为了对激光测量系统的测量误差3维空间分布进行有效评估, 以特定点测量或仿真的大量位置数据为基础, 采用孤立森林算法对点云进行了异常数据筛除。基于误差椭球理论, 引入粒子群优化算法, 针对有效数据建立了最小包络椭球的不确定度模型; 采用测量场与单点不确定度的坐标系变换, 将不确定度最小包络椭球模型应用于测量场景内不确定度场的空间分布分析; 通过单点以及10m量级范围空间场景实测数据的测试, 该模型可以高效地筛选有效采样数据, 并依据需求进行不同程度的最小包络椭球计算, 得到相应的不确定度。结果表明, 基于测量位置数据, 该模型可以高效准确地描述单点位置的3维不确定度范围, 并能够有效地再现测量空间内的不确定度分布, 在4.7m的测量距离、94.2%的筛选后有效数据、97.5%的包络比例下, 计算获得不确定度范围为三轴长4.95μm, 18.39μm和30.53μm的椭球。该最小包络椭球不确定度模型在基于实测的理论模型验证、设备状态与测量场景环境分析, 以及测量布局设计等方面具有着重要的价值。

为了研究紫外皮秒激光在均热板基板表面刻蚀微沟槽后, 不同激光工艺参数对微沟槽表面疏水性的影响规律, 采用Cassie-Baxter模型进行了理论分析, 并利用单因素实验法, 改变激光扫描速率、激光扫描间距、光斑横向重叠次数进行实验验证。结果表明, 降低固-液区域面积占比、宽度或缩短沟槽间距, 均可以提升微沟槽表面的疏水性能; 造成微沟槽表面疏水的主要原因是其内部的微纳结构以及加工时吸附的疏水性化学基团; 当激光扫描速率为125mm/s、激光扫描间距为200μm、光斑横向重叠次数为2次时, 紫外皮秒激光刻蚀出的微沟槽表面的疏水性最强。该研究为增强均热板冷凝端的疏水性能、提升其整体循环效率提供了参考。

基于深度学习的超材料器件设计得到了前所未有的发展, 但在基于2维材料的反设计中, 传统的人工神经网络难以解决在小采样空间内陷入局部最优值的问题, 且随着结构的复杂性增加, 需要耗费大量的计算成本。针对这些缺陷提出了一种基于AdaBelief优化算法的残差神经网络, 选择基于石墨烯的多层交替薄膜结构的设计来验证该网络的有效性, 采用特征矩阵法构造出结构参数所对应的多谐振完美吸收光谱样本。结果表明, 该网络模型在较短的训练时间内达到了97%以上的预测精度;通过与其它神经网络预测结果的对比, 该网络展现出了预测精度高、收敛速度快等优势。该研究实现了基于石墨烯的完美吸收超材料结构的设计目标。

为了准确识别激光焊接的稳态类型, 采用了图像处理、相关分析和神经网络的方法, 增加对准稳态的研究, 以信号特征的相关系数作为神经网络模型的输入, 进行了理论分析和实验验证, 得出了光学、视觉信号的相关性对激光焊接稳态类型的影响规律。结果表明, 匙孔面积和金属蒸汽面积的相关性区分稳态类型的效果最好, 其相关系数为0.2~0.3时为稳态, 0.4~0.5时为准稳态, 0.6~0.7时为非稳态; 训练完成的神经网络模型在测试集上达到了98.76%的预测准确率, 可满足准确识别焊缝稳态类型的需求。该研究为自动化生产中预防出现激光焊接缺陷提供了参考。

复合材料在服役过程中易受到外部的低能量冲击, 造成不可见损伤, 为了监测复合材料健康状况, 将光纤布喇格光栅(FBG)传感网络粘贴布置于碳纤维复合材料表面, 采用基于反向传播（BP）神经网络系统的智能复合材料冲击定位识别技术, 获取FBG传感的时域信号响应值, 从而进行了复合材料冲击位置的预判。结果表明, BP神经网络算法具有非线性逼近能力强、容错率高和自适应能力强等优点, 可以实现复合材料层合板的参数化识别定位, 且预测结果与待测复合材料层合板总长度比值小于0.1。该FBG传感系统可为智能化复合材料冲击损伤自调整和自修复能力提供更准确的信息。

