激光技术相关论文

2024-07-24 17:59:00 来源 : haohaofanwen.com 投稿人 : admin

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激光技术相关论文

第1篇

1.1激光通信技术的基本原理分析

新技术的发展推动了社会文明的进步，当前的激光通信技术已在诸多的领域得到了应用，激光通信技术主要就是以大气或者是自由空间作为媒介，然后通过载波激光在大气中传输有效的信息。也就是先将声音信号调制到激光束上，再将信号的激光发送出去。根据不同的应用范围能够将激光通信分为无线和光纤两种类型的激光通信[1]。

1.2激光通信技术的主要特征分析

激光通信技术自身有限鲜明的特点，激光通信技术在安装方面较为简单，在地形地貌等应用上的适应性比较强。能够对各种临时性的通信以及迅速抢险通信等条件得到满足。和微波通信相比较而言激光通信在空间上的占有资源也相对比较小。并且在抗电磁干扰以及保密性方面都比较强，这些优点使其在实际的应用上比较广泛，在未来的发展过程中这也是一个必然的趋势。

2激光通信技术在实际生活中的应用及前景展望

2.1激光通信技术在实际生活中的应用分析

在激光通信技术的实际应用是多方面的，无线激光通信主要是综合了光纤通信以及微波通信的优点，所以在城域网当中的应用就比较适合。在企事业当中的内部网的连接当中能够得到有效应用，校园网以及大型的企业等内部网的建设过程中，有时会存在着急需连接使用通信的情况，在一定的程度上激光通信技术是光纤技术的一种补充，在城市化的发展速度不断加快过程中，楼寓间的通信和移动间的通信倘若是利用光纤就比较的麻烦，并且还会影响城市外观环境，在通信盲区情况下通常是采用光纤直放站加以应对，这样就能够将光纤和激光通信技术两者得到补充应用，从而形成两个基站间的链路。另外，将激光通信技术在移动通信当中进行应用也能够起到很好的效果。在现阶段我国的通信领域当中，最为活跃以及发展最为快速的就是移动通信。在移动电话使用量不断上升的情况下，这给无线网络的容量和带宽提出了更高的要求，怎样能够将有限的资源得到充分利用，这也是当前的移动运营商所面临的重大课题。

激光通信技术作为一种新型的接入技术，其自身有着显著的优点，这也为移动通信领域对其的应用提供了良好的条件。在具体的应用过程中，主要就是将主干网在最近距离的天线间采取光纤进行对其连接，然后通过协议转换器通过相应的设备和天线得到有效连接，这样在一定距离内就能够形成一个有效的基站，进而就能够在这一技术的作用下实现应用。再者就是在高压电工作过区当中的应用，在这一应用当中的作用主要就是采集以及传输信息，在实际工程应用过程中将供电站的变压器工作数据传输到低压区加以检测，倘若是通过光纤进行实施就会造成环境的污染以及表面聚集尘土而发生导电情况发生。所以在这一情况下，通过激光通信技术就比较优越，能够通过空气隔离的方法绝缘，这样就能够实现安全可靠对数据进行传输[3]。在具体的应用步骤上主要就是把光发射天线安装在高压区，接收天线安装在低压区，这样就可以通过高压发射天线在空气的媒介下传递给低压的接收天线，这样就实现了信息数据的传输。

2.2激光通信技术的发展前景展望

随着我国的科学技术不断的发展，激光通信技术在应用的空间上也会逐渐的扩大，不管是在应用的领域还是研究的领域都将会取得更加优异的成果。在将来的激光通信技术的发展前景方面，激光通信技术的应用将更加广泛，这也是通过这一技术自身的优势决定的。其中对远距离的无线传输问题得到了解决，并实现了卫星技术和激光通信技术的共相发展，这些对位激光通信技术的进一步发展打下了坚实基础。在激光通信技术的不断完善过程中，这一技术将会成为城市网络通信的一个重要手段。以往的光纤技术的应用过程中，为人们的生活提供了很大的方便，但社会的进步不能停留于这一层面，尤其是当前的城镇化建设的速率加快，光纤技术在实际的应用上已经显得愈来愈存在着不足。而激光通信技术避免了影响交通、建筑等弊端，并对环境没有危害，在安全性能上相对较高，所以在将来的技术不断完善下，激光通信技术将会取代光纤技术，为城市的网络化建设提供技术上的重要支持。与此同时，激光通信技术的不断发展完善，将会在通信的领域范围内带来一场技术上的变革。在通信的领域当中，一些新技术的涌现，将会对通信产业的发展产生很大的影响，从而推动其变革，使得技术上的革新成为是通信领域发展的一个主流。最终，愈来愈多的通信技术的涌现，将会对通信领域的发展在技术上得到强有力的保障。

3结语

第2篇

英文名称：Acta Laser Biology Sinica

主管单位：中国科学技术协会

主办单位：中国遗传学会

出版周期：双月刊

出版地址：湖南省长沙市

语

种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1007-7146

国内刊号：43-1264/Q

邮发代号：42-194

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1992

期刊收录：

CA 化学文摘(美)(2009)

Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)

中国科学引文数据库(CSCD―2008)

核心期刊：

期刊荣誉：

Caj-cd规范获奖期刊

联系方式

期刊简介

第3篇

Laser Scanning for the

Environmental Sciences

2009 278pp.

Hardcover

ISBN: 9781405157179

Wiley-Blackwell

George Heritage等编

很长一段时间以来,三维物体表面表征方法一直是描述物体表面特征以及从微尺度到宏观尺度方便理解系统动力学的信息来源。数据收集过去常常通过野外制图技术和遥感技术来实现。近年来,在遥感技术领域里,以激光技术为中心的新型快速获取数据方法已经取得了相当大的进展,如激光雷达的出现提供给研究者高密度精确数据,它集成激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元(IMU) /DGPS差分定位技术于一体,是用来采集精确可信的三维地球信息的一种技术,该技术具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等特点,在地形测绘、环境检测、三维城市建模等诸多领域具有广阔的发展前景和应用需求。

本书是一本关于环境科学用激光扫描的论文集。本书借鉴了国际领先专家的经验,回顾了一系列可用的传感器和平台,讲述了数据获得、测量仪器、部署、勘测设计、数据处理的方法,突出了三维数据采集历史上重大技术突破,给出了一些环境领域的应用实例,评价了激光扫描技术在环境科学中起到的作用。

本书包括16篇论文,各论文目次分别为:1.激光扫描-学科的演化;2.三维激光扫描原理;3.激光扫描存在的问题;4.机载激光雷达:测量仪器、数据获得和处理;5.激光雷达数据的统计分析;6.总体数据问题、数据质量和协议;7.可得到碎石表面颗粒尺寸形貌特征的地面激光扫描;8.机载激光扫描-对天然或人造物体进行自动特征提取和处理的方法;9.应用地形学空间分布式数据设置和不同栅格分辨率粗糙度的三维流动数值模型;10.机载激光雷达测量海滩沙粒的数量改变;11.激光雷达在环境科学中的地质学应用;12.激光雷达在考古学中的应用:英国传统经验和教训;13.机载和地面激光扫描用于测量植冠结构;14.大规模河流系统中的水流模型和植被图;15.线状要素的激光扫描测量:考虑和应用;16.激光扫描-未来。

本书第一编者George Heritage是资深地貌学家,英国索尔福德大学环境与生命科学院的荣誉研究人员。他是河流和冰川环境地面激光雷达方面的专家。本书第二编者Andy Large是英国纽卡斯尔大学自然地理专业讲师。

本书写给大学教师、研究人员、环境科学方面专家和研究生。

孙培培,

博士生

(中国科学院力学研究所)

第4篇

【论文摘要】：介绍了光机电一体化技术特征，研究了国内外技术现状和发展趋势，指出了未来发展前景和一些重要技术热点。

近些年来，光机电一体化技术得到迅猛发展，在民用工业和军事领域得到广泛地应用。因此，光机电一体化技术成为当今机械工业技术发展的一个主要趋势。

1.光机电一体化技术特征

光机电一体化系统主要由动力、机构、执行器、计算机和传感器五个部分组成，相互构成一个功能完善的柔性自动化系统。其中计算机软硬件和传感器是光机电一体化技术的重要组成要素。与传统的机械产品比较，光机电一体化产品具有以下技术特征。

1.1 体积小，重量轻，适应性强，操作更方便

光机电一体化技术使得操作人员摆脱了以往必须按规定操作程序或节后频繁紧张地进行单调重复操作的工作方式，可以灵活方便地按需控制和改变生产操作程序，任何一台光机电一体化装置的动作，可由预设的程序一步一步控制实现，甚至实现操作全自动化和智能化。

1.2 功能增加，精度大幅提高

光机电一体化系统包括以激光、电脑等现代技术集成开发的自动化、智能化机构设备、仪器仪表和元器件。电子技术的采用使得包馈控制水平提高，运算速度加快，通过电子自动控制系统可精确按预设动作，其自行诊断、校正、补偿功能可减少误差，达到靠单纯机械方式所不能实现的工作精度。同时，由于机械传动部件减少，机械磨损及配合间隙等引起的误差也大大减小。

1.3 部分硬件实现软件化，智能化程度提高

传统机械设备一般不具有自维修或自诊断功能。光机电一体化技术使得电子装置能按照人的意图进行自动控制、自动检测、信息采集及处理、调节、修正、补偿、自诊断、自动保护直至自动记录、显示、打印工作结果。通过改变程序，指令等软件内容而无需改动硬件部分就可变换产品的功能，使机械控制功能内容的确定和变化趋势向"软件化"和"智能化"。

1.4 产品可靠性得到提高，使用寿命增长

传统的机械装置的运动部分，一般都伴随着磨损及运动部件配合间隙所引起的动作误差，导致可动摩擦、撞击、振动等加重，严格影响装置寿命、稳定性和可靠性。而光机电一体化技术的应用，使装置的可动部件减少，磨损也大为减少，像集成化接近开关甚至无可动部件、无机械磨损。因此，装置的寿命提高，故障率降低，从而提高了产品的可靠性和稳定性。

1.5 融合了多种学科新技术，衍生出许多功能更强、性能更好的新产品

光机电一体化产品的研究开发涉及到许多学科和专业知识，包括数学、物理学、化学、声学、机械工程学、电力电子学、电工学、系统工程学、光学、控制论、信息论和计算机科学等。例如人们很熟悉的静电复印机、彩色印像机等，就是一种由机、电、光、磁、化学等多种学科和技术复合创新的新型产品。光机电一体化技术将光电子技术、传感器技术、控制技术与机械技术各自的优势结合起来，衍生出许多功能更强、性能更好的新一代技术装备。

1.6 产品系统性增强，各部分系统间协调性要求提高

光机电一体化是一门学科的边缘科学技术，多种技术的综合及多个部分的组合，使得光机电一体化技术及产品更具有系统性、完整性和科学性。其各个组成部分在综合成一个完整的系统中相互配合有严格的要求，这就要求各种技术扬长避短，提高系统协调性。

2.研究现状和发展趋势

2.1研究现状

自从我国实行改革开放以来，科技领域急起直追，我国的光机电一体化技术已取得明显的成效，数控产品有了很大的提高，尤其是经济型灵敏数控装置发展很快，是我国特有的经济实用产品，不但适用国内市场的需要，部分产品还随主机配套出口。国内的机械产品采用可编程控制器（PC）和微电子技术控制设备也越来越多，覆盖面也日益扩大，从纺织机械、轴承加工设备、机床、注塑机到橡胶轮胎成型机、重型机械、轻工业机械都是如此，我国自行研制和生产的光机电设备，在质量上也有重大突破，为今后的推广应用打下了良好的基础。

