时间：2022-06-07 18:48:56
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《激光雷达技术原理》以测量学和数据处理理论和方法为基础，讲授激光雷达技术的基本原理和数据后处理方法，同时结合实际案例讲解激光雷达技术在测绘、地质和工程等领域的应用前景和亟待解决的问题。由于激光雷达是一项测绘新技术，国内还没有成熟的教材，因此结合国际上较为权威的专著《AirborneandTerrestrialLaserScanning》［5］以及国内外相关的研究和应用成果自编了教程，对学生采取了“了解—新型传感器原理”“熟悉—激光扫描仪操作”和“掌握—激光点云数据后处理方法”的教学模式，以达到从理论到实践的教学效果。
1．1了解新型传感器原理
首先，以学生熟悉的全站仪为对照，让学生了解激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器，具有非接触式、精度高(毫米级/亚毫米级)、速度快(可达120万点/秒)、密度大(点间距可达毫米级)的优势，且数据采集方式灵活，对环境光线、温度都要求较低。其次，让学生理解LiDAR的测量原理主要分极坐标法和三角测量法两种。其中，对于极坐标法测量，使学生了解测距的关键在于时间差的测定，引出两种常用的测时方法:脉冲法和相位法;让学生理解直接测时和间接测时的区别以及各自的优缺点，从而进一步了解脉冲式和相位式激光扫描设备的优势、局限性以及应用领域。最后，通过介绍激光雷达采集数据的扫描方式，让学生了解不同平台上的激光雷达传感器的工作特点，如固定式激光扫描仪适合窗口式和全景式扫描，车载、机载以及星载平台适合移动式扫描等。
1．2熟悉激光扫描仪操作
考虑到各类平台激光雷达的作业特点以及现有设备的情况，《激光雷达技术原理》课程以地基三维激光扫描仪为重点，让学生熟悉仪器的外业操作。尽管激光扫描仪数据采集的自动化程度较高，外业采集仍然需要解决扫描设站方案设计和不同扫描站间连接点选择等问题，要求学生在熟悉激光扫描仪软硬件操作的同时，还要掌握激光扫描仪外业采集方案的设计:踏勘工作区，分析研究最优化的扫描设站方案和坐标转换控制点选择，画出相关的设计草图，并设置主要扫描设站的标志。要求设站位置既要保证与相邻站的重叠，又要覆盖尽量大范围的被扫描对象，以减少设站数，从而提高外业数据采集效率。
1．3掌握激光点云数据后处理方法
利用点云数据可视化与点云原始存储格式之间的明显反差，让学生了解激光点云数据后处理的重要性和难点，及其已成为制约激光雷达技术应用瓶颈的现状。根据学生的理解程度，选取了点云的拼接/配准、点云的滤波和分类、点云的分割和拟合等后处理方法，要求学生掌握相关的算法并编程实现。
1．3．1点云的拼接/配准点云拼接是将2个或2个以上坐标系中的大容量三维空间数据点集转换到统一坐标系统中的数学计算过程。要求学生掌握如何解决点云拼接的两个关键问题:同名特征的配准以及旋转矩阵的构造。对于同名特征的配准，使学生了解常用配准方法的特点和适用范围，如ICP方法适合用于精拼接，而基于特征面的方法对场景特征分布要求较高等。着重让学生掌握最常用的人工标靶识别，以及特征面匹配，后者有别于学生所熟知的点特征匹配;对于旋转矩阵的构造，拓展学生在《摄影测量学》［6］中学习的基于欧拉角的旋转矩阵构造，掌握角－轴转角系和单位四元数方法。
1．3．2点云的滤波和分类要求学生了解滤波和分类的目的是解决激光脚点在三维空间的分布形态呈现随机离散的问题。掌握基于高程突变和空间形态学的点云滤波和分类方法。让学生理解单一的信息量会导致算法不稳健，从而引出多源数据融合的思路。目前，已经有很多激光扫描仪生产厂商推出的新产品中实现了多传感器平台的集成，如激光扫描仪会搭载小像幅的数码相机，甚至有些系统还提供由集成传感器生成的红外影像。每种数据源都有其自身的优点和局限性，将多源数据融合能够弥补各个单数据源的局限性，增大信息量，从而提高滤波和分类方法的稳健性。
1．3．3点云的分割和拟合要求学生掌握实现点云分割的相似性原则:平面性、曲面平滑度和邻域法向，以及常用的点云分割方法表面生长法。考虑到点云拟合是由离散激光点坐标计算特征模型参数的过程，要求学生掌握点云拟合中两个主要问题的解决方法:粗差剔除及最优解获取。
2实践教学法
实践教学是卓越工程师培养体系中一个重要的组成部分。作为技术性的测绘工程学科，除应用测量仪器采集数据、应用计算机处理数据的基本能力外，还需要构建实践教学体系以培养学生在实践中选用适当的理论、技术、仪器设备和作业方法解决测绘工程与地理空间信息产品生产实际问题的能力，从而使学生接受测绘工程与地理空间信息产品生产方案设计、实施以及实际应用中测绘工程解决方案确定等系统化训练。《激光雷达技术原理》课程实习要求学生全面应用所学知识，利用实习场地，依据实习目的和要求在老师的指导下分组独立完成全部实习内容。实习仪器为中国地质大学(北京)遥感地理信息工程教研室使用教育部采购专项购买的RIEGLLMSZ620三维激光扫描仪。《激光雷达技术原理》课程实习的目的主要是使学生通过三维激光扫描仪的使用，进一步巩固和加深理解相关理论知识和技术方法。要求熟悉三维激光扫描仪数据采集与处理(包括DEM、等高线和剖面图生成以及三维建模等)的全过程。通过实践性教学，不仅能够让学生掌握基本的软、硬件使用操作方法和LiDAR测量项目的作业流程，而且能够加深学生对所学专业理论知识的理解。培养学生的应用能力、创新能力以及严肃认真、实事求是、吃苦耐劳、团结协作的精神。要求学生必须参加每一个实习环节，协作完成实习任务，独立完成实习报告。实习内容主要包括以下部分。
2．1三维激光扫描
数据的外业采集要求学生分组完成测区划分和踏勘，确定测站位置，根据测区地形，设计外业数据采集方案，完成外业设站、反射标靶布设和数据采集工作。学生需要完成校园内建筑物点云数据和奥林匹克森林公园地形点云数据的采集。
2．2点云数据预处理
要求学生分别利用随机软件RiSCANPRO和上机C语言编程对外业采集的三维点云数据进行预处理，包括点云数据的滤波和拼接。
2．2．1点云滤波1)手动滤波要求学生利用RiSCANPRO对点云数据进行滤波。RiSCANPROv1．7．0有两种模式，即Filterdata和Terrainfilter。前者针对一般数据，后者对于提取地形的数据有明显效果。2)自动滤波要求学生上机应用C语言编程实现数学形态学方法、移动窗口滤波法、迭代线性最小二乘内插法、基于可靠最小值的滤波方法等常用的地形滤波算法，对外业采集的数据进行滤波，并对各算法的结果进行比较和分析。图1为学生基于虹湾地区嫦娥一号激光测高数据，利用五种滤波方法滤波后的数据点残差值分布图［7］。
2．2．2点云拼接1)基于反射标靶的点云拼接要求学生利用RiSCANPRO软件，结合外业数据采集时布设的标靶连接点，对地形和建筑物点云数据进行拼接。激光点云数据的拼接有两种方式:公共反射体的方式和采用使所有的反射体处于同一坐标系统的方式。在实际操作过程中，要求学生对两者结合使用，以期达到更好的拼接效果。2)基于特征面的点云拼接要求学生在对点云进行拟合的基础上，选取至少三对相互正交的特征面，利用C语言上机编程，实现基于特征面的点云拼接，并与单纯基于点的拼接结果进行对比，分析不同方法的优缺点。
