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计算机模拟仿真技术是提升直拉法生长的大直径InSb单晶质量、降低晶体制备成本的有效工具。现在市面上投入使用的模拟仿真软件种类众多,而用于InSb晶体生长的模拟案例很少。通过对已有使用案例的分析可以获知各型软件的特点,分析对比各自的优缺点和适用的生长方法,结合InSb晶体生长特性来选择最适合用于InSb直拉法生长的模拟软件。

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为了解决激光二极管(Laser Diode,LD)端面泵浦的热容激光器在泵浦阶段会在晶体内部产生大量废热的问题,由LD端面泵浦激光晶体的工作特点,建立了泵浦阶段无冷却、端面与空气热交换的Yb∶YAG复合晶体热模型。基于热传导理论,使用有限元方法对Yb∶YAG复合晶体的温度场、应力场及热形变场进行了计算,定量分析了键合长度与键合方式对温度场及热形变场的影响。研究结果表明:若以泵浦功率为50W、泵浦光高斯半径为300μm的激光二极管对晶体尺寸为3mm×3mm×4mm、键合长度为1mm、键合方式为单端键合,且掺杂浓度为50 at%的Yb∶YAG复合晶体端面进行泵浦,且工作时长为2s,晶体内部场的最高温升为248℃、最大热形变量为59515μm、最大应力为370395×109N/m2。研究结果对激光二极管端面泵浦的Yb∶YAG热容激光器的设计提供了理论依据。

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为了获得更好的光束质量的输出,对二极管侧面泵浦激光器内增益分布均匀性进行研究；通过对工作物质内增益分布进行理论分析,利用仿真软件建立增益场模型,研究了LD单侧泵浦Nd∶YAG激光器增益场模型；模拟中通过对不同泵浦功率下的LD单侧泵浦Nd∶YAG激光器增益场与吸收光场均匀性进行对比,结果得到了不同泵浦功率下增益场分布均匀性与吸收光场均匀性分布并不一致,并不是简单直观等效为线性关系,为高低温环境下即开即用的LD侧面泵浦Nd∶YAG固体激光器获得高光束质量、高效率的激光输出提供理论参考提供参考。

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针对基于Delaunay三角剖分的Crust算法在对激光点云和影像点云进行复杂曲面三维重建时模型表面不够光滑、耗时长、精度不高的问题,该文提出一种改进的点云三维重建方法。该方法首先用体素重心临近特征点算法进行下采样；之后使用移动最小二乘算法拟合函数并确定二次基函数和高斯权函数完成数据平滑与优化；然后使用基于自适应外接圆Delaunay三角剖分方法的Crust算法进行重建,得到粗三角网格；最后采用四面体的外接球半径与其最短边长比值剔除不合格的四面体,完成对模型的优化与重建。经过实验验证,该方法可以减少孔洞和重建时间,构建出平滑、点云点云拓扑结构更为准确的三维模型。

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飞秒激光精修面齿轮材料18Cr2Ni4WA的烧蚀区域表面形貌与激光工艺参数直接相关。为了获得更好的烧蚀区域表面形貌,设计三因素三水平的正交试验,并通过信噪比分析激光重复频率、能量密度和扫描速度对烧蚀区域深度和表面粗糙度的影响,获得了单一响应目标最佳时的工艺参数组合。结合灰色关联法综合优化两个响应目标,得到最优的工艺参数组合为重复频率200kHz,能量密度35J/cm2,扫描速度110mm/s。通过最优工艺参数验证试验,发现优化后的表面形貌综合质量更佳,证明了灰色关联法多响应目标优化的可靠性,为改善飞秒激光精微加工面齿轮材料表面形貌质量提供了一种有效方法。

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随着高速铁路和城市轨道交通系统的快速发展,对交通安全技术的研究日益迫切。应用激光扫描技术生成的铁路线路环境三维点云,能够对运行环境实现准确的感知。本文以铁路场景的三维点云数据为研究对象,首次构建了铁路场景下的大规模点云语义分割数据集。针对现有点云语义分割模型主要适用于于小尺度场景,但是铁路线路环境的三维点云数据规模很大,为此,本文提出了一种面向铁路场景的大规模点云语义分割方法,在编码阶段提出了一种基于自注意力的自适应局部特征融合模块,可以更好地聚合不同尺度的局部特征,解决类别不均衡的问题；在解码阶段提出了一种高维语义信息引导下的上采样方法,弥补了在编码阶段较大尺度的下采样造成的信息损失。所提方法在铁路场景数据集及公共室内数据集上都取得了优异的分割性能。

