基于激光结构光的视觉传感技术是实现焊接坡口检测、焊缝跟踪和焊接机器人路径规划等的主要技术手段和基础。介绍了基于激光结构光的视觉传感技术应用于焊接领域的优势, 分析了其基本检测原理, 归纳总结了该技术在焊接领域的研究热点和发展方向。通过探讨各种激光结构光视觉传感器的原理和特征, 对其进行了全面的总结和全新的分类, 并详细介绍了它们各自的技术特点及研究进展。最后, 对基于激光结构光的视觉传感技术存在的问题进行了探讨, 以期促进该技术的进一步研究和应用。

在基于钛宝石啁啾脉冲放大(CPA)技术获得拍瓦级输出的激光装置中, 光谱发射截面的不同和饱和放大的影响会使放大光谱产生增益窄化和光谱红移。光谱红移效应普遍存在于激光放大过程中, 尤其在高能量饱和放大时更加严重。基于中国科学院上海光学精密机械研究所5.0 PW激光装置的实验结果, 针对Apollon-10 PW激光装置的光谱控制, 在理论上提出一种基于光-光同步放大的光谱整形技术, 用以抑制高能量放大过程中的光谱红移。该技术基于传统的放大模型, 通过在功放级引入短脉冲抽运, 利用抽运光和啁啾种子光同步放大的方式抑制了光谱的红移。该技术无需引入任何其他光学器件, 也不会引入附加损耗, 操作简单。数值模拟结果表明, 利用该技术可以有效地对放大的光谱进行整形, 抑制了光谱红移效应。

采用自制的全固态高功率532 nm单频绿光激光器端面抽运布氏角切割的钛宝石晶体, 设计了紧凑、稳定、像散自补偿的嵌入式六镜环形谐振腔结构。通过调节抽运光与振荡光之间的最佳模式匹配关系, 实现了高光束质量、高转换效率的900 nm波段全固态单频可调谐钛宝石激光器。当抽运功率为15 W、输出镜在922 nm处定点透射率为4.5%时, 获得了平均输出功率大于2 W、波长可调谐范围为852~934 nm的宽带可调谐单频红外激光器, 3 h内的功率稳定性优于±0.7%, 光束质量因子M2<1.04。

采用基于半导体可饱和吸收镜的被动调Q微晶片激光器, 对三通掠入射Nd∶YVO4板条激光放大器进行了实验研究。理论研究了水平方向模式匹配比和掠入射角对板条激光放大器热致畸变的影响。实验验证了掠入射板条激光放大器水平方向最优模式匹配比为0.6, 且采用较小的掠入射角可以在保证高增益的同时产生较小的水平方向热致畸变。确定模式匹配比为0.6且三通掠入射角分别为3°、5°、7°时, 重复频率为100 kHz、平均功率为2 mW、光束质量因子M2=1.17的种子光源所产生的激光经过掠入射Nd∶YVO4板条三通放大后, 最终获得12.6 W的激光输出, 光-光提取效率达到28%, 脉冲峰值功率为1.1 MW, 脉冲能量为126 μJ, M2=1.4。

谱色散匀滑化技术在大型激光聚变装置上得到了广泛应用。以焦平面内谱色散匀滑化光束的光强分布作为激光等离子体相互作用程序LAP3D的边界条件, 实现了谱色散匀滑化光束在黑腔大尺度等离子体传输过程中的模拟。采用改进算法实现了焦平面内谱色散匀滑化光束光强分布的高效并行计算, 从而对整个光束在等离子体中的传输过程进行模拟,分析了谱色散匀滑化光束调制频率对光束传播的影响。

以Nd∶YAG平面波导为激光放大器增益介质, 研究了1064 nm激光在放大过程中光光效率的影响因素; 采用基于棒状Nd∶YAG的1064 nm自由运转振荡器为种子源, 放大器抽运源为808 nm半导体激光器阵列, 抽运光脉宽与种子光脉宽相同且同步输出; Nd∶YAG平面波导的尺寸为60 mm×10 mm×1 mm, 芯层厚度为100 μm。对比研究了种子光能量、抽运能量和抽运方向对激光放大效率的影响。结果表明, 当注入种子光能量为10 mJ时, 实现了100 Hz脉冲重复频率下最大能量为713 mJ的准连续激光输出, 此时的抽运能量为1478 mJ, 对应的光光效率为47.6%。