2．2．3地形数据处理对地形数据的处理主要包括三角化、平滑、生成等高线和剖面。三角化参数的设置可参考量测工具量测出的点云中两点之间的距离初步设定，这个值可适当调整，目的在于使图中的点云数据彼此之间能尽量大面积地构成三角网;要求学生对已经完成三角化的数据进行平滑处理;针对已经完成平滑的数据，利用RiSCANPRO软件生成等高线。剖面图的显示既可以针对三角化之前的数据，也可以针对三角化之后(包括完成平滑的数据)来操作。
2．2．4建筑物几何模型重建针对《激光雷达技术原理》数据处理方法的教学内容，指导教师结合自身的研究成果组织研究生开发了点云分割和拟合以及三维建模等软件模块，考虑到学生的掌握程度和实用性，要求学生在利用软件模块实现点云数据分割和拟合的基础上，利用AutoCAD软件手工建立建筑物的几何三维模型，基于3DSMAX软件建立建筑物纹理模型。图2为暑期教学实习中指导学生利用商业软件和自主开发的软件模块重建的地大校园主要建筑物的三维模型。
3结束语
关键词：翻转课堂 激光原理与技术课程 教学模式 教学设计
中图分类号：G642.0
文献标识码：C
DOI： 1（）.3969/j.issn.1672-8181.2015.03.005
1 我校《激光原理与技术》专业课存在问题
我省许多理工类院校的光信息、光电类和大部分应用物理专业都开设《激光原理与技术》课程。作为重要专业基础或方向课，此课程：第一，具有较强的理论性、实践性、前沿性和探讨性；理论抽象，公式众多，有相当学术和技术含量的课程，教学中经常发现学生对概念缺乏准确理解或概念和实际应用“两张皮”的现象。第二，课程教学内容多，课程容量大。第三，由于激光技术、光电技术的发展日新月异，器件层出不穷，与新现象、新理论、新器件、新应用有关的课程教学内容也必须不断地做出更新调整，
另外，《激光原理与技术》课程涵盖知识点包括激光原理、激光技术两部分，知识点明确，可以用一个实验、一个概念来组织教学内容。课程具备开展翻转课堂的实施要求。
2 翻转课堂在《激光原理与技术》课程中的实施方案
结合我校《激光原理与技术》课程特点，在现有的翻转课堂模型基础上，我们设计了翻转课堂的教学路线图f如图1）。主要由线上学习、课堂学习和课后学习三部分组成。LMS作为教学实施的基础性管理学习平台，可提供教学资源、学习过程记录和互动场所。
线上学习
课堂学习
课后学习
2.1 设计知识单元的策略
将课程按“知识块”分成8个教学单元，即：激光的基本机理，激光谐振腔理论以及激光振荡理论，连续和脉冲激光器的工作特性，选模技术，放大技术，稳频技术和激光短脉冲技术。每个教学单元可以由一次或多次课程完成，以便教师开发课程视频。
2.2 设计课程微课
第一，根据本专业课程教学内容（突出难点、重点），设计微课。第二，每个教学单元可分成若干个模块，以模块为单位设计微课。第三，微课内容包括微视频、课间练习和每周作业。通过微视频中的导读内容、课间练习和作业，向学生提出问题，引导学习者自主思考。
2.3 翻转课堂教学设计
2.3.1 线上学习
第一，通过慕课学习。让学生假期在慕课平台查找与激光器件有关的知识，提前使学生进入到课程中来，在头脑中初步形成激光器件的结构框架，对激光器件的主要应用等有简单的了解，简单的知识点通过慕课学习。第二，通过微课学习。设置每周微课时间和作业提交截止时间。课间练习和每周作业可采用填空或选择形式，每道题在截止日期之前允许学生提交3次，否则当次作业记为0分。另外，在学生看完微课之后，对微课中的收获和疑问可以在讨论区发帖。由教师团队或学生讨论互动给出解答，完成课题组布置的线上学习任务。
2.3.2 课堂学习
第一，分析每个教学单元的目标、知识类型、学生线上学习情况和存在的问题，确定教学策略，如“讲授”、“自学”、“讨论”、“实验”、“探究”等。第二，学生的独立探索和协作学习。具体分为五个环节：①明确问题：根据课程内容和学生观看微课时提出的疑问，总结出-些有探究价值的问题；②独立探究：从开始时选择性指导逐渐转至为学生的独立探究学习方面，让学生在独立学习中构建自己的知识体系，注重和培养学生的独立学习能力；③协同学习：通过“探究式案例”、“探究式实验”鼓励学生以小组协作形式，采用对话、商讨、争论等形式进行讨论并实施；④交流展示：成果交流采用如：举行展览会、报告会、辩论会、小型比赛等；⑤考核评定：建立线上学习、课堂和课后学习各环节的考核评价。考核成绩构成为“课间练习20分+每周作业15分+课后研究报告和小论文5分+讨论区及课堂活跃度10分+期末考试50分”。
2.3.3 课后学习
由课后的复习，学生定期的答疑，学生完成的项目任务和课程论文构成。
3 翻转课堂教学实施案例――以光学谐振腔（FP腔）为例
3.1 线上学习
首先利用微课介绍实验现象，给出FP腔的输出装置，给出了连续波入射时单模光纤FP腔输出光谱。提出问题：如何解释上述实验现象呢？接下来在微课上介绍描述上述激光现象的基本概念与相关规律。根据多光束干涉原理，可得垂直入射时，光学FP腔的输出与输入光强之比为：
将光纤长度，折射率（n=1.48）代人，可得其自由谱宽为50CHz，利用变换式，可得自由谱宽为0.4nm，理论计算与实验现象一致。通过微课学习，学生完成知识的内化。课间提问，采用填空题：C02激光器波长为10.6um，当腔长L=lm时，自由谱宽为（），如果该激光器的光谱线宽度AVF=108Hz，则输出为单模还是多模（）。要求学生在规定时间完成课间作业的提交。
3.2 课堂学习
首先，提出问题：腔端面反射率对输出特性的有什么影响？让学生在独立学习中构建自己的知识体系。然后，进行协作学习，以4人为以小组，利用计算机对（1）式所描述的规律进行数值计算，将结果可视化，计算结果与实验结果一致。从图上还可发现原本静止的图“动”了起来。给学生很大的想象空间，这一环节是理论分析的重要补充，再次完成知识内化。将科学计算引入课堂，提升学生解决问题的能力与效率，引导学生进行研究性、探索性学习。通过可视化，学生对复杂的激光现象具有了感性认识，促进学生对晦涩理论的理解。最后，介绍新实验现象的探索。前面我们详细学习了连续波入射情形下，光学FP腔的输出特性，自然会想到脉冲激光入射情形，那么脉冲激光入射到光学FP腔，其输出具有什么特点呢？通过教师的引导和学生的协作学习和探索，得到当脉冲激光入射到单模光纤FP腔时，其输出波形具有衰荡特征，从而完成创新能力的培养。
3.3 课后学习
以小论文形式，让学生完成一份研究报告，题目为光学FP腔的激光器件中的应用。鼓励学生利用网络资源，查阅光学FP腔在各个领域的应用。例如FP在输出模式选择，光束质量改善等方面的应用，让学生自行选题，自行设计实验方案，在学院的激光实验室独立完成实验，完成小论文撰写和提交。
4 结束语
翻转课堂教学模式起源于美国，在我国真正去推行翻转课堂教学模式还有很多问题有待解决，还需要更多的实际教学工作要做。
参考文献：
【1】张金磊，王颖，张宝辉.翻转课堂教学模式研究【J】.远程教育杂志，2012，（4）：46-51.