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激光熔覆因其优点显著而深受零件修复和涂层制备等领域的青睐。其熔覆质量受颇多工艺参数影响,其中激光功率决定了熔池的热输入而直接影响热输运。创建激光熔覆三维数值模型来探究激光功率对热输运的影响,实验验证了模型的有效性,并且分析证明了模型的网格无关性。结果表明:不同激光功率下熔池达到动态平衡所需时间一致；熔池内温度变化趋势近似相同,峰值温度随着激光功率的增大而升高,激光功率为600W时的峰值温度较700W和800W低约11和22；三种功率下的熔池均具有由内向外的环形流动模式,流速随激光功率的增大而增大。

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提出将激光多普勒测速仪应用于出租车计价器检定上,通过多普勒效应,采用双斜射非对称结构激光测速仪,利用双谱峰信号处理技术,便携式外挂工装和交互良好的操作系统完成系统设计。理论分析与实验表明:基于LDV的出租车计价器检定系统具有较好的工作效果。气压式外挂工装使设备具有便携性,能够满足更多的应用场景；独创性的双斜射非对称光路结构设计,避免了道路颠簸对于测量精度的影响,提高了系统的可靠性和测量精度；采用双谱峰信号处理技术,提高了信号处理速度,实现对于速度信号的实时处理；同时配有自主设计的操作页面,操作简单便捷,容错率强,人机交互良好,极大地简化了计价器检定的流程。因此,基于LDV的出租车计价器检定系统能够满足市场的实际需求,可以解决当前计价器检定所面临的难题,具有较高的实际价值。

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在激光切割的工业环境下会存在大量干扰元素,例如电磁干扰、振动、烟尘和颗粒物、外部环境以及光源等,当前的结合类别学习方法,对目标抽象图形中凸显区域缺少单独目标对齐过程,导致目标特征关联性不强,标注结果不准。提出基于改进YOLOv5s的激光切割机器人视觉图像目标标注方法。利用输入端、池化层、共享全连接层等搭建改进YOLOv5s模型,该网络使用最大池化与平均池化生成两幅激光切割机器人视觉图像,根据通道维度连接图像特征实现激光视觉图像目标粗定位,结合调制因子和目标检测损失实现目标特征对齐。在目标特征对齐后确定激光切割机器人视觉图像关键凸显区域帧,通过对激光切割机器人历史标注图像实施半监督训练,确定图像空间区域关联,根据区域关联进行激光视觉图像目标标注。实验结果表明:所提方法的激光切割机器人视觉图像目标标注的交并比与准确率高、速度快,拥有极强的鲁棒性。

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随着动态红外隐身、智能热控等新兴技术的发展,单一的低发射率材料逐渐难以满足实际应用下的复杂需求。可变发射率材料的红外发射率在一定条件下可发生可逆变化,本文根据诱导材料红外发射率转变的外加场不同,系统总结了热致变、电致变以及其他如应力致变、湿度致变等可变发射率材料的研究进展。文中重点讨论了热致可变发射率材料中的二氧化钒(VO2)与电致可变发射率材料中的三氧化钨(WO3)、聚苯胺(PANI)等几种常用材料的相关原理与实际应用,并对各类材料性能特点进行了总结分析。可变发射率材料的研究极大的推动了自适应红外隐身技术的发展,并在智能热控、城市节能等领域得到了广泛应用,在未来将向着快响应、长寿命以及多光谱调制等方向发展。

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激光有源压制干扰是对抗红外成像导引头的有效手段,不同入射条件下的饱和阈值是研究对红外成像导引头干扰效果的核心参数。为获得红外成像导引头在强激光照射下的饱和阈值,本文基于COMSOL多物理场仿真平台,开展了连续激光干扰短波、中波和长波红外碲镉汞探测器的建模仿真。首先,对碲镉汞材料和典型的平面结碲镉汞像元结构进行了模型构建；然后采用电磁波与半导体耦合多物理场接口计算光生伏特效应,分析了不同激光波长、功率、工作温度等因素对零偏压碲镉汞红外探测器像元光生电动势的影响,展示了COMSOL多物理仿真平台仿真激光辐照效应的可行性。仿真结果可为激光干扰效应半实物仿真提供参考依据。

