我所2016年国家自然科学基金 项目申请喜获7项资助

        近日,2016年国家自然科学基金项目申请结果公布,我所取得可喜成绩,共申请6项国家自然科学基金面上项目和1项青年基金项目,全部获得资助。

        国家自然科学基金是基础研究能力的重要标志。据悉,2016年全国共申请国家自然基金174309项,获得资助38160项,平均资助率22%;哈尔滨工业大学共申请基金1089项,获得资助338项,平均资助率31%。近5年我所国家自然科学基金的资助率均在60%以上,今年更是达到100%;充分说明我所在围绕超精密测量领域的基础研究方面,从课题研究背景、选题及方向、前期预先研究、创新点凝练等方面,得到国内同行的高度认可;这些基金资助,为我所相关教师、博士和硕士研究生提供了较为广阔的研究空间。

        在此,特别向获得资助的各位老师表示热烈的祝贺,希望各位老师再接再厉,取得更好的学术研究成果;同时,也希望我所其他青年教师在未来的国家自然科学基金申请中,积极选择重大背景需求,提炼重要科学问题,凝练原创性创新点,并扎实做好前期研究基础工作。

 

国家自然科学基金面上项目

非共光路外差激光干涉测量中的光学非线性/光程差模

扰动机理与优化方法

申请人:胡鹏程 博士、教授/博导      

                                                                                        

  摘要:                                                                                                                                                                                                        

突破双频激光交叉混迭引起的纳米级光学非线性误差、实现亚纳米甚至皮米级超精密测量是外差激光干涉测量新技术研究正面临的重要使命。然而,近年来被寄予厚望的非共光路外差激光干涉测量新技术,其采用非共光路结构、避免双频激光交叉混迭后仍出现作用机理不明、幅度10pm至1nm的光学非线性误差,且非共光路结构还易导致严重的光程差模扰动误差。为此,本项目首先揭示非共光路条件下光学非线性的产生机制和作用规律,接着研究非共光路条件下测量臂/参考臂之间的光程扰动机制和作用规律;在此基础上,探索可同时减小光学非线性、光程差模扰动的干涉光路优化设计方法。本项目研究将促进形成具有自主知识产权的亚纳米/皮米级激光干涉测量技术,在下一代微电子制造、精密计量等领域具有广泛的应用前景。

  特色和创新之处:

(1) 拟探索一种基于多阶多普勒频移虚反射光束混迭的光学非线性形成机制。针对非共光路外差激光干涉在无双频交叉混迭时仍存在光学非线性现象,而现有光学非线性理论均源于双频光束交叉混迭模型、无法完善解释该现象的问题,拟探索基于多阶多普勒频移虚反射光束混迭的光学非线性误差形成机制,可揭示“非共光路”条件下光学非线性误差的形成机制和作用规律,为非共光路外差激光干涉中光学非线性的优化设计奠定理论基础。

(2) 拟提出一种减小光程差模扰动的对角入射式外差激光干涉差分测量方法。针对非共光路外差激光干涉仪因双频激光非共光路传输和光路结构复杂引入更多的差模扰动误差、同时亚纳米至皮米级超精密测量对干涉仪测量臂/参考臂之间的差模扰动更加敏感的问题,首先提出对角入射式非共光路外差激光干涉光路,其从光程到光学器件均实现了全对称、可避免测量臂/参考臂光程不对等引入的差模扰动;在此基础上,引入共生参考干涉光路,将原干涉光路的差模扰动变成两个干涉光路的共模扰动,通过进一步的差分处理可减小由于干涉光路中测量臂/参考臂环境因子不均匀分布和不均匀迁移引入的差模扰动。                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

国家自然科学基金面上项目

基于超磁致伸缩微应变与石英摆线复合机理的

多级隔微振方法

申请人:王雷 博士、教授/博导

 

摘要:                                                                                                                                                                                  