一、招生人数
学院2016年计划招收博士研究生46名，实际招生人数以总部下达计划为准。
二、报考条件
我院博士研究生只面向现役军人招生，报考2016年博士研究生应当具备以下条件：
1、品德优良，遵纪守法，立志献身国防事业；未受过纪律处分。
2、军队在职干部按师（旅）级单位推荐、军级单位政治部审批、军区级单位政治部干部部门核准、总政治部干部部备案的程序进行审批，由师（旅）级单位干部部门开具介绍信。军队院校应届硕士毕业生经所在院校政治机关审批同意。
3、身体健康，体能达标，年龄不超过40周岁（1976年9月1日以后出生）。
4、在职干部须获得硕士学位，其中本院在职干部报考工学博士须有被SCI或EI收录的以第一作者发表的学术论文；应届硕士毕业生须完成学位论文初稿，在中文核心期刊（含录用通知）或国际会议发表2篇以上学术论文。
5、有两名与报考学科相关的高职人员推荐。
三、报名手续
考生持公民身份证和军官证（学员证）于2015年9月20日至30日到学院教学实验综合楼研究生招生办公室（1127室）报名，外地考生可函报。报名时应提交：
1、填制完毕的《2016年报考攻读博士学位研究生登记表》和《报考军队院校研究生政治审查表》（9月1日后，院内考生可从学院研究生处网站下载；院外考生可来电索要）。
2、已获硕士学位者，提交硕士课程成绩单、硕士学位论文及评阅意见书复印件；应届硕士毕业生提交硕士课程成绩单、硕士学位论文初稿、已发表学术论文版权页或录用通知。
3、硕士学历、学位证书原件及复印件(应届生于获得证书后补交)。
4、档案所在师（旅）级单位干部部门同意报考的证明信。
5、一寸正面半身免冠照片3张，报名费300元。
上述手续齐备，审查合格者发放准考通知，考生可于10月9日到研招办领取《准考证》。
四、考试安排
博士研究生入学考试总分值为600分，包括六项内容：英语笔试、数学笔试、科研学术成果计分、硕士学位论文评分、专业综合面试、综合素质面试，每项内容满分100分。
考试时间拟定于2015年10月11至12日，考试地点和具体安排详见《准考证》。
五、其他
1、考生可于2015年11月初查询录取情况，入学时间为2016年3月份（详见通知书）。
2、我院提供部分往年考试试题，考生可登录学院研究生处网站下载。
六、联系方式
联系人：谭继帅（参谋） 手机：13831189507座机：0311-87992123（地）；0221-92123（军）
E-mail：tanjishuai@126.com 通信地址：河北省石家庄市和平西路97号研究生招生办公室（050003）
招生专业目录
专业代码、名称及研究方向
导师
专业综合（面试）
数学（笔试）
080200机械工程
01机械性能检测与诊断
张英堂
测试技术与信号处理
矩阵理论
02地面运载平台维修理论与技术
张培林
状态监测与智能诊断技术
03机械振动与冲击防护
白鸿柏
振动理论
04机电液集成系统控制技术
何忠波
车辆工程
05机械制造及其自动化
倪新华
断裂力学
080300光学工程
01军用光电系统设计与应用
刘秉琦
陈志斌
应用光学、物理光学、光电测试技术
矩阵理论
02激光技术
沈学举
激光原理及应用
03光学信息安全
光学信息技术原理与应用、光学信息安全
04微纳光学
汪岳峰
光电子技术
080402测试计量技术及仪器
01测试性设计与分析
黄考利
测试技术
矩阵理论
02精密仪器与微系统
王广龙
03装备状态监测与故障预测
李洪儒
测试与诊断技术
矩阵理论或应用数理统计
04网络安全技术
王 韬
计算机网络
081100控制科学与工程
01装备测试与故障诊断
尚朝轩
测试与诊断
矩阵理论或应用数理统计
02火力与指挥控制理论及应用
全厚德
孙世宇
数字信号处理
矩阵理论
03武器系统建模与仿真
朱元昌
系统仿真
04电子装备自动测试、故障诊断及可靠性
蔡金燕
测试与诊断
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王春平
图像工程
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杨锁昌
精确制导、控制与仿真技术
07无人机数据链抗干扰技术
陈自力
线性系统理论、数字信号处理
08目标探测与识别
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数字信号处理、现代控制理论
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线性系统理论
10无人机协同控制
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现代飞行控制理论、导航控制技术
11无人机信息处理与传输技术
王长龙
数字信号处理
12非线性系统的稳定性与控制
徐 瑞
动力系统的稳定性理论
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01装备轻量化技术
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火炮与自动武器原理、材料学
应用数理统计
02兵器试验理论与技术
秦俊奇
火炮专业相关理论
矩阵理论
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陶凤和
火炮与自动武器原理、现代机械测试技术
04兵器性能检测与诊断技术
房立清
机械装备故障诊断与预测、武器系统装备知识
应用数理统计
冯广斌
火炮与自动武器原理、工程信号处理、现代机械测试技术
矩阵理论
05兵器结构动力学理论与应用
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枪炮设计原理、振动理论、电磁场理论
06武器系统仿真与虚拟样机技术
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振动理论、动力学仿真
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弹道学理论、制导理论与技术
08弹道修正理论与技术
弹道学、自动控制与导弹设计理论
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09兵器性能检测与故障诊断
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振动理论
10兵器新材料技术
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材料学
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系统仿真技术及其在信息化弹药工程中的应用
矩阵理论
罗兴柏
爆炸及其防护技术在弹药保障中的应用
12弹药保障与安全技术
安振涛
炸药理论、弹药保障及安全风险评估
穆希辉
弹药保障
矩阵理论或应用数理统计
13信息感知与控制技术
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弹药引信论证、设计、试验及评估理论与技术
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杜仕国
防护材料与特种能源技术及其在弹药工程中的应用
矩阵理论
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电磁场理论、测试技术
16武器系统建模与仿真
苏群星
武器系统仿真与模拟器设计
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高 敏
弹道学、自动控制与导弹设计理论
矩阵理论或应用数理统计
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石 全
康建设
赵建民
可靠性、维修性、维修工程
应用数理统计
朱小冬
可靠性、维修性、维修工程、建模与仿真
矩阵理论或应用数理统计
19装备维修性理论与应用
郝建平
可靠性、维修性、维修工程、虚拟仿真
