短脉冲激光器已经广泛应用于工业、军事等领域，但是随着使用次数、时间的变化以及激光器本身性能的波动，造成输出性能下降，更多地体现在能量的变化。这样，就会造成与其配套设备性能的下降，甚至无法工作。如远距离激光测距机因激光能量的下降，造成测量距离变短等。传统的激光能量计，测量口径小、速度慢，无法满足特定环境、设备的需求。

小阵列核脉冲能量与时间谱分析系统是国家自然科学基金和NSAF联合基金 项目的创新成果，采用先进的低噪声阵列读出电路和基于FPGA的多通道能量与 时间谱分析系统，能够同时测量小阵列像素探测器的能谱和时间谱，并绘制出一 维能量谱、一维时间谱、能量与时间的二维谱以及光子作用位置分布图。 该系统相对于国内外现有产品的主要优点是：(1)能够同时测量核脉冲的 能量和时间谱，并给出二维谱分布；(2)能够对小阵列探测器进行高速并行读 出，并具有较高的灵敏度；(3)可以实现初步的能谱成像，并具有亚像元空间 分辨能力。 系统指探测器、模拟读出电路、FPGA谱分析系统以及电源四个模块组成， 低压电源采用±3. 7V可充电锂电池，高压电源采用IkV高压模块，探测器采用基 于CZT晶体的像素阵列探测器，探测器与模拟读出电路体积为 4. 5cmx4. 5cmx2. 7cm, FPGA 谱分析系统体积为 6. 5cmx8. Icmx2. 5cm,基本系统的 像素阵列为2x2,高分辨系统的阵列数可达8x8,系统的时间分辨可达5ns,能 量测量下限可达5keV,对59. 5keV伽马射线可以实现能量分辨率5. 5%。

本研究成果研究出一种先进的能量管理和能量动态平衡新技术、使电池组使 用寿命（续航能力）成倍增长。 由于锂离子电池具有单节电压低的特点，通常将多节电池串联，构成电池组 使用。而由于制造工艺的原因，单体电池的特性总存在差异，在充（放）电过程 中容易出现部分电池过充或过放的现象，严重影响电池的使用寿命，从而导 致电池组使用寿命缩短几倍甚至十几倍。为了延长电池组的使用寿命，必须 使所有的电池均保持在同样的电池荷电状态（SOC, State of Charge）□因此， 需要建立锂离子电池组能量均衡系统，平衡电池组中各个单体电池的SOC,充 分发挥各单体电池性能，提高电池组使用容量，延长其使用寿命。该项技术已 有大量研究成果，包括有损均衡（被动均衡）和无损均衡（主动均衡）两种方式。 有损均衡是能量耗散型方式，技术趋成熟，已经得到广泛应用（丰田普锐斯混动 汽车）。但其能量全部损耗在电阻上，效率低。无损均衡通过电路对能量进行转 移来实现能量均衡，效率高。但其结构复杂，控制难度大，目前还在研究过程中。 主要问题是均衡速度慢、效率低。本研究成果提出了一种先进的电池组能量均衡 技术一一总线式均衡技术，与其它均衡技术相比，具有电路简单、易于模块化、 均衡速度快、效率高、电路成本不显著增加的特点。特别适用于大功率储能系统。 市场及经济效益分析： 该项技术可以应用于各个领域的储能系统，是智能电网、可再生能源接 入、分布式发电、微电网以及电动汽车发展必不可少的支撑技术，不但可以有 效地实现需求侧管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降 低供电成本，而且还可以调整频率和补偿负荷波动，提高电网运行稳定性。例如, 风力发电与光伏发电互补系统组成的局域网；偏远地区供电、工厂及办公楼供电; 通信系统中不间断电源和应急电能系统；大规模电力存储和负荷调峰系统；电动 汽车的动力系统；国家重要部门的大型后备电源；军事领域中可移动大型供电设 备等。因此，该项技术具有巨大的产业化效益。