2.2 发展趋势

光机电一体化技术已经渗透到各个学科、领域，成为一种新兴的学科，并逐渐成为一种产业，而这些产业作为新的经济增长点越来越受到高度重视。

从世界科学技术的发展情况来看，光机电一体化技术的未来技术热点主要包括：

（1）激光技术

1）高单色性，利用激光高单色性作精密测量时，可极大地提高测量精度和量程。

2）高方向性，因具有很远距离传输光能和传输控制指令的能力，从而可以进行远距离激光通信、激光测距、激光雷达、激光导航以及遥控。

3）高亮度性，利用激光的高亮度特性，中等亮度激光束在焦点附近可产生几千到几万度的高温，可使照射点物体熔化或汽化，对各种各样材料和产品进行特种加工。

4）相干性，由于激光速频率单一、相位方向相同。适用于激光通信、全息照相、激光印刷以及光学计算机的研制，而在实际运用中也会通过一些激光技术改变激光辐射的特性，应用范围更广。

（2）传感检测技术

1）激光准直，能够测量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以做三维空间的基准测量。

2）激光测距，其探测距离远，测距精度高，抗干扰性强，体积小，重量轻，但受天然影响大。

3）光纤探测器，在目标很小，间隔受限或危险的环境中，最常选用的是光纤探测器。

其他还有激光打孔、刻槽=标记、光化学沉积等加工技术。

（3）激光快速成型技术

激光快速成型是利用计算机将复杂的三维物体转化为二维层，将热塑性塑料粉末或胶粘衬底片材纸张烧结，由点、线构造零件的面（层），然后逐层成型。激光快速成型技术可使新产品及早投放市场，极大地提高了汽车生产企业对市场的适应能力和产品的竞争能力。

（4）光能驱动技术

利用光致变形材料可制作光致动器和光机器人。现已研制成功一种光致动器，其工作原理是将光照在形状记忆合金上，反复地通、断使材料伸缩，再利用感温磁性体的温度特性，将材料末端吸附在衬底上。利用材料本身的伸缩和端部的吸附特性，加上光的通断便能实现所要求的动作。实验验证，该致动器能可在顶面步行。这种状态目标处于初级阶段，如果能发现具有优异光作用特性的动态物质，则可使光能驱动技术广泛应用。

3.结语

技术上的改革和与之相配套的技术支持是创新技术的基础。开发光机电一体化产品有不同的层次和灵活的自由度。在机械技术中恰当地引入电子技术，产品的面貌和行业的面貌就可以迅速发生巨大变化。产品一旦实现光机电一体化，便具有很高的功能水平和附加价值，将给开发生产者和用户带来巨大的社会经济效益。

参考文献

[1] 刘志，朱文坚. 光机电一体化技术，现代制造工程，2001（12）

[2] 梁进秋. 微光机电系统国内外研究进展. 光机电信息，2000（8）

[3] 宋云夺编译. 光机电一体化业的未来. 光机电信息，2003（12）

第5篇

引言

教学与科研是高校教师的两大核心任务。早在1809年，德国教育家、思想家洪堡在指导建立柏林大学的过程中，就首先提出“通过研究进行教学”的思想和“教学与研究统一”的原则，明确指出大学中教学和研究之间是辩证统一、相辅相成、互相促进的关系，即教学是科研的基础，科研是教学的发展与提高。但到底如何才能把科研成果转化为教学内容，更好地为高校教学服务，从而促进学员创新能力的提升是一个尚需探讨的问题。本文就科研辅助更新教学内容，促进学员创新能力提升的一些具体方法与各位同行进行探讨。

一、科研对培养学员创新能力的意义和价值

美国教育界早在20世纪70年代就明确提出培养具有创新精神人才的教育目标。英国大学的核心办学思想也多为“探测、挖掘和开发学生的潜在能力，激励个人的创新精神”。德国高等教育也非常注重对学生发现问题、解决问题的能力和创造性、独立性的培养。2007年，我国教育部也明确指出“高等教育肩负着培养数以千万计的高素质专门人才和一大批拔尖创新人才的重要使命”。

创新人才培养的必要条件之一是师资水平的高低。“大学之大，非大厦之大，而是大师之大。”一所大学的教学质量很大程度上取决于教师的学术水平、创新能力、治学态度和师德风范。由于教师直接面对学生，是学生知识的直接传授者，更是学生行为的影响者，所以，师资队伍水平是教学质量的关键。古人云：“问渠那得清如许，唯有源头活水来”，而科研过程本身就是创新过程，是教学的“源头活水”。只有通过科研，教师才能形成新观点、新理论，不断提高自身学术水平；才能及时掌握学科发展最新动态，不断更新教学内容；才能对相关领域有更深理解，真正做到讲课高屋建瓴、深入浅出；才能养成创新思维习惯，从而在教学过程中对学生创新能力培养起到潜移默化的影响。正如德国教育家雅斯贝尔斯所言：“只有自己从事科研的人才有东西教别人，而一般教书匠只能传授僵硬的东西。”因此，教师高质量的科研，是高水平教学能力的保证，是培养学员创新能力的前提和基础。

二、以科研促进教学，推进创新人才培养的方法和实践

教师的责任不仅仅是传授知识，更应着眼于学生创新能力的培养。我院光学学科通过以下措施和方式，将科研与教学紧密结合，以科研促进教学，探索创新型人才培养的模式和方法。

（一）科研成果丰富教学内容

科研成果丰富教学内容主要包括两方面：一是科研内容转化为教学内容，二是科研成果转化为教材。科研内容转化为教学内容是指将科研所产生的新成果、新技术、新知识补充到教学内容中，促进教学内容的更新和改革，保证教学内容与时俱进。科研成果转化为教材是指将科研成果及学科前沿知识进行梳理与优化，不断融入教学内容，并通过教案加以固化成果。这样，既可以丰富教学内容，使其更加新颖，案例更加具体，又可以开拓学员视野，培养其科研和创新的兴趣和思维方式。

由于科技的飞速发展，《激光原理与技术》教材内容明显落后于时代科学技术的发展，其教学已不能再单纯地对教材知识和概念进行简单灌输，更需要就理论研究的前沿动态，把如何发现问题、研究问题、思考问题及解决问题的方式、方法教授给学生。例如，在讲授《激光调制技术》内容时，都是简单地提到激光通信作为该技术的案例进行讲解，但激光通信的具体用途等鲜有提及，学生学起来既枯燥，又晦涩难懂。我们在讲授这部分内容时，首先以一种新式间谍仪器――激光窃听器来引题，引发学员的学习兴趣；进而以激光窃听器的工作原理为案例，讲解本节内容――激光调制原理，使学员带着强烈的求知欲望学习激光调制的理论知识；紧接着，又进一步提出新的疑问“如何避免窃听？”，此时，结合鲜活的案例――美国联邦调查局的反间谍官员在所有政要人物和机构的玻璃窗上，安装上一种特制的小型颤动器，破坏窃听。在此基础上，教员进一步结合科研内容，为学员讲解激光通信的另一主要用途――卫星通信最后1公里的关键技术，拓展学员的知识结构；并将科研内容“激光图像加密技术在激光通信中的应用”介绍给学员，让其了解激光通信过程中的防窃听（保密）技术。通过上述方式，将学科最前沿的科研动态、研究方法、科研成果引进课堂，使教学内容与科研成果充分接轨，从而开拓学员的视野，培养其科研和创新的兴趣和思维方式。

（二）科研项目指导毕业设计

学生直接参与科研，可把学生所学的理论转化成解决实际问题的能力，更重要的是，教师能通过自身言传身教的方式影响学生，逐步培养学生具备基本的科研素质和创新精神，因此，教师不仅要自己从事科研，更要带动学生参与科研。我们充分利用科研积累多、经费充足的优势，将教师承担的科研项目内容作为毕业设计内容，使学生通过实实在在的项目、研究内容、研究方法加深对基础理论概念的理解及实际应用。

目前我专业学员的研究生毕业论文题目90%来自导师的科研项目，10%来自创新性更强的预先研究类项目；本科学员的毕业论文题目则100%来自科研项目，并与研究生一起由导师指导，研究生协助指导。这样，促使学生在科学研究的过程中培养其创新思维，提高其综合素质。例如，“高精度激光光源控制技术研究”、“大气湍流对激光通信技术的影响”、“微纳材料在全光开关上的应用研究”、“光子晶体在多波段兼容伪装技术中的应用”等题目均来自教员的科研项目。由于教员在相关领域科研积累较多、各类资源软件丰富，学员做起论文起步快，教员指导也得心应手。另外，我们还根据学员的特点，在毕业设计题目中适当涵盖一些教学研究类课题。例如，有的学员对于三维模型制作感兴趣，我们就将教学类项目――《激光原理与技术》虚拟实验室建设作为某次毕业设计题目。学员的创造能力出乎想象：由于学员自身兴趣所在，所以，学员非常有动力，他不仅自学并熟练掌握了Solidworks三维模型制软件、NGRAIN Producer三维制作平台、会声会影视频制作软件等相关软件，而且还进一步自行利用Dreamweaver网页制作软件设计了整个课程的各级网页，最终圆满完成了“He-Ne激光器模式测试”和“调Q激光器输出特性”虚拟实验的制作，见图1。该实验已在2104年和2015年《激光原理与技术》课程中加以试用，学员普遍反映效果很好。

（三）科研平台拓展创新实验

2007年，教育部指出“高等教育肩负着培养数以千万计的高素质专门人才和一大批拔尖创新人才的重要使命”。其中，实验教学是达到这一目的的重要手段，是培养学员创造性实践能力的重要环节，这就要求实验教学必须跟上学科发展的步伐。为了适应激光技术的快速发展，实验教学必须不断推陈出新，尽快将新技术、新方法转化为实验内容，从而不断充实和更新实验内容，完善综合与设计性实验体系，突出实验教学对学生创新性能力的培养。

我院《激光原理与技术》课程实验涵盖在《现代光学实验》课程中。随着军队院校教学改革任务的推进，本教学团队以教学模式改革为契机，以教师的科研成果和科研条件为基础，大力推进《现代光学实验》课程改革，将教师的部分成熟科研实验的使用范围从研究生扩展到本科学员。例如，我们将科研课题“图像加密”实验为本科学员开放，并与原本“激光通信”实验相结合，使学员通过亲自动手参与前后两个实验过程，形成完整的科学研究思路，使学生在理论课程学习的基础上，充分发展动手能力和创新思维模式。由于“图像加密”实验条件属于自组性实验，完全可以胜任其他相关创新实验的开发，所以，我们利用该条件，又进一步为学员提出了探究性课题――“激光窃听器的设计”实验。学员可以根据自己的兴趣，自行调研、设计和组装实验。在完成上述实验和课题的过程中，学员分析问题，解决问题的能力，以及研究创新能力都会得到充分的锻炼和提高，同时，还能逐步养成实际科研能力和科学的思维方式。