20电磁防护理论与技术
刘尚合
魏光辉
电磁场理论、微波与天线
矩阵理论
王庆国
大学物理、有机化学、固体物理、电磁场理论
谭志良
电子技术基础、通信原理、微波与天线
21脉冲电磁场测试技术
朱长青
电路分析、电磁场理论和微波技术、数电模电
110900军事装备学
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网络信息安全保障
军事运筹学
02装备保障理论与应用
石 全
军事装备学、战役基本理论
应用数理统计或军事运筹学
于永利
可靠性、维修性、维修工程、建模与仿真
军事运筹学
柏彦奇
高 崎
现代等离子体物理第一卷，湍流等离子体物理动理学
数值相对论计算机求解爱因斯坦方程
物理学家的随机过程理解噪声系统
量子信息和纠缠性的哲理
环境流体力学进展
聚合物的粘弹性力学基础分子理论、实验和模拟，第2版
天文问答指南
利用双筒望远镜探索太阳系的奥秘
药物设计
生态恢复
花图式
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利用人工神经网络模拟感知
自然资源保护与管理中的分子方法
美容的神经生物学
空间认知与空间感知
评估自然资源
多媒体检索数据管理
Event—B语言的建模
算法语言Scheme的第6次修订报告
量子计算中的语义学技术
机械臂的自适应控制统一无回归矩阵方法
稀疏图像信号处理
机械和电子工程
伟大的工程师们
随机调度
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移动机器人分析学的更多的进展 第5届国际ISAAC会议论文集
分析学的进一步进展 第6届国际ISAAC会议论文集
线性算子方法 逼近与正则化
2008年Isehia群论会议文集
应用数学和计算数学的前沿
计算科学的最近进展
超流宏观理论
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量子杂谈 微观世界的魅力
从π介子到夸克 20世纪50年代的粒子物理学
非线性振动
非线性波
时间序列分析 社会科学家用的全面介绍
时间，空间，星系与人类 关于宇宙大爆炸的故事
彗星和生命起源
发现宇宙大爆炸)膨胀宇宙的发现
环境科学中的机器学习方法 神经网络与核方法
世界上最大的湿地 生态与保护
有害污染物的科学管理
达尔文的短篇出版物1829—1883
物理生物学 从原子到医学
达尔文笔记1836—1844
诺贝尔生理医学奖专题讲座2001—2005
陆蟹生物学
无标记生物传感技术以及应用
传感器与微系统 第13届意大利学术报告会论文集
传感器与微系统 第12届意大利学术报告会论文集基本泛函分析
物理学及有关领域大学生用数学方法
伽罗瓦理论 第二版
变分法中的重积分
数论概要
解Pell方程
复杂的非线性 混沌、相变、拓扑变化和路径积分
量子位势论
导电物质量子理论 超导
自旋 Poincare研讨会2007
结构系统的现代试验技术
结构力学中的混沌
物质结构
激光材料加工原理 现代传热与传质技术
超快强激光科学的进展 第四卷
相变材料 科学和应用
分析系统动力学 建模与仿真
微极亚塑性颗粒状物体中的剪切局部化
天线和望远镜的建模与控制
将无人飞机系统集成到国家空域系统
动力学系统中的模型提取 用于移动机器人控制
临床核磁共振成像及其物理学 指南
胶原蛋白 结构和力学
大型涡流模拟的质量及可靠性
信息系统开发、
移动多媒体广播标准 技术与实践
计算系统中的安全性
【关键词】激光三角法 可控型水龙头 光电转换
微电子技术和传感器已经成为二十一世纪信息社会的重要标志。随着激光传感器的广泛应用及新型光电扫描与光电探测技术的不断提高，工业、农业、家庭、军事、医学等应用领域的传统方法得到了改善。激光传感可控型水龙头将激光位移传感器与电子信号处理技术结合，应用在了水资源节约领域。市场上的传统插卡式热水龙头在使用时难以估定水瓶内的水位，存在着极大的安全隐患和水资源浪费问题。该项日利用激光位移传感技术检测并定位水的高度，经过数字信号处理器将信号反馈到电子电路，自动切断电源。和传统插卡式热水龙头相比，基于激光位移传感器的可控节约型水龙头具有测量精度高、可靠性好、非接触、自动化、安全等突出优点，有极重要的现实和环保意义。在前期的推广中，这项技术先应用于学校水房保温瓶水位的测试。随着后期技术的成熟和市场的开发，可推广向工厂水箱水位测定等更广的领域，发挥更大的经济和应用价值。
一、激光位移传感器的研究现状
现今光电技术的发展、微机的控制、数据的处理及PSD、CCD、四象限位移探测器的改善，使传统的三角测量法有了广泛的应用。具体包括质量的检测、设备的维护、机械和生产自动化、流程和设备的监控等各个领域。
目前在国内，激光位移传感的主要应用包括：对灵敏度和精确度的分析，如何提高其使用范围以及位移、角度、同轴度的非接触测量和校准领域。不过，我国对激光位移传感器的研究仍处于实验阶段。国外很多专家对其做了大量的研究并取得成果。西班牙的研究者在三角激光位移传感器的系统中，发现周围的杂光对测量的精度有影响，并给出了相应的消除方法。目前，国内外有很多这样的产品，广泛地应用在军事技术、航空航天、检测技术等诸多领域。美国研制出红外测温传感器，使其在恶劣的环境下仍能测量出飞行器各部分的温度；城市的交通管理也运用红外光电传感器进行路段事故检测和故障排除的指挥。总体来说，国外传感器的测量范围大，线性度好，分辨率高，稳定性好。国内对激光位移传感器的研究虽不及一些欧美国家，但是却在研究的种类上屡创新奇。
二、激光三角测量技术的原理
激光三角测量法是指从光源发射一束光线到被测物体表面，在另一方向通过成像观察反射光点的位置，成像位移和实际位移存在一定的换算关系，通过这个关系式可以计算出被测物体表面的实际位移。由于入射光和反射光构成一个三角形光路，因此被称为三角测量法。按照入射光线与被测物表面法线的关系，可分为直射式和斜射式。本项研究采用的是直射式激光三角测量法。
如图l所示，激光发射器发射出一束光线到热水瓶水面形成光斑，光线在表面发生反射后，从另一个方向通过成像透镜，光斑成像在CCD位置传感器上。随着热水瓶水面高度的变化，反射光的角度在发生变化，光斑成像也随之发生位移。设光斑在CCD成像面上相对位移为X’，被测表面（即水面高度）的实际位移为X，则两者关系如下式：
在传感器的选择上，本项研究选用的是CCD激光位移传感器。目前应用于激光三角法测距的光接收元件包括：CCD（Charge-c.oupled Device，光电耦合器件）和PSD（Position Sensitive Detector，位置敏感元件）。PSD是基于横向光电效应来实现光能、位置的转换，CCD是一种新型光电转化元件，主要由光敏单元、信号输入单元和信号输出单元组成。CCD以电荷作为信号，实现电荷的存储、转移和检测。与PSD相比，CCD具有轻便、体积小、耗能小、精度高、稳定性好、时效性高等特点。基于上述考虑，最终选定了CCD激光位移传感器。
三、基于激光位移传感器的可控型水龙头系统结构
本项目研究的激光位移传感器硬件系统包括：激光电源、半导体激光器、线阵CCD驱动电路、输出信号的处理系统、单片机测量系统和水龙头阀门控制系统。如图2所示为激光位移传感器的可控型水龙头系统的总框图。
3.1 光源的选择
激光器有很多种：气体激光器、固体激光器、半导体激光器等，气体激光器单色性和方向性好，但体积和重量大，需要外部高压电源，不易安装在小型光学测头上。半导体激光器具有超小型、高效率、电压低、电能转换率高、便于安装等优点。激光光束在传播中存在散射，当测量目标越远，光能量分布不均匀，从而导致误差出现，半导体激光位移传感器可以进行体积小的短距离测量。
3.2 线阵CCD驱动电路
目前，应用于激光三角测距系统的光接受元件主要有两种：CCD――光电耦合器件和PSD――位置敏感元件。本测距系统设计中采用精度高、稳定性好的光电耦合器件CCD作为光电探测器，根据被测物体的移动距离，间接进行测量。
3.3 输出信号的处理系统
图像采集后，CCD输出的信号叠加了较大的干扰噪声，所以要先经过预处理电路后在进行二值化处理。预处理即是将CCD输出进行前置放大后进行滤波处理，放大电路将微弱的信号放大同时干扰的噪声信号也得到了放大。