01. 成果简介 质子交换膜燃料电池系统具有污染低，排放少，高比功率等优点，在汽车上有着越来越广泛的应用。燃料电池汽车一般包含两个动力源，即燃料电池和动力电池，如何实现两个动力源间最优的功率分配，提高能量利用率和使燃料电池大部分工作在稳态工况下，提高燃料电池的使用寿命，是动力系统控制和能量管理的重点。 针对动力系统控制，提出了一种燃料电池混合动力整车控制方法和基于多信息融合的整车控制方法等。整车控制器通过实施读取车辆状态参数，预测整车需求功率，根据动力电池SOC状态，计算预测未来一段时间内动力电池的目标最优SOC轨迹，同时计算整车的辅助功率等，实现整车目标功率在动力电池和燃料电池之间的优化分配。 针对能量管理，提出了一种燃料电池汽车的热管理系统和基于地理位置信息的能量管理方法等。新型热管理系统采用水冷方式控制燃料电池工作在合适的温度，利用燃料电池工作时产生的热量以及辅助电加热器产生的热量，用于车辆冬季取暖，同时用于锂离子电池在冬季的保温。基于地理位置信息的能量管理方法将车辆的地理位置信息与车辆的功率需求结合起来，通过多时间尺度的通讯，融合马尔可夫模型和动态规划算法，实现了工况预测和最优的能量管理。 同时还针对燃料电池等混合动力汽车，提出了多种网络通讯方法和通讯网络测试系统。提出了基于有限状态机的分布式控制系统、基于时间出发的分布式控制系统CAN网络通讯方法和基于TTCAN的整车通讯网络测试系统等。简化了控制流程设计，通过确立系统节点间信息交互模式可方便的规划各节点间的协同工作，避免网络仲裁和冲突，提高网络安全的实时性和安全性。02. 应用前景 本成果可应用于质子交换膜燃料电池领域。03. 知识产权 本成果涉及10项发明专利。04. 团队介绍 项目团队主要研究方向新能源汽车动力系统，团队成员包括欧阳明高、李建秋、杨福源、王贺武、卢兰光、李希浩、徐梁飞、杜玖玉、韩雪冰、冯旭宁等，课题负责人为李建秋，获得国家技术发明二等奖两项，北京市科学技术一等奖一项、中国汽车工业技术发明一等奖一项，论文发表200余篇。项目团队深度参与了中国新能源汽车的战略规划、科技研发、国际合作、示范考核和产业化推进的全过程，培育出多家学生创业型高科技企业，为中国新能源汽车跻身世界先进行列作出了重要贡献。05. 合作方式 技术许可。06．联系方式 邮箱： zhangyan2017@tsinghua.edu.cn

成果创新点 主要技术创新路径：传统爆炸焊接的装置，其上表面 裸露在空气中。而本技术在炸药上表面对称地放置与炸药 下表面一致的复板和基板，整体作为一个单元；为避免上 半部分抛掷出去，因而重复该单元，让炸药冲击互相约束； 最顶部不能再铺设复板与基板，因而以胶体水替代，能提 高其能量利用率。 关键技术指标：各层炸药同步起爆、间隙及炸药配方 和用量； 核心解决问题、核心优势：解决了

主要技术创新路径：传统爆炸焊接的装置，其上表面裸露在空气中。而本技术在炸药上表面对称地放置与炸药下表面一致的复板和基板，整体作为一个单元；为避免上半部分抛掷出去，因而重复该单元，让炸药冲击互相约束；最顶部不能再铺设复板与基板，因而以胶体水替代，能提高其能量利用率。 关键技术指标：各层炸药同步起爆、间隙及炸药配方和用量； 核心解决问题、核心优势：解决了爆炸焊接工业生产中的成本和效率问题，实验证明五层的该结构可以提升能量利用率 63%，且该技术多块板一次成型，大大提高了工作效率；

量子照明雷达是新兴的研究方向，是量子信息技术与雷达技术相结合的新兴产物。而量子信息技术又是古老的量子力学与信息技术相结合的交叉学科，不少研究者因晦涩的量子力学而望而却步。为了降低量子照明雷达的神秘感，打破抽象壁垒，我们创造性地发展了量子照明雷达的高效仿真技术，对于未来实现量子雷达的普及与推广具有重要意义。 截止目前，尚未见到关于量子照明雷达仿真平台的相关报道。而该成果基于MATLAB这一易于上手的计算机数值平台，沟通了抽象的量子力学与具体的量子目标探测之间的桥梁，具有创新性和国内领先的技术先进性。 经过近五年的研究和近两年教学实践的检验，该成果不断丰富和完善，通过可视化的工作界面，可以给出量子信号源的关键物理参数分析、量子态演化过程、多份量子态条件下量子照明雷达的虚警概率分析等多个方面的图形化界面，具有较强的推广应用价值。鉴于量子雷达技术是未来新体制雷达的重要技术途径之一，本成果将有望在空间、水下目标探测方面取得应用，市场应前景广阔。截止到目前，该成果已经应用于高年级本科生的培养与实训和北京某研究所的新体制目标探测项目研发中。

