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高功率光纤激光器广泛应用于工业和科研领域,但往往由于非线性效应、模式不稳定等影响因素,导致其功率难以进一步提高。研究表明受激拉曼散射(SRS)会在光纤内引起激光的模式变化,这种模式畸变主要分成两种:其一是SRS通过量子亏损效应产热诱发动态温度梯度,形成热致折射率光栅,从而激发热致模式不稳定性(TMI)；另外SRS会引起一种准静态的模式畸变,其机理涉及纤芯泵浦效应与模间混频(IMWM)的共同作用。当前研究仍存在理论模型与实验结果不完全匹配、两种模式不稳定过渡阶段机制不明确等问题。针对以上问题,本文系统分析了SRS与TMI相互作用的物理机制及最新进展,为高功率光纤激光器的性能优化提供了理论参考与研究思路。

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外腔谐振倍频技术因能实现高转换效率、窄线宽的单频连续短波段激光,在精密测量、量子光学、先进制造等领域展现出巨大潜力,获得科研人员的青睐。本文简要介绍了外腔谐振倍频技术原理,以及光学谐振腔的锁定方法,并全面梳理了该技术在半导体激光器、光纤激光器和固体激光器作为基频光源倍频的研究进展,重点介绍了波长、输出功率、转换效率以及激光线宽等技术指标,并介绍本课题组的研究成果,采用窄线宽单频光纤激光器作为基频光源,实现倍频532nm,功率106W的单频连续绿光输出。

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锑基APD因在增益、过剩噪声、温度稳定性等方面的优势,近年来在红外探测领域受到了广泛关注,成为高速光通信、量子通信、红外成像等领域的研究热点。本文梳理了国内外各研究机构在锑基APD材料与器件结构方面的研究现状,对比了不同器件结构对于锑基APD器件性能的影响,分析了锑基APD实现更佳增益和噪声性能的可能技术途径。相较而言,SAM结构最具研发前景。最后对锑基APD未来的技术发展进行了展望。

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介绍了一种瓦级输出功率的单纵模320nm紫外激光器。采用功率20W的444nm InGaN激光二极管作为泵浦源,端面泵浦15mm长的Pr3[KG-*5]+∶LiYF4晶体,使用布鲁斯特角度切削的LBO晶体作为腔内倍频晶体,采用环形谐振腔技术进行单纵模的选取。在优化反射镜参数后,当入射泵浦功率为18W时,320nm紫外单纵模激光器的最大输出功率为117W,是目前已知最高320nm单频输出功率,线宽小于553 MHz。该研究展示了环形腔技术在高性能单频紫外激光制备中的优越性,为相关领域提供了新的技术路径和性能参考。

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随着测距测照用的固体激光器对驱动源提出小型化、高效化的更高性能要求。传统利用MOS管线性区控制脉冲电流的方法因热损耗过大,导致低压大电流脉冲电源效率极低。本研究采用创新设计的MOS管栅极驱动电压智能控制方式,利用FPGA(现场可编程门阵列)实现算法动态调整,并结合双闭环(电流闭环控制与基于Cuk电路的电压闭环控制)控制架构,突破传统电源效率低的瓶颈,实现脉冲电源快速上升沿、无过冲与高效的性能。实验表明,15 A脉冲输出时过冲率小于2,上升沿缩短至992 μs,电源效率达9094。系统通过FPGA可编程性实现工作脉冲电流10～50 A可调,步进1 A；重复频率1～100 Hz可调；脉宽150～400 μs可调,适配8～20 V的激光器负载。该技术以数字化控制替代模拟线性调节,解决了动态响应与精度控制的矛盾,为高精度脉冲电源的高效化与小型化提供新方案。