（四）科研思想改革教学方法

科研方法转化为教学方法是指科研方法在课堂教学中的运用，使教学效果高、好、强、灵。《激光原理与技术》课程知识点繁多，大多数内容过于抽象，相关实验开设与本课程间隔时间较长。为了提高《激光原理与技术》课程的教学效果，大力推进学员创新思维的培养，我们以科研方法促进教学手段改革，使教学手段灵活多样，抽象理论形象生动；以科学思维促进教学方法改革，在课堂上广泛开展任务驱动式、研讨式、启发式、互动式等形式多样、内容丰富的教学方法。

例如，在讲解“调Q技术理论”这一章节时，我们以科研中经常用到的Matlab软件为工具，对调Q激光器的峰值功率、巨脉冲能量、脉冲时间特性进行编程，并用GUI仿真平台的方式直接进行展现。这样，学员既可以借助软件输出结果，理解抽象问题，又可以通过对程序编写过程的理解，了解调Q激光器的整个设计过程，从而在潜移默化中养成创新思维习惯。再比如，我们在讲解“高斯光束的聚焦”这一章节时，我们不再按照教材常规顺序教学，而是借助科研的思维模式，采取“任务驱动法”进行教学：我们首先给学员演示激光打标机，让学员意识到了解该技术在日常生活中的普遍性；然后，指出该设备能够精细打标的关键技术之一就是聚焦技术；接着，把任务――设计激光打标机输出光路交给学员，由他们自行查阅资料，自学相关知识，并初步给出光路设计；最后，教员对学员的设计进行验收评价，指出存在的问题，并对学员自学的相关知识进行补充和修正。通过这种方式，不仅提高了学员的学习兴趣，而且学员作为设计者进行学习，可以初步体会科研的整个过程，科研兴趣和创新意识也得到锻炼和提高。

三、小结

本文以《激光原理与技术》课程为例，探讨了以科研促进教学的一些方法和途径。通过科研成果丰富教学内容、科研项目指导毕业设计、科研平台拓展创新实验、科研思想改革教学方法等方式，不但拓展了课堂教学的内容，促进了教学实践方法的改革，更把科研的思维方式传授给学生，把科研中的新成果、新技术、新理论直接运用到教学中，从而极大地激发了学生的学习兴趣，提高了课堂教学质量，推进了学员创新能力的培养。

参考文献：

[1]尚丽平.浅谈教学与科研的关系[J].西南科技大学，高教研究，2007，（1）.

[2]教育部，财政部.1号文件[Z].2007.

[3]教育部.教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见[Z].2007.

[4]曲晓波.以科研促进教学提高人才培养质量[J].长春中医药大学学报，2007，23（2）：89.

[5]陈建成.发达国家研究型大学创新人才培养模式的特征与启示[J].科技与管理，2009，（1）：131.

[6]唐红艳.以科研促进教学，探索如何提升工科大学生的创新素质[J].中国校外教育，2013，24（8）：98，103.

第6篇

关键词：激光加工，农业机械制造

1.激光加工技术概述

激光加工技术是一种高度柔性和智能化的先进加工技术, 它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果, 技术涉及范围广。激光加工技术是指各种以高能密度激光束为手段, 通过激光束与材料之间的物理和化学等作用, 实现改变物质形态或性质的先进材料加工技术。激光加工涉及激光物理、材料、电子、机械和工程传热等多门学科, 综合了激光、制造、控制和计算机应用等多项技术, 已成为多学科交叉和多技术综合的一种典型的先进制造技术。激光加工具有非接触、无污染、热影响区域小、加工精度高以及可选区加工等特点, 而且在特定的加工情况下是其他制造方法不可替代的。因此, 激光加工技术在许多行业中都得到了重要而广泛的应用。由于其独特的性能在农业领域得到广泛应用, 在诱变育种、增强种子活力、促进生长发育、提高产量和品质、平地整地、提高节水灌溉能力、防治病虫害等方面发挥着越来越重要的作用。

2.激光加工技术在农机制造中的应用

21世纪是一个以信息、生物等高科技为支柱的知识经济时代, 我国农业只有加快现代化进程, 才能在国际竞争中立于不败之地。发展现代农业少不了农业机械的支持, 制造技术成为其重要的组成部分。当前农业机械由于其自身应用的特点和工作对象的复杂性, 尤其是农机制造行业的设计加工手段比较落后, 使其创新少, 新产品开发周期长, 成本高,制造质量比较粗糙, 产品寿命相对较短。免费论文参考网。为了大力提高农机的制造技术, 并与其他机械制造业平行发展, 必须加大激光等先进制造技术在农业制造中的应用力度, 提高农机制造企业的现代生产技术水平。

2.1激光快速成型技术在农机制造中的应用

快速成型技术即直接根据CAD模型快速生产样件或零件的技术总称。它集成了技术、数控技术、撒光技术和材料技术等现代科技成果, 是先进制造技术的重要组成部分。其原理产品三维CAD模型一分层离散—按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料生成实体模型。它能根据CAD模型电子模型自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件, 在不同模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件, 解决了从设计到制造的快速对接问题。因此, 该技术可以对产品设计进行快速评价及修改, 有效地缩短了产品的研发周期, 降低了开发成本, 满足了当今竞争日益激烈的市场对新产品快速开发和快速制造的要求, 提高了产品的市场竞争力和企业的综合竞争能力。其中, 激光选区烧结是快速成型制造中的重要工艺方法之一。这种制造方法具有成型速度快、精度高、表面质量好、后置处理简单和省时等特点, 是一个具有生命力的技术, 为制造技术的发展创造了一种新方法。

农业机械生产过程具有特殊性。零件多具有较复杂的形状, 如耕地机械、整地机械和收获机械等。此外, 复杂曲面较多, 如犁体曲面、旋耕机旋刀、水泵叶轮和送料螺旋等, 而且根据具体的生产情况不同, 其形状还需相应调整。因此,利用传统的机械加工方法研制这种农业机械零件, 不仅研制开发时间长, 加工工艺复杂, 而且很难达到理想的效果。运用先进的激光快速成型集成技术, 不仅大大缩短新产品的开发周期, 降低开发成本, 而且制造质量也优于传统制造方法。

2.2激光表面强化与热处理技术在农机制造中的应用

激光表面强化与热处理技术是一种新型的材料表面处理技术。激光表面强化技术的原理是利用激光穿透能力极强的特点,当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时, 其表面迅速奥氏体化, 然后急速自冷淬火, 金属表面迅速被强化川。激光热处理是传统热处理技术的发展和补充, 它可以解决其他表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题。经过激光处理后, 可以提高其抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀和防氧化等性能, 延长其使用寿命。总之, 激光表面技术对于提高零部件的表面综合机械物理性能, 改善产品的性能、使用寿命,增强产品的竞争能力起着至关重要的作用。

农业机械量大面广, 种类繁多, 每年由于表面破坏和失效带来的损失非常巨大。资料表明, 农机产品的失效破坏,约60%有是由零件表面的腐蚀和磨损造成的。如耕作、播种和收获机械的许多零部件, 直接与土壤接触, 其腐蚀和磨损相当严重, 导致故障增多、生产率下降, 作业成本明显上升。免费论文参考网。农用动力中的气缸、气门、曲轴, 因磨损和腐蚀常会导致功率下降, 污染增加。各种农用泵、风机和叶片在表面磨损后, 工作性能下降, 寿命降低。因此, 在农机行业中大力推广先进、实用的表面技术, 可显著提高零部件的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损和耐疲劳性能, 能最大限度地延长农机具的使用寿命己对于已损坏的产品, 采用表面修复工艺, 可大大节省资金,经济效益十分显著。

此外, 激光热处理技术在农业机械制造行业应用极为广泛, 在许多关键零件上如缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、农技服务年阀座或活塞环等几乎都可以采用激光热处理。在农业生产中, 机器的工作条件是多种多样的, 有些机器犁、中耕机、播种机和收割机直接在磨料介质中工作, 使许多零件磨损很快。免费论文参考网。另一方面, 为了获得足够的强度, 机器的材料用量较大,不仅浪费材料, 而且显得笨重。对于此类零件, 激光硬化处理后的硬度比常规淬火硬度高5%一20%, 激光合金化可以根据要求选择加人新材料, 形成以基材为基础的新合金层,以获得满意的性能。此外, 由于处理后性能的提高, 可以选用低性能的基材, 从而减少了基材的质量。

2.3激光技术在农机零件修复中的应用

激光技术在农机零件修复中主要是应用激光熔覆技术。激光熔覆技术是一种新型的表面改性技术, 是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化, 并快速凝固后形成稀释度极低, 与基体成冶金结合的表面涂层, 显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法, 从而达到表面改性或修复的目的, 既满足了对材料表面特定性能的要求, 又节约了大量的贵重元素。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比, 激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。

因此, 激光熔覆技术可以提高材料表面的耐磨与耐蚀等性能, 主要用于零件磨损后的修复及增强新制造零件的性能。对于重要零件如农机中的汽缸套和活塞等,由于工作量大, 高温、高压、侵蚀以及不同程度的摩擦, 其磨损量是很大的, 零件需要定期报废和更换。对于耕地机械、整地机械和收割机械如犁、中耕机、播种机和收割机,作业时局部磨损很快, 零件报废是因为局部的损坏。为了提高零件的使用寿命, 修复工作有着极大的意义。激光加工具有选区作用的独特优点, 而且激光熔覆可以方便地修复磨损部位, 使零件不因为局部损坏而报废, 提高了零件的可靠性和使用寿命,在投人费用最小的情况下重新达到更佳的性能要求。此外,用激光对模具进行修复, 可以大大提高模具的寿命, 又不受形状和尺寸的限制, 在农机制造中也应大力推广和采用。

3.激光加工技术在农机制造中应用现状及前景

3.1激光加工技术在农机制造中的应用在我国尚不普遍, 主要是该行业对激光技术的应用还存在不同程度的神秘感和偏见。另外, 对激光技术的宣传也不够, 缺乏实践。因此, 农机企业应尽快引进吸收工业生产中成熟的科研成果,利用好工业中已建立的多功能激光加工中心, 使其为更多的农机企业服务。

3.2激光加工技术的引人可以大幅度提升农业机械的制造水平。但对加工类型的选择及激光器的使用, 要从基础做起, 只有在充分掌握这种先进加工方法的情况下, 才能更好地改进传统工艺, 发挥新技术的优势。激光加工技术集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果,技术涉及范围广。因此, 农机企业在上激光制造项目时, 一定要分析企业自身条件和需求, 向其他机械企业咨询, 看准方向, 找到结合点, 循序渐进地进行。

3.3近年来, 大功率激光器和辅助设备的制造技术日益提高, 其基础理论及生产技术日益成熟, 与其他加工设备相比, 大功率激光器的价格也不是很高。因此, 激光加工技术

在农业机械制造中的应用具备了一定的外部条件。另外, 随着农业工业化的决速发展, 农业制造企业的实力明显增强, 对产品质量的要求越来越高, 为激光加工技术在农业机械制造中的应用提供了内部动力和条件。因此, 目前激光加工技术在农业机械制造中的应用具备了条件。从农机应用领域来看,快速成型、熔覆及热处理是激光加工技术应用的主要内容。

第7篇

关键词：激光原理；教学实践；教学体系

南京航空航天大学以育人为本，不断丰富和发展办学指导思想。树立并践行“三个为本，三个促进”的办学理念，即“以育人为本，促进人才辈出；以学术为本，促进学术繁荣；以航空为本，促进特色发展”。把提高质量作为学校教育改革发展最核心最紧迫的任务，坚定不移地走有特色、高水平、内涵式发展道路，形成人才培养新优势，努力出名师、育英才、创一流，在加快建设高水平研究型大学的进程中取得新的更大的成就。