针对主动单元复杂,功耗大,效率低的问题。在空气弹簧与石英单摆组合的多级隔振原理和系统上, 将超磁致伸缩材料与石英摆线复合,实现主动与被动元件一体化。提出一种基于超磁致伸缩微应变与细长石英丝摆线复合的主被动多级隔微振方法。同时依靠超磁致伸缩细长丝构建基于磁致伸缩效应的超低频振动信号扩展技术。设计超磁致伸缩延迟线,利用超磁致伸缩磁-机耦合特性,实现对电噪声抑制,对1Hz以下振动信号提取放大。基于以上工作机理的多级主被动控制的隔振方法可实现隔振系统超低固有频率(垂直、水平固有频率<1Hz)。

 特色和创新之处:

(1)针对超低频隔振技术向1Hz以下发展的趋势,提出并完成一种基于超磁致伸缩与石英复合主动微应变机理的多级单摆隔振方法。

(2)利用超磁致伸缩主动微应变特性的主动负刚度和石英单摆被动隔振复合的主被动隔振机理,通过对多级支撑方式的机械结构耦合和控制策略的选择来实现系统结构总刚度和阻尼自适应控制。

(3)课题目标是实现隔振系统具有超低的固有频率,以及全频带(1Hz~∞Hz)的高性能隔振(振动速度小于5μm/s)。

 

国家自然科学基金面上项目

基于微球电极三维电子隧穿效应的位移传感方法与理论

申请人:崔俊宁 博士、副教授/博导

摘要:          

提出一种基于微球电极三维电子隧穿效应的位移传感方法,可兼顾高分辨力、非接触式测量和三维大深宽比测量能力,且具有突出的三维各向同性和近似点瞄准特性,对该方法的模型、机理和相关技术基础进行研究。主要研究内容:1)建立微球电极微瞄准被测件构成的金属/空气/金属微观界面中三维电子隧穿的理论模型,研究自由电子隧穿三维势垒形成隧道电流的机理和规律;2)建立微观界面中偏置场强分布的分析模型,研究偏置电场影响三维电子隧穿的特性和规律,探索最优偏压值等隧穿条件;3)建立载波激发交流偏置电场对三维电子隧穿进行动态调制的分析模型,探索球面散射场与微球电极三维电子隧穿位移传感原理的复合方法,兼顾高分辨力和大量程特性;4)探索传感器的微制造工艺,研制原理样机并对其性能进行测试和评价。预期达到的主要技术指标:测头直径100um~1mm,分辨力达到0.1nm,可测深宽比达到50:1。

 特色和创新之处:

(1)本项目将量子隧穿效应引入微小尺度精密传感与测量,揭示微球电极微瞄准被测件构成的金属/空气/金属微观界面中三维电子隧穿的机理和规律,并提出一种兼顾纳米精度特征、非接触式测量和三维大深宽比测量能力及突出的三维各向同性、近似点瞄准特性的微小尺度传感方法与理论。

(2)通过微球电极瞄准被测件构成特殊的金属/空气/金属结构的微观界面,将传统“针尖对平面”形式的一维电子隧穿结构扩展为“球面对被测表面”的三维结构,增加隧道电流密度、平滑特性曲线,在保证灵敏度的前提下大大增加势垒宽度,可同时兼顾高分辨力与瞄准精度、非接触测量方式和三维大深宽比测量能力,并具有突出的三维各向同性和近似点瞄准特性;为毫米以下、微纳以上跨尺度微小零件的高精度测量提供一种有效的传感方法与理论,并有望扩展应用到宏观尺度测量、微纳坐标测量、生物组织测量等领域。

 

国家自然科学基金面上项目

实现超分辨聚焦的复合偏振器和复振幅滤波器

设计与加工的研究

申请人:林杰 博士、副教授/博导

摘要:

针对传统光学系统无法克服衍射极限聚焦的问题,提出利用复合偏振器和复振幅滤波器实现超分辨聚焦。为实现这一目标,基于矢量衍射理论,建立复合偏振态和聚焦场关系的数学模型。针对复合偏振器和复振幅滤波器优化,提出以粒子群优化理论为框架的遗传-粒子群联合算法。实现迭代步数小、速度快、具有全局搜索能力、优化结果精度高的优化设计。并利用微纳加工技术制备具有复合偏振器和复振幅滤波多功能合一器件,保证实现超分辨聚焦。本项目将完成复合偏振器设计、复振幅滤波器设计、优化算法研究、所设计器件的加工,最终实现超分辨聚焦。

 特色和创新之处:

(1)建立复合偏振态和聚焦场的数学模型设计用于实现超分辨聚焦的复合偏振器。

(2)设计复振幅滤波器,压缩聚焦光斑横向分布,实现超分辨聚焦。

(3)提出遗传-粒子群联合算法,充分发挥遗传算法和粒子群算法的在优化设计中的优势,解决光学中多参数复振幅滤波器和复合偏振器优化中速度慢和易陷入局部解的问题。

(4)提出遗传-粒子群联合算法,充分发挥遗传算法和粒子群算法的在优化设计中的优势,解决光学中多参数复振幅滤波器和复合偏振器优化中速度慢和易陷入局部解的问题

 

国家自然科学基金面上项目

面向空间伴飞机器人在轨柔性视觉检测的

运动规划方法研究

申请人:吴剑威 博士、副研究员/硕导

摘要:

针对目前在轨检测技术的局限,本项目从新的角度出发,将空间机器人技术与结构光三维检测技术有机结合,提出一种利用空间伴飞机器人实现在轨柔性视觉检测的运动规划方法。由于空间伴飞机器人具有良好的机动性,因此该方法可满足多数航天器表面结构的在轨细致检测需求。理论研究上,本项目拟基于刚柔耦合的动力学模型及线结构光测量模型,以实现机械臂精确跟踪检测轨迹并对航天器表面结构精确成像为目标,通过理论分析、建模仿真和实验验证,系统地建立空间伴飞机器人在轨柔性视觉检测方法以及检测轨迹精确跟踪和机械臂振动抑制的运动规划方法。本项目顺应了空间在轨服务技术的发展需求,为未来在轨检测理论和方法提供一个新的研究思路。

 特色和创新之处:

(1)本项目特色之处在于本方案首次将空间机器人作为航天器的伴飞检测平台,并以柔性视觉测量为检测手段,可以从根本上克服现有航天器检测平台不能贴近航天器表面进行细致检测的技术局限,为在轨检测方法提供了一个新的发展思路。

(2)本项目的创新之处在于提出了一种空间伴飞机器人在轨柔性视觉检测的运动规划方法。该方法首次结合空间机器人技术与结构光测量技术,并将其应用于在轨航天器表面三维结构的检测,探讨空间伴飞机器人精确跟踪检测轨迹的运动规划方法以及提高航天器表面结构检测精度的基本理论问题。主要包括三个方面:① 提出基于刚柔耦合法及误差传递模型的系统柔性视觉测量转换模型建模方法; ② 提出一种面向跟踪柔性视觉检测轨迹的空间机械臂运动规划方法,该方法可实现机械臂末端轨迹的精确跟踪、腕部奇异回避、载体位姿调整以及被测航天器避免碰撞等运动规划;③ 提出一种机械臂末端振动抑制的运动规划方法。

 

国家自然科学基金面上项目

基于多频激光碘分子频标偏频锁定的超外差与外差

结合式激光测距方法研究

申请人:杨宏兴 博士、讲师/硕导

摘要:

针对未来重大科学装置,航空航天装备等在几十米测量范围内高达10^(-8)量级的相对测量精度需求,研究基于多频激光碘分子频标偏频锁定的超外差与外差结合式激光测距方法,解决影响测量精度的关键问题。首先,提出一种基于碘分子频标锁定的多频激光产生方法,将测距等效合成波长溯源到碘分子光频标,打破现有稳频方法在激光输出频率稳定度和功率上的壁垒,得到无频率调制、抗振动能力强的多频激光,其等效合成波长的长期频率稳定度稳定在10^(-8)以上;其次,提出外差与超外差结合式激光测距方法,将外差干涉测量模型和超外差探测模型相结合,解决超短等效合成波长的超高频率探测固有缺点,将超外差测量精度高与外差测量范围大的优点完美结合,然后,提出基于光束空间分离的绝对距离干涉方法,建立空间分离型多频激光干涉误差模型,从原理和技术上消除多频激光混叠误差;最后,有机融合上述方法,形成几十米范围内的高精度激光测距装置。

 特色和创新之处:

(1)提出一种基于碘分子频标锁定的多频激光产生方法,打破现有稳频方法在激光输出频率稳定度和功率上的壁垒,研究并揭示超外差及外差结合式多合成波长的稳定度影响机理。

(2)提出一种外差与超外差结合式激光测距方法,将外差干涉测量模型和超外差探测模型相结合,解决超短等效合成波长的超高频率探测特性的固有缺点,实现同时提高绝对距离测量精度与扩展测量范围的目的。

(3)提出基于光束空间分离的绝对距离多频激光抗混叠干涉方法,建立空间分离型多频激光干涉误差模型,揭示光束空间分离型干涉技术对非线性误差的影响机理,通过设计多频率干涉参考光和测量光的空间分离光路,杜绝由于光学器件与激光偏振态的非理性特性造成的多频混叠及泄露,减小非线性误差的影响。

 

国家自然科学基金面上项目

基于外差双光学频率梳的绝对距离超精密测量方法研究

申请人:杨睿韬 博士、助理研究员

摘要:

随着大型尖端科学实验装置与大型超精密装备制造技术的不断进步,激光绝对距离测量技术得到广泛应用。但现有激光测距技术普遍存在难以实现nm量级超精密测量、难以兼顾测量精度与效率的问题。针对这些问题,本项目探索一种基于外差双光学频率梳的多波长干涉测距方法,利用单个频率梳齿进行最高精度的距离测量,由各级合成波长进行测程扩展,深入剖析多梳齿干涉测距信息的转移途径,研究多个不同尺度合成波长的同步生成理论,同时进行距离粗测与精测以兼顾测量精度与效率。为防止相位测量误差制约nm量级测距精度的实现,提出基于PDH原理的频率梳稳频方法以避免附加调制引入的相位测量误差,研究基于多通道锁相探测理论以抑制噪声频谱带来的相位测量误差,并通过多个梳齿的测距信息融合进一步抑制相位测量误差对测距精度的作用效果。本项目将促进具有自主知识产权的激光测距技术发展,对提升我国大型尖端实验装置与超精密装备制造技术的水平有重要推动作用。

 特色和创新之处:

(1)提出基于外差双光学频率梳的多波长干涉测距方法,利用中心梳齿偏频锁定、梳齿间隔稍有不同的两束光学频率梳,同步生成不同尺度的大量合成波长进行距离粗测和精测,以有效兼顾测距精度与速度。由单个频率梳齿干涉信号的高精度相位测量预期可实现nm量级超精密绝对距离测量。

(2)提出基于多梳齿测距信息融合的测相误差抑制方法,深入探索相位测量误差与距离测量精度作用关系,建立多梳齿测距信息融合理论模型,并以此大幅抑制相位测量误差对距离测量精度的影响。

(3)提出基于PDH原理的光学频率梳稳定控制方法,深入研究理想稳频控制点与光学频率梳光谱宽度的数学模型,精确分析误差控制信号的生成方式与理论模型,最终实现光学频率梳稳频精度的进一步提升,使其引起的相位测量误差进一步减小。

(4) 提出基于多通道并行锁相探测的多梳齿干涉测距信息分离与提取方法,建立并分析基于锁相探测原理的多梳齿干涉相位测量精确模型,研究多通道并行锁相探测处理的算法优化过程,利用高速逻辑芯片的硬件加速实现距离测量速度的大幅提升。