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为实现均匀的激光输出,对吸收光场、增益场以及输出激光进行均匀性研究；本文从Nd∶[KG-*2/3]YAG的吸收特性出发,通过晶体棒掺杂浓度以及温度两个方面改变吸收系数。仿真方面使用ZEMAX软件建立了LD侧面泵浦Nd∶[KG-*2/3]YAG晶体棒的吸收光场模型,模拟不同吸收系数下的吸收光场强度分布,对比分析了吸收系数对吸收光场分布的影响规律；实验方面测量不同吸收系数下晶体棒的增益分布对比验证仿真结果,并对输出激光的光束均匀性进行研究；结果得到了吸收系数与吸收光场、增益场以及输出激光均匀性之间的关系,随吸收系数增大中心强度逐渐下降,为实现高均匀性的大能量激光输出提供参考。

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随着实景三维中国建设不断深化,城市级实景三维建设是构建实景三维中国的重要数据载体,其中的建筑物三维模型是城市级实景三维建设的重要内容。目前利用单一数据源构建城市区域建筑物三维模型会出现空洞、变形、拉花等问题,导致建模不完整。针对上述问题,提出了一种将无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)倾斜摄影测量获得的影像和机载激光雷达(Light Detection and Ranging,LiDAR)点云数据进行配准融合进行三维建模的方法来解决上述问题。首先通过无人机系统分别获取到LiDAR点云数据和UAV影像数据,通过空中三角测量得到UAV点云。其次基于点云粗配准,利用KD tree改进的最邻近迭代(Iterative Closest Point,ICP)算法进行点云精配准实现点云的配准融合,构建出完整的三维模型。以云南省红河州蒙自市实景三维建设项目进行实验验证,结果表明:利用KD tree改进的ICP算法能够显著提升配准效率和精度,配准融合后构建三维模型,完整度和精细度更好,能更完整地表现出建筑物的信息,有效解决了三维模型出现空洞、变形、拉花的问题。

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在复合绝缘子芯棒的激光表面处理过程中,不当的激光参数组合会引发能量积累时间过长,导致处理过程中表面出现碳化等不可逆损伤。为实现表面形貌可控改性并规避热损伤风险,本研究以玻璃纤维/环氧树脂拉挤芯棒为对象,构建三维有限元模型,仿真分析激光多参数耦合对表面温度场的影响规律,确定温度安全阈值；进一步通过试验结合二次响应曲面法(RSM),系统研究阈值范围内参数耦合效应对表面形貌的影响机制,实验结果表明:仿真温度场与实测结果相近,验证了模型可靠性；在有效阈值内功率与扫描速度(p<00001)对Ra的主效应显著,贡献率分别为273与510；二者交互作用显著(p=00018,贡献率118)；速度二次项(p=00193)表明Ra随速度呈非线性变化,临界值65mm/s后变化趋缓；频率影响不显著(p>005)。

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针对激光雷达径向分辨率偏大、致使尾涡反演精度偏低的问题。通过三次插值和三次样条插值在激光雷达距离门之间按照密度1、2、4、8m对尾涡径向风场进行插值,并使用梯度法反演涡核位置；然后对梯度法进行改进,在各个距离门的梯度绝对值最大值之间使用三次插值和三次样条插值按照密度1、2、4、8m进行插值。最后提出了基于三次样条插值的分辨率提升方法,通过改进梯度法提高了涡核识别准确度。研究表明,三次样条插值较三次插值对尾涡数据吻合程度更高；在算例中,三次插值涡核位置最高修正率为20～35,三次样条插值涡核位置最高修正率为39～71；比较尾涡径向风场插值算法和改进梯度法识别涡核的效率,改进梯度法较尾涡径向风场插值算法所用时间提高了82。