学校学生来自全国各地。长三角地区光电子行业非常发达，考虑到这些因素，对本课程，定位为光电信息科学与技术专业的专业课程，目标是使学生掌握激光器运转的基本物理原理，为后续专业课程的进一步学习奠定基础，为今后在光电子学及相关的电子信息科学等领域从事学术研究和教学工作奠定扎实的理论基础，服务江苏，兼顾长三角，播及全国。

1、教学方法与教学手段

《激光原理》是高等院校光电子技术和有关专业的一门极其重要的专业基础课程[1]。是学习相关课程“激光器件”、“激光技术”、“激光应用”的基础，也是学习光电子学、激光化学、激光生物学、激光光谱学、非线性光学等新的交叉学科的重要基础[2]。为此，除严格的课堂教学以外，我们还配合一些课程设计、专题课堂讨论及前沿学术动态讲座等多种形式。在介绍课程的学习意义时，采用启发式的教学方式[3]。从激光发展历史和相关技术入手，介绍了激光科学技术近50年的发展，其应用遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域。本课程制定了详细的教学内容，明确了教学目标。讲述激光器基本原理、开放式谐振腔理论，讲授激光振荡和放大理论。经过系统地学习，使学生掌握产生激光的基本原理和处理激光问题的基本理论和基本方法[2]。

2、课程的重点、难点及解决办法

本课程是一门理论性较强的课程。主要阐述激光器的基本原理和理论。本课程的重点，是要掌握激光器的基本原理、光谐振腔理论、激光振荡理论。光和物质的共振相互作用是激光振荡和放大的物理基础，这一部分的重点放在阐明光和物质的共振相互作用的基本物理过程和主要理论分析方法方面，课程的难点也在此处[4]。采取多样灵活的教学手段。课堂教学包括：课堂讲解、PowerPoint幻灯片课件、课堂小测验、课堂提问、笔记检查、课后作业、作业及课堂小测验讲评等。十分重视该专业学生英文水平的提高，并一直坚持在讲课中尽量向学生介绍英文的专业词汇。教会学生正确的学习方法。要学好本课程，学生们要建立一套适应于理论知识学习的科学的学习方法，更重要的是，掌握基本物理过程和主要理论分析方法，要求学生必须通过对知识的理解和消化来学习和掌握知识，培养知识的实际运用能力。针对教学内容中的重点和难点内容，采取重点授课，讲解细致、详尽，增加学生的实践机会等措施，使学生真正理解和掌握重点、难点内容。

3、教学资料与实践

我们采用的教材是高等学校电子信息类规划教材“《激光原理》” （第五版），由清华大学周炳琨院士担任主编。一方面，补充一些基本知识，例如学生没有学习过原子物理的有关知识，在介绍激光基本知识时，加入了有关能级的一些知识点，有利于学生对后面内容的了解和掌握[5]。另一方面，随着激光科学的发展，主讲教师在授课中不断及时补充内容，及时反映国内外激光科学的最新进展，使学生及时了解该学科的发展动向；吸纳兄弟院校本课程的教学经验，取各家之长，丰富我们的教学内容。与《激光原理》课程配套的激光专业实验教学日趋完善，目前已经开设了高斯光束参数测量及透镜变换实验、半导体激光器系列实验、连续激光相位调制实验、激光散斑干涉计量、激光全息干涉振动分析、脉冲调Q Nd：YAG倍频激光器实验、氦氖激光器模式分析实验[6]。随着激光原理和相关科学技术的发展，实验室老师正在筹建新的激光实验，并撰写了现代光学实验指导用书。新的实验设备已经编入211工程学科建设预算，正在采购中。专业实验室面积扩大到250平方米[7]。。我们还与南京东方激光、南京煜宸激光科技、南京激光仪器厂、江苏恒达激光图像、江苏联正利惠激光科技等企业有长期稳定的教研合作关系，经常派学生去实习，或请对方专家来学校交流指导学生。

4、总结。依据教研融合、开放共享和体现特色与水平的原则，以理论与实践结合为特色，阐述了激光原理教学体系建立和完善的经验。目前，已完成了激光原理的课程建设，包括课程教学内容项目建设、实验课程建设等。本课程紧密跟踪学科前沿，一贯坚持把前沿研究内容及时充实到课堂教学活动中，引导学生接触前沿学科知识，保持课程内容的先进性。教学科研互促共进。教学手段丰富灵活。

参考文献：

[1] 周炳琨，等. 激光原理[M]. 北京：国防工业出版社，2009.

[2] 苏红. “激光原理”课程的专题研究型教学方案探讨[J]. 电气电子教学学报，2011， 31（3）： 34.

[3] 苏红. 《激光原理》教学方法的初探与实践[J]. 中国校外教育，2009， 08： 90.

第8篇

关键词：激光推进研究发展趋势

激光推进技术是一种基于强激光与物质相互作用原理的有望实现飞行器近地轨道发射的新型推进技术。与传统的化学推进相比，激光推进的载荷比更高、推进参数的调节范围更大，并且可以超越每一级化学燃料火箭的速度上限。在不远的将来，激光推进技术有希望在空间垃圾清除、飞行器姿态调整、飞行器轨道机动以及近地轨道发射乃至深空飞行任务中发挥重要的作用。

1.激光推进的基本概念

激光推进的实质就是激光与物质相互作用，将远距离激光能量导入推进器的推进剂中，使其温度急剧升高，形成高温高压气体或等离子体，然后从喷管中喷射出来，从而产生推力，这种推进严格上称为激光等离子体推进。

激光推进根据激光器的工作方式可分为连续激光推进和脉冲激光推进两种。连续激光推进又称为稳态激光推进，就是将推进剂的势能转化为排出气体的动能时，激光束连续不断的给这一过程提供能源，同时激光推力保持常值。连续激光推进有两个方面的局限：一是由于等离子体在高温下会产生很大的辐射能量损失，并传给喷管壁大量的热能，因此发动机壁要采用特殊耐热材料和冷却措施以防止其在高温下熔化；另一方面是由于等离子体的屏蔽效应将把激光束与推进剂隔离开。由于这两方面的限制，导致连续激光推进可达到的比冲受限；而脉冲激光推进方式由于脉冲能量在瞬时注入，而不是连续不断的供给，可达到的比冲就要高些。所以，脉冲激光推进更受人注目。脉冲激光推进主要分为空气呼吸模式和烧蚀模式两种。空气呼吸模式是将由进气道吸入的空气作为工质，产生激光支持的等离子体爆轰波，从而推动光船前进的推进模式，这种方式不用消耗自身携带的推进剂。烧蚀模式是指激光加热光船自身携带的工质，使其产生高温高压等离子体，经喷管喷出产生推力的推进模式。两种激光推进模式都是通过激光与工质的相互作用，将激光能量转化为等离子体热能，最终转化为光船的动能。

2.激光推进实验常用的测量方法

(1)使用力传感器测量激光推进产生的冲力。

实验表明，当烧蚀推进使用脉宽0.1 ns的激光脉冲时，烧蚀过程产生的冲力的持续时间为1μs；即使脉宽仅为0.1ps，冲力的持续时间仍然可达微秒量级。由于目前的快速力传感器的上升时间可达0.1μs，因此可以使用力传感器直接测量烧蚀过程中产生的冲力，然后将冲力对时间积分，得到激光烧蚀产生的动量，进而得到烧蚀过程的冲量耦合系数。烧蚀去除物质的量一般要通过另外的方法测量，比如使用原子力显微镜。

(2)使用ICCD荧光法测量比冲

首先用ICCD记录一系列不同延迟时间下的烧蚀喷射物的荧光图像；然后根据图像中的喷射物的荧光强度，提取出不同延迟时间下的喷射物前端的轮廓；最后根据不同延迟下的喷射物前端轮廓的变化，计算出喷射物速度和速度角分布，从而得到比冲。由于激光脉冲烧蚀的喷射物可能由高温电离的气态物质、高温的液滴以及固体颗粒等多种成分组成，因此，根据荧光强度确定喷射物前端轮廓，进而计算得到的比冲只能大致反映喷射物的平均速度。这种方法也是不完备的比冲测量方法。

3.激光推进的发展趋势

正是由于激光推进有着巨大的潜在优势，美国、日本、德国和俄罗斯等国家在激光推进领域一直进行着不懈努力。迄今为止已经连续召开了5届的定向能推进国际会议( International symposium on beamedenergy propulsion)，一个核心的主题就是讨论激光推进研究工作的进展和未来发展趋势。国外在激光推进研究方面，基于系统的基础理论研究，提出了切实可行的长远规划。这些项目都是从顶层设计开始，逐步细化深入，美俄日德等国家正在按照自己的研究计划逐步进行深入研究。特别是美国对激光推进研究高度重视，已经做出了非常长远的规划，按照这一发展规划，激光推进技术在2020年左右将逐步走向实用化。NASA和美国空军对激光推进的研究仍然处于揭示激光推进基本原理、形成技术概念和概念验证的发展阶段。美国空军现在对光船研究计划的支持主要集中在能够带来技术突破的应用基础研究方面：

(1)深入研究光学击穿机理、激光支持的爆轰波、激波/流场与激光发动机的相互作用过程；

(2)理解并能定量描述激光推进过程中的能量损失问题；

(3)建立激光推进实验研究结果数据库，数据库能够验证数值模拟结果，并能够为理论研究提供判据。经过国际领域学者们的不懈努力，许多基础问题和技术难题不断被攻克，展示了激光推进的诱人前景。

4.结论

激光推进具有广阔诱人的应用前景，已经是科学家们的共识。研究者们已经对激光推进的工作机理有了比较明确的认识，推进性能的理论、数值模拟和实验研究工作取得了明显的进展。研究者们用实验模型获得的理论和实验研究结果为相关研究工作的深入进行奠定了较好的基础。虽然已经取得了较为丰硕的研究成果，但是由于激光推进研究工作的历史较短，还有很多问题需要研究：

(1)目前的能量转化效率还比较低，还需要深入系统地开展激光推进能量转化机理研究工作；

(2)激光推力器的抗热力冲击防护等研究工作尚处于初步阶段，高能激光辐照作用下的激光动力发动机设计也还处于初步阶段；

(3)连续激光推进研究工作尚处于初步阶段；

(4)需要攻克能够满足激光推进近地轨道发射要求的高能激光器、以及高能激光的传输与控制等关键技术。

参考文献：

[1]胡少六，李波，龙华，敖育红，王又青，程祖海。激光推进技术的现状及发展[J]。激光与光电子学进展，2003，(10)。

[2]田竹梅。激光推进：一种新型的推进技术[J]。甘肃联合大学学报(自然科学版)，2008，(01)。

第9篇

【关键词】教学改革;激光课程;军校专业特点

【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)02―0070―04

引言

军队院校培养的人才必须适应部队需求,专业具有较强的针对性和军事特色,近年,部分军事院校针对自己的专业特点进行了教学改革和探索[12]。我院激光测距与激光制导课程是典型的装备教学,激光原理与激光技术(以下简称激光课程)等专业基础课的教学质量直接影响激光仪器的装备教学,最终将影响军校培养军事技术人才的质量,所以激光课程等专业基础课的教学质量和教学改革备受关注。激光课程是我院光学工程教研室(以下简称我室)军用光电工程本科专业的重要专业基础课,是激光测距仪器、激光制导仪器等专业课的理论基础,贯穿本科乃至研究生学员培养的全过程,在我室教学工作中占有很大比重。由于激光课程内容多,概念抽象,加上传统的“灌输式”教学的弊端,学员积极性不高,教学质量长期得不到提高。近两年,我室借鉴地方院校的成功经验[3-5],结合军校的专业特点,在该课程上积极寻找突破。2006年,我室光学工程学科获全军2110工程资助,2007年,我院参加全军教学工作评价,面对机遇和使命,我室在“重基础,抓实验,贴装备”教学思想的指导下,多渠道、全方位对激光课程进行教学改革,经过近三年多的努力,改革取得一定成效,并且圆满完成教学工作评价的各项指标。本文介绍教员队伍建设、课堂教学、实验教学以及课外实习教学等7个方面的改革工作内容。

