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短脈沖激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事等領(lǐng)域，但是隨著使用次數(shù)、時(shí)間的變化以及激光器本身性能的波動(dòng)，造成輸出性能下降，更多地體現(xiàn)在能量的變化。這樣，就會(huì)造成與其配套設(shè)備性能的下降，甚至無(wú)法工作。如遠(yuǎn)距離激光測(cè)距機(jī)因激光能量的下降，造成測(cè)量距離變短等。傳統(tǒng)的激光能量計(jì)，測(cè)量口徑小、速度慢，無(wú)法滿足特定環(huán)境、設(shè)備的需求。

小陣列核脈沖能量與時(shí)間譜分析系統(tǒng)是國(guó)家自然科學(xué)基金和NSAF聯(lián)合基金 項(xiàng)目的創(chuàng)新成果，采用先進(jìn)的低噪聲陣列讀出電路和基于FPGA的多通道能量與 時(shí)間譜分析系統(tǒng)，能夠同時(shí)測(cè)量小陣列像素探測(cè)器的能譜和時(shí)間譜，并繪制出一 維能量譜、一維時(shí)間譜、能量與時(shí)間的二維譜以及光子作用位置分布圖。 該系統(tǒng)相對(duì)于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)能夠同時(shí)測(cè)量核脈沖的 能量和時(shí)間譜，并給出二維譜分布；(2)能夠?qū)π￡嚵刑綔y(cè)器進(jìn)行高速并行讀 出，并具有較高的靈敏度；(3)可以實(shí)現(xiàn)初步的能譜成像，并具有亞像元空間 分辨能力。 系統(tǒng)指探測(cè)器、模擬讀出電路、FPGA譜分析系統(tǒng)以及電源四個(gè)模塊組成， 低壓電源采用±3. 7V可充電鋰電池，高壓電源采用IkV高壓模塊，探測(cè)器采用基 于CZT晶體的像素陣列探測(cè)器，探測(cè)器與模擬讀出電路體積為 4. 5cmx4. 5cmx2. 7cm, FPGA 譜分析系統(tǒng)體積為 6. 5cmx8. Icmx2. 5cm,基本系統(tǒng)的 像素陣列為2x2,高分辨系統(tǒng)的陣列數(shù)可達(dá)8x8,系統(tǒng)的時(shí)間分辨可達(dá)5ns,能 量測(cè)量下限可達(dá)5keV,對(duì)59. 5keV伽馬射線可以實(shí)現(xiàn)能量分辨率5. 5%。