对脉冲激光修整青铜金刚石砂轮石墨变质层进行了理论研究, 当激光功率密度为1.68×108~3.359×108 W/cm2时, 对金刚石表面的温度演化进行了数值仿真。研究结果表明, 金刚石达到石墨化温度的时间约为435~440 ns, 金刚石的石墨化程度较低。提出了水柱流辅助脉冲光纤激光修整青铜金刚石砂轮的新方法, 降低了金刚石的石墨化程度。

基于建立的三维粗糙表面模型、瞬态有限元模型与热接触模型, 研究了激光功率、焊接速率和夹紧力对激光透射焊接聚碳酸酯接触热导率的影响, 并对仿真结果与实验结果进行了对比。研究结果表明, 随着焊接速率的增大, 接触热导率减小, 且减小趋慢; 随着激光功率的增大, 接触热导率增大, 且增大趋慢; 在0~0.25 MPa的夹紧力范围内, 随着激光功率的增大, 接触热导率逐渐增大; 在较高的激光功率和夹紧力以及较低的焊接速率下, 能够得到较大的接触热导率; 所建立的数学模型能较好地预测接触热导率。

通过激光焊接X100管线钢试验, 研究了热输入对焊接接头显微组织和硬度的影响, 并对典型的全熔透样品进行了力学性能分析。研究结果表明, 当热输入达到1.5 kJ·cm-1时, 可获得全熔透焊缝, 熔宽和热影响区的宽度分别达到1.8 mm和1.0 mm。一定范围内的热输入对焊接接头各个微区的显微组织影响不明显, 焊缝区、粗晶区和细晶区的硬度均高于母材的, 混晶区的硬度低于母材的。拉伸断裂的位置出现在母材。激光全熔透焊接接头的冲击功达到母材水平, 热影响区的冲击功达到母材的66%, 均为典型的韧性断裂。

利用激光熔覆技术, 在铜基体表面制备了三种Ni-Mo-Si复合材料涂层, 对三种涂层的相组成与组织进行了研究, 利用压痕法研究了涂层硬度与韧性。研究结果表明, 三种涂层的相组成分别为MoSi2+Ni2Si+γ-Ni(涂层1,Ni-20Mo-40Si)、Mo5Si3+Ni2Si+γ-Ni(涂层2,Ni-30Mo-30Si)和Mo2Ni3Si+Moss+γ-Ni(涂层3,Ni-40Mo-20Si)。涂层1的平均硬度为1100 HV, 平均摩擦系数为0.44; 涂层2的平均硬度为1200 HV, 断裂韧性较差, 平均摩擦系数为0.50; 涂层3的平均硬度为860 HV, 断裂韧性较好, 平均摩擦系数为0.55。涂层1~3的磨痕深度依次为6.30, 5.26, 7.00 μm。

针对轻量化发展中铝合金焊前表面清理的工艺需求, 研究了铝合金板材光纤激光清洗机理。通过分析激光空间与能量分布参数, 确定激光清洗中需要的激光密排方式。在此基础上, 进行激光清洗工艺实验, 得到了激光参量对表面状态的影响规律, 探究并优化了氧化膜剥离工艺, 并提出铝合金表层氧化膜可能的两种剥离机制。通过对优化后的清洗参数进行焊接评估, 发现激光清洗可以改善焊缝成形, 显著提升接头力学性能, 验证了光纤激光清洗改善铝合金接头质量的可行性, 有助于高强度铝合金接头在制造业领域的大面积推广。

通过对有机玻璃与304不锈钢进行异种材料的搭接焊试验, 研究了焊接过程中出现的物理现象及焊接缺陷。利用正交试验得到了优化的工艺参数组合, 并获得了成形良好的焊接接头。分析了工艺参数对剪切应力的影响。研究结果表明, 激光焊接速度、脉冲宽度、光斑大小和脉冲频率对剪切应力具有较大影响, 焊接接头的最大剪切力为191 N·mm-2。焊接缺陷和能量密度是导致焊接接头失效的主要因素。