一改革内容

1关于教员队伍建设

(1) 教员层次结构的完善。积极引进外校一流大学的硕士及博士生来充实教员队伍。2006年和2007年接收了国防科技大学硕士生1名、博士生2名,2008年接收了北京理工大学的军工专业的优秀博士生1名,极大地活跃了教学组气氛。积极选派有能力的教员进修和学习,2007年,选派了2名教员到上海交通大学进修,2008年以“强军计划”的方式选送一名青年教员到清华大学攻读博士学位。

(2) 选用优秀年轻教员担任主讲教员。年轻教员与老教授相比,虽然经验和学识少一些,但年轻教员有自己的优势:年轻教员上课有活力、有激情、有干劲;科班出身的年轻教员基础扎实,工作在科研一线,既有较强的理论基础,又了解前沿,熟悉科研的具体细节工作,授课中能做到一丝不苟,解决工程实际问题;年轻教员与学员年纪相差无几,有共同语言,有感染力,有助于学员学习积极性的提高。

2 关于教材与课程内容

(1) 选用英语参考教材,逐步开展双语教学。随着时代的发展,双语教学在院校中逐步兴起,这是发展趋势。由于开设双语教学并无经验,我们实施了“谨慎”的双语教学,即用中文教材,另外选用英语参考教材,课堂授课部分内容使用英文。随着不断地学习和经验的积累,今后将逐步扩大英语讲述内容的比例,提高双语授课水平。我们注重思维和创造能力的培养,所以在双语教学中重要概念和物理思想用英语讲述,背景知识和数学推导用汉语讲述,值得一提的是,在双语教学中,年轻教员的英语特长得到了发挥。

(2) 课程内容整合。我室本科激光课程包括激光原理、激光技术和激光器件三部分,激光原理讲述激光特性、激光器组成、光和物质相互作用、谐振腔内光场分布和高斯光束传输特性等基本概念和基本原理,激光技术讲述改善激光光束质量(压缩脉宽、提高峰值功率、单模输出、稳定频率等)所作的技术调整(调Q、锁模、选模、稳频等),激光器件贴近工程,讲述不同种类激光器(气体、固体、半导体激光器等)的器件组成及其特性。这三部分是统一的整体,我们对激光课程进行了整合,把三部分合成一门课,激光原理是重点,激光技术次之,器件部分穿插在前两部分中,内容整合突出了重点,加强了基础教学,体现了“重基础”的教学思想。

3 关于课堂教学

(1) 以非课程因素带动课堂教学。所谓非课程因素是与激光教学内容无关的,但有利于提高教学质量的因素,包括师生感情、教员个人魅力的塑造、“以人为本”的素质教育思想等。这些不是教学过程的重点,但影响重点,不能忽视,应该充分利用这些因素带动课堂教学。在这方面,年轻教员有明显优势,因为年轻教员更了解学员所想。笔者作为一线教员,真切感受到:当非课程因素发挥作用时,学员喜欢任课教员,喜欢上激光课,学习积极性大大提高。

(2) 营造和谐的课堂环境。我们在课堂教学中努力做到以学员为中心,增进沟通,加强交流,增强互动,充分调动学员的积极性,打破以往沉闷、死板的课堂气氛,营造轻松和谐的课堂环境。我们努力把抽象的物理概念与生活中的事相联系,与学员感兴趣的事相联系,让知识在“笑谈”之间进入学员的头脑。例如讲介质对光增益一节中把“增益饱和”比作“科学发展观”,解决了光强不断增强和稳定输出的矛盾。通过这样的比喻,能紧紧抓住学员的注意力,同时也把课讲活了。

(3) 树立良好心态,利用“两大法宝”热情高涨地投入教学。“态度决定一切”,作为年轻教员,要有良好的心态,即不浮躁,对教学漠不关心,又不好高骛远,对教学急于求成。只有脚踏实地地深入教学,才能在教学中发现乐趣,提高教学水平,增强成就感,进而把成绩作为进一步提高教学的动力,形成良性循环,在讲台上实现自我价值。在教学实践中,笔者认为:上好课的两大法宝是:自信和学习。只有自信地站在讲台上,授课才有感染力和说服力,才能做到落落大方,举一反三,侃侃而谈,授课才能游刃有余,才能充分调动学员的积极性,提高课堂的互动层次。当然自信是建立在对课程内容非常熟悉,对整个课程有一定把握,对学科有一定学术水平的基础上,年轻教员多数具有硕士以上学历,具备这样的基本素质。学习是上好课的另一法宝,这里的学习是向有经验的老教员学习,多听老教授的课,多向老教授请教,多听老教授意见,耳濡目染、仿效改进,这些必定会对自己有潜移默化的影响,这样的强化学习能够在短期内大幅度提高授课质量,逐渐形成自己的教学风格。

4 关于军校教学保障制度

军校比较地方院校,多一份严肃,强调整齐划一,强调纪律性。我室制定了教学保障制度,为提高课堂教学质量提供强有力保障。第一,岗前试讲制度。本着教员、学员双负责的原则,坚持年轻教员岗前试讲制度,一方面让其他有经验的教员进行指导,一方面严把上岗关,确保了授课质量;第二,听查课制度。教研室主任和激光组组长听查课率不低于10%,从军容风纪、内容、课件、课堂气氛以及学员意见等各方面严格把关,及时发现和改进教学实施中存在的问题;第三,教学观摩制度。激光组一线教员每学期至少组织两次教学观摩活动;第四,导师制度。为一线年轻教员指定经验丰富的老教授作为教学导师,导师定期指导,严把军纪关、教案关、课件关、板书关、语言关等。这些制度规范了教学,提高了教员的授课水平,保证了课堂教学质量。

5 关于实验教学

(1) 实验课程设置改革。打破以往先激光理论课、后激光实验课的传统课程设置,采取理论课与实验课同时开,交叉上的课程设置,即把理论课和实验课开在同一学期,学完一部分理论,做与之相关的激光实验。真正做到理论与实践相结合,这对加强学员对理论的理解是很有帮助的。学员反馈信息,都有共同的感觉:课堂上没听懂的东西,在做实验时豁然开朗,有一种柳暗花明的感觉。这种课程设置也增强了学员的自信心和成就感。

(2) 实验室硬件建设。在2110工程经费的支持下,激光组抓住机遇,经过多方调研和论证,购置大量先进实验仪器,建成激光原理实验和激光技术实验两个教学实验室,并瞄准前沿,组建了激光与物质相互作用实验室,作为研究生教学和科研实验室。利用先进的实验仪器,课程组努力发掘与课本理论联系密切但又高于课本、贴近前沿的实验题目。

(3) 发掘军研口的实验带动教学。以实验室硬件为平台,以教员军队科研项目为牵引,积极发掘以军研口为背景的基础实验或原理实验,例如高功率激光器成为定向能技术的研究热点,实验室搭建了固体热容激光器(Solid State Heat Capacity Laser,SSHCL)、LD泵浦板条激光(DPSL)、光纤激光器相干组束(Fiber Laser coherent beam combination)等原理性实验平台,这些都是国内外光电子领域研究的热点,让学员通过实验了解前沿,以此带动学习的积极性,激发学员的科研潜力。例如当今激光领域研究的热门之一:光纤激光器相干耦合技术。利用耦合器把两个光纤激光器耦合,输出功率约是这两个光纤激光器功率和的2倍,让学员产生疑问,主动思考,查阅文献。虽然这些原理实验不能包含太多的学术价值,但对学员来说是在教材和一般实验中未见到的,对于培养学员的创新精神是有益的。另外,我们还设置了起点较高的自助设计实验,利用长春理工大学研制的自组装电光调Q固体脉冲激光实验平台,学员可自主设计感兴趣的实验,这些对科研能力和创新能力的培养是非常有益的。

(4) 以科研和学术带动教学。让有能力的好苗子尽早地参与科研实验和学术论文的创作,不但有助于课本教材的深化学习,还有助于培养学员的科研和学术能力。笔者从2007年开始尝试带学员,指导学员查阅文献,消化前人工作,在现有实验条件下进行创新性实验。笔者发现,部分学员兴趣已经形成,潜力已经发掘出来,他们在教员的指导下很快掌握了学术论文的写作技巧,参与撰写的诸文已经在学术期刊上发表[6-9],反过来,这些极大地鼓励了学员,形成良性教育过程。

(5) 实验管理制度改革。以往实验仪器少,学员多,只能多人一组,轮流做,教学效率和质量大打折扣,现在基本做到2人一组,学员动手率100%。为了充分利用实验室,调动学员积极性和体现“以人为本”教育思想,实行开放式实验管理。我们研发了实验网上预约系统,对课上没有做完或者感兴趣的实验进行预约,负责实验室的教员及时安排,并进行指导,预约系统和开放式实验管理方便了学员,受到学员的普遍欢迎。另外,为了加强纪律,增强学员爱护实验仪器的意识,实验室建立了实验签名制度,对学员起到一定监督约束作用。

6 关于课外教学活动

(1) 激光装备故障检查。激光理论课和实验课是激光测距与激光制导等专业课的基础,我们重基础,抓实验,同时也紧紧围绕装备开展教学,教研室配备了我军装备的大部分型号的单体激光测距机(与大型武器平台上的激光测距系统相区别),可为学员学习训练使用。为了提高学员的动手能力,我们对装备设置一些故障点,让学员查明原因并进行修理,这些活动极大的调动了学员的积极性。

(2) 军工厂参观学习。为了加深学员对所学知识的认识,我们制定了学员参观实习制,确保每名军用光电工程专业的学员都有到军工厂参观实习的机会。由于我院与军工厂科研业务联系密切,我室与诸多军工光学仪器厂签订参观实习协议,这为课外教学活动的开展提供了有力保证。2006年、2007年和2008年,笔者组织学员分别到焦作平原光电仪器厂、江苏曙光光电仪器有限公司、南阳中光学集团进行短期(一般在20天内)的参观实习,在工厂允许情况下,学员进行了部分生产环节的操作,对激光器零部件的设计、加工、检测、组装、调试以及军检等方面有了深刻的认识,这些活动在一定程度上增强了学员的工程意识,对学员今后从事军械保障工作不无裨益。

7 关于考核评定体系

(1) 实行多种考核与课终考试相结合的方式。鼓励学员参与教学、参加科技竞赛等活动,对制作多媒体课件、写实习感受、参与科研等活动的积极分子进行加分。多种考核方式使被动的“灌输式”学习变成主动的“发掘式”学习,有助于培养学员的创新能力,是素质教育思想的重要体现。笔者于2007年和2008年分别组织了以“神奇的激光”和“激光在军事上的应用”为主题的征文活动,并印制优秀论文集,在学员间传阅,还对录选论文集的学员进行加分。学员对活动反响强烈,这些措施不但激发了学员查阅资料和学习的积极性,也培养了学员的自学能力。