本研究成果研究出一種先進(jìn)的能量管理和能量動(dòng)態(tài)平衡新技術(shù)、使電池組使 用壽命（續(xù)航能力）成倍增長(zhǎng)。 由于鋰離子電池具有單節(jié)電壓低的特點(diǎn)，通常將多節(jié)電池串聯(lián)，構(gòu)成電池組 使用。而由于制造工藝的原因，單體電池的特性總存在差異，在充（放）電過(guò)程 中容易出現(xiàn)部分電池過(guò)充或過(guò)放的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電池的使用壽命，從而導(dǎo) 致電池組使用壽命縮短幾倍甚至十幾倍。為了延長(zhǎng)電池組的使用壽命，必須 使所有的電池均保持在同樣的電池荷電狀態(tài)（SOC, State of Charge）□因此， 需要建立鋰離子電池組能量均衡系統(tǒng)，平衡電池組中各個(gè)單體電池的SOC,充 分發(fā)揮各單體電池性能，提高電池組使用容量，延長(zhǎng)其使用壽命。該項(xiàng)技術(shù)已 有大量研究成果，包括有損均衡（被動(dòng)均衡）和無(wú)損均衡（主動(dòng)均衡）兩種方式。 有損均衡是能量耗散型方式，技術(shù)趨成熟，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用（豐田普銳斯混動(dòng) 汽車）。但其能量全部損耗在電阻上，效率低。無(wú)損均衡通過(guò)電路對(duì)能量進(jìn)行轉(zhuǎn) 移來(lái)實(shí)現(xiàn)能量均衡，效率高。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，目前還在研究過(guò)程中。 主要問(wèn)題是均衡速度慢、效率低。本研究成果提出了一種先進(jìn)的電池組能量均衡 技術(shù)一一總線式均衡技術(shù)，與其它均衡技術(shù)相比，具有電路簡(jiǎn)單、易于模塊化、 均衡速度快、效率高、電路成本不顯著增加的特點(diǎn)。特別適用于大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)。 市場(chǎng)及經(jīng)濟(jì)效益分析： 該項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的儲(chǔ)能系統(tǒng)，是智能電網(wǎng)、可再生能源接 入、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)以及電動(dòng)汽車發(fā)展必不可少的支撐技術(shù)，不但可以有 效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理、消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷，提高電力設(shè)備運(yùn)行效率、降 低供電成本，而且還可以調(diào)整頻率和補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。例如, 風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)組成的局域網(wǎng)；偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、工廠及辦公樓供電; 通信系統(tǒng)中不間斷電源和應(yīng)急電能系統(tǒng)；大規(guī)模電力存儲(chǔ)和負(fù)荷調(diào)峰系統(tǒng)；電動(dòng) 汽車的動(dòng)力系統(tǒng)；國(guó)家重要部門的大型后備電源；軍事領(lǐng)域中可移動(dòng)大型供電設(shè) 備等。因此，該項(xiàng)技術(shù)具有巨大的產(chǎn)業(yè)化效益。

01. 成果簡(jiǎn)介 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)具有污染低，排放少，高比功率等優(yōu)點(diǎn)，在汽車上有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。燃料電池汽車一般包含兩個(gè)動(dòng)力源，即燃料電池和動(dòng)力電池，如何實(shí)現(xiàn)兩個(gè)動(dòng)力源間最優(yōu)的功率分配，提高能量利用率和使燃料電池大部分工作在穩(wěn)態(tài)工況下，提高燃料電池的使用壽命，是動(dòng)力系統(tǒng)控制和能量管理的重點(diǎn)。 針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)控制，提出了一種燃料電池混合動(dòng)力整車控制方法和基于多信息融合的整車控制方法等。整車控制器通過(guò)實(shí)施讀取車輛狀態(tài)參數(shù)，預(yù)測(cè)整車需求功率，根據(jù)動(dòng)力電池SOC狀態(tài)，計(jì)算預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)動(dòng)力電池的目標(biāo)最優(yōu)SOC軌跡，同時(shí)計(jì)算整車的輔助功率等，實(shí)現(xiàn)整車目標(biāo)功率在動(dòng)力電池和燃料電池之間的優(yōu)化分配。 針對(duì)能量管理，提出了一種燃料電池汽車的熱管理系統(tǒng)和基于地理位置信息的能量管理方法等。新型熱管理系統(tǒng)采用水冷方式控制燃料電池工作在合適的溫度，利用燃料電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量以及輔助電加熱器產(chǎn)生的熱量，用于車輛冬季取暖，同時(shí)用于鋰離子電池在冬季的保溫?；诘乩砦恢眯畔⒌哪芰抗芾矸椒▽④囕v的地理位置信息與車輛的功率需求結(jié)合起來(lái)，通過(guò)多時(shí)間尺度的通訊，融合馬爾可夫模型和動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了工況預(yù)測(cè)和最優(yōu)的能量管理。 同時(shí)還針對(duì)燃料電池等混合動(dòng)力汽車，提出了多種網(wǎng)絡(luò)通訊方法和通訊網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)。提出了基于有限狀態(tài)機(jī)的分布式控制系統(tǒng)、基于時(shí)間出發(fā)的分布式控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊方法和基于TTCAN的整車通訊網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)等。簡(jiǎn)化了控制流程設(shè)計(jì)，通過(guò)確立系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間信息交互模式可方便的規(guī)劃各節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同工作，避免網(wǎng)絡(luò)仲裁和沖突，提高網(wǎng)絡(luò)安全的實(shí)時(shí)性和安全性。02. 應(yīng)用前景 本成果可應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域。03. 知識(shí)產(chǎn)權(quán) 本成果涉及10項(xiàng)發(fā)明專利。04. 團(tuán)隊(duì)介紹 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)主要研究方向新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)成員包括歐陽(yáng)明高、李建秋、楊福源、王賀武、盧蘭光、李希浩、徐梁飛、杜玖玉、韓雪冰、馮旭寧等，課題負(fù)責(zé)人為李建秋，獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)，北京市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)、中國(guó)汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，論文發(fā)表200余篇。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)深度參與了中國(guó)新能源汽車的戰(zhàn)略規(guī)劃、科技研發(fā)、國(guó)際合作、示范考核和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的全過(guò)程，培育出多家學(xué)生創(chuàng)業(yè)型高科技企業(yè)，為中國(guó)新能源汽車躋身世界先進(jìn)行列作出了重要貢獻(xiàn)。05. 合作方式 技術(shù)許可。06．聯(lián)系方式 郵箱： zhangyan2017@tsinghua.edu.cn

