CN114228924A - 一种基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统及方法，其中，基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统包括：激光发生机构，其用于向冰层辐照激光；共振频率测试机构，其用于测试所述冰层的共振频率；破冰机构，其用于向所述冰层输出所述共振频率的振动。本发明的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统通过设置激光发生机构、共振频率测试机构和破冰机构，以结合激光作用于冰层内部可以直接扩展裂纹的特性和共振冲击载荷的高效破冰特点，使得本破冰系统用于破冰时具有能量消耗少且效率高的优点，且使得具备本破冰系统的破冰船等机械设备无需具备过高的结构强度即可实现节能、高效破冰。

Description

一种基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统及方法

技术领域

本发明涉及激光破冰技术领域，具体而言，涉及一种基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统及方法。

背景技术

在海洋资源瓜分殆尽的今天，北冰洋等未开发区域成为各个国家竞争的重要领域。2008年，美国发布了一项针对北冰洋的油气存储评估，结果显示北极蕴藏着大约22％世界迄今潜在的技术可采油气资源。随着工业的增长，全球工业化对传统石化资源的依赖和传统石化资源和能源的供应不足这一矛盾变得越来越突出。另一方面，北冰洋直接连通了美洲、亚洲、欧洲，在直线距离上可以提供最近的航道。随着北极气温升高，可用海水领域增大，在北极建立航线正在逐步成为现实。然而，北极寒冷的气候条件使海洋表面常常覆盖一层冰，这将给船只航行带来极大的阻碍，甚至将船只冻结在海面上。目前主流的破冰方式仍然是机械撞击，这种方法对船身动力系统与结构强度提出了较高要求，且存在能量消耗高、破冰效率低等问题。

发明内容

本发明解决的问题是：如何实现高效、节能破冰。

为解决上述问题，本发明提供一种基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，包括：

激光发生机构，其用于向冰层辐照激光；

共振频率测试机构，其用于测试所述冰层的共振频率；

破冰机构，其用于向所述冰层输出所述共振频率的振动。

可选地，所述破冰机构包括激振器和共振传动结构，所述激振器通过所述共振传动结构作用到所述冰层。

可选地，所述激光发生机构包括激光器、激光传输整形结构以及连接所述激光器与所述激光传输整形结构的光纤连接结构，所述激光器发射的激光依次经所述光纤连接结构和所述激光传输整形结构作用到所述冰层。

可选地，所述激光传输整形结构包括反置物镜、激光准直镜、激光扩束镜、反射镜组和聚焦物镜；所述激光器输出的激光依次经所述光纤连接结构、所述反置物镜、所述激光准直镜、所述激光扩束镜、所述反射镜组和所述聚焦物镜后作用到所述冰层。

可选地，所述光纤连接结构包括光纤、光纤耦合器和光纤公差微调结构，所述光纤连接所述激光器与所述光纤耦合器，所述光纤公差微调结构设置在所述光纤耦合器上。

可选地，所述激光发生机构还包括激光调焦结构，所述激光调焦结构与所述聚焦物镜连接，并用于调整所述聚焦物镜相对所述冰层的位置。

可选地，所述基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统还包括聚焦观测机构，所述聚焦观测机构包括白光光源和观测镜组，所述白光光源用于发射与激光同轴入射到所述冰层的白光，所述观测镜组用于接收经所述冰层反射的部分所述白光。

可选地，所述基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统还包括供气机构，所述供气机构包括喷嘴结构，所述喷嘴结构设置在所述激光发生机构的激光出口处。

可选地，所述共振频率测试机构包括超声波发射换能结构和声发射检测结构，所述超声波发射换能结构用于向所述冰层发射超声波，声发射检测结构用于接收所述冰层反射的所述超声波。

为解决上述问题，本发明还提供一种基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰方法，采用上述所述的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，包括：

通过所述基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的激光发生机构向冰层辐照激光，以初步破碎所述冰层；

通过所述基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的共振频率测试机构获取所述冰层的共振频率；

通过所述基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的破冰机构向所述冰层输出所述共振频率的振动，以进一步破碎所述冰层。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统通过设置激光发生机构、共振频率测试机构和破冰机构，以结合激光作用于冰层内部可以直接扩展裂纹的特性和共振冲击载荷的高效破冰特点，使得本破冰系统用于破冰时具有能量消耗少且效率高的优点，且使得具备本破冰系统的破冰船等机械设备无需具备过高的结构强度即可实现节能、高效破冰。