点云是3维图像的一种特殊数据形式, 正逐渐成为3维图像信息处理的研究热点; 点云分割是点云数据处理的重要步骤, 对算法的结果有直接影响; 基于3维图像几何特征的点云分割算法结构简洁、运算结果稳定性强, 且易于调整, 在实际应用中占有主要地位。对最近几年涌现出来的基于几何特征的点云分割方法进行了梳理, 根据每种方法的理论基础和应用特点将算法归纳为基于边缘检测、表面特征和模型拟合的点云分割方法, 分析了各类算法的特点和存在的主要问题, 并进行了算法性能比较, 分析了影响点云分割算法效率的主要因素, 最后对未来的发展趋势进行了展望。

为了解决现有光纤布喇格光栅(FBG)传感器温度与压力灵敏度低的问题, 设计了一种基于FBG的薄壁圆筒式液体温度与压力传感器。选用具有耐腐蚀、弹性性能好以及热膨胀系数大的不锈钢304和铍青铜C17200分别对传感器进行封装, 采用有限元分析法对传感器进行压力和温度特性仿真分析, 研究了敏感元件材料及尺寸大小对灵敏度的影响, 并分析了反射波长随压力和温度的变化关系。结果表明, 使用铍青铜C17200封装的传感器压力和温度灵敏度更高, 在0MPa～12MPa、-5℃～40℃工作范围内压力灵敏度可达153.5pm/MPa、温度灵敏度可达31.7pm/℃, 相较于裸光栅分别提升了51.2倍和2.8倍。此研究结果可为液体的高灵敏度温压测量提供参考。

为了揭示激光熔覆工艺参数对铁基TiC复合熔覆层成形质量的作用规律、优化激光熔覆工艺参数, 使用YAG固体激光器在60Si2Mn基体上激光熔覆铁基TiC复合涂层, 基于响应面法建立输出电流、脉冲宽度、扫描速率与熔覆层宽度、高度、熔池深度、宽高比、稀释率以及硬度之间的数学模型, 并对模型进行方差分析, 获得了工艺参数与成形质量之间的函数关系。结果表明, 输出电流和脉冲宽度对涂层宽度具有正相关性, 扫描速率与涂层宽度成反比; 扫描速率对熔覆层高度和熔池深度没有显著性影响; 涂层宽度与高度的比值随着输出电流的增大而增大; 输出电流对涂层稀释率影响最为显著, 脉冲宽度次之; 较高的输出电流和较大的扫描速率能够得到高硬度涂层; 经优化验证模型的误差均小于5%。该研究结果能够用于铁基陶瓷复合涂层成形质量的预测及优化激光工艺参数。

为了解决高光谱图像领域中, 传统卷积神经网络因部分特征信息损失而影响最终地物分类精度的问题, 采用一种基于2维和3维的混合卷积神经网络的高光谱图像分类方法, 从空间增强、光谱-空间两方面分别进行了特征提取。首先从空间增强角度提出一种3维-2维卷积神经网络混合结构, 得到增强后的空间信息; 其次从光谱-空间角度利用3维卷积网络结构, 得到光谱-空间的综合可分性信息; 最后将所得信息进行特征融合并分类。用该方法在两个数据集上进行了实验并与其它方法进行了对比。结果表明, 该方法在Indian Pines与Pavia University数据集上分别取得了99.36%和99.95%的分类精度, 其分类精度和kappa系数都优于其它方法。该方法对高光谱图像的分类表现出竞争优势。

为了验证真空环境对玻璃激光焊接气孔形成的影响, 采用在大气及真空条件下进行玻璃激光焊接对比试验的方法, 对两种条件下气孔率随激光功率的变化及玻璃料向两端扩展的程度进行了理论分析和实验验证。结果表明, 气孔的成因不仅是玻璃料中残存的气体, 功率提高至45W后, 不稳定成分的升华与分解产生了更多气体, 进一步提高了气孔率;真空条件对焊缝扩展影响较小, 无明显差异; 而真空条件下的气孔率要显著大于在大气条件下的气孔率;真空条件下气孔面积更大, 但增大的气孔面积并不能扩大玻璃料的扩展宽度。该研究结果进一步地揭示了玻璃激光焊接下气孔的形成机制。

为了提高发光二极管（LED）的发光效率, 在LED出光面放置金属光栅, 采用时域有限差分法进行了理论分析和模拟计算。结果表明, 对光栅优化后, 金属光栅对波长460nm的透射率接近1, 可提高LED的光提取效率;在此波长下, 可同时激发局域表面等离激元和表面等离极化激元, 有助于提高LED内量子效率; 且具有金属光栅结构的LED的发光效率是仅在出光面放置一层Ag薄层的LED的30倍。该研究为未来制备高发光效率的LED提供了理论指导。