(2) 制定严格的考试出题和阅卷制度。为了体现公平、公正的原则,激光课程考试实行教考分离制,即任课教员不参加出题和阅卷。2006年,激光教学组建设了激光原理与激光技术试题库,并录入学院考试组卷系统,考试前2天由非任课教员到考试中心组卷出题,考试结束后由非任课教员阅卷,3天内上交成绩。这些制度的实施改善了学习风气,学员出勤率提高了,上课瞌睡现象减少了,作业完成质量显著提高了。

(3) 成绩与分配去向挂钩。为了提高学员素质,增加学员的紧迫感,形成比学习、比成绩的良好学风,教研室与学员队(军校管理学员的大队)充分沟通,把专业课成绩与分配去向挂钩,一定程度上改善了以往军队院校学员坐、等、靠的懒惰思想,改善学习风气。

二改革成效

激光课程教学改革近三年来,无论是教员还是学员都感到身上担子不轻、责任重大,功夫不负有心人,改革取得明显成效,主要体现在:1、教员方面:教员教学能力提高,授课质量提高,2008年笔者以激光原理中“激光产生的基本原理”为授课内容参加了学院组织的优质授课评比获得第6名的好成绩,并在总装备部举办的院校优质授课评比中获得三等奖。2、学员方面:学员积极性明显提高,学习成绩明显高于往届,学员考研率明显增加,说明学员产生了对科学研究的兴趣,主动积极要求深造。在我们对2006和2007届学员做的问卷调查中,80%以上的学员对激光教学改革工作给予了充分的肯定。2008届毕业学员闫宗群、黄富瑜利用实验室平台搭建的全光纤激光相干合成系统[10-11]进行实验研究获得学校电子设计大赛一等奖,两人在全国的数学建模竞赛中获得二等奖,在他们的获奖感言中说道:建模二等奖的获得得益于在激光多普勒测速实验中数据采集的编程训练。

另外,我们完善了教学过程中的各种规章制度和教学评价体系;组建了现代化实验室,完善了实验室规章和资料体系;建立了网上预约实验系统;制作了一套符合我院专业特点的激光多媒体课件和教案;针对激光课程的教学研究也取得一定成绩[12,13]。在2007年的全军教学工作评价中,激光课程达到评价要求的各项指标,且在专家的抽查课中受到专家的好评。

总而言之,我们注重基础理论教学,狠抓实验教学,仅仅围绕装备开展课外实习教学,教学改革取得阶段性成绩。当然,改革需要循序渐进,改革中也出现了新的问题。

三问题和努力的方向

1 年轻教员经验不足,要达到一定的教学艺术水平,还有待进一步学习提高。

2 双语教学对教员和学员都有一定难度,对于英语所占的比例还应具体情况具体分析,双语教学需要长期教学经验的积累,才不至于成为教学过程中的负担,真正促进教学改革。

3 急需一本适合我院特色的激光课程教材,突出“重基础,抓实验,贴装备”的教学特色,现在,我们激光教学组正在着手调研,组织编写。

4 创办激光网络课程,方便学员自学。

参考文献

[1] 冯静.基于准案例教学法的工科教学新模式[J].高等教育与学术研究,2006,(3):69-72.

[2] 刘永新,朱兴动,张磊.强化现代教育技术应用、促进装备维修实验室发展[J].科技信息(学术研究),2007,18:48.

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[4] 高勋,李永大.《激光原理》精品课程建设新思路探索[J].科技咨询导报,2007,27:230.

[5] 邓周虎,董光国,闫军锋等.理工科专业课多媒体教学手段的思考与探索[J].高等理科教育,2007,(1):32-35.

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[7] 沈洪斌,侯芬,司宾强.热容型钕玻璃棒激光器工作物质的温度和热应力研究[J].军械工程学院学报,2007,19(6):57-60.

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[9] 沈洪斌,吴健,国涛等.光强不均匀情况下曲率波前传感器的信号分析[J].光学与光电技术,2008,6(5):19-22.

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[11] 沈洪斌,李刚,何海军等.高功率光纤激光器相干合成技术[J].激光与红外,2008,38(9):868-871.

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[13] 沈洪斌,张雏,沈学举等.军队院校专业基础课教学改革的探索[J].高等教育与学术研究,2008,(6):59-62.

Teaching Reform Exploration in Laser Course Aiming at Professional Features of Military College

SHEN Hong-binLI GangHU Wen-gang WANG Yuan-bo

(Department of Optics and Electronic Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang, Hebei, 050003, China)

第10篇

关键词：空间激光通信技g 最新进展趋势

中图分类号：TN929.1 文献标识码文章编号：1672-3791（2016）11（b）-0003-02

空间激光通信具有通信容量大，通信速率、抗干扰能力强，抗截获能力强和重量轻等多种优点，是以激光为载波，在空间中实现多种信息进行无线传输的通信方式。从历年的空间激光通信技术的发展历程来看，ESA的作用不可小视，ESA代表空间激光通信技术的最高水平，对于空间激光通信技术的发展有很大影响。但是，对于我国而言，我国空间激光通信技术还处在发展的初级阶段，还在摸索空间激光通信技术的发展方向，可结合本国的情况借鉴发达国家空间激光通信技术的发展经验。

1 空间激光通信技术最新进展

目前，国内外空间激光通信发展迅速，欧洲、美国、日本、德国等地区和国家对空间激光通信技术进行了大量的研究，为空间激光通信技术做出了巨大的研究贡献。如表1所示，展示了近几年美国等国在空间激光通信技术研究方面比较有代表性的成果。

2 空间激光通信技术发展趋势

2.1 直接探测体制发展

相比而言，空间激光通信直接探测体制的结构比较简单，操作起来比较方便，因而被广泛应用于第一代激光通信系统内部。但是，从实际空间激光通信环境来看，光强度对通信系统的影响比较大，而且会受到噪音的干扰，空间激光通信直接探测体制无法满足空间激光通信系统的运行需求，敏感度较低。经过空间激光通信专业人士的多年研究，ESA于2008年被安装在卫星上，对空间激光通信系统进行端口检测，同时也对相干通信展开了实验分析，误码率非常小，而且信息传输的速度非常快。目前，空间激光通信技术还将不断完善。为了不断提高激光通信系统的实用性和通用性，未来的发展趋势是探测体制的发展从单一体制向复合探测体制转变。

2.2 传统量子通信的变革

1980年量子通信被首次提出，量子通信应用了加密技术，可以保证传输信息的绝对安全，量子通信一提出就受到了人们的广泛关注。2004年，经过多位空间激光通信科学家的研究实验，实现了量子通信的远距离传输，量子通信可以透过地面大气依旧保持纠缠特性。2006年，量子通信实现了超远距离的空间通信。截止到目前为止，我国科学家对于量子通信的研究已经创造了新的历史。量子通信具有巨大的发展潜力，空间激光通信研究人员也正是看重了量子通信的这一巨大发展潜力，研究人员从2002―2007年展开了多项研究，总结出影响量子通信的多种因素。经过几年的发展，传统量子通信的变革研究的技术逐渐成熟，正在快速向实用化、加密化迈进。将卫星光通信与量子光通信相结合，进行卫星光通信中的量子密钥分发是卫星光通信保密技术一个新的发展方向。

2.3 光子集成化升级

空间激光通信光子技术包括：一是光纤光学，二是集成光学，三是微光子学。光子技术具有以下特点和优点：一是损耗较小，二是协议透明，三是抗干扰性强，四是不诱导电磁干扰，五是重量小，六是体积小，七是柔韧性好，八是无互相耦合。空间激光通信光子技术特别适合应用于航天环境中；1990年，美国经过实验证明光子技术确实可以应用于航天器中；2002年，研发部门加大了研究光子技术的资金量，研究的内容为：一是通信链路，二是模数转换，三是频率转换，四是本振生成，五是光束形成网络，六是传感，七是成像光纤；2009年，西方国家发射出的卫星上就设置了光子器件。如今，空间激光通信光子技术正朝着光子PCB的方向发展，空间激光通信技术标准也在不断提高。

2.4 天基网络的一体化演变

空间激光通信技术发展的最终目标是实现全球数据覆盖，与地面形成网络链路。在空间激光通信技术的研究初期，研究人员把更多的精力放在空间激光通信链路的研究和实验上。2000年后，研究人员开始加大天基网络一体化演变的研究力度。如今，空间激光通信研究人员提出了天基混合网络结构，并对天基网络的性能和所带来的经济效益做出了研究分析。但是，我国的天基网络一体化演变还处在理论研究阶段，还未真正实践，还有很多空间激光通信技术问题亟需解决。

2.5 空间激光通信向深空迈进

人们一直想更加深入地了解星空，国外发达国家自20世纪90年代初期便开始了以激光通信作为深空探测通信方式的相关研究。近几年人们对天空的探索热潮一直不退。如今，研究人员把探索星空的希望寄托在空间激光通信技术上，西方国家也在加大空间激光通信技术应用于卫星上的研究力度。空间激光通信研究人员经过多年的努力，收到了不错的成果。在ESA和NASA（美国国家航空航天局）未来的深空探测计划中，激光通信将成为深空探测活动的主要通信方式。

3 结语

从实际空间激光通信环境来看，光强度对通信系统的影响比较大，而且会受到噪音的干扰，直接探测体制无法满足空间激光通信系统的运行需求，敏感度较低。2004年，经过多位科学家的研究实验，量子远距离的传输通信实现了，透过地面大气量子通信可以依旧保持纠缠特性。如今，光子技术正朝着光子PCB的方向发展，空间激光通信技术标准也在不断提高。空间激光通信技术发展的最终目标是实现全球数据覆盖，与地面形成网络链路。但是，我国的天基网络一体化演变还处在理论研究阶段，还未真正实践，还有很多空间激光通信技术问题亟需解决。截止到目前为止，我国科学家对于空间激光通信的研究已经创造了新的历史。

参考文献

[1]张靓，郭丽红，刘向南，等.空间激光通信技术最新进展与趋势[J].飞行器测控学报，2013（4）：286-293.

[2]李玮.激光通信测距技术发展现状及趋势研究[J].激光与红外，2013（8）：864-866.