激光选区熔化(SLM)成形中, 常产生边缘位置高于内表面即边缘堆高现象, 边缘堆高将会对SLM成形过程产生不良影响。理论分析了SLM成形中边缘堆高的产生机制, 提出了轮廓-实体和边缘重熔两种控制方法。进一步研究了这两种控制方法下工艺参数, 如边缘宽度、边框厚度、扫描速度和激光功率, 对堆高高度的影响。结果表明: 两种方法均能有效地消除边缘堆高。对于轮廓-实体控制方法, 堆高高度随扫描速度的增大而减小, 随激光功率的升高而增大, 轮廓间距对边缘堆高无影响; 对于边缘重熔控制方法, 堆高高度随扫描速度的增大而减小, 随激光功率的升高而增大, 随边框厚度的增大而增大。

利用微弧氧化工艺, 在铝合金表面制备了不同厚度的氧化涂层, 对微弧氧化铝合金和高铝超薄玻璃进行了激光透射焊接。研究了微弧氧化涂层厚度对焊接件的剪切力、焊缝形貌及焊缝结合界面的影响, 并分析了焊缝形成机理。研究结果表明, 微弧氧化涂层能够有效地充当焊接件的激光能量吸收层和缓冲层, 焊缝处形成的混合镶嵌结构是实现材料连接的主要原因; 微弧氧化涂层越薄, 焊接件的剪切力越大。

在Ti和h-BN粉末中添加不同含量的CeO2作为原料, 采用激光熔覆技术在Ti3Al2V表面原位合成TiB/TiN复合陶瓷强化涂层。通过测试分别研究了不同含量的CeO2对熔覆层的强化相微观组织形貌、显微硬度和摩擦磨损性能的影响。结果表明, 熔覆层原位合成了TiB和TiN强化相; 通过添加适量的CeO2, 熔覆层中的强化相变得更加细小, 组织分布更加均匀, 硬度和摩擦磨损性能得到提高。CeO2加入量的质量分数为2%时, 熔覆层的表层硬度可达1400 HV, 耐磨损性能最佳。

为了抑制抛光粉纳米颗粒的团聚, 改善抛光液的性能, 使光学玻璃获得更高的抛光速率与更低的表面粗糙度, 在氧化铈抛光液中添加阴离子表面活性剂梅迪兰, 研究了梅迪兰质量分数对抛光液中粒子粒径、分散性以及材料去除率和抛光后光学玻璃表面粗糙度的影响。结果表明: 微量梅迪兰能显著改善抛光液中粒子的分散性, 抑制纳米粒子的团聚, 提高抛光液的质量; 当梅迪兰质量分数为0~0.32%时, 随着质量分数增大, 化学机械抛光速率先增大后减小, 当质量分数为0.26%时达到最大值122 nm/min; 玻璃的表面粗糙度随着梅迪兰质量分数增加而先减小后增大, 在质量分数为0.13%时达到最小值0.928 nm。

掠入射X射线反射(GIXR)由于检测精度高且对检测薄膜的无损伤而被广泛用于薄膜检测和高精度表征。GIXR是一种基于数值拟合的间接检测方法, 因此在薄膜微观结构的求解, 特别是复杂多层膜膜系的求解过程中对数值优化算法的要求较高。为此提出了基于量子衍生遗传算法(QIGA)的薄膜GIXR拟合求解方法, 并基于QIGA对Si单层膜和等周期Mo/Si多层膜的GIXR分别进行拟合求解。结果表明, 该方法具有求解速度快、拟合精度高的明显优势, 说明QIGA在光学薄膜表征方面有潜在的应用价值。

提出一种基于离轴数字全息显微的技术, 用于测量液态环境中微粒的三维位置。该技术采用透射式离轴数字全息显微系统, 测量方法结合了光程长(OPL)差分算法和去条纹法。利用光程长差分算法定位微粒内部两点间光程长差分曲线拐点的位置, 追踪微粒的轴向位移; 对离轴全息图使用去条纹方法, 即频域滤波结合Hough变换, 获取微粒的横向二维位移。进行轴向测量时, 与传统数字全息追踪微粒位移的技术相比, 光程长差分算法仅用两点光程长相对运算代替面的运算, 提高了测量效率, 且不需要对微粒进行自动聚焦, 微粒的位置也不受离焦面的限制。对微粒进行纳米级三维位移操纵, 实验结果表明光程长差分算法结合去条纹法对液态环境中微粒的三维位移测量分辨能力能够达到纳米量级。