附图说明

图1为本发明实施例中基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的部分结构框图；

图2为本发明实施例中基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的部分结构示意图；

图3为本发明实施例中基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰方法的流程图。

附图标记说明：

1-激光发生机构，11-激光器，12-光纤连接结构，121-光纤，122-光纤耦合器，123-光纤公差微调结构，13-激光传输整形结构，131-反置物镜，132-激光准直镜，133-激光扩束镜，134-反射镜组，135-可见光透射激光反射镜，136-聚焦物镜，14-激光调焦结构，15-光学快门；2-共振频率测试机构，21-超声波发射换能结构，22-声发射检测结构；3-破冰机构，31-激振器，32-共振传动结构，321-传动连杆，322-冲击锤；4-聚焦观测机构，41-白光光源，42-观测镜组，421-光学镜头，422-CCD图像传感器，423-滤光片，424-衰减片，425-非偏振白光分束镜；5-供气机构，51-喷嘴结构，52-气体传输通路，53-储气装置，54-供气控制器；6-电源；7-冰层。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

结合图1、图2所示，本发明实施例提供一种基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，包括：

激光发生机构1，其用于向冰层7辐照激光；

共振频率测试机构2，其用于测试冰层7的共振频率；

破冰机构3，其用于向冰层7输出共振频率的振动。

本实施例中，基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统用于实现例如江河湖海等水域的水面冰层7破冰，并适于设置在例如破冰船的机械设备上。具体地，基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的激光发生机构1利用冰层7对激光能量的吸收规律，向冰层7辐照一定穿透深度的激光(例如红外激光)，以在冰层7表面制孔，改变冰层7内部的应力分布并使得冰层7产生大量微细裂纹，达到破坏冰层7内部结构、降低破冰阈值的目的，完成对冰层7的初步破碎。共振频率测试机构2用于测试初步破碎的冰层7的共振频率(固有频率)，例如通过向初步破碎的冰层7发射不同频率的超声波并接收返回(经冰层7反射的超声波)的响应幅值以测试初步破碎的冰层7在相应裂纹分布形态下的共振频率，从而获得冰层7的共振频率。破冰机构3用于根据共振频率测试机构2获得的共振频率，向初步破碎的冰层7输出该共振频率的振动，该振动以冲击载荷的形式作用在冰层7上，从而实现初步破碎的冰层7的裂纹扩展与破坏，实现冰层7的进一步破碎，以满足破冰船在水面的航行需求，同时降低破冰需要的能量。

这样，相对于现有技术中破冰船直接撞击冰层7以破冰所存在的：船身结构强度要求高、能量消耗大、破冰效率低等不足，本实施例的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统通过设置激光发生机构1、共振频率测试机构2和破冰机构3，以结合激光作用于冰层7内部可以直接扩展裂纹的特性和共振冲击载荷的高效破冰特点，使得本破冰系统用于破冰时具有能量消耗少且效率高的优点，且使得具备本破冰系统的破冰船等机械设备无需具备过高的结构强度即可实现节能、高效破冰。

可选地，结合图1、图2所示，破冰机构3包括激振器31和共振传动结构32，激振器31通过共振传动结构32作用到冰层7。

本实施例中，破冰机构3的激振器31用于根据共振频率测试机构2获得的冰层7的共振频率，输出与该共振频率相同频率的振动用于破冰，以降低破冰需要的能量；共振传动结构32则用于将激振器31输出的振动传导至冰层7上。

可选地，结合图1、图2所示，共振传动结构32包括传动连杆321、冲击锤322(或冲击杆)和支撑结构，传动连杆321用于连接激振器31与冲击锤322以及将激振器31输出的振动传导至冲击锤322；冲击锤322在激振器31和传动连杆321的驱动下振动，并以冲击载荷的形式作用在冰层7上，实现冰层7的裂纹扩展与破坏。其中，在激振器31输出与冰层7共振频率相同频率的振动时，冲击锤322同样以该频率冲撞冰层7。支撑结构通过紧固件(例如螺栓等)连接激振器31，以在冰层7上支撑激振器31、传动连杆321和冲击锤322，或将激振器31、传动连杆321和冲击锤322连接到破冰船等机械设备上。在一些实施例中，冲击锤322(或冲击杆)的冲击力大小范围为0-3kN。