成果創(chuàng)新點(diǎn) 主要技術(shù)創(chuàng)新路徑：傳統(tǒng)爆炸焊接的裝置，其上表面 裸露在空氣中。而本技術(shù)在炸藥上表面對(duì)稱地放置與炸藥 下表面一致的復(fù)板和基板，整體作為一個(gè)單元；為避免上 半部分拋擲出去，因而重復(fù)該單元，讓炸藥沖擊互相約束； 最頂部不能再鋪設(shè)復(fù)板與基板，因而以膠體水替代，能提 高其能量利用率。 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：各層炸藥同步起爆、間隙及炸藥配方 和用量； 核心解決問(wèn)題、核心優(yōu)勢(shì)：解決了

主要技術(shù)創(chuàng)新路徑：傳統(tǒng)爆炸焊接的裝置，其上表面裸露在空氣中。而本技術(shù)在炸藥上表面對(duì)稱地放置與炸藥下表面一致的復(fù)板和基板，整體作為一個(gè)單元；為避免上半部分拋擲出去，因而重復(fù)該單元，讓炸藥沖擊互相約束；最頂部不能再鋪設(shè)復(fù)板與基板，因而以膠體水替代，能提高其能量利用率。 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：各層炸藥同步起爆、間隙及炸藥配方和用量； 核心解決問(wèn)題、核心優(yōu)勢(shì)：解決了爆炸焊接工業(yè)生產(chǎn)中的成本和效率問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)證明五層的該結(jié)構(gòu)可以提升能量利用率 63%，且該技術(shù)多塊板一次成型，大大提高了工作效率；

量子照明雷達(dá)是新興的研究方向，是量子信息技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的新興產(chǎn)物。而量子信息技術(shù)又是古老的量子力學(xué)與信息技術(shù)相結(jié)合的交叉學(xué)科，不少研究者因晦澀的量子力學(xué)而望而卻步。為了降低量子照明雷達(dá)的神秘感，打破抽象壁壘，我們創(chuàng)造性地發(fā)展了量子照明雷達(dá)的高效仿真技術(shù)，對(duì)于未來(lái)實(shí)現(xiàn)量子雷達(dá)的普及與推廣具有重要意義。 截止目前，尚未見(jiàn)到關(guān)于量子照明雷達(dá)仿真平臺(tái)的相關(guān)報(bào)道。而該成果基于MATLAB這一易于上手的計(jì)算機(jī)數(shù)值平臺(tái)，溝通了抽象的量子力學(xué)與具體的量子目標(biāo)探測(cè)之間的橋梁，具有創(chuàng)新性和國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)先進(jìn)性。 經(jīng)過(guò)近五年的研究和近兩年教學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn)，該成果不斷豐富和完善，通過(guò)可視化的工作界面，可以給出量子信號(hào)源的關(guān)鍵物理參數(shù)分析、量子態(tài)演化過(guò)程、多份量子態(tài)條件下量子照明雷達(dá)的虛警概率分析等多個(gè)方面的圖形化界面，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。鑒于量子雷達(dá)技術(shù)是未來(lái)新體制雷達(dá)的重要技術(shù)途徑之一，本成果將有望在空間、水下目標(biāo)探測(cè)方面取得應(yīng)用，市場(chǎng)應(yīng)前景廣闊。截止到目前，該成果已經(jīng)應(yīng)用于高年級(jí)本科生的培養(yǎng)與實(shí)訓(xùn)和北京某研究所的新體制目標(biāo)探測(cè)項(xiàng)目研發(fā)中。