为了实现快速且高精度的光纤陀螺(FOG)本征频率跟踪测量, 提出了一种基于锯齿波调制的本征频率跟踪方法。根据基于偶数倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量理论, 对相位调制器施加接近偶数倍本征频率的锯齿波调制信号,然后对光波进行相位调制,解调得出的误差信号强度反映锯齿波调制频率偏离偶数倍本征频率的程度。根据误差信号的强度调节锯齿波调制信号的频率, 使误差信号为零, 此时锯齿波信号的频率等于本征频率的偶数倍且方波偏置调制准确地处于本征频率上。实验结果表明, 该方法可以实现光纤陀螺本征频率的跟踪。与传统测量方法相比, 该方法具有快速、高精度等优点, 测量的精度优于1 Hz。

为了提高陆用自主导航系统的精度和机动能力, 对高精度激光多普勒测速仪(LDV)在陆用导航领域的应用进行了研究。首先对分光再利用型LDV的结构和基本原理进行了介绍。在分析了自研的惯性导航系统(INS)和激光测速仪优缺点的基础上, 对高精度测速仪辅助惯导系统的行进间姿态矫正、动态LDV参数误差估计和实时误差补偿一体化技术进行了研究。理论上阐述了在惯性导航系统误差方程中引入速度可以实现行进车辆的对准和高精度的自主导航的可行性。动态跑车实验结果表明, 通过加入速度修正信息, 在没有停车的状态下, 跑车1.2 h, 惯导系统的导航误差从2000 m降至6 m以内。理论和实验证明, 通过在传统的惯导系统中加入高精度LDV的辅助信息, 可以大大提高陆用自主导航系统的性能。

栅网是条纹相机等电子光学仪器的重要组成部件。通过使用有限差分法对栅网的丝径、网孔进行精细建模, 分析了栅网对均匀电场的扰动以及对电子运动的子透镜效应; 使用电子碰撞自由程Gryzinski理论研究了电子和栅网碰撞的二次电子发射问题。结果发现, 对于条纹相机中常用的10, 33, 50 line/mm栅网, 其结构参数的不连续性对均匀电场的扰动分别为0.31%、0.07%、0.04%; 对于入射能量为15 keV的电子, 栅网金属原子Ni、Cr和Cu的非弹性散射碰撞自由程分别为6.85, 10.34, 7.25 nm, 碰撞很难产生二次电子发射。研究结果对电子光学仪器的设计和栅网参数的优化具有参考意义。

将成像激光雷达这一新型主动大气探测手段运用于水平大气透过率测量研究。采用矩阵图像错位相加法提高信噪比。获取随距离变化的信号之后, 通过Klett积分结合斜率法的反演方式获得1 km以内水平传输路径上的消光系数分布, 对消光系数进行路径积分, 计算出水平大气透过率。将反演结果与对比实验中直接测量的大气透过率进行对比分析, 发现不同天气情况下两者的相关性系数在0.7以上, 相对误差在20%以内。该成像激光雷达设备可进行有限距离的水平大气透过率探测研究。

随着光刻技术向10 nm及以下工艺节点的延伸, 光刻工艺对套刻精度提出了更高的要求, 相应的对准精度的要求已经达到亚纳米量级。提出一种基于自相干叠栅条纹的光刻机对准方法, 其原理是利用对准系统的光学结构将位相型光栅对准标记的同级次衍射光束进行分束和转像, 在对准系统像面上形成两组周期不同的干涉条纹, 这两组干涉条纹进一步干涉叠加形成自相干叠栅条纹, 组成自相干叠栅条纹的两组干涉条纹随对准标记的移动向相反方向移动, 并将对准标记的位移量进行放大, 从而提高对准标记位置测量的精度。通过对自相干叠栅条纹图像进行傅里叶变换和相位提取, 分析其相位信息得到对准标记的位置。仿真结果表明, 对准精度和对准重复精度分别可以达到0.07 nm和0.11 nm。