所以经过低通滤波器将放大电路处理后信号中的高频成分滤除，常用低通滤波器包括：三角滤波法、高斯低通滤波器、中值滤波器等不。最后将输出的信号送入电压比较器进行二值化处理得到稳定的数字信号。最后将数字信号送到单片机系统进行脉冲计数就能得到像点位置信息。系统将计算后的结果显示在显示器界面上。
3.4 水龙头阀门控制系统
在理想条件下，热水瓶的高度为H，由上述系统测出水面高度为X，当x的值接近L时，系统通过反馈电路来控制水龙头的阀门。
四、结束语
激光三角法采用非接触测量，以其实时性强、精度高、对被测物体表面没有特殊要求等优点得以广泛应用，本论文利用直射式激光三角法，对系统的结构参数和所选器件做出了合理的设计和选择。论文的主要工作包括以下几个方面：
（1）通过对激光测距系统在国内外的发展现状研究，并结合本系统情况，确定了本系统的测量原理。
（2）数据采集：令热水瓶的高度是定值H，从光源发射一束激光到被测物体（上升水面）表面，在另一方向通过成像观察反射光点的位置。通过线阵CCD对光电信号进行采集，从而计算出水面到瓶口的距离X。
（3）信号处理将采集到的数据经过滤波放大电路处理，然后将输出的结果由模拟信号转化为数字信号，最后将信号送人单片机系统。
（4）数据结果输出：通过单片机的计算被测物体的位移量，当X-H趋近于零时，将其距离显示在显示器界面上，通过电路控制水龙头阀门的关闭。
后期工作展望：
关键词：接触网；受电弓；系统响应；接触压力；拉出值；硬点；接触线高度；激光测距
中图分类号：U226 文献标识码：A
在电力机车的运行过程中，受电弓在接触悬挂下高速滑动运行，从动力学角度，表现出弓网接触压力的作用和受电弓滑板产生横向振动的动态响应，如图1表示。
图1 系统信号分析框图
目前国内外广泛采用弓网接触压力直接测试方法。但在高速运行时，测量信号容易受到弓网接触振动造成的电磁火花的干扰；附加的压力传感器，增加了滑板重量，改变了滑板的外形，使受电弓的稳定性和安全性受到影响。
本论文提出的测试方法（图2），是在车顶并排对称安装多个激光测距传感器，通过测试受电弓滑板底部横向振动位移，从而，计算弓网接触压力、拉出值、弓网冲击（硬点）和接触线高度等动态参数。
图2 受电弓滑板响应测试模型
1 弓网接触响应测试原理
滑板在弓网接触运行中的振动，可近似认为是两端固支的滑板弹性梁的横向弯曲振动、两端弹性支撑的滑板刚梁上下传动和平面转动的复合运动。滑板弯曲振动模态则可以用欧拉-伯努利梁求解。图2中表示作用在滑板梁的第个节点的弓网接触激振力，其作用的不同位置示意接触线拉出值的变化。表示放置于车顶平面对准受电弓滑板底部第个高速激光传感器的位移测量值，其动态响应关系用传递函数可表示成如下矩阵形式：
（1）
（1）式中可通过单位冲击响应的数字计算得到，于是，根据卷积原理，弓网接触压力可表示如下：
（2）
由各激光传感器测试的离散位移信号，可实时得到弓网冲击加速度，导线高度和拉出值，表示如下：
（3）
（4）
（5）
上式中为车顶传感器的基准高度，为激光传感器的个数，为激光传感器的分布序号，表示各激光传感器几何位置对称加权系数。
2 滑板梁的动力学分析
将图2的模型分解为一个两端固定支撑的受电弓弹性滑板梁和一个两端等刚度弹性支撑的受电弓刚性滑板梁。先分别求出各自的动态响应，然后在静平衡位置的轴上的同一点对横向响应位移进行叠加。
2.1 受电弓滑板刚梁在平面内的振动
设支撑弹簧刚度为，滑板刚梁长度为、线密度为、质量为、质心为，滑板刚梁绕质心的转动惯量为，取质心的横向位移及滑板刚体绕质心的角位移作为广义坐标（），对滑板进行受力分析，建立受迫振动微分方程如下：
（6）
（7）
令，由此求得刚梁横向振动的固有频率和刚梁绕质心转动的固有频率为：
（8）
（9）
采用Duhamel积分法求解（6）式和（7）式，由图3知当弓网接触力在处作用时，滑板刚体处由横向振动和绕质心转动产生的复合横向振动位移可表示如下：
（10）
2.2 受电弓滑板弹性梁弯曲振动振型函数
以两端固定支撑的滑板弹性梁在横截面对称平面内的横向位移作为广义坐标，并设梁的线密度为，抗弯刚度为EI，受力分析如图4所示。根据达朗贝尔原理和力矩平衡原理可得到滑板梁横向振动的四阶齐次偏微分方程：
（11）
对（11）式用分离变量法求解并应用克雷诺夫函数可得滑板梁固有频率的计算公式和横向弯曲振动振型函数：
（12）
（13）
为计算方便，振动滑板梁的计算参数取值如表1所示。
由此求得1阶模态的固有频率为94.5Hz，2阶模态的固有频率为258Hz，3阶模态的固有频率为505Hz，4阶模态的固有频率为829Hz。
（13）式中可以是任意常数。只要将各阶固有频率对应的的值代入该式，即可求得滑板弹性梁横向弯曲振动的各阶相应的主振型。
2.3 受电弓滑板弹性梁动力冲击响应 （见图5）
在滑板梁的处，假设有一弓网接触压力作用，自由振动运动方程可得到：
（14）
滑板均匀弹性梁的振型函数为式（13），将主振型正则化，利用其正交性特点，可得：
（15）
设各阶固有频率为，主振型为，1，2，3，….则弹性梁动力响应可用模态叠加（坐标变换）表示为：
（16）
利用主振型正交性质，由杜哈美（Duhamel）积分法求解得：
（17）
将式（17）代入式（16），可得滑板弹性梁原广义坐标的响应：
（18）
3 用数字计算方法求响应矩阵和传递函数矩阵
为了求式（1）中的传递函数矩阵[]，必须先求下式（19）中的响应矩阵[]。
（19）
传递函数矩阵[]和响应矩阵[]的关系为：
（20）
基于系统响应分析数字计算步骤如下：
（1）如图2所示，先假设在滑板上从左到右第一个确定的输入节点上作用一个确定的弓网冲击接触力，通过式（10）和式（18），分别计算各激光传感器对应位置的位移响应值、、…、。通过下式：
（21）
即可计算出。
（2）其它矩阵元素的计算方法同上，即通过下式可计算得到。
（22）
（3）由式（20）计算[]。
（4）由式（1）和式（2）计算。
（5）由式（3）、式（4）、式（5）分别计算接触网几何参数和动力学参数。
4 响应测试系统仿真
对图2所示的响应测试模型进行仿真，假设对称配置5个激光测距传感器，测试受电弓滑板底部-0.4m，-0.2m，0m，0.2m，0.4m 等5个点的位移，如图6所示，取2.5，取1720Nm2，取0.8m，取2500 N/m 。
假设依次在受电弓滑板上-0.4m，-0.2m，0m，0.2m，0.4m的地方垂直向下施加110N的弓网接触压力，通过式（10）和式（18），分别计算各激光传感器对应位置的位移响应值、、…、。通过式（21）计算，可得到响应关系矩阵式（23）。
由上式D矩阵求逆，可得到传递函数矩阵如式（24）。
如果还是用150N的弓网接触压力，在-0.4m和-0.2m，的地方垂直向下施加，并由此得到，再将代入式（2），反过来求得接触力为150N；如果还是用110N的弓网接触压力，在-0.25m的地方垂直向下施加，并由此得到，再将代入式（2），反过来求得接触力为98.77N，误差为10%，该误差主要由激光传感器的配置位置造成。
如果用150N的弓网接触压力在受电弓滑板上-0.4m 处垂直向下施加，如图7（a）所示，传感器各点位移响应如图6（a）所示；在-0.2m、0m、0.2m、0.4m处施加，力的作用图（图7（b）-（e））与位移响应图（图6（b）-（e））一一对应。
由此可见，采用传递函数计算方法的仿真与实际情况基本相符。
结语
基于系统响应原理测试高速铁路接触网动态参数的方法，其重要意义在于将测试传感器完全从受电弓滑板上撤离下来，这是高速铁路接触网车载动态测试追求的目标。如果采用图象处理和激光雷达等非接触式检测方式，由于其扫描周期和处理时间的限制，使得该方法从原理上无法实现对弓网高频动态特性的测试。在实际应用中，作者认为必须在实验室直接测试数据，然后对数据进行回归分析，校正核实计算模型。
参考文献
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量子力学的成功和困惑