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在外场实验时,由于民机复合材料蒙皮缺陷红外检测缺陷特征不明显,导致检测精度低和复杂模型导致检测速度慢,针对该问题,提出一种改进的SSD算法提高检测精度和实现模型轻量化。该算法首先采用U Net网络对图像预处理,降低无关特征信息的干扰,增强缺陷的可检测性。其次,使用Mobilenetv2作为骨干网络,减少模型所占内存大小,提高缺陷检测效率。然后,引入融合改进注意力机制(CBAM)的倒残差模块作为辅助卷积层,进一步轻量化模型并解决精度低的问题。消融实验和对比实验表明,该算法在民机复合材料缺陷数据集上,mAP精度高达968,检测速度(FPS)为7274 f/s。相比传统SSD算法,AP05提升了83,参数量(Params)减少至3966 M,浮点量(GFLOPS)降低了42倍。该算法在飞机复合材料红外检测领域具有良好的应用前景。

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为了提高点云目标的识别准确率和识别速率,设计了红外图像获取与激光扫描联合使用的目标识别系统,提出了基于红外边界约束的点云目标提取算法。首先,利用边缘增强和红外特征对红外图像进行灰度化处理。其次,利用目标红外图像区域为点云目标提取提供边界约束,并通过映射比例函数完成二维图像到三维点云的投影,实现坐标系对齐。最后用符合边界约束的点云集合完成目标识别。实验针对复杂背景下车辆目标进行测试,并对比了传统算法和本算法的测试结果。在点云总量增加时,传统算法的检出率从837增至976。本算法从962增至988,受点云总量影响更小。偏角增加会导致本算法准确率降低,但其仍优于传统算法。本算法对伪目标的剔除效果明显,故其准确率稳定性更高。本算法的检出时间仅为传统算法的1/3至1/4。本设计在目标识别准确性和检出时间上均有所提升,具有更好的实用性。

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使用光谱发射率测量设备检测红外隐身涂层发射率,是监控飞机红外隐身涂层状态的一种重要手段。在测量设备检定周期内,受使用环境、使用频率、使用方法等因素影响,偶发设备状态变得恶劣,测量值偏离参考值,对及时发现红外隐身涂层缺陷带来一定风险,可能影响飞机整体红外隐身特性。针对检定周期内出现的测量值偏差问题,建立格拉姆角场(GAF)-并行卷积神经网络(PCNN)设备检定状态预测模型。将测量设备一维时序数据送入GAF PCNN模型中,经过深度学习,训练出红外发射率测量设备检定状态预测模型。试验表明,该检定状态预测模型平均识别准确率达到95,且收敛速度快且稳定,可应用于设备检定状态预测,提示提前检定或者超检定周期使用,在确保设备状态良好的同时,减少设备检定活动,提高保障效率。

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空间超高对比度成像技术是开展类地行星直接成像探测的必要条件,该技术的实现依赖于空间星冕仪系统对光学波前的精确控制,因此需要发展专用的在轨波前检测及校正算法。此类算法已在地基自适应光学系统中广泛应用,但在空间中,受限于航天用CPU性能和选型限制,无法基于纯CPU运算设计。本文基于FPGA和CPU 混合架构实现波前校正,在兼顾硬件资源和运算精度的条件下,能够锁定系外行星探测所需的高对比度成像暗区。上述混合架构的算法在大规模自适应光学系统中也具有显著的速度优势,针对100×100子孔径数的自适应光学系统,波前处理延时缩短1281826 μs,可满足为地基大口径望远镜配备的ExAO、GLAO和MCAO等自适应光学系统高速并行计算的需求。

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太阳绝对辐射计(SIAR)采用热电堆型探测器将入射太阳光功率转换为电功率,实现太阳总辐照度测量,但热电堆探测器存在以下局限性:首先,受热电偶数量的限制,难以进一步提高灵敏度；其次,受制作工艺复杂的限制,主备腔一致性难以保证。为了解决这些问题,本文基于惠斯通桥高互换性、高分辨率的特性,采用全新的探测器锥腔结构和全新的热连接方式,研制了一台具有高灵敏、高精度的热电桥型绝对辐射计。测试结果表明:探测器时间常数969s,灵敏度0078W/m2,钨灯光源测量重复性优于007,满足01精度太阳总辐照度观测需求。

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提取光条纹中心是线结构光测量中至关重要的环节,提取效果直接影响测量速度和精度。针对传统Steger算法提取光条纹中心时存在由于光条纹宽度变化过大和冗余点过多导致提取精度低的问题,本文提出一种改进Steger快速高精度光条纹中心线提取方法。首先对光条纹原图像进行图像预处理,去除噪声点并保留感兴趣区域；然后通过直接遍历像素点的方式快速获得光条纹宽度,并对光条纹区域进行Canny边缘检测,结合几何中心法对条纹边缘图进行计算,获得像素初始点；最后对初始点进行一维卷积构建Hessian矩阵,在法线上进一步精确提取中心线。实验结果表明:该算法的精度相对于传统Steger算法提升了426,在耗时上相对于传统Steger算法缩短了645,可以实现精确提取亚像素级精度光条纹的同时又满足工业测量的实时性的要求。