法布里-珀罗(F-P)干涉仪结构的光纤传感器因其结构简单、体积小、高灵敏度等优点得到了广泛的应用, 开放式法布里-珀罗干涉仪传感器可对待测液体的折射率进行测量。利用机械切割、飞秒激光击穿等方法可以制成开放式法布里-珀罗干涉仪。利用玻璃焊剂将开放的空心毛细管和两段单模光纤焊接在一起, 制成开放式法布里-珀罗干涉仪传感器, 并采用交叉相关的信号处理技术实现对待测液体折射率的绝对测量。采用不同浓度的氯化钠溶液进行折射率测量实验, 折射率测量分辨率可达到10-5 RIU量级, 传感器的温度灵敏度为39.59 nm/℃。

提出一种基于激光脉冲扫描测量体制下的高速点目标捕获、跟踪测量方法, 应用匀速运动模型模拟仿真目标的轨迹及分布概率; 考虑脉冲激光光斑分布的相关参数, 建立脉冲激光扫描捕获点目标的理论模型。提出了一种基于时间序列法的捕获方法, 用以求解针对目标模型脉冲激光在一帧扫描时域内的捕获次数。在此基础上对激光分布式扫描光斑布局的主要参量进行数值仿真分析, 进而提出一种针对目标运动特性、激光传感器特性的最优化扫描方式, 以提高一帧扫描时域内的捕获概率和捕获次数, 缩短捕获时间; 结合算例通过半实物仿真实验验证最优化扫描方式的可行性。所提方法为激光跟踪系统的脉冲频率、扫描频率与目标运动模型的最佳匹配提供了依据。

为了实现光学元件相位缺陷的大视场、高分辨率、动态检测, 设计了一种动态泰曼干涉仪。该干涉仪采用短相干激光器结合迈克耳孙干涉结构产生1对相位延迟的正交偏振光, 以此作为光源, 通过匹配偏振型泰曼干涉仪干涉腔的相位差, 补偿参考光与测试光之间的相位延迟。利用偏振相机瞬时采集4幅移相量依次相差π/2的干涉图, 通过移相算法即可求解得到相位缺陷的信息。利用平面波角谱理论进行仿真, 分析了二次衍射对测量结果的影响; 利用琼斯矩阵法分析了偏振器件误差对测量结果的影响。实验检测了1块激光毁伤的光学平板, 测试结果与Veeco NT9100白光干涉仪测量结果相比, 相对误差为2.4%。此外, 采用所述方法对强激光系统中光学平晶的相位疵病进行检测, 测试结果显示波前峰谷值为199.2 nm。结果表明, 该干涉仪能够有效应用于光学元件相位缺陷的检测。

利用物理光学的相关知识、Collins衍射积分公式以及硬边光阑的复高斯函数分解法, 推导得到相干基模高斯光束通过卡塞格伦镜头原路返回点处的反射光时间分布的解析表达式。数值仿真分析了条纹间距和中心遮挡比对卡塞格伦镜头反射光时间分布的影响, 设计实验并对数值计算结果进行验证。结果表明: 随着条纹间距的增大, 卡塞格伦镜头反射光的时间分布峰数目减少, 峰值光强减小, 回波曲线包络中的频率点分量减少; 中心遮挡比的增大将引起反射光时间分布的能量和频率分量的丢失; 随着扫描速度的增大, 回波信号的分布变得密集, 呈现方差减小、偏度和峰度增大的趋势; 卡塞格伦镜头和透射式镜头的回波信号的峰度特征在数值上差异明显, 可以通过回波信号的统计特征区分折反式镜头目标和透射式镜头目标。所获得的结果对激光主动干涉探测识别技术的应用具有重要意义。

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式, 以LohmannⅠ型光学系统为例, 推导出Bessel光束通过含光阑的球差分数傅里叶变换系统后的场分布表达式, 通过数值模拟计算了Bessel光束在理想分数傅里叶变换系统中的传输特性以及光阑和球差对光束传输的影响规律。研究表明: Bessel光束通过分数傅里叶变换系统后不再保持其传输不变性; 系统只含光阑时, 可在常规傅里叶变换面上获得空心光束; 系统同时存在光阑和球差时, 正球差下输出面可获得聚焦性更好、中心光强更强的光束; 光阑较小时, 轴上光强分布主要受光阑影响, 光阑达到一定数值后, 轴上光强分布主要受球差影响。