用宏观物理学的方法研究原子的性质及其相互作用时，只能通过测量微观量的平均值，大平均过程掩盖了原子水平上的重要效应。操控单个微观粒子，研究单个粒子的行为和性质以及少数粒子的相互作用，一直是就是物理学家梦寐以求的事。随着实验技术的发展，控制单个微观粒子的愿望成为可能。特别是1960年激光的发明和在这以后激光技术的发展，可以随我们所需改变激光的频率，控制激光束的延续时间并使激光束聚焦到一个原子大小的范围。从这以后，实验技术和实验方法有了极大的发展，利用激光可以使原子或离子冷却到接近绝对零度，就是使它们的运动速度减到非常小，直至几乎停止。还实现了利用特殊的电磁场来陷俘单个原子或离子。物理实验技术的进展使研究单个或少数几个粒子的性质、深入研究光子和物质粒子的相互作用有了可能。这不仅打开了高科技应用的广阔前景，还为证实和发展量子物理学的基本原理提供了实验基础。
量子力学已有100多年历史，量子力学理论取得了辉煌的成功。现代的高科技产品，如计算机芯片、激光、医用磁共振等等无不是在量子力学理论基础上发展起来的。量子力学被认为是最精确、最成功的物理理论，可是人们对量子力学的基本原理始终存在着疑问，那些创立量子力学的物理大师们自己都不满意量子力学的基本假设。在这些大师之间以及他们的后继者中，关于量子力学的理论基础是否完善的问题争论不休，新的解释层出不穷，至今还没有得出令人满意的结论。
量子力学描写微观世界的规律，但人类的直接经验都是关于宏观世界的。我们的测量仪器以及人类感官本身都是宏观物体，仪器测量到的和我们直接感知的都是大量原子组成的宏观物体。在经典物理学中，观察不影响被观察对象的运动状态，例如，我们能够观察一个行星的运动，追随它的运动轨迹，行星的状态变化与观察者无关，不受我们观察的影响。可是，对微观世界的观察就完全不是这样，当我们研究一个量子体系时，经过测量后的量子体系原来的状态总是被破坏了。例如，光子进入光电探测器后，光子就被吸收；电子被探测器件接收后，该电子原来的状态就改变了。宏观仪器对量子系统测量的结果，都必须转换为经典物理学的语言。要直接观察并且非破坏性（non-demolition）地测量量子体系的量子性质是难以做到的事情，所以，量子力学所预言的量子世界的奇特性质一直令物理学家和公众感到神秘难解。
2012年诺贝尔物理奖获得者和他们的同事们的工作，突破了经典物理学实验和人类直接经验的限制，他们直接观察到了个别粒子的量子行为。瓦因兰德小组做的是在电场中陷俘离子，用光子对它做非破坏性的操控。阿罗什小组是在空腔中陷俘单个光子，用原子进行非破坏性的测量。他们异曲同工，都对单个量子粒子进行实验测量，研究量子力学的基本原理。这些研究不仅对量子理论的基本原理的进一步阐明有重要意义，并且有广阔的应用前景。
阿罗什：把光子囚禁起来
阿罗什毕业于法国高等师范学校。1971年他在巴黎第六大学获得博士学位，导师是柯亨-塔诺季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年诺贝尔物理学奖得主。从20世纪60年代开始阿罗什就在法国高等师范学校物理系的卡斯特勒-布罗塞尔实验室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。该实验室是以获诺贝尔物理学奖的阿尔夫莱德・卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿罗什曾到美国斯坦福大学，在诺贝尔物理学奖获得者肖洛的实验室中工作。
阿罗什说，他们的成功主要得益于卡斯特勒-布罗塞尔实验室特有的学术环境和物质条件。他们组成了极其出色的研究小组，并且将共同积累的知识和技能传授给一代又一代的学生。阿罗什还说，他给研究生和本科生的讲课也有助于研究工作，在准备新课的过程中他注意到了光和物质相互作用的不同方面。阿罗什认为，国际交流学者参加研究不仅带来专门的知识和技能，也带来不同的科学文化以补充他们自身的不足。他觉得幸运的是，在长期的微观世界探索中，他和他的同事们能够自由地选择他们的研究方向，而不必勉强地提出可能的应用前景作为依据。
阿罗什小组的主要成就是发展了非破坏性的方法检测单个光子。用通常的方法检测光子，都是吸收光子并把它转换为电流（光电探测器）或转化为化学能量（照相底片）（动物的眼睛是将光子转化为神经的电脉冲的）。总之，光子被测量到后立即消失。近半个世纪以来，虽然人类发展出了量子非破坏性测量，但这些测量只能用于大量光子的情况。而阿罗什和同事们做到了反复测量记录同一个光子。
光的速度非常快，达每秒30万公里，所以要控制、测量单个光子，必须将光子关闭在一个小的区域内，并使其在足够长的时间内不逃逸或被吸收。阿罗什小组实验成功的关键是制成反射率极高的凹面镜。反射镜是在金属底板上镀以超导材料铌，镜面抛光到不平整度只有几个纳米（1纳米=100万分之一毫米），光子因镜面不平而散射逃逸的机会非常小。空腔由两个凹面镜相对安放组成，镜间距离27毫米。整个设备安置在绝对温度1度以下的环境中。一个微波光子在腔中停留时间可达十分之一秒，即在两面镜子之间来回反射10 亿次以上，差不多相当于绕地球一周。可以说阿罗什小组创造了限制在很小的有限体积内的光子寿命的世界纪录。
阿罗什小组的另一项创造性贡献是利用利用里德伯原子作为探测器，实现非破坏性测量单个光子。所谓里德伯原子，是激发到很高的能量轨道上的原子，这种原子的体积比正常原子大许多。他们用铷（原子序数37）原子，把它的价电子激发到第50层的圆形轨道上（主量子数n=50）。这种情况下，外层电子从n=50 的轨道跃迁到相邻的轨道n=49和n=51，发射或吸收微波光子频率分别为54.3GHz（千兆赫兹）和51.1GHz。正常的原子半径在0.1纳米以下，铷原子中电子占据的最外层轨道为n=5；当它的最外面的电子跑到n=50的圆形轨道上时，原子的半径达到100多纳米，原子半径增大了1000倍以上。这样的原子好比一个很大的无线电天线，容易和电磁场相互作用。
瓦因兰德：让离子停下来
瓦因兰德和阿罗什同年，都生于1944年。1965年，瓦因兰德毕业于美国加利福尼亚大学伯克利分校；1970年在哈佛大学获博士学位，博士论文题目是“氘原子微波激射器”，导师是拉姆齐（Norman Ramsey）。以后他到华盛顿大学，在德默尔特（Hans Dehmelt）的实验室做博士后研究。德默尔特是1989年诺贝尔物理奖获得者。1975年，瓦因兰德和德默尔同发表了讨论激光冷却离子的论文，这是有关激光致冷的开创性论文，被学术界同仁广泛引用，其中包括获1977年诺贝尔物理学奖的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔诺季等。
1975年，瓦因兰德到隶属于美国商业部的美国国家标准与技术研究所工作。在那里，他创建了储存离子研究小组。在过去多年的工作中，他做出了多项世界第一的研究成果，终于获得了诺贝尔物理学奖。他是15年来美国国家标准与技术研究所第四位获诺贝尔物理奖的研究人员之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。
制造量子计算机的建议方法有多种，许多科学家正在对不同的方案进行实验研究。瓦因兰德小组从事的陷俘离子的方法是最成功的方法之一。他们利用特殊排列的几个电极组合产生特定的电场，形成陷阱，将汞的一价离子限制在三个电极组成的空间中。三个电极包括两端各有一个相对的电极和一个环形电极，离子由激光束控制。
在常温下，原子运动的平均速度为每秒数百米，以这种速度运动的离子会立即逃逸出陷阱。要将离子陷俘在电场陷阱中，离子的运动速度必须非常小。只有在极低的温度下，离子或原子的运动速度才能变得很小。可以利用激光使离子冷却，使离子的速度减小到几乎停止的状态。将特定频率的激光束对着原子或离子射来的方向照射时，原子在迎面射来的光子的一次次冲击下，速度就慢了下来。当然，原子或离子吸收了光子又要再把它发射出去，发射光子时原子也要受到反冲。但原子或离子发射光子的方向是随机的，各种方向都有，结果反冲效应平均为零，只有迎面射来的光子被吸收后起到了减速的作用。但仅仅用这种方法还不能使原子速度降低到近乎停止，还要加上其他方法。速度已经很小的离子在陷阱中受电场的作用，还在以一定的频率振动，这种振动的能量和离子内部的能量状态耦合起来，形成复杂的能级。在适当频率的激光束照射下，离子吸收光子后又重新放出光子，落回原来内部能量最低的状态，同时带动离子振动能量的变化。在适当控制的条件下，重复这样的过程，就可以使离子振动能量逐步减少，直到振动能量达到最低的量子状态，离子近于完全停止。这时，离子就可以随意操控了。