工况环境下为了稳定地获取工件状态信息, 采用多光纤布喇格光栅（FBG）组网监测的方法, 将多光纤光栅传感器分布于装配结构的工装上, 在获取敏感位置实时应变场数据的基础上, 分析了不同装配误差与应变场分布的函数关系, 并给出了合适的修正参数。结果表明, 在工件上分别施加100N的应力时, x轴方向的最大形变值为0.86mm, y轴方向的最大形变值为0.69mm; 与采用激光扫描获得的标准测量数据对比可知, x轴上测试的敏感位置形变值平均误差优于4.7%, y轴上测试的敏感位置形变值平均误差优于3.9%。采用光纤传感实现装配过程的智能修正是可行的, 并且其在整个测试范围内具有很好的线性度和可重复性, 可提高智能装配控制效果。

为了探究激光加工高体积分数碳化硅颗粒增强铝基（SiCp/Al）复合材料厚板的成孔特征, 采用激光旋切法对厚度为4mm的SiCp/Al复合材料进行直径为1mm的制孔实验, 分析紫外皮秒激光制孔中重铸层及其表面裂纹的形成机理, 获得了关键激光加工参数(激光功率百分比和扫描速率)对孔重铸层的影响规律。结果表明, SiCp/Al复合材料厚板皮秒激光加工中存在百微米级别的重铸层, 重铸层厚度不随激光功率的增加而单调变化, 在100%的激光功率下厚度最小,其值为99.5μm; 而随激光扫描速率的增加而增加, 在100mm/s的扫描速率下厚度最小, 其值为71.2μm;厚板紫外皮秒激光加工SiCp/Al复合材料的重铸层呈现“月牙型”的弧状形貌特征, 同时重铸层表面显著存在横向和纵向等多种裂纹。该研究为实现SiCp/Al复合材料皮秒激光低损伤微小孔加工提供了一定的理论指导。

为了研究抽运光源光谱与增益介质吸收光谱对发光二极管（LED）带抽运激光器输出效率的影响, 进一步提高输出效率, 将光谱信息引入激光速率方程中, 建立了LED带抽运速率方程,采用该方法对LED带抽运Nd∶YAG激光器进行了理论分析和实验验证。结果表明, 利用红外LED对Nd∶YAG激光器进行侧面抽运, 当抽运能量为9.1mJ时, 取得了能量为607μJ的1064nm激光输出, 达到实验中最高的倾斜效率15.5%, 此时光转换效率为6.67%;速率方程的计算求解和实验的输出能量二者基本吻合。这一结果对研究提高LED带抽运激光器的输出效率是有帮助的。

为了解决基于激光雷达（LiDAR）点云杆塔倾斜检测方法鲁棒性低、自动化程度差等问题, 利用杆塔塔身结构呈标准四棱台的特点, 提出一种基于杆塔塔身分层投影提取中轴点的激光点云杆塔倾斜检测算法。首先将杆塔点云沿高程方向进行分层, 求取分层点云的最小外接矩形, 确定外接矩形中心为杆塔中轴点; 其次利用外接矩形的面积、比例变化过滤塔头、高低腿等非对称杆塔结构, 以及外接矩形四边内切点高程值进行缺点、噪点检验, 在杆塔中轴线拟合之前剔除可检测的偏移点; 最后在空间直线拟合中引入抗差估计, 通过选权迭代的方式抑制其余偏移点对空间直线拟合的影响。结果表明, 该方法在不同塔型、不同点云密度下均有较好的适应性, 在缺点、噪点情况下抗粗差能力强, 与实测值对比偏差小于0.90‰。该算法具有较强的工程实用价值。

为了增强高能脉冲激光器的驱动效能、优化驱动电路的工程实现效果, 采用电路分析与仿真的方法, 对脉冲氙灯和脉冲形成网络的放电特性进行了理论分析和仿真验证, 取得了各影响因素与脉冲电流波形的相关度数据。结果表明, 脉冲电流波形的矩形度和工程实现的难度随节数的增加而增加, 理想节数在5附近; 波峰幅值随末链电感的减小而减小, 其加权值的理想取值点在0.8附近; 上升速度随首链电感增加而减小, 其加权值的理想取值区间为1.2~1.4。此研究有利于进一步推动高能脉冲氙灯驱动电路的工程应用及拓展。