無(wú)論是從技術(shù)或是成本上考慮，電池使用壽命的提高都遇到極大挑戰(zhàn)，甚至到了極限。本研究成果研究出一種先進(jìn)的能量管理和能量動(dòng)態(tài)平衡新技術(shù)、使電池組使用壽命（續(xù)航能力）成倍增長(zhǎng)。 由于鋰離子電池具有單節(jié)電壓低的特點(diǎn)，通常將多節(jié)電池串聯(lián)，構(gòu)成電池組使用。而由于制造工藝的原因，單體電池的特性總存在差異，在充（放）電過(guò)程中容易出現(xiàn)部分電池過(guò)充或過(guò)放的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電池的使用壽命，從而導(dǎo)致電池組使用壽命縮短幾倍甚至十幾倍。為了延長(zhǎng)電池組的使用壽命，必須使所有的電池均保持在同樣的電池荷電狀態(tài)（SOC，S

本發(fā)明涉及一種激光雷達(dá)系統(tǒng)回波能量的計(jì)算模型。本模型基于光線追跡方法，可用于任意激光強(qiáng) 度分布、任意孔徑遮擋的共軸或雙軸激光雷達(dá)系統(tǒng)，獲取探測(cè)器于任意像面位置處所接收的激光回波能 量。本發(fā)明提出的激光回波能量計(jì)算模型具有普適性強(qiáng)、精度高、速度快等特點(diǎn)。 