瓦因兰德小组利用利用陷俘离子做成一个量子可控非门（Controlled NOT）。当然可控非门只是最简单的量子计算机的元件，一台能工作的计算机需要多得多的元件，离制成实用的量子计算机还非常遥远。然而前景是光明的，包括瓦因兰德在内的许多科学家正积极研究，攻克难关，希望在本世纪内将量子计算机研制成功。
瓦因兰德和同事们还利用陷俘的离子制造出了当今世界上最精确的原子钟。他的研究工作也可以检验量子力学基本原理，如进行“薛定谔猫”的实验。
不为盛名所惑
阿罗什和瓦因兰德有许多相同的地方。他们都在世界第一流的实验室中工作；巧的是，他们每人各有两位获诺贝尔物理学奖的老师；他们都有合作30年以上的同事组成的稳定的研究小组，还有许多优秀的学生和合作者，其中包括外国的访问学者。在他们的诺贝尔奖报告中，他们的老师、同事以及和他们的工作有密切关系的、前人的研究都一一提到。两人都还提到有100多位学生、博士后和访问学者也做出了贡献，强调成绩是大家努力的结果。
瓦因兰德和阿罗什也有一点很大的不同。阿罗什的研究目的偏重于探索自然界的奥秘，没有非常明确的应用目标，虽然他知道自己的研究成果肯定有长远的应用前景。他所属的卡斯特勒-布罗塞尔实验室也没有要求其研究一开始就必须有明确的应用目的。不过，即使在法国高等师范学校，这种待遇也只有像阿罗什这样的资深科学家才能得到。而瓦因兰德所在的美国国家标准与技术研究所本身就具有明确的实用目标：促进美国的创新和产业竞争能力，开创新的测量科学，推进美国的技术水平。该研究所的研究都是目标长远，技术含量高，能在世界上领先的项目。这些项目实际上都是结合远期应用的基础性研究。
瓦因兰德和阿罗什还有一个共同点，就是除了做研究以外，都在大学教课。阿罗什认为备课的过程促使他从多方面考虑基本原理，也有助于研究工作。而从学生的角度来看，能听到优秀的科学家讲课，和他们直接交流，不仅能学到当今前沿的科学知识，还可以学习到优秀科学家的治学精神和思想方法。
荣摘诺奖桂冠是否改变了科学家本人的生活呢？据英国广播公司（BBC）在线版消息称，阿罗什本人仅仅提前了20分钟被组委会告知自己获奖的消息。
“我很幸运，”阿罗什说，但他指的并不是自己得奖这回事，“（接到来电时）我正在一条街上，旁边就有个长椅，所以我第一时间就坐了下来。”他形容那一刻的心情，“当我看到是瑞典的来电区号，我意识到这是真实的，那种感觉，你知道，真是势不可挡。”
不过据诺奖官网的推特称，阿罗什接到获奖的确切消息后，打了个电话给自己的孩子，然后开了瓶香槟庆祝。再然后，他又回实验室工作去了。
（作者单位：复旦大学物理系）
阿罗什小组设备示意图
[关键词]轴子；量子色动力学；光子静质量效应
[中图分类号]E933.43 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）05-0009-01
1轴子、光子相关理论简介
本文首先简述了关于轴子和光子的理论，以方便研究轴子和光子的相关理论，进行相关实验。
1.1量子场论
量子场论是以量子力学原理等为基础，一种解释了微观物理学的理论。量子动力学具有悠久的历史，也比较成熟。他研究的内容主要是电磁场和带电粒子的相互影响的情况以及这种相互影响的量子性质、带电粒子相关活动等。它还对相关高精度实验进行了分析。
我们所生存的世界中存在着许多量子场系统。粒子的生成或消失取决于量子场的情况。所渭真空就是指量子场中的能量处于一种最低状态。与其他激发态相比较，这种最低态指的是不存在任何粒子的状态，可是，真空中存在着许多量子场，并时时刻刻运动，即物理学中所谓的真空零点振动，该点对应的能量则称为真空零点能。在这种情况下，若能够使量子场不再扩散到更大的空间中去，而它所在的较小的空间的大小出现改变时，此量子场产生的零点振动能也会出现较小的改变，即得出了著名的卡西米尔效应。
1.2对称性和守恒律
对称性和守恒律在物理学中有着非常重要的地位。物质的情况及其运动特点在对称变换时所展现出的固有性质就是对称n生。如果物体的运动及其能量最低态具有对称性特点，则其相应的物理量均守恒。物质在运动过程中都满足守恒定律。
1.3规范场和规范玻色子质量
规范场是一类物质场，它与相关规律的固定性联系很大，规范玻色子指的是一种场量子。电磁场也是常见的规范场。其不变性对周总耦合形式的形成有很大的影响。规范场的量子就是规范玻色子，也使其相互影响。因为规范对称性的规定，规范场的相关量中没有规范场的质量项，它会影响规范对称性。当相应的规范玻色子质量为零时，这说明其对应的作用是长程力。
2强场激光偏振法探测轴子实验简述
二十世纪末，世界著名大学罗切斯特大学的一位博士和一些学术专家在美国国立实验室做了该实验。他们通过变更激光射向强磁场偏振方向的方式，来探测轴子。下面着重研究光子非静止质量的相关情况。
强场激光偏振法探测轴子实验，指的是研究轴子与光子的电磁耦合作用。有相关效应可知，当一束线偏振光出现于强磁场时，而与磁场正交的分量则与磁场相互作用生成新的轴子，所以，此分量的幅值就会降低，进而造成其偏振方向会与原偏振方向有一定的角度。二十世纪末，有一些博士和专家就在这一理论的基础上来探测肘子。
该实验体系由三部分组成，一是强磁场；二是光学系统；三是椭圆偏振检测系统。强磁场主要是生成新的轴子，磁场是通过超导偶极磁体形成的。还有其他物体如起偏器等，其光轴方向与磁场方向须有一定的夹角，如此方能满足实验的要求。
实验时，首先在某一横向磁场中引入一束线偏振光，激光先经过隔离器到达起偏器，其光轴方向与磁场方向会有一定的夹角，而后会产生一定角度的线偏振光，接着射进光学反射腔，最后又到达检测区，反射腔位于磁场区中，一旦磁场中形成新的轴子，则反射腔发出光线，其偏振状态会有一定的改变。实验对变化的激光偏振方向夹角进行分析，以达到探测轴子的目的。
光首先进入反射腔，射出后又进入法拉第盒，并得到其一定的调制，如此有利于避免不必要的非线性项，随后射到检偏器上，需要说明的是，它和起偏器一样也是偏振晶体，二者的光轴方向是正交的，结果发出的光电信号传到光电二极管，并在此处被检测出。我们要想了解该偏振光的椭圆率，可以把一定规格的波片放在法拉第盒的前边，这样就可以通过测量偏振方向的变化来得出该椭圆率。
3光子静止质量为零时的实验分析
由相关效应知，当线偏振光经过较强磁场时，与磁场正交的分量在与磁场相互作用的过程中形成轴子。有量子动力学理论可知，光子主要来源于激光束，并在强磁场的影响下，形成了轴子。磁场中的场强张量存在于一定区域的总电磁场中，它包括两部分，一是外部产生的强磁场；二是由激光束产生的电磁场场强。
因为Primakoff效应中的光为外磁场平行的部分时才能形成轴子，但和外磁场正交的部分却未出现任何改变。二十世纪末期，有一些专家教授根据相关理论和原理，并采用相应的方法来探测轴子。当激光经过一个非纵向的磁场区时，其偏振方向则会与磁场形成一定的角度，约为45度。发出的激光的偏振方向与原方向也会形成相应的角度。
4光子静止质量不为零时的实验分析
从一些图书资料中可以查知，爱因斯坦在狭义相对论中提出了两个基本假设，即所谓的光速不变和相对性原理，它对现代物理学的发展起了巨大的推动作用。光子静止质量上述假设中的观点。物理学是建立在实验的基础上的，因此，只有进行科学的实验才能得出正确的理论。我们可以从电动力学中得出光子静止质量为零时的电磁场的密度等参数。由此密度推导出电磁场的运动方程。当光子静止质量为非零时，玛克斯韦尔电磁场必须把其静止质量项考虑在内。然后才能对其进行独立地光子静止质量研究。实验中测得的角度与磁场区域长度呈线h生关系，为方便探测，在实验中安装了反射镜，使激光循环反射，从而增强了相应的测量效应。
结束语
轴子是一种假定的粒子，它是为了说明量子色动力学中的强CP问题，人们很青睐这种冷暗物质粒子。轴子一旦被发现，其意义非凡，否则，就不可能存在轴子模型，我们也就找不到解决强CP问题的具体方法，这要求我们另寻其他方式方法。本篇论文简要介绍了其相关理论和一些模型，还有现在探测轴子的一系列实验。此外，我们经过一番理论分析后，得出了轴子和光子的相关参数及关系式，从而推导出并得出轴子质量限。
关键词：迈克尔逊干涉仪; 异常现象; 调节.