可选地，激振器31以台面方式输出振动。在一些实施例中，激振器31的最大输出振幅可达25mm，振动力大小范围为0-3kN，输出频率区间为0-3000Hz。

可选地，共振传动结构32还包括工作台，在基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统进行破冰时，工作台设置在冰层7下端，激振器31、传动连杆321和冲击锤322则设置在冰层7上端。在一些实施例中，工作台和激振器31通过支撑结构连接。

可选地，工作台包括加工台面和设置在加工台面上的适于固定冰块的固定治具，加工台面和固定治具中的至少一个适于相对聚焦物镜136移动；如此，在需要对冰层7进行取样调查时，可通过获取冰层7的部分冰块并将其置于工作台面上进行研究，以通过基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统来研究冰块及相应冰层7的相应特性。其中，加工台面和固定治具中的至少一个适于相对聚焦物镜136移动，以便于调整加工台面上冰块相对激光的位置。

可选地，结合图1、图2所示，激光发生机构1包括激光器11、激光传输整形结构13以及连接激光器11与激光传输整形结构13的光纤连接结构12，激光器11发射的激光依次经光纤连接结构12和激光传输整形结构13作用到冰层7。

激光发生机构1的激光器11用于发射激光(激光束)，光纤连接结构12和激光传输整形结构13用于将激光发生机构1发射的激光调整、导引至冰层7，以保证激光顺利作用到冰层7。如此，利用冰层7对激光能量的吸收规律，激光发生机构1向冰层7辐照一定穿透深度(例如5cm)的激光，以在冰层7表面制孔，改变冰层7内部的应力分布并使得冰层7产生大量微细裂纹，达到破坏冰层7内部结构、降低破冰阈值的目的，完成对冰层7的初步破碎。

可选地，激光器11采用纳秒激光器11。在一些实施例中，纳秒激光器11的输出中心波长1070nm，可以输出连续脉冲；且焦斑直径15-81.7um可调节(例如通过激光调焦结构14调节聚焦物镜136到冰层7的距离实现)，峰值平均功率100W，为光纤输出。

可选地，结合图1、图2所示，光纤连接结构12包括光纤121、光纤耦合器122和光纤公差微调结构123，光纤121连接激光器11与光纤耦合器122，光纤公差微调结构123设置在光纤耦合器122上。

光纤连接结构12用于将激光器11输出的激光传输至激光传输整形结构13，具体地，光纤连接结构12通过光纤耦合器122一端与激光传输整形结构13连接，光纤耦合器122的另一端则通过光纤121与激光器11连接，且光纤耦合器122与光纤通过光纤公差微调结构123连接。其中，光纤121用于将激光器11发射的激光的光路在空间上进行柔性转换、传输至光纤耦合器122；公差微调结构用于调整光纤121与光纤耦合器122的连接以及保证光纤121与光纤耦合器122连接的稳定；光纤耦合器122用于保证与激光传输整形结构13连接的稳定，以保证激光器11发射的激光能够顺利地经光纤121和光纤耦合器122进入激光传输整形结构13。

可选地，结合图1、图2所示，激光传输整形结构13包括反置物镜131、激光准直镜132、激光扩束镜133、反射镜组134和聚焦物镜136；激光器11输出的激光依次经光纤连接结构12、反置物镜131、激光准直镜132、激光扩束镜133、反射镜组134和聚焦物镜136后作用到冰层7。

激光传输整形结构13用于对经过激光传输整形结构13的激光进行调整、导引，使得激光最终射向冰层7。具体地，激光器11发射的激光经光纤连接结构12进入激光传输整形结构13后，依次经激光传输整形结构13的光纤连接结构12、反置物镜131、激光准直镜132、激光扩束镜133、反射镜组134和聚焦物镜136后作用到冰层7。其中，反置物镜131(及反置、倒置的物镜)用于对经由光纤121输出的激光进行整形；激光准直镜132用于将经由反置物镜131整形的激光准直；激光扩束镜133用于将准直后的激光扩束；反射镜组134包括至少一个反射镜，用于将扩束后的激光反射向聚焦物镜136；聚焦物镜136用于入射的激光聚焦到冰层7上。