在激光驱动惯性约束聚变研究中, 激光等离子体相互作用是影响点火的重要原因之一; 为了抑制激光等离子体的不稳定性, 诸多光束匀滑技术应运而生, 并得到广泛应用。为了获得更匀滑的焦斑, 提出集束多频调制光谱色散匀滑(SSD)技术, 并对其进行了理论研究; 该技术采用多束激光集束聚焦打靶, 利用单频调制单光束, 利用不同的频率调制不同的子束。结果表明, 该技术可以有效抑制多光束干涉导致的强度调制, 改善了远场光强分布的均匀性, 并且在采用更接近实际情况的色循环数时, 具有比传统多频调制SSD技术更好的匀滑效果。

研究了互补型双马赫-曾德尔调制器(MZM)结构对光子时间拉伸模数转换器(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PTS-ADC系统, 利用Optisystem软件进行仿真研究, 分别对5组不同的输入射频(RF)信号进行模数转换(10, 15, 20, 25, 30 GHz), 对比互补型双MZM和单输出MZM作为电光调制器时, 各系统对RF信号采样恢复的频率值。仿真结果表明, 互补型双MZM结构可以有效抑制二阶谐波, 提高了PTS-ADC的量化精度。

基于传输矩阵法对马赫-曾德尔干涉仪的输出特性进行分析, 结果表明, 当干涉臂臂长差为中心波长与有效折射率比值的整数倍时,马赫-曾德尔干涉仪具有微分特性, 且微分阶数与级联的干涉仪数目成正比。根据信号系统理论知识, 利用马赫-曾德尔干涉仪的微分特性, 设计出基于马赫-曾德尔干涉仪的超短光脉冲合成系统, 并通过调节输入高斯脉冲及其各阶微分的加权系数, 将输入的高斯脉冲分别合成为平顶脉冲、三角脉冲以及抛物线型脉冲。改变高斯脉冲各阶微分加权系数与输入脉冲宽度发现, 输出脉冲波形基本保持不变, 系统的稳定性良好。

对掺铒光纤进行了伽马辐照实验, 根据辐照前后掺铒光纤的吸收系数和发射系数测试数据, 计算了掺铒光纤的吸收截面和发射截面。基于幂律模型建立了掺铒光纤吸收截面和发射截面的辐射模型。将吸收截面和发射截面的辐射模型代入掺铒光纤光源模型中, 仿真分析了掺铒光纤的辐射效应对掺铒光纤光源输出光谱及其特征参数的影响。结果表明: 与辐照前相比, 掺铒光纤被辐照后, 光纤光源的输出功率从9.32 mW衰减到4.30 mW; 平均波长从1531.60 nm漂移到1531.19 nm; 谱宽从8.79 nm变化到6.78 nm。最后通过实验验证了仿真结果的正确性。

光纤法布里-珀罗(F-P)传感器被广泛应用于航空发动机的检测中。偏振互相关解调法是最常用的F-P腔长解调方法。在偏振互相关解调系统中, 光学系统的轴向色差会引起零级干涉条纹的偏移和光强的减小, 从而降低解调精度并减小信号幅值, 因此分析了光学系统的轴向色差对解调的影响。为了减小光学系统的轴向色差对解调的影响, 设计了一种应用于偏振互相关解调仪的复消色差光学系统。该光学系统在光楔长度方向上的轴向色差为1.9×10-4 m-1, 最大光程差为0.021λ0(λ0为中心波长), 光程差远小于F-P腔长。对于特定的解调系统, 采用复消色差光路时, 零级干涉条纹的测量值偏移量为2.85 μm, 小于CCD像素宽度的一半, 并且CCD任意像素的光照度提高了3.75倍。

