度滤波器线程通过概率分布的方式刻画三维路标点相对于相机光心的深度信息,该方式相对于固定深度值的方式能够提高深度估计的稳健性。本文算法在Euroc公开数据集运行的平均定位精度相对于LSD-SLAM算法提高了17.6%,而在Tum公开数据集上运行的平均定位精度相对于SVO 算法提高了6.4%。利用加载摄像头的机器人平台进行测试,实际运行的定位误差大约为1.17%,满足实际需求。

采用机器视觉检测方法对深沟球轴承装配过程中的滚珠遗漏缺陷进行自动检测。引入3种光源照明方案用于采集轴承图像,采用中值滤波去除图像噪声,基于圆形Hough变换和极坐标展开方法进行轴承图像的圆形检测和矩形展开。选用完好轴承80个、滚珠遗漏轴承60个进行实验。结果表明:采用背光配合同轴光的照明方式可有效减少轴承表面反光;采用中值滤波对图像进行预处理,可以在消除图像孤立噪声点的同时,使图像少一些模糊;采用圆形Hough变换可以快速获取轴承的内外环图像并对其进行定位,然后通过笛卡尔极坐标展开方法将经过预处理的深沟球轴承图像归一化展开成矩形,最后通过设置灰度阈值实现滚珠缺漏位置的检测和识别。本文方法对80个完好轴承的识别率为92.5%,对60个滚珠遗漏轴承的识别率为93.3%。

当前卷积神经网络结构未能充分考虑RGB图像和深度图像的独立性和相关性,针对其联合检测效率不高的问题,提出了一种新的双流卷积网络。将RGB图像和深度图像分别输入到两个卷积网络中,两个卷积网络结构相同且权值共享,经过数次卷积提取各自独立的特征后,在卷积层根据最优权值对两个卷积网络进行融合;继续使用卷积核提取融合后的特征,最后通过全连接层得到输出。相比于以往卷积网络对RGB-D图像采用的早期融合和后期融合方法,在检测时间相近的情况下,双流卷积网络检测的准确率和成功率分别提高了4.1%和3.5%。

静脉腔内激光治疗已成为治疗静脉曲张最有前途的技术之一,了解激光在血管及其周围组织中的传输,有助于选择合适的治疗参数,可以在关闭静脉的同时避免并发症;依据静脉及其周围组织的结构特征,构建三维管状结构的光学模型,利用三维蒙特卡罗算法研究了不同波长激光辐照下的光分布特性,探讨了血管管径、辐照位置、光学特性参数对治疗效果的影响。结果表明:波长的选择需要考虑治疗血管的直径,1500 nm激光对静脉周围组织的损伤较小,但光能流率衰减较快,适合治疗较细的血管;1320 nm激光的光能流率衰减较慢,适合治疗较粗的血管;在治疗过程中,光源应尽量保持在中轴线上,以避免血管壁发生溃疡和穿孔;减小血液的吸收系数和散射系数,更容易对静脉周围组织造成损伤;提出的模拟方法有助于静脉激光治疗临床医用中治疗方案的优化设计。

为了解决现有照明光纤束的发光二极管(LED)透镜耦合器的厚度和均匀性问题,根据菲涅耳光学理论和全反射原理设计了一款新型菲涅耳透镜耦合器。利用菲涅耳旋转曲面和自由曲面全反射旋转面,将LED朗伯光源发出的光束整形得到平顶光束,再耦合到光纤束中实现均匀照明。采用1 W的3535白光LED作为光源,在TracePro软件中对所设计的菲涅耳透镜耦合器模型进行光线追迹仿真。结果表明,当菲涅耳透镜最大直径为14.9 mm、厚度为7.8 mm、输出光束发散角度为60°时,在耦合距离为2 mm的接收屏上得到直径10 mm、照度均匀性达92%的均匀光场。

采用纳米结构是提高有机发光二极管(OLED)出光效率(LEE)的主要方法之一。当纳米结构位于有机层和氧化铟锡(ITO)阳极之间时,可以起到引导模式的重叠、增强散射、提高OLED出光效率的目的。采用金薄膜退火和湿法刻蚀技术在ITO玻璃片上制备随机分布的纳米图形用于橙光OLED器件,研究了纳米图形对器件发光性能的影响因素,同时制作了无纳米图形的标准OLED 器件作为对比。实验结果表明,当金薄膜厚度为10 nm,退火温度为570 ℃,退火时间为240 s,刻蚀深度为30 nm时,与无纳米图形的OLED相比,有纳米图形的OLED的亮度提高17%,电流效率提高34%,功率效率提高32%,外量子效率提高35%,证明纳米图形可以显著地提高OLED器件的出光效率。

为了实现紧凑结构下光的主动调控,设计了一种基于表面等离激元解复用器结构的双通道全光开关。该器件由金属-克尔非线性材料-金属的波导结构和谐振腔组成,具有主动光控功能。通过对该开光结构进行优化,实现了735 nm抽运光调控1310 nm信号光。该信号光在左右两个端口可实现输出与截止,消光比可达到29.4 dB,开关响应时间可达到50 fs。该双通道开关具有结构简单紧凑、易于集成、响应速度快等优点,将在纳米集成光学中具有重要的应用价值。