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纯转动拉曼激光雷达具有准直性好、时空分辨率高等特点被广泛用于大气温度垂直廓线探测。本文基于干涉滤光片设计分光光路,定量分析了滤光片中心波长和带宽造成的温度测量不确定度。使用比值法简化计算了滤光片对弹性散射信号抑制不足造成的泄露误差。通过不同带宽滤光片标定了系统参数,并分析了系统参数对反演温度时拟合误差的影响。针对滤光片固定时的角度误差,评估了其引入的随机误差。结果表明,系统实际选择的滤光片中心波长和05nm/03nm带宽产生的误差小于12 K,抑制比大于6为宜,使用低阶函数产生的拟合误差可以忽略,滤光片固定角度误差应小于05°。并基于纯转动拉曼激光雷达方程模拟仿真回波信号并反演温度廓线,分析了温度测量的误差分布,总误差小于12 K。

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3D高斯泼溅通过高斯基替代了传统点云,利用其平滑特性,在保持数据精度的同时,有效地处理并可视化三维空间中的散点数据,实现更加连续和自然的图像渲染效果,在光学图像领域取得了重大成果,并成为了近期的研究热点。在SAR图像应用领域中,属性散射中心模型常被作为图像的基使用。本文尝试使用高斯基替代属性散射中心模型,通过实验对比了高斯基、属性散射中心模型,以及实际应用中常用的简化属性散射中心模型在SAR图像重建任务中的表现。结果表明,高斯基方法在能提供更优的图像重建质量前提下,在速度和稳定性上表现明显优于属性散射中心模型,该结果为SAR图像特征与目标信息提取提供了新思路。

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针对红外无人机目标识别过程中特征丢失严重、识别准确率低及模型较为复杂的问题,提出一种改进YOLOv8的红外无人机目标检测算法。首先,在主干网络引入可变形卷积,增强目标区域的特征表达能力。其次,提出了一种针对小目标的轻量级特征金字塔网络结构SOD-FPN,通过减轻网络层数和删除大型目标检测头来避免小目标信息丢失,还通过跨尺度连接和加权特征融合方法来增强模型多尺度特征融合能力。最后,选择基于Wasserstein距离的NWDLoss作为边界框损失函数,进一步提升模型的收敛性和检测精度。实验结果表明:改进算法的mAP50为994,较YOLOv8n提升了22,参数量降低了728,同时相较于其他先进的目标检测算法在精度和速度上均有提升,证明了改进算法的有效性和先进性。

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针对传统ICP算法配准时间较长,并且当两片点云初始位姿相差较大时易陷入局部最优的问题,提出了一种基于3DHarris关键点结合快速点特征直方图(Fast Point Feature Histogram,FPFH)特征改进的点云配准方法。首先对输入点云使用体素下采样进行精简,再运用3DHarris算法对精简后的两片点云提取关键点,并由FPFH形成3DHarris FPFH特征点,然后使用随机采样一致性(Random Sample Consensus,RANSAC)算法进行粗配准输出初始变换矩阵,最后经由改进的迭代最近点(Iterative Closest Point,ICP)算法进行精配准。将该算法在公开数据集上进行了仿真实验,结果表明该算法在保持精度的情况下,提高了运算速度,具有一定的实用性。

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为避免自然灾害影响输电线路正常输电,保障输电线路运行安全,设计面向保电的输电线路单档不均匀覆冰分布式光纤传感监测技术。通过种子光源、布里渊激光器等部件构建分布式光纤传感结构,利用该分布式光纤传感结构生成布里渊频移并获取光纤传感长度上的温度与应变的分布,分析布里渊频移产生的机理以及其与温度、应变之间的关系,为后续计算提供可靠依据；通过两档三塔模型,测量输电线路单档运行参数,并应用线路应力方程,计算单档不均匀覆冰的比载,结合单档不均匀覆冰比载与施加给输电线路的温度、应变情况,计算得到输电线路单档不均匀覆冰厚度,保障输电线路安全。经实验验证可知:该技术可精准监测覆冰时线路的应力变化,且监测得到的线路温度误差较低,可实时监测线路每一档距上的覆冰厚度。