1.引 言
迈克尔逊干涉仪是光学实验中的重要仪器，许多现代被广泛利用的计量仪器，比如泰曼–格林干涉仪、傅里叶变换光谱仪、接触式干涉仪、干涉显微镜、激光测长仪等，都是基于迈尔尔逊干涉仪的基本原理改进制成的，具有结构简单、精确度高、光路直观等优点[1]。多年来利用迈克尔逊干涉仪测量激光波长及光源的相干长度是国内理工类高校普遍开设的一个物理实验。
迈克尔逊干涉仪由一个倾角可调可移动的平面镜、一个倾角可调的固定平面镜、一块底面镀有半反半透膜的分光板、一块跟分光板具有相同厚度而没有镀膜的补偿板、一个观察屏、底座、主尺、粗调手轮和细调手轮组成。只要有关微小位移、微小角度的测量，原理上都可以用迈克尔逊干涉仪测量完成。实验室中除了可以测量激光的波长、钠光灯的相干长度，还可以用来测量透明物体的折射率[2]和细铁丝的杨氏模量[3]。
在目前报道的文献中，据我们所知，有关异常现象分析的基本都局限于对现象的报道及有关软件对干涉现象的模拟[4-6]，而对所形成的物理原因几乎没有涉及，本论文首先针对本科生在迈克尔逊干涉仪调节过程中经常出现的平行直线和椭圆干涉条纹这两种异常干涉现象给予相应的物理解释，然后指定出一份迈尔尔逊干涉仪的调节细则，有助于本科生在短时间内调出清晰的圆形干涉条纹，极大的提高迈克尔逊干涉仪的教学效率。
2. 异常干涉条纹及相应的物理分析
迈克尔逊干涉仪的两种常见的异常干涉条纹是“平行”直线条纹和椭圆形条纹，下面我们介绍这两类异常现象形成的物理原因。
2.1 “平行”直线干涉条纹
在实验室中，我们常看到一类近乎平行的条形干涉条纹。通常人们认为这是由两个平面镜的不垂直而产生的等效楔形平板形成的等厚干涉条纹，而本论文认为实验所观测到的平行直条纹仍然是等倾干涉条纹，只是因为迈克尔逊干涉仪的两个平面镜稍有不垂直而导致干涉条纹的中心不在观察屏的中心，再加上两束光的光程差比较小，故干涉条纹半径较大，从而使得看到的条纹比较像平行的直条纹。
比较等倾干涉和等厚干涉的实验原理，不难发现，等厚干涉条纹的形成需要保证到达楔形板前的光是平行关，这样条纹明暗才能反映出楔形板不同厚度的干涉情况。而对于迈克尔逊干涉仪，我们使用的是半导体光源，其在楔形板前的光波是球面波，因此，实验中所观察的“平行”直线干涉条纹本质上仍然是等倾干涉圆条纹，只是该圆条纹的中心偏离观测屏比较远而呈现出来的一种干涉现象。
2.2 椭圆干涉条纹
椭圆形条纹形成的原因比较多，下面分别分析其形成原因。
2.2.1 可移动平面镜垂直于固定平面镜，但观测屏与可移动平面镜不平行
当迈克尔逊干涉仪的两个平面镜严格垂直，但是观测屏不平行于可移动平面镜时，观测屏上的干涉条纹会变成一个以水平方向为长轴、竖直方向为短轴的椭圆。这是因为由两个虚光源发出的两束锥形区域的球面波发生干涉，其干涉区域也应该是一个锥形的区域，所以当观测屏与可移动平面镜不平行时，会看到椭圆形的干涉条纹。
2.2.2 观测屏与可移动平面镜平行，但可移动平面镜不垂直于固定平面镜，
当迈克尔逊干涉仪的观测屏平行于可移动平面镜时，但两个平面镜不能严格垂直时，也会在实验中观测到椭圆形的干涉条纹。这是因为激光光源在这两个平面镜中所呈现的两个虚光源的连线不与观测屏垂直，而是成小于90o的夹角，这样以来，两个虚光源所形成的锥形干涉条纹在观测屏上将呈现出椭圆形状，该形成原因本质上和2.2.1类似，都是由于观测屏不与两个虚光源所形成的干涉区域底面垂直而引起的一种实验现象。
这里，我们强调造成两个虚光源的连线与观测屏不垂直的原因主要有三个，其一，实验过程中由于调节精度所限，难以使两个平面镜的垂直度很高，其二，实验过程中分光板和平面镜之间的角度发生了改变，即不是45o的夹角，其三，分光板和补偿板不严格的平行。
2.2.3 可移动平面镜和固定平面镜所形成的两排光斑错重合
理论上讲，我们应分别选取每排光斑中最亮的光斑，然后使其相互重合，但是在通过肉眼观测时，往往很难分辨每排光斑中哪个光斑最亮，因此，很容易选错最亮的光斑而导致错重合。
3. 迈克尔逊干涉仪实验调节细则
根据上述异常条纹出现的物理分析，我们制定了一个迈克尔逊干涉仪测量激光波长的实验流程如下：
(1) 实验前检查
(a) 检查两个平面镜的两个水平和竖直调节螺丝是否可以调节，并将调节旋钮上黄铜螺帽旋到最外侧；
(b) 检查分光板到可移动平面镜和分光板到固定平面镜的距离是否相等，如不相等，请用粗调手轮调至相等位置；
(c) 检查分光板和补偿板是否平行，并检查者两块板有无放反；
(2) 圆形干涉环调出
(a) 使用水平和竖直调节旋钮调节可移动平面镜，使其与观测屏相互平行；
(b) 将激光器的光强调到最弱；
(c) 移开观测屏，透过分光板向可移动平面镜方向观察，会观察到两排光点，调节固定平面镜的水平和竖直调节旋钮，使得两排光点上下各自最亮的两个光点重合；
(d) 放上观测屏，增加激光器的光强;
(e) 若此时观察到椭圆的条纹，或者共轭双曲线条纹、或者条纹不清晰、或者干涉条纹半径很小，可能原因是最亮的光斑错了，这时重新回到(b)步骤，换一个光斑进行尝试。
依上述调节方案，可使本科生在短时间调出清晰的圆形干涉条纹。
4. 总 结
本论文首先分析了迈克尔逊干涉实验过程中平行直线和椭圆形干涉条纹的形成机制，并制定了一份迈克尔逊干涉仪测定激光波长的调节细则，经过4个班级的实验证明，此调节细则可极大缩短了本科生调出清晰、易读的圆形干涉条纹所需时间。
参考文献
[1] 陈玉林, 徐飞, 丁留贯. 大学物理实验[M]. 北京: 科学出版社, 2013, 5: 269-275.
[2] 张静，迈尔尔逊等倾干涉法晶体折射率测量方法研究[D]. 山东: 山东大学, 2009: 12-18.
[3] 闫凯，池红岩，韩仁学，利用迈克尔逊干涉仪测杨氏弹性模量的方法[J]. 实验科学与技术, 2014, 12(5): 31-32.
[4] 樊俊义，张丽珠. 迈克尔逊干涉仪调节中的故障处理[J]. 实验室科学, 2008, 4: 141.
[5] 柯红卫，张宝颖，杨嘉. 迈克尔逊干涉仪产生特殊干涉条纹的原因[J]. 物理实验, 2007, 27 (1): 34-35.