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与传统加工方式相比飞秒激光具有“冷”加工效应,加工质量高,但在加工直径200μm以下微孔时存在加工深度受限的缺点。针对深微孔难加工问题,通过单因素控制变量法全面研究了飞秒激光功率、填充间距、重复频率、单层进给量和扫描速度对目标直径100μm、深1mm不锈钢微孔质量的影响规律,比较分析了激光环形加工、环形——螺旋线组合加工两种工艺方式下微孔的入口直径、出口直径、锥度,得出了最优加工工艺。结果表明:选择组合方式加工、重复频率75kHz、扫描速度30mm/s、单层进给量10μm、填充间距8μm、激光功率24W的微孔质量最好,微孔入口直径为15838μm,出口直径为6975μm,锥度为004°。

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为研究高重频激光对伪随机码激光半主动导引头干扰效能,在分析高重频激光干扰机理基础上,计算了不同干扰效果所需激光重复频率和到靶功率密度。研制最高重复频率20 MHz变频1064nm激光器,开展了不同边界条件下的干扰试验。结果表明,干扰激光到靶功率不低于目标指示器回波功率情况下,兆赫兹量级激光重复频率能够对导引头产生压制干扰,使其信息处理单元失效,该研究可为高重频激光干扰伪随机码激光制导武器提供工程应用参考。

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在卫星信号受限的环境下,激光里程计(LiDAR Odometry,LO)可持续输出稳定的位姿估计,但其误差随时间累积,影响长期定位精度。为此,本文提出一种基于路网约束的激光雷达定位优化算法。以激光里程计轨迹与路网地图为核心输入,通过对直线路段和拐弯路段建立数据关联,构建轨迹与路网间的有效匹配关系。基于卡尔曼滤波框架,以关联点对为观测项,并根据匹配置信度调整观测权重,从而实现对里程计误差进行自动调整修正。该方法兼具低成本、轻量化的优势,便于在嵌入式前端布置,在公开数据集与实车平台上的实验结果表明,本文方法无需依赖卫星信息,即可在拓扑结构清晰的道路环境中实现路宽级定位精度,相较于传统LO算法与其他的路网匹配方法,显著提升了定位性能。

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本文针对低温环境下碲镉汞(HgCdTe)红外探测器芯片因热失配引发的结构应力问题,通过实验测量与有限元模拟相结合的方法,系统研究了其应力分布规律及可靠性优化策略。开发了基于低温应变片的直接测量技术,实现了对640×512碲镉汞芯片降温过程中应变与应力的实时监测,测得最大收缩应变为1042 με,最大应力为69 MPa。结合ANSYS有限元仿真,建立了探测器模块的热力耦合模型,揭示了芯片中心区域应力集中(最大模拟应力63 MPa)、四周应力较小的分布特征,数值模拟与实验结果的相对误差小于20,验证了模型的准确性。通过简化铟柱建模与均质化处理,提升了仿真效率,为探测器封装结构优化提供了理论支持。研究表明,结合实验修正的数值仿真方法可显著缩短设计周期,优化低应力封装方案,从而降低裂片风险,提升器件可靠性。

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为了提高目标识别正确率和改善目标点云的三维重建效果,设计了基于红外图像特征分割的点云目标识别系统,提出了基于红外图像特征分割的目标边界约束算法。利用红外图像同质性构建目标区域最优分形面积函数。构造了红外图像对激光雷达投影区域的映射比率函数,完成了对目标点云最优边界的提取。在包含建筑物及树木等背景的测试环境中,以小型轿车为实验目标,在三种不同测试条件下对比了包围盒算法与本算法之间的测试效果。实验结果显示,本算法重建的目标点云边界更清晰,点云总量更精炼。在三种不同测试条件下,包围盒算法的正确率分别为952、824和785,而本算法的分别为955、942和901。并且目标点云的总量与检出速度均优于包围盒算法。系统在实际复杂情况下的识别正确率与速度均有一定提升。