为了研究266nm紫外固体激光切割碳纤维增强复合材料（CFRP）的工艺规律, 采用单因素实验法、正交实验法和多元线性回归分析法, 进行了266nm紫外固体激光切割CFRP的实验研究, 得出了激光脉冲能量、扫描速率对切缝宽度和热影响区宽度的影响规律。结果表明, 切缝宽度和热影响区宽度随激光脉冲能量的增大而增大, 随扫描速率的增大而减小; 实验中最小热影响区宽度为82μm, 最小切缝宽度为50μm; 激光扫描速率对切缝宽度影响的显著性水平更高, 而激光脉冲能量对热影响区宽度影响的显著性水平更高; 所获得的经验公式能够定量描述切缝宽度、热影响区宽度与激光脉冲能量、扫描速率之间的关系。本研究对266nm紫外固体激光切割CFRP的应用具有一定的参考意义。

为了获取相对稳定的温度场, 通过实验得到了不同比例下甲烷-氧气预混火焰温度场的变化情况, 并分析了甲烷质量分数对该预混火焰温度场的影响。借助Mckenna燃烧器, 采用数字全息技术, 获取不同甲烷-氧气比下预混火焰温度场的干涉条纹图像, 利用巴赫沃斯低通滤波降低经过预处理的图像的散斑噪声; 通过改进的四向最小二乘解包裹法提取温度场相位分布信息, 根据相位与温度的理论关系, 取得了相应的温度信息数据, 并利用B型热电偶进行了实验验证。结果表明, 利用该方法测得的温度与相同条件下热电偶测得的温度变化基本一致, 证明了数字全息技术测量温度场的可行性; 甲烷与氧气质量分数之比为0.9时, 其温度变化约为10K, 相对其它工况, 其温度场分布最为稳定。该研究为甲烷-氧气预混燃气的相关研究和Mckenna燃烧器的应用提供了理论基础。

为了弥补加工制造技术上的局限性, 在五轴联动计算机数控加工中心的基础上, 采用增减材混合制造的技术方法集成激光近净成形制造装置, 在结构上形成激光增减材混合制造装置; 并基于UG后处理构造器开发增减材混合制造的后处理系统, 在功能上实现对零件的增减材混合制造。结果表明, 可实现复杂金属零件的一次成形, 减少因多次装夹引起的加工误差和低效; 相较于单一的增材、减材加工模式, 产品成品率提高20%以上, 加工时间缩短45%以上, 支撑减少30%以上, 尤其对于有封闭内流道的零件, 其内流道表面精度达到0.6μm, 有效延长零件的服役寿命, 实现了零件弱支撑、无支撑、无干涉、高精度和高效率的加工。该研究可为激光增减材混合制造的工艺方案、制造模式、应用拓展提供参考。

为了获得紧聚焦脉冲激光作用下电子的辐射特性, 采用非线性Thomson散射理论和线偏振紧聚焦激光脉冲与单电子的相互作用模型, 利用MATLAB完成数值模拟, 获得了电子的运动特性、不同观测角度下的功率与能量分布, 以及最大辐射方向上的功率与能量。结果表明, 与平面波激光脉冲作用下的非线性Thomson散射现象相似而又不同, 在紧聚焦激光脉冲下的辐射特性中, 辐射功率脉冲双峰的脉宽分别为0.008fs和0.121fs, 其对称性在时间上不再成立; 辐射能量在低辐射频率0~50ω0内呈现出剧烈振荡的变化特点。该结果对强激光场中电子辐射特性的研究是有帮助的。

为了探究沙尘污染过程中高时空分辨率的结构特征, 利用相干多普勒测风激光雷达、地面观测站、中分辨率成像光谱仪, 结合卫星气溶胶光学厚度数据产品、欧洲中期天气预报中心第5代再分析资料（ERA5）以及混合单粒子拉格朗日积分轨道（HYSPLIT）后向轨迹模式, 分析了2019-10-27~2019-10-28内蒙古自治区锡林郭勒盟一次典型的沙尘天气过程。结果表明, 此次沙尘是受高空冷涡、蒙古气旋的共同影响, 配合冷锋在高温时段过境沙源地, 热力叠加动力条件有利于沙尘随西风扩散; 沙尘来临前后, 地表气温变化明显;卫星产品、HYSPLIT模式结合雷达风廓线可以更准确地确定沙尘来源, 激光雷达反演的气溶胶消光系数可反映边界层大气中气溶胶的变化情况;2019-10-28T02:00地面PM10的质量浓度达到最大值268μg/m3, 消光系数超过30km-1, 达到最大值, 雷达反演数据在时间上会有延迟; 城市下垫面使得沙尘污染快速减弱, 雷达所在的草地下垫面容易受垂直风切变影响产生持续性污染。该研究对应用相干多普勒测风激光雷达、认识沙尘的污染过程以及传输特性很有帮助。