第11篇

打印分辨的单位是dpi，即指每英寸打印多少个点，它直接关系到打印机输出图像和文字的质量好坏。分辨率越高的打印机，其图像精度就越高，其打印质量也相对较好。所以，在同等价位情况下，我们当然应该尽可能选择分辨率较高的打印机产品。

在目前的喷墨打印机市场上，分辨率的重要性越来越低，因为其迅速发展已经让墨滴控制转而变成打印精度的瓶颈。但彩色激光打印机可不全然如此，分辨率的重要作用还是显而易见的。

目前市场上的激光打印机的分辨率主要有600×300dpi、1200×600dpi、2400×600dpi、1200×1200dpi、2400×1200dpi等几种。一般来说，分辨率越高的产品价格越贵。但是，我们看到的打印指标都是以“相乘”的形式出现，此时应该抓住最低的数字，这个数字才能反映打印机的真实水准，而较大的数字往往是通过插值计算形成的，并没有太大的实用价值。举例来说，1200×1200dpi的打印机在清晰度方面要好于2400×600dpi的产品。从万元以内价位段来看，大多数产品都只能实现600dpi精度，想要买到1200dpi精度的产品非常困难。同样，如果实际精度只有300dpi，那便有落伍之嫌了。

选购建议：600dpi实际精度是最低要求，并且还应该检查图片打印的实际效果。

打印语言怎样按照需求选？

在选购黑白激光打印机时，用户一般不会看重打印语言的选择问题。但是，在选购彩色激光打印机时，情况则有所不同。这类产品有着较强的照片输出能力，需要对打印语言加以重视。

在三大激光打印语言标准中，PostScript应该说较为理想。PostScript超越了普通打印语言的领域，而更像完善的编程语言。许多应用程序能够将文档传送到一个PostScript程序中，它的输出结果就是原始文档。同样，PostScript打印机与其介质也具备这样的无关性，不管是在纸上、胶片上还是屏幕显示都非常适宜，只是目前基于PostScript语言的彩色激光打印机普遍价格较高。

在PCL和GDI标准中，前者具备标准化和与设备无关性的优势，对计算机系统资源占用也较少。后者则是一种非标准的方式，减少了打印机服务器的工作量，而把转换图像的过程完全交给计算机本身来完成，这样就降低了对打印控制器和内存的要求。对于规模较小、打印需求量不是很大的企业而言，如果局域网性能不是很差，GDI方式将是不错的选择。如果还需要在非Windows下实现较好的彩色图片打印效果，那么采用PCL语言的产品相对更加合适。

选购建议：看重图片打印的用户应倾向于PostScript语言，万元以内的普通产品则以PCL语言为佳。

核心技术效果差别有多大？

激光打印机产品通常是按照光扫描成像技术来划分，其成像模式被两大核心技术所垄断，分别是LED打印和激光打印技术。对于主流阵营的激光打印技术我们都比较熟悉，它是通过将打印内容转变为感光鼓上的以像素点为单位的点阵位图图像，再转印到打印纸上形成打印内容。LED成像打印技术则是近几年较为活跃的一项新技术。

LED技术的聚焦镜头外没有旋转多棱镜及其他光学组件，所以LED成像的优势是确保打印速度更快捷，可不断地提高分辨率，整体结构简单。更为重要的是，LED技术所产生的打印点很小，甚至可以做到与图像像素完全对等，可以保证实际分辨率与理论分辨率的一致，获得清晰的成像效果。此外，由于这类打印机所用的LED阵列组是沿感光鼓宽幅横向分布，成像时光线直接垂直照射到感光鼓上，因此，具有光源体积小、光传输距离短、光传输不受机械传动限制等优点。

对于消费者而言，在价格相同的情况下可以更多考虑采用LED技术的产品。不过另一个现实是，主流产品还是以使用激光打印技术为主，此时无论是后期维护还是耗材成本都更加出色，因此大家可以根据实际情况来选择。如果彩色文稿打印量十分大，那么采用激光打印技术的产品更合适；如果需要偶尔结合图片打印，那么基于LED技术的产品更合适。

选购建议：大输出量的用户目前还是首选激光打印技术。

打印速度一次成像适合谁？

目前的彩色激光打印机在打印黑白文稿时只消耗黑色碳粉，在打印成本上与黑白激光打印机差别不大，用户并不会因为享受高品质而付出高代价。当进行彩色激光打印时，情形可就不同了。

目前大多数彩色激光打印机多采用鼓粉分离设计，由于鼓的寿命要比碳粉盒更长，这样的设计对更换和维护耗材、减低成本很有意义。即便如此，我们还是要在选购产品时多参考一下硒鼓的容量，以及原厂耗材的定价。客观来说，现在大多数5000元以内的产品因为过于控制成本而不得不使用小容量硒鼓，再加上鼓粉一体式设计带来的不便，后期使用成本还是较高。

如果经济条件允许，不妨可以选择更高端一些的产品，比如5000~10000元的产品。这类产品大多更加重视硒鼓容量，并且配有先进的智能技术来降低耗材开销，因此实际使用成本能得到更好的控制。

服务其实也会对后期使用成本造成影响。与目前黑白激光打印机多提供一年免费送修的服务相比，彩色激光打印机的一年免费上门维修服务无疑具有更大的实际价值，少数产品甚至可以享受更长时间的上门服务。

选购建议：选购硒鼓容量大、耗材价格便宜并且便于添加彩色碳粉的产品。

成本实际使用怎么省？

正如先前分析的那样，一次成像技术对提高产品的彩色打印速度有很大帮助。这一技术的关键是需要把激光发光管做得足够小，在现有一个发光管的位置要放下对应CMYK的四个发光管，这一工艺目前成本较高。

消费者应该根据实际使用情况来取舍：假如是以日常办公为主，偶尔应用到彩色图文混排，那么一次成像似乎有些奢侈；如果经常要打印彩色照片甚至厚厚的彩色标书，那么一次成像彩色激光打印机的确能节省不少时间。对于低端彩色激光打印机来说，限于机芯速度，采用四次成像技术的机型在黑色单色打印速度上要远远高于一次成像的机型。

此外，我们还需要关注黑白文稿的打印速度标称值，但这仅仅在同一品牌中有参考价值。我们建议用户着重检查激光打印机是否配备了大容量内存，及其在同品牌产品中的定位档次。

关键词：激光遥感技术；古建筑保护；历史街区保护；三维重建

Abstract：Nowadays, the application of laser remote sensing is a great chance for protecting ancient architectures and historic districts. This paper introduces the principles and applications of laser remote sensing technology; then it focuses on the laser-based of ancient architectures: measurement, 3D reconstruction and the application of protecting ancient architectures based on 3D reconstruction; And it expounds on the laser-based 3D reconstruction of historic districts and the application of protecting and redeveloping historical districts; Finally, it analyses the prospects and problems that need urgent solution of the protection of ancient architectures and historic districts based on the laser remote sensing technology.

Key words：laser remote sensing； protection ancient architecture； historic district； 3D reconstruction

中图分类号：O433.5+4

文献标识码：A

文章编号：1008-0422(2008)02-0121-04

城市古建筑及历史街区延续了城市历史文脉，是城市根源的具体体现。随着经济社会的发展，必须采取积极的手段进行保护、利用古建筑及历史街区。保护和利用过程需要对古建筑进行维护、整理或修复，同时也需要保护或恢复历史街区的空间格局与尺度。国家重大古建筑在大规模修复前要求进行精确的测绘工作，以取得较完备的科学记录档案，为古建筑规划保护和修复提供第一手资料，同时也是研究中国古建筑史和建筑理论的重要资料[1]。因而对于保护、利用古建筑及历史街区，测绘和记录两者的完备资料是最为主要的。

1激光遥感技术的介入

传统的由建筑师手绘的结构图和由地面近景摄影测量方法测出的结构图都能够表达建筑的关键部位和整体结构，但由于技术手段的局限，难以对古建筑进行快速测绘和对整体立体空间进行清晰的表达。据文物部门统计，我国目前被列入保护范围的古建筑群有近30万处，古建筑的保护、抢救及修复的工作量非常大，而传统的建筑测绘和资料整理的方法和技术手段远远不能满足古建筑保护的实际需要。

新型传感器――地面激光扫描仪和配套的专业数码相机融合了激光扫描及遥感等技术，可以同时获取空间三维点云(Point cloud)和彩色数字图像(Color imagery)两种数据，扫描点空间定位精度达到5~10mm的扫描精度，使该项技术成为欧美等国在高效率空间数据获取方面的研究热点。近年欧美等地应用涉及城市规划、资源调查、灾害管理、工程设计及国防等方面，特别在城市三维景观、古建重建、虚拟现实与仿真等方面。

激光扫描技术可以快速重构整个建筑的全方位立体空间，完整描述建筑物的每一个关键要素，因此可以为古建筑保护与更新提供真实准确的三维模型。保护方案依据真三维模型来制定，不仅提高工作效率，而且修复计划的精细程度和表现效果大为提高。因此，利用地面激光扫描仪进行古建筑和历史街区的保护具有重要现实意义，也是一项高科技的文化工程。

2激光遥感技术的应用现状

2.1三维激光影像扫描技术原理

本文所提的激光遥感技术特指三维激光影像扫描技术，三维激光影像扫描技术又称“实景复制技术”，它利用三维地面激光扫描仪可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫描操作，并直接将各种实体的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据, 同时, 它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作(如: 测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等) [2]。所有采集的三维点云数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种工程软件直接使用。

在三维激光影像扫描仪所获数据组成的立体模型上可以非常精确地量测出建筑物及物体的尺寸，完全可以代替传统的测量方式。三维激光影像扫描仪的单点精度，一般可以达到毫米级，这对于古代建筑物的几十米体量来说，精度已经够用，并且它建模以后的量测精度不比传统测量方法差[2]。三维激光扫描最大的意义在于效率高，激光扫描内外业所需时间往往只有传统方法测量的1/20。另外传统方法只测到了物体部分点的数据，而激光扫描则测量到了物体的全部细节。

2.2激光遥感应用现状

激光遥感应用范围非常广泛，主要包括对地形、建筑物以及其他对象进行高精度测量。

2.2.1带状地形测图数据采集

地面三维激光影像扫描仪可进行野外局部带状地形区域分段扫描。在具有一定重复扫描区域内，进行三维影像拼接和合并生成带状影像图。通过少量的测量控制点转换到国家或城市坐标系中，用地形和地物的三维点云数据建立模型，生成带状地形图。对于铁路、公路、大江大渠两岸的局部不规则带状地形图测量，较常规测量速度快、精度高[3]。

2.2.2建立高精度的数字地面模型和城市模型

三维激光扫描影像数据作为GIS 系统和数据库更新的重要来源。采集的三维点云数据经过拼接和合并后，进行数据预处理剔除粗差数据，运用数据滤波和分类算法获得地面高程数据以及地物数据。地面高程数据用于建立高精度的数字地面模型，地物数据经提取和目标识别处理可实现城市三维模型的建立。

2.2.3古文物建筑物测量及逆向工程应用

地面三维激光影像扫描技术可为三维数字化设计、三维测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供服务。能够快速高精度地完成复杂的古建筑结构测量，大型景观(如建造大佛景观)三维数字设计与模板制作。

1999年，来自斯坦福大学和华盛顿大学的一个30人小组使用三维激光扫描系统对意大利佛罗伦萨的米开朗基罗的大卫雕像进行了测量，近距离目标点的测量精度达到了亚毫米级[4]。举世闻名的中国山西大同云冈石窟，时下正由文物管理专家展开三维激光测绘，并绘制精确的“三维立面图”，以便对五万余尊千年古佛像进行保护和修复。正在进行的北京故宫修复工作中运用了多项现代测绘技术，其中包括激光扫描，它具有快速、精确、多方位的特点，为古建筑测绘探索新的途径。

2.2.4其它方面的应用

此外，地面三维激光影像扫描仪可应用于复杂工业设备的测量与建模、房屋建模与房产图测量、工程建筑物变形监测、灾害三维实时监测、事故灾害评估、矿山及隧道测量和大型水利工程安全监测与研究等方面[3]。