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针对弱目标/背景多光谱特性测量对红外成像系统灵敏度及信噪比的严苛要求,本文提出基于低温光学技术的高灵敏度红外多光谱相机总体设计方案。构建光机背景辐射物理模型,优化杂光抑制措施,完成各红外波段光机辐射仿真分析仿真结果表明,光机辐射在像面总照度为150×10-2W/m2至179×10-2W/m2之间。通过模拟真空环境下的辐射定标试验,验证了仿真结果的准确性,最大偏差为278(B4谱段),仿真结果与试验数据误差在3以内,验证了光机辐射仿真方法精度,本文的研究为低温高灵敏度红外多光谱相机的设计与光机辐射分析提供了重要参考。

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激光散斑与红外成像都是非接触式的无损检测方法,本文探索了采用这两种检测技术对新型隐身贴片内部缺陷的检测灵敏度。在热加载的条件下,使用两种检测方法同时对隐身贴片构件开展了检测试验,同时,在使用激光散斑检测时,也使用真空舱进行加载,研究不同加载形式对测量结果的影响。检测结果表明两种检测方法都能够较好地检测出紧贴型和孔洞型缺陷,但是由于材料热扩散属性和力学性能影响,孔洞型缺陷的检测尺寸会偏大,这个结论为后续的缺陷检测提供了宝贵的经验。

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针对某型光电伺服转台的机械结构与工作方式,建立简化动力学模型,列出方位轴电机控制系统框图,并运用MATLAB对其进行仿真分析。求出谐振频率并与实测值进行对比,来验证简化力学模型的准确性。并分析钢架扭转刚度、驱动组件转动惯量、负载组件转动惯量与谐振结果之间的关系。

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烟幕在对抗精确制导武器的应用中具有效费比高、施放简单的特点,是光电对抗最有效的无源干扰手段之一。针对现行烟幕干扰效能评估指标大多基于烟幕干扰材料自身干扰性能,少有考虑烟幕与其干扰对象间作用机理的现状。本文分析了烟幕对红外成像导引系统图像质量的影响情况,基于图像灰度特征与结构相似度特征,并结合烟幕对目标图像的局部遮挡特征,创新提出了局部遮挡特征加权的结构相似度(Local FeatureWeighted Structural Similarity,LFWSIM)指标,并通过外场试验验证了指标的适用性。试验结果表明,LFWSIM克服了衰减率指标不适用于评估目标图像亮度发生突变场景的劣势,且相比于皮尔逊相关系数(Pearson Linear Correlation Coefficient,PLCC)、图像结构相似度(Structural Similarity,SSIM)、复小波结构相似度(ComplexWavelet Structural Similarity,CW SSIM)指标相关度变化幅度更大,对烟幕干扰作用更加敏感,评价结果更加符合烟幕实际干扰效果；在烟幕完全遮蔽目标区域时,LFWSIM指标相关度数值标准差为0053,具有更小的波动幅度,评价结果更符合人眼视觉特性。

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基于人工神经网络设计了一款中红外波段的消色差超构透镜,其工作波段为36～38μm,设计焦距为250μm。在工作波段内采样20个频率点进行仿真,得到平均焦距为22758μm,平均聚焦效率为819。超构单元衬底为二氧化硅,介质材料为两块纳米硅砖的组合,利用共振相位和几何相位实现超构单元的相位调控。训练后的人工神经网络可以利用超构单元任意的结构参数组合预测出对应的相位响应,网络模型的训练损失为254×10-5,使用该模型进行相位响应的实部和虚部预测时间低于02秒,该工作为消色差超构透镜的设计研究提供了新的设计思路。

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快速聚焦是通过摄像机调整镜头对焦点的位置,使摄像机焦平面上呈现图像的清晰度达到最优的过程。本文介绍了现在常用的长焦镜头快速聚焦技术中的爬坡算法,提出了一个结合雷达数据应用改进的快速定位聚焦算法。快速定位聚焦算法具有利用雷达反馈的距离信息,聚焦速度快,成功率高的优点,优化了传统爬坡算法的全聚焦量程寻找极值点,耗时长的问题。通过设备多次测试结果分析,发现用改进的快速定位聚焦算法比常用的爬坡算法聚焦所用时间更短,效果更好。

