摘要：高温非平衡问题是高超声速流动中最基本的科学问题之一,而热力学非平衡特性的准确表征是理解高温非平衡问题和高超声速空气动力学的基础,如何准确可靠地表征流场的热力学非平衡特性是解决高超声速飞行器在稀薄流域高温非平衡问题的关键.本文基于相干反斯托克斯拉曼散射基本原理,开发了面向非平衡流场的振转温度反演算法,并在宽温度范围静态环境开展验证.搭建了非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射测温实验平台并开展实验验证,结果表明微波等离子体处于热力学非平衡状态,并且振动温度和转动温度与微波功率成正比,而热力学非平衡度与微波功率成反比,当微波功率从80W增加至180 W时,等离子体电子数密度增加,中性粒子通过与电子碰撞获得能量使振动温度从(2201±43)K增加至(2452±56)K、转动温度从(382±20)K增加至(535±49)K;而处于振动激发态的分子通过振动-平动弛豫过程(对于N2分子弛豫速率与温度成正比)将部分振动能转化为平动能,导致振动温度与转动温度的差异降低,等离子体热力学非平衡度从0.83降低至0.78.

摘要：针对大尺度模型发动机试验台工作时间短(~百毫秒到秒量级)和激光能量要求高(>1 mJ)的特点,常规的紫外激光系统不能满足发动机燃烧流场精细化测量需求,要求用于高频平面激光诱导荧光(PLIF)测量的紫外激光系统同时满足脉冲串时间间隔短和激光输出能量高,并且系统具有高可靠性和环境适应性。设计了一套用于真实发动机地面试验台高频PLIF测量的脉冲串紫外激光系统,能够获取有效的火焰动力学数据。脉冲串紫外激光系统采用自主研制的脉冲串模式激光器泵浦染料激光器,具备能量监测、波长监测和片光分布监测等功能,可以校正激光参数对测量结果的影响。其中脉冲串模式激光器采用电光调Q、脉冲串模式和MOPA技术,使输出的泵浦激光具有高脉冲能量(~50 mJ@532 nm)、短脉冲宽度(~10.8 ns)和较高的脉冲串频率(20 Hz)。脉冲串紫外激光系统的串时间间隔为50 ms,是国外激光器脉冲串间隔时间的1/200;系统整体转换效率为6%,紫外单脉冲能量为2.95 mJ@283 nm,是国外连续脉冲激光器典型能量值的7倍。为满足发动机地面试验台测量需求,自主集成了工程可用的高可靠性移动式10 kHz PLIF测量系统,具有抗震、防潮和防尘等功能,提升了高频PLIF系统的环境适应能力。国内首次在中国空气动力研究与发展中心的脉冲燃烧风洞上实现了大尺度模型发动机燃烧流场远距离大视场成像测量(~15 cm),获得了高信噪比的氢燃料及乙烯燃料高动态燃烧过程可视化结果。未来可结合光谱图像特征提取与分析方法对其燃烧状态和动态过程开展研究,为发动机复杂流动燃烧机理研究、CFD仿真和发动机设计水平提升提供支撑。

摘要：高能激光在打击低小慢目标时,目标容易燃烧产生火光烟雾,传统的可见光和红外探测方式对目标的跟踪和瞄准在火光烟雾干扰的情况下易受影响进而导致目标失跟。提出了一种基于主动激光雷达体制的高精度探测和瞄准方法。首先,对火光烟雾条件下无人机表面的激光反射特性进行理论分析和仿真模拟,以此设计了基于APD的单光子激光雷达探测系统,获得了仿真探测概率随激光脉冲能量变化的理论曲线;其次,构建了基于InGaAs-SPAD的光子成像探测系统,进行了无人机室内实验。实验结果表明:在无火光烟雾条件下,基于距离像跟踪的目标质心位置相较于基于可见光图像跟踪的目标质心位置平均角偏差小于0.55 mrad,基于距离像序列的跟踪轨迹与基于可见光图像序列的跟踪轨迹基本一致,证明了Mean-Shift跟踪算法用于距离像的跟踪的可行性。在距离30 m处的模拟烟雾干扰条件下,采用选通延时滤除烟雾干扰能够获得轮廓清晰的目标距离像。在模拟火光干扰条件下,跟踪框中心X、Y坐标偏离目标质心约为0.58 mrad和0.39 mrad。

摘要：管道机器人是对复杂系统中管道损伤进行检测和评估的主要工具之一,通过沿行进方向搭载成像系统,实现了在管道中的运动导航和内环境观察。然而,这会导致管壁信息存在于图像传感器边缘,不可避免地会受到镜头畸变的影响而降低对损伤的检测精度,提高对损伤的定量难度。而搭载额外的成像系统观察管壁会大大增加机器人的承载负荷和整体体积,尤其在小尺寸管道机器人中。设计一款适用于管道机器人的微型化管壁成像系统。经过元件选型、光学系统优化和3D打印集成后,整个系统的体积为25 mm×30 mm×12 mm,最优横向分辨率为15.63μm。最后利用该系统制作了一款微型管道机器人,验证了其成像效果和定量能力。此系统有望搭载到其他管道机器人上作为扩展载荷,提升对管壁细节信息的捕捉能力。