无论是从技术或是成本上考虑，电池使用寿命的提高都遇到极大挑战，甚至到了极限。本研究成果研究出一种先进的能量管理和能量动态平衡新技术、使电池组使用寿命（续航能力）成倍增长。 由于锂离子电池具有单节电压低的特点，通常将多节电池串联，构成电池组使用。而由于制造工艺的原因，单体电池的特性总存在差异，在充（放）电过程中容易出现部分电池过充或过放的现象，严重影响电池的使用寿命，从而导致电池组使用寿命缩短几倍甚至十几倍。为了延长电池组的使用寿命，必须使所有的电池均保持在同样的电池荷电状态（SOC，S

本发明涉及一种激光雷达系统回波能量的计算模型。本模型基于光线追迹方法，可用于任意激光强 度分布、任意孔径遮挡的共轴或双轴激光雷达系统，获取探测器于任意像面位置处所接收的激光回波能 量。本发明提出的激光回波能量计算模型具有普适性强、精度高、速度快等特点。 

【研究背景】 图1所示高斯光斑、平顶圆光斑和环形光斑作用在材料上的光强与温度场分布示意图，常规高斯光束能量分布不均匀，中心能量强边缘能量弱，使用高斯分布聚焦光斑进行激光焊接时，由于光斑中心部分吸收的激光能量高，材料容易熔化气化蒸发，从而产生飞溅、形成凹陷和空洞等缺陷。平顶光斑作用在材料上时，用于热传导的作用，还是会造成中心与边缘的温度场分布不均匀，焊接熔深呈现月牙分布。控制飞溅、凹陷和空洞等缺陷的关键因素是控制激光束的能量分布，减少中心材料温度和以及焊点中心和边缘的温度差。合理设计的环形光斑，有利于获得相对均匀性的温度场分布和相对均匀的熔深分布，减少飞溅、凹陷和空洞等焊接缺陷，是目前高端激光焊接应用的一个技术发展方向。 图1 不同光斑的光强分布和在材料上的温度场分布 【痛点问题】 现有基于摆动扫描方式和点环形模式可调光纤激光器，在一定程度上解决了激光焊接的飞溅问题，但是存在结构复杂，设备制造成本和维护成本高，而且不太适合高精密或大功率厚板的激光焊接。 【解决方案】 本成果从激光光学聚焦头的设计上，提出了申请专利技术的基于衍射光学元件和折射光学元件的环形光斑或点环产生方法，结构设计灵活方便，可适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）基于衍射光学元件的环形光斑产生方法 为了解决能量分布不均匀以及光束敏感性的问题，本成果通过螺旋相位板产生涡旋光束来获得环形光斑进行焊接。螺旋相位板是一种具有固定折射率的透明板，其一面是平面结构，相对面具有螺旋形状结构，类似于旋转台阶，如图2所示。 图2 螺旋相位板结构 螺旋相位板其厚度随着方位角的变化而变化。高斯分布的激光束从螺旋相位板平面端面入射，光束中心与螺旋相位板中心对齐，出射的光束相位被改变，附加一个螺旋相位因子，能量分布变为环形分布，出射的光束变为涡旋光束，其中l为涡旋光束的拓扑荷数，影响涡旋光束能量较低区域的大小。螺旋相位板的台阶高度通常为微米量级，并且初始光束都是通过扩束系统扩束的，基本没有发散，因此，螺旋相位板对光束光强基本没有衰减，而只是改变光束的相位。利用螺旋相位板产生的涡旋光束解决了能量分布均匀性的问题，同时用螺旋相位板产生的涡旋光束的稳定性好，环形的能量分布特点，不容易受到外界其他因素影响，可以较为稳定地保持光斑均匀性。本成果具体产生涡旋光束的光路图如图3所示。表1给出了不同拓扑数涡旋光束的光场分布。 图3 产生涡旋光束的光路图 表1 不同拓扑数涡旋光束的光场分布 本成果设计加工了产生涡旋光束的衍射光学元件，通过组合获得了不同拓扑数的涡旋光束，图4给出实验生产的涡旋光束，相对其他方法产生的环形光斑，采用涡旋光束方式产生环形光斑的好处是，离开焦面还能保持环状光强分布。除了在激光增材制造有用外，这种光束未来在切割、焊接、打孔等方式都有应用，可以获得更好的温度场分布和更好的激光加工效果。 图4 实验生产的涡旋光束 （2）基于折射光学元件的环形光斑或点环光斑产生方法 图5为基于折射光学元件的环形光斑的产生方法，包括透射式的和全反射式的结构，后面根据不同的焊接温度场分布设计不同组合的环形光斑。 （a）三镜方案 （b）两镜方案 （c）单镜方案 图5 基于折射光学元件的环形光斑的产生方法