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巡检机器人拍摄的变电设备红外图像往往具有背景复杂、目标重叠、截断以及远处目标尺度小等特点,识别难度较大,因此本文提出一种改进YOLOv8的变电设备红外图像目标识别模型。首先,引入Soft_NMS减少重叠目标丢失问题；其次,在颈部网络添加多维协作注意力机制MCA,使网络聚焦于相关的特征区域,并采用Inner-IoU和Focal loss混合损失函数,增强模型对小尺度目标的泛化能力以及对高质量锚框的关注度；最后,采用GhostNetV2模块对模型进行轻量化设计。通过实验表明,本模型较YOLOv8n基准模型,平均精度均值mAP@05提升49、模型参量减少362、检测速度达到1601FPS,有效提高了模型的识别能力和轻量化水平,为后续的变电设备故障诊断提供基础。

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针对输电线路绝缘子红外图像依赖人工识别、且异常样本数据难以充分构建的问题,本文提出了一种融合PySobel图像增强算法与特征重建机制的无监督异常检测框架(PySobel FR)。所设计的PySobel算法结合高斯滤波、下采样、上采样及Sobel算子操作,在提升边缘结构感知能力的同时,有效抑制图像中的噪声干扰。整体检测框架采用双路径图像重建结构,其中教师模型的重建结果不直接用于异常判定,仅作为知识迁移的中介。在编码阶段,引入可变形下采样模块,以增强对绝缘子复杂边缘轮廓的特征提取能力；在学生模型的解码过程中,引入高效上卷积模块以替代传统卷积注意力机制与上采样层,结合残差连接策略,实现了特征聚焦与细节还原能力的提升。实验结果验证了所提三项改进策略在自建绝缘子红外图像数据集上的有效性,最终模型在异常检测任务中达到了9043的识别精度。

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三维点云语义分割作为机器人迈向认知智能的关键技术,目前存在边缘特征分类精度低的问题。这类问题主要是由于语义分割网络在提取点的深层特征时忽略了邻域点间深层的特征关联,在特征采样时忽略了全局特征的细粒度表达能力所导致。基于此,本文提出的方法在特征提取阶段采用拓扑感知机制,帮助网络更大程度地捕获邻域点特征之间的相似性关联；在语义信息生成阶段引入基于U Net架构的全局特征增强模块,利用与特征提取阶段相同维度的特征张量实现对于上采样特征的增强,帮助网络聚焦细粒度的局部信息,从而实现更精确的语义判别能力。本文的方法在S3DIS数据集的Area5测试集上达到了867的准确率与607的平均交并比,在ShapeNet数据集上达到了851的平均交并比。实验结果表明,与对比的经典方法相比,本文提出的点云语义分割算法取得了更优的语义分割效果。

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真空度的微小变化会对航空航天、半导体制造、医疗器械等领域产生严重影响。光纤真空微负压传感器以其因此,研究一种高精度、高灵敏度、抗环境干扰的真空微负压传感器具有重要的实际意义。但是,光纤传感器的成本仍然成为阻碍其进一步应用的主要原因。针对诸多领域对低成本、尺寸小巧、高可靠性、制备工艺简单的真空微负压传感探头的巨大需求,本文展示了一种基于光纤法布里-珀罗干涉仪(Fabry Perot Interferometer,FPI)真空微负压传感探针。基于单模光纤(Singlemode fiber,SMF)-空芯光纤(Hollow core fiber,HCF)-无芯光纤(No core fiber,NCF)级联结构的FPI光纤微负压传感探针采用定长切割工艺和光纤研磨工艺进行制备,其低光纤成本、工艺简单和高制备效率等特性为其应用于多种领域奠定基础。本文制备的真空微负压光纤传感器样品的灵敏度达到5.07 pm/kPa。本文提出的低成本、工艺简化解决方案为光纤微负压传感器商业化指明了方向。