摘要：风电叶片是风力发电机的核心部件,叶片螺栓不仅是承受复杂应力的零件,也是承受最高负载的零件。为避免螺栓断裂造成危险隐患和经济损失,设计了一种基于超声导波的在役螺栓轴向应力测量系统,可实现对多种型号螺栓轴向应力的精确测量。首先,通过数值计算得到超声导波群速度频散曲线,基于胡克定律和声弹性效应建立了螺栓轴向应力与超声导波声时的线性数学模型,并在COMSOL软件中通过仿真验证了单纵波换能器实现超声导波应力测量的有效性。然后,针对超声导波回波信号模态混叠以及实际测量中噪声对超声导波声时测量结果的干扰,利用基于回波补偿的降噪算法实现了对实际测量信号的降噪处理,并采用经验小波变换算法对超声导波回波信号进行了模态分解,利用互相关法得到超声导波模态的精确声时。最后,通过实验测试完成了18种型号的螺栓在30%~90%屈服强度内的轴向应力的精确测量,相对测量误差小于2%。研究结果有助于改进螺栓装配工艺以及规范工人操作流程。

摘要：设计了一种新型结构的激光器——双通道放电激励折叠腔TEA CO2激光器。该激光器通过提高脉冲能量输出水平来增加激光输出谱线数目和激光差分吸收雷达可探测的气体种类。它在增大激光器放电时间长度的同时保证了较小的激光器体积，更好地满足了激光差分吸收雷达光源体积小，重量轻，输出能量高的要求。得到激光器输出能量与气体工作气压的关系曲线，获得了激光器内工作气压与输出脉宽关系曲线，发现脉冲宽度大约在50～70ns之间变化，研究了气体压强对激光器输出脉冲峰值功率的影响。

摘要：激光的单色性、相干性、光功率密度高等特性、广泛应用在激光准直定位器中。我们在研制造600米定位仪过程中,利用改变离焦量的办法,根据激光的高斯光分布特性,设计并加工了一套60X的扩束望远系统。通过有效的加工工艺和装调工艺手段。

摘要：设计了一个以256×256像素液晶空间光调制器为激光光束偏转器件的空间目标追踪系统.该系统通过空间光调制器对入射光的纯相位调制来产生动态指向空间目标的二维激光束阵列,以达到对目标的动态跟踪.阵列式光束是通过任意点阵图的相位优化设计方法产生的,该设计方法通过优化算法给出目标图形的优化相位.针对具体运动目标,进行了系统的动态性和偏转角度误差的测试实验,结果表明该追踪系统动态响应时间小于200 m s,偏转角度误差不超过0.032°.采用该方法对空间目标进行扫描跟踪,具有精确、响应快、无机械惯性等特点,在激光寻的、制导以及多目标威胁预警和反击中有重要研究价值.

摘要：为了减少光刻机双工件台换台的时间,保证宏动系统与微动台的可靠连接,设计了一种双工件台快速宏微交接系统。基于柔性杠杆机构设计系统的快速抓卡装置以保证结构的紧凑性,并对其锁紧力进行了分析;设计的抓卡装置中的柔性机构包括柔性杠杆及下夹板回复单元,采用有限元方法对其进行了分析。设计了快速抓卡装置的充放气回路;为了保证抓卡装置锁紧时的速度和安全性,气动系统可实现抓卡装置锁紧的3个动态过程,从而完成抓紧装置的缓冲锁紧。最后,搭建了抓卡装置下夹板运动测量实验平台和锁紧力测量实验平台。实验结果表明:抓卡装置下夹板的运动行程大于2 mm,能够保证宏动系统和微动台交接过程的安全性。抓卡装置的开启时间为350 ms,快速缓冲锁紧时间为850ms,可承载的X向驱动力大于700N。该系统满足双工件台工作及换台过程对可靠性和快速性的要求。

摘要：理论上分析了基于布里渊放大的非共线组束结构中组束效率的影响因素,结果表明,当Stokes种子光和抽运光的夹角限制在90 mrad范围内时,组束效率可以达到80%以上.根据数值模拟的结果,设计了非共线四束激光组束的实验,实现了四束工作频率为10 Hz,能量分别为70.4 mJ,71.3 mJ,78.9 mJ,70.1 mJ的激光组束,组束输出能量为189 mJ.为了进一步简化结构和降低系统损耗,设计了适用于多束激光非共线组束的介质池结构.