环境温度的变化对表面等离子体共振(SPR)检测系统产生的热效应会影响共振条件和相关输出量。建立液体棱镜SPR检测系统,对系统中各介质层的热性能进行详细分析。基于介质层的折射率与温度关系的理论模型,数值模拟了环境温度变化对各介质层共振曲线和共振角的影响。模拟结果表明去离子水的热致折射率变化比玻璃基底和金属薄膜高1~2个数量级。实验上,采用自主搭建的共振检测系统研究共振角偏移和水的折射率变化对外界温度改变的依赖关系。结果表明当外界环境温度变化范围为29 K时,共振角偏移量是0.216°,水的折射率变化达到4.02×10 ^-3,并推导出水的折射率与温度之间关系的表达式。实验结果和理论计算基本一致,为进一步提高检测系统的灵敏度奠定了基础。

根据数字螺旋成像法,利用光的轨道角动量记录物体信息,通过分析轨道角动量谱获取了相位型物体的信息;研究了使用不同拉盖尔-高斯(LG)光束探测时,简单的标准相位型物体轨道角动量谱的特性。结果表明,通过分析轨道角动量谱,可以有效地得到相位型物体的相位信息以及透射率信息。对不同拓扑荷数以及径向节点数的LG光束探测光所产生的不同衍射级频谱分量进行数值分析,结果表明探测光为高阶的LG光束时,更有利于探测简单的相位型物体的信息。

反射强度信息是机载激光雷达(LiDAR)系统所获取数据的重要组成部分,利用反射强度信息提取道路点云的主要难点在于道路点云通常包含在地面点云中,而区分道路点云与非道路点云的反射强度阈值较难获取。针对该问题,提出了基于偏度平衡的道路点云提取算法,该算法可以自动、准确、无参地确定反射强度阈值,进而获取纯净的道路点云。分别采取位于我国山西省某地和德国某城市的两组LiDAR点云数据来检验该算法在不同地理环境下的有效性。实验结果表明所提算法简单有效,并且能够得到良好的道路点云提取结果。

针对目前遥感影像分类应用中常用的浅层机器学习算法无法满足当前海量遥感影像数据环境下分类精度的问题,提出了一种将全卷积神经网络应用于遥感影像分类的方法;为了减少影像特征图在池化过程中自身特征的丢失,增加池化层与反卷积层的融合;为了提高融合的可靠性,增加尺度变换层;为了获得更精细的边缘分类结果,考虑像素之间的空间相关性,采用均值漂移聚类分割获取像素的空间关系,通过统计聚类区域像素概率的和最大、方差最小的方法确定该区域对象的类别;选取典型地区的影像进行分类实验,并将所提出的分类方法与全卷积神经网络、支持向量机、人工神经网络方法进行对比。结果表明,所提出的分类方法的精度明显高于传统机器学习方法的精度。

针对无人车三维激光雷达与全球定位系统/惯性导航系统组合导航系统安装位置关系难以准确测量及相对转角无法直接测量的问题,提出一种基于多对点云同时匹配迭代生成外参数的方法。首先选择车辆直线往返行驶中位置相近、方向相反的激光雷达点云对进行匹配;然后设定参数区域中心、初始步长及步数,遍历参数组合,寻找目标函数最小时的外参数组合并更新为最优迭代区域中心;最后不断缩减步长,直到得到满足精度要求的最优外参数。实验采集了两段环境不同的数据,分别采用较优和较差的参数初始迭代中心以及不同步数进行标定。结果表明,所提方法用时短,对于非理想参数初值也能够得到较好的标定结果,而且标定方法简单,无需专门的标定物即可达到需求的标定精度。

饲料中添加铜元素对猪生长速度的促进效果明显,因而铜元素在猪饲料中的超标情况非常普遍,但其带来的危害也非常严重。利用共线双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)技术对猪饲料中的铜元素进行快速定量分析,采用竞争自适应重加权采样(CARS)算法筛选出与猪饲料中铜元素相关的22个重要变量,压缩率为1.1%;基于筛选出来的22个重要波长变量,利用偏最小二乘(PLS)回归方法建立猪饲料中铜元素含量的预测模型,并对预测集猪饲料样品中的铜元素含量进行预测。结果表明:与全光谱-PLS模型相比,CARS-PLS模型具有更高的预测精度和预测能力,模型相关系数、交叉验证均方根误差、平均相对误差分别为0.978、19.25、5.59%。CARS算法可以有效地优化猪饲料中铜元素的激光诱导击穿光谱在线检测模型,并可以提高模型的预测精度。

为了快速识别茶叶品种,提出了激光诱导击穿光谱全光学诊断方法。采集7种茶叶样品在200~480 nm波长范围的激光诱导击穿光谱的全谱数据,分别运用九点平滑和九点平滑/一阶导数方法对光谱进行降噪、消除干扰预处理,再结合主成分分析对预处理后的光谱进行降维。选择判别分析(DA)、径向基函数网络(RBF)和B-P反向传播网络(又称MLP)三种模型对7种茶叶进行品种识别。结果显示:综合九点平滑和一阶导数预处理后,再结合主成分分析降维,可使三种模型对茶叶品种的识别准确率均有一定程度的提高,MLP的识别准确率高于DA和RBF,其训练集识别准确率为99.6%,测试集识别准确率为99.1%。选择合适的激光诱导击穿光谱预处理及模型构建方法,对快速准确识别茶叶品种具有可行性。