【研究背景】 圖1所示高斯光斑、平頂圓光斑和環(huán)形光斑作用在材料上的光強(qiáng)與溫度場(chǎng)分布示意圖，常規(guī)高斯光束能量分布不均勻，中心能量強(qiáng)邊緣能量弱，使用高斯分布聚焦光斑進(jìn)行激光焊接時(shí)，由于光斑中心部分吸收的激光能量高，材料容易熔化氣化蒸發(fā)，從而產(chǎn)生飛濺、形成凹陷和空洞等缺陷。平頂光斑作用在材料上時(shí)，用于熱傳導(dǎo)的作用，還是會(huì)造成中心與邊緣的溫度場(chǎng)分布不均勻，焊接熔深呈現(xiàn)月牙分布?？刂骑w濺、凹陷和空洞等缺陷的關(guān)鍵因素是控制激光束的能量分布，減少中心材料溫度和以及焊點(diǎn)中心和邊緣的溫度差。合理設(shè)計(jì)的環(huán)形光斑，有利于獲得相對(duì)均勻性的溫度場(chǎng)分布和相對(duì)均勻的熔深分布，減少飛濺、凹陷和空洞等焊接缺陷，是目前高端激光焊接應(yīng)用的一個(gè)技術(shù)發(fā)展方向。 圖1 不同光斑的光強(qiáng)分布和在材料上的溫度場(chǎng)分布 【痛點(diǎn)問(wèn)題】 現(xiàn)有基于擺動(dòng)掃描方式和點(diǎn)環(huán)形模式可調(diào)光纖激光器，在一定程度上解決了激光焊接的飛濺問(wèn)題，但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備制造成本和維護(hù)成本高，而且不太適合高精密或大功率厚板的激光焊接。 【解決方案】 本成果從激光光學(xué)聚焦頭的設(shè)計(jì)上，提出了申請(qǐng)專利技術(shù)的基于衍射光學(xué)元件和折射光學(xué)元件的環(huán)形光斑或點(diǎn)環(huán)產(chǎn)生方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活方便，可適用于高精密激光焊接、高反射材料加工和高功率厚板激光焊接。 （1）基于衍射光學(xué)元件的環(huán)形光斑產(chǎn)生方法 為了解決能量分布不均勻以及光束敏感性的問(wèn)題，本成果通過(guò)螺旋相位板產(chǎn)生渦旋光束來(lái)獲得環(huán)形光斑進(jìn)行焊接。螺旋相位板是一種具有固定折射率的透明板，其一面是平面結(jié)構(gòu)，相對(duì)面具有螺旋形狀結(jié)構(gòu)，類似于旋轉(zhuǎn)臺(tái)階，如圖2所示。 圖2 螺旋相位板結(jié)構(gòu) 螺旋相位板其厚度隨著方位角的變化而變化。高斯分布的激光束從螺旋相位板平面端面入射，光束中心與螺旋相位板中心對(duì)齊，出射的光束相位被改變，附加一個(gè)螺旋相位因子，能量分布變?yōu)榄h(huán)形分布，出射的光束變?yōu)闇u旋光束，其中l(wèi)為渦旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)，影響渦旋光束能量較低區(qū)域的大小。螺旋相位板的臺(tái)階高度通常為微米量級(jí)，并且初始光束都是通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束的，基本沒(méi)有發(fā)散，因此，螺旋相位板對(duì)光束光強(qiáng)基本沒(méi)有衰減，而只是改變光束的相位。利用螺旋相位板產(chǎn)生的渦旋光束解決了能量分布均勻性的問(wèn)題，同時(shí)用螺旋相位板產(chǎn)生的渦旋光束的穩(wěn)定性好，環(huán)形的能量分布特點(diǎn)，不容易受到外界其他因素影響，可以較為穩(wěn)定地保持光斑均勻性。本成果具體產(chǎn)生渦旋光束的光路圖如圖3所示。表1給出了不同拓?fù)鋽?shù)渦旋光束的光場(chǎng)分布。 圖3 產(chǎn)生渦旋光束的光路圖 表1 不同拓?fù)鋽?shù)渦旋光束的光場(chǎng)分布 本成果設(shè)計(jì)加工了產(chǎn)生渦旋光束的衍射光學(xué)元件，通過(guò)組合獲得了不同拓?fù)鋽?shù)的渦旋光束，圖4給出實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)的渦旋光束，相對(duì)其他方法產(chǎn)生的環(huán)形光斑，采用渦旋光束方式產(chǎn)生環(huán)形光斑的好處是，離開(kāi)焦面還能保持環(huán)狀光強(qiáng)分布。除了在激光增材制造有用外，這種光束未來(lái)在切割、焊接、打孔等方式都有應(yīng)用，可以獲得更好的溫度場(chǎng)分布和更好的激光加工效果。 圖4 實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)的渦旋光束 （2）基于折射光學(xué)元件的環(huán)形光斑或點(diǎn)環(huán)光斑產(chǎn)生方法 圖5為基于折射光學(xué)元件的環(huán)形光斑的產(chǎn)生方法，包括透射式的和全反射式的結(jié)構(gòu)，后面根據(jù)不同的焊接溫度場(chǎng)分布設(shè)計(jì)不同組合的環(huán)形光斑。 （a）三鏡方案 （b）兩鏡方案 （c）單鏡方案 圖5 基于折射光學(xué)元件的環(huán)形光斑的產(chǎn)生方法