采用等离子体增强化学气相沉积法, 通过设置等离子体发生器的功率和生长时间来控制石墨烯的层数, 生长出了高质量和高透明度的石墨烯; 将3.7 nm厚度的石墨烯(约11层)涂覆在倾斜角度为8°的光纤光栅上进行实验, 测得光栅在折射率1.33附近的灵敏度达到－1.57161 RIU-1, 与未镀石墨烯的光栅相比, 灵敏度约提高20倍。在光纤光栅表面涂覆石墨烯可明显提高倾斜光栅在低折射率区域的灵敏度, 在生物、化学、食品安全和水环境监测等领域具有潜在应用价值。

对相位敏感光时域反射系统数字正交解调算法进行了研究。分析了正交解调算法中数字滤波器群延时对系统定位精度的影响, 提出采用重定位方法矫正定位误差; 同时, 研究了系统空间分辨率受正交解调算法中数字滤波器的影响, 并通过仿真和实验,验证并分析了上述问题。结果表明, 重定位方法可消除正交解调算法中数字滤波器造成的定位误差, 系统空间分辨率由系统结构与数字滤波器共同决定, 且由数字滤波器决定的空间分辨率随数字滤波器阶数的增加而增加。实验中解调选择112阶滤波器较佳。

即使机载激光雷达经过良好的检校, 激光雷达数据仍可能呈现残余系统误差, 从而导致测区各个航带存在变形。先基于面特征计算安置角, 为消除残余系统误差的航带平差提供初始点云; 再基于迭代最近点法(ICP)的航带平差法, 以连接点三维坐标相等为条件, 对扫描角度误差进行非线性变形改正。结果表明, 该方法能保证高空飞行数据的绝对精度, 点云精度可满足要求。

太赫兹后向散射强度是描述目标对太赫兹散射能力的一个重要参数。首先通过测量校准目标验证了2.52 THz后向散射特性测量系统的可行性, 并测得了系统的信噪比。在此基础上, 对6种尺寸铣削和喷砂加工矩形铝板的相对后向散射强度进行测量, 测量范围为0°~3°。实验结果表明: 测量的最大动态范围为32.25 dB; 不同尺寸喷砂铝板的相对后向散射强度之差较铣削铝板更明显; 在0°处, 相同表面积的铣削和喷砂铝板回波的平均偏差分别约为1.35 dB和0.51 dB。

高功率光纤激光振荡器具有结构简单、稳定性好、成本低廉等优点, 在工业加工、材料处理等领域有着广阔的应用前景。目前报道的2 kW以上单纤全光纤激光输出大多采用放大器实现。2014年, 芬兰CoreLase公司推出了2 kW的全光纤激光振荡器产品; 同年, 美国相干公司基于空间结构实现了3 kW的光纤激光振荡器; 国防科技大学于2015年和2017年分别基于单端和双端抽运方案实现了2 kW和3 kW的全光纤激光振荡器; 2017年, 日本藤仓公司也报道了3 kW全光纤激光振荡器。然而, 振荡器功率的继续提升受到受激拉曼散射效应的限制。一种抑制受激拉曼散射的有效方案是采用更大模场面积的光纤搭建振荡器, 截止目前并未见利用25/400 μm或者纤芯直径更大的光纤光栅实现1 kW以上光纤激光振荡器的报道。2017年7月, 国防科技大学利用中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心叶青研究员课题组研制的全国产25/400 μm大模场光纤光栅, 实现了输出功率大于2.7 kW的全光纤激光振荡器。

全固态单频激光器具有稳定性高、能量集中、相干性好等特点, 是科研、通信、**等领域的重要光源。目前单频激光器的获得主要有2个途径: 1)在谐振腔中加入法布里-珀罗(F-P)标准具或双折射滤波器并通过选频获得; 2)通过设计单块非平面环形腔或微腔获得。基于单频微腔结构的可见光激光器一般需要用到两块晶体, 一块为激光晶体(常用Nd∶YVO4晶体),另一块为非线性晶体(如磷酸钛氧钾, 三硼酸锂)。由于采用两块晶体, 因此制作工艺相对复杂, 成本也较高。自倍频激光晶体是一类同时具有激光和非线性频率变换两种特性的复合功能晶体, 将介质膜镀于晶体表面, 采用微片的形式实现激光输出, 可以使激光器的尺寸大大降低(毫米量级), 从而可实现功能晶体的小型化、复合化以及材料器件的一体化。