3基于激光数据的古建筑保护应用

3.1古建筑量测

目前很多古代建筑缺少可用的CAD数据，即使建立低水平的细节CAD模型，也需要借助测量和其他方法，必须进行大量耗时的，成本高昂的，而且非常困难的测量，更不用说制作正射影像了。数字正射影像是一种既具有像片影像特征同时又具有线划地图数学、几何与制图特征的图种。由于其包含的信息丰富、直观性强，具有可量测性，因而受到人们的广泛关注[5]。

采用三维激光影像扫描技术，能在不损伤建筑物的条件下，快速采集古建筑物外部表面的精确数据。通过使用软件，可以快速地为扫描获得的点云赋予相应的彩色信息，再经过加工便制作成正射影像，向用户展示一个完全的实景彩色图像。如图1所示。相对于以往近景摄影来说，正射影像具有更为精确的可量测性，古建筑设计和保护人员可以精确对门、窗、柱、梁等构件进行测量，如图2所示。借助CAD便可以制作出用于施工的CAD数据图，如图3所示。

3.2古建筑三维重建

古建筑三维重建的关键问题主要包括五个方面的因素，其中两点直接影响到古建筑三维重建的真实性[6]：① CAD木构件数本身存在的问题，CAD木构件模型是早期利用AutoCAD软件建立的线框图，由于线框模型只有点和直线段，没有给出模型的表面信息，因此无法得到有关表面属性的拓扑信息和几何信息，无法得到正确的几何模型信息化成为古建筑三维重建的关键问题所在；② 纹理材质的表现，纹理和材质的映射除了能提供逼真的视觉感受以外，还能在一定程度上展现建筑物的风格。古建筑除了其造型独特之外，其色彩装饰的运用也是一大特色：古代匠师们根据色彩对人们生理和心理所起的作用，采用色彩明暗的对比和冷暖色调调和的手法来营造各种不同的色彩环境。古建筑物这种复杂的色彩组合环境不可避免地带来了三维模型重建过程中纹理和材质映射的难度。

而基于激光数据的古建筑三维重构就是以古建筑木构架体系为知识体系，实现“古建筑的数字化”，在计算机环境下从原有的无规则点云数据中高精度提取古建筑的表面特征，利用规则的形状实现模型的表面重建，再现实际古建筑的立体轮廓和真实纹理，完成复杂古建真三维的几何表达，使得古建筑在三维表达上完全可以避免以上提到的两个问题。所以图4所示为基于三维激光扫描数据进行三维重建的福州市孔庙三维模型。

另外从微观上来看，古建筑还包含一些具有表面形态丰富多彩的艺术品，如石雕、砖雕、木雕、彩画等，这部分的重建由于形态各异，在重建方面其对精确度和色彩真实性的要求更为严格，以往的三维重建技术手法根本难以满足其要求，而利用三维激光影像扫描技术获取到的激光数据无论在精确度还是在色彩真实性上都可以用于艺术品的精细重建。在著名的米开朗基罗项目中，激光扫描可以精确地得到雕像的每个细节，目标点的距离测量精度实际达到了±0.25mm，另外还拍摄了7000幅的彩色数码相片用于渲染贴图，最终的大卫雕像模型包含了20亿个多边形，其模型采用高密度的Mesh模型真实地表现建筑物中艺术品细腻的形态[4]。

3.3基于激光数据的古建筑保护应用

通过对古建筑进行量测和三维重构，古建筑保护利用可以有以下几个方面：

3.3.1对细部和装饰残缺的或已经破坏的古建筑进行复原

利用形状匹配技术，通过三维激光设备将文物数字化，通过空间曲面轮廓线的提取，并根据轮廓线的匹配结果可实现残损文物的拼接复原。主要由曲面模型的匹配拼接、三维曲面模型的融合和曲面的三维编辑，构造自动拼接与手工调整相结合的文物复原过程模型，最后将三维计算机模型送入快速成型设备复原微缩建筑进行实体检查，为文物研究及文物保护提供准确的科学数据。

3.3.2对典型建筑构件、营造技术或法式进行分析与剖视

对台基、石雕、门窗、柱、柱础、屋檐、斗拱、梁、檩、屋顶等典型建筑构件进行分析、剖视、建模，及搭建过程的演示。

4基于激光数据的历史街区三维重建

基于激光数据的历史街区三维重建主要是对历史街区进行特征分析，屋顶、墙体、街道等要素的重建。

4.1三维重建必要性

历史街区保护的原则之一：“原真性”与“可读性”相结合。要保持或恢复街区的传统风貌，“原真性”是历史街区保护与更新的一个首要原则。为使街区恢复“原汁原味”，三维激光影像扫描技术可以进行充分地现场测绘，并可以获取详细的照片，然后按照“整旧如故，以存其真”的原则，依据每一幢建筑不同的建造年代、建筑风貌及建筑质量就可以进行三维重建，从而达到保护和修缮的目的。另外基于激光数据的历史街区三维重建可以快速地表达一个完整而具有特色的空间形态，使“可读性”成为可能。

4.2基于激光数据的历史街区三维重建

传统的用于街区建筑物批量建模的方法有两类：一类是采用商品化建模软件进行建模，另一类是根据采集得到的观测数据进行建模[7]。即：① 采用商品化建模软件的建模方法是利用一些专门用于建模的商品化软件(如：AutoCAD，3Dmax，Maya，MultiGen等)，基于原有的CAD设计图纸和数据，利用AutoCAD＋3DS软件建模，最后通过函数接口读入程序中，从而能够真实表达建筑物内部的细节特征。这些文件中已将模型剖分为空间三角网，我们只需将这组数据以一定的比例、角度在通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位，同时到实地拍摄建筑物的影像，运用图像处理软件制作出建筑物的表面纹理，贴附于模型之上，从而实现建筑物模型的重建。② 三维几何自主建模这种建模方法是对建筑物进行三维几何表示，它可以看作是从实际三维物体到物体模型的映像，但是目前这些重建方法一是建模精确不高，二是建模的工作量大。

基于激光数据历史街区的三维重建主要是利用现有的激光点云数据快速地提取矢量化的建筑群模型，是工作量和模型精准度都优于传统的建模方法，目前国外很多学者在对基于激光的建筑物模型自动提取的研究做深入的研究，并取得一定成果，这为历史街区三维重建提供了极大的便利。建筑物模型自动提取主要包括：①获取建筑物的近似大小(长、宽、高)；②区分出平顶和尖顶房屋；③区分出建筑物是矩形、T、L、U 和十字形状；④获得主要的屋顶面的个数和形状；⑤ 检测并分离距离较近的建筑物；⑥ 清除屋顶面上的扰动或者噪音（包括天窗和烟筒）；⑦ 检测出屋顶上的小建筑并将他们合为一体[8]。图5是福州市三坊七巷历史保护街区现场测绘的激光点云扫描后恢复的三维场景。

4.3历史街区三维重建的应用

4.3.1提高历史街区保护与更新中的公众参与程度

纵观历史街区保护与更新的理论和实践的发展过程，可以看出，历史街区的保护更新离不开生活在其中的公众的参与和支持，历史街区的改造和公众的参与就像“鱼和水”的关系一样，是相互依赖、共同生长和发展的。当今历史街区保护更新的发展趋势也渐渐向公众参与的方向发展，小规模改造、“微循环”式的改造都离不开公众全方位的参与和支持。三维重建后的虚拟历史街区将继续秉承虚拟现实的优势，增强公众对改造后街区在感官上的认识，从而提高历史街区保护与更新中的公众参与程度。

4.3.2 多种历史建筑要素的比较以及综合或专项评价

三维重建后，通过搜索出历史建筑要素的边界，求出轮廓线，然后将研究对象与建筑图库中不同历史年代对应元素进行比较，便可作出评价和结论。

4.3.3对木构做法、建筑格局进行深度分析

建筑格局比较复杂，主要有庭院式布局(廊院式、合院式)；非庭院式布局(贯联式布局、联排式布局、散点式布局)。通过三维重建，搜索出所有建筑的边界、中心、法线方向，最后由专家根据自然环境、风水、民俗等进行评价，并做出结论。

总之，通过对历史街区的特征着手分析，如：①有序的鱼骨状街坊格局；②连绵起伏的屋脊，坡屋顶构筑的天际轮廓线；③街巷口门拱门楼、粉墙灰瓦、朱门雨檐门斗、条石路面等独特内涵构成的连续坊巷界面；④是组合多进式、前堂后寝边花厅式的平面布局；⑤是“观音兜”式封火墙、夯土防火墙、飞檐翘角等墙式；⑥是以石、土、砖、木等的建筑材质。这些特征，极大地优化了所得的激光数据，为历史街区三维重建及肌理分析打下了良好的基础。

5前景及存在问题

5.1前景

5.1.1潜在用户

国家建设部已经正式批准了100余座历史文化名城，其中绝大部分都存在古建筑的保护与利用问题，如北京的故宫、福州的三坊七巷等。据文物部门统计，我国目前被列入保护范围的古建筑群有近30万处。利用激光扫描技术快速构建古建筑三维模型的技术方法，具有重要的理论意义和应用价值。各历史文化名城的规划建设部门和文物保护单位都将是该应用的潜在用户。

5.1.2市场前景

随着激光扫描硬件软件性价比的不断提升，古建筑空间结构的快速三维重构技术将受到各类用户的青睐。已修复完成的地区可以利用该技术建立历史街区的完整三维虚拟模型，用于展示和推广(包括网络上的推广)；尚未修复的地区在建立三维虚拟模型之后，可以利用三维设计CAD软件对修复工作进行方案设计，从而显著提高工作效率。因此，该技术成果将具有良好的市场前景。

5.1.3 经济效益及社会作用

由于存在较大的潜在市场，成果将会产生良好的经济效益。由此带来的城市历史文脉的保留与延续，则有利于提升城市的品质，激发城市居民的归属感和自豪感，从而产生积极的社会意义。

5.2存在的问题

激光遥感技术虽然已经被广泛地用于古建筑物的重建工作中，但是仍然存在很多的问题需要解决。各种普通的特征提取与处理算法直接应用于古建筑物重建中还有一定距离，自动化程度较低是目前困扰实际应用的一个重要难题，也是日后该应用研究力求解决的重要问题。

5.2.1 三维点云数据特征检测。由于建筑物年代久远、表面粗糙，给特征检测中的阈值设定带来了困难；另外，古建筑物的结构复杂，表面形状多变，难以用一种或几种形状表达。此外，在三维空间下的特征检测本身就比较复杂。

5.2.2古建筑物模型重建。古建筑物重建过程中需要涉及到具有规则几何形状和任意形态的两种类型的部件，如何界定并分离这两种部件是比较困难的工作。由多个简单几何形体构成复杂结构的识别与重建也是十分复杂，一方面几何的复杂性增加了特征检测的不可靠性，另一方面，几何的复杂性也给结构的重建和表达带来了困难。

5.2.3古建筑物纹理的提取

纹理可以充分表现建筑物的光影信息，使结果更加真实。正常的纹理产生可以通过提取每一个部件的纹理，使用多站点下纹理数据的融合实现，但是融合过程中如何选择最优的规则是一个技术难点。另外，当纹理缺失时，通过纹理的近似程度，从已有的数据中寻找近似纹理数据完成纹理缺失区域的补充是非常复杂的问题。

参考文献：

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[2] 周克勤，许志刚，宇文仲. 三维激光影像扫描技术在古建测绘与保护中的应用. 工程勘察，2004(5) :43-46.

[3] 郑德华，雷伟刚. 地面三维激光影像扫描测量技术[J]. 铁路航测，2003(2) :26-28.