可选地，结合图1、图2所示，激光发生机构1还包括光学快门15，光学快门15设置在激光器11与光纤121之间，或设置在光纤121上，用于通过或阻断激光传输。例如在调试激光脉冲延迟的过程中，通过关闭光学快门15，可以避免激光到达冰层7并对冰层7产生不必要的烧蚀。

可选地，结合图1所示，激光发生机构1还包括激光调焦结构14，激光调焦结构14与聚焦物镜136连接，并用于调整聚焦物镜136相对冰层7的位置。

激光调焦结构14与聚焦物镜136连接，以用于调整聚焦物镜136相对冰层7的位置，实现对垂直入射到聚焦物镜136的激光的调焦，以调整激光在冰层7上聚焦的位置和深度，使激光以预定的聚焦深度(穿透深度)垂直入射冰层7相应位置。其中，激光调焦结构14适于相对冰层7在竖直方向及水平方向上移动聚焦物镜136，且激光调焦结构14适于调整聚焦物镜136的倾角，实现聚焦物镜136相对冰层7位置的调整。

可选地，结合图1、图2所示，基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统还包括聚焦观测机构4，聚焦观测机构4包括白光光源41和观测镜组42，白光光源41用于发射与激光同轴入射到冰层7的白光，观测镜组42用于接收经冰层7反射的部分白光。

本实施例中，聚焦观测机构4包括白光光源41和观测镜组42，其中，观测镜组42包括衰减片424、滤光片423、CCD图像传感器422和光学镜头421。衰减片424和滤光片423用于将进入观测镜组42(衰减片424和滤光片423)的白光转变为CCD图像传感器422能够接受并处理的光学信号，CCD图像传感器422将相应光学信号转换成数字图像信号并通过光学镜头421进行显示，以用于观察激光在冰层7上的聚焦位置。激光传输整形机构还包括设置在反射镜组134与聚焦物镜136之间的可见光透射激光反射镜135(用于反射激光光束并透过白光)，激光器11输出的激光依次经过光纤连接结构12、反置物镜131、激光准直镜132、激光扩束镜133、反射镜组134、可见光透射激光反射镜135和聚焦物镜136后作用到冰层7。其中，反射镜组134用于将激光转折反射向可见光透射激光反射镜135；可见光透射激光反射镜135将来自反射镜组134反射的激光反射向聚焦物镜136；激光经可见光透射激光反射镜135反射后垂直入射到聚焦物镜136，经聚焦物镜136聚焦后作用到冰层7。

观测镜组42和聚焦物镜136分居可见光透射激光反射镜135两侧；观测镜组42还包括非偏振白光分束镜425，非偏振白光分束镜425用于将入射光的能量进行分离，获得更低强度的反射光和折射光，以便于观测。非偏振白光分束镜425、衰减片424、滤光片423、CCD图像传感器422和光学镜头421在聚焦物镜136到可见光透射激光反射镜135的方向上依次设置。在采用聚焦观测机构4观察激光在冰层7上的聚焦位置时，通过调整激光发生机构1的激光传输整形结构13各镜片的位置，以使得激光光斑处于各镜片的中心，并垂直入射到聚焦物镜136，同时，借助白光光源41和观测镜组42进行观测，保证激光聚焦到冰层7相应位置。其中，借助白光光源41和观测镜组42进行观测即为：白光光源41发出的白光经由非偏振白光分束镜425和可见光透射激光反射镜135与经可见光透射激光反射镜135反射的激光同轴入射聚焦物镜136后，射向并照亮冰层7表面，部分白光会被冰层7表面反射，反射的白光依次经由聚焦物镜136、可见光透射激光反射镜135和非偏振白光分束镜425进入观测镜组42的衰减片424、滤光片423、CCD图像传感器422和光学镜头421，如此，通过白光光源41和观测镜组42来观察激光是否聚焦到冰层7相应位置。在一些实施例中，可通过激光调焦结构14调整聚焦物镜136相对冰层7的位置，来使得光学镜头421清晰观察到冰层7上激光聚焦位置的图像。

可选地，结合图1、图2所示，基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统还包括供气机构5，供气机构5包括喷嘴结构51，喷嘴结构51设置在激光发生机构1的激光出口处。

本实施例中，供气机构5的喷嘴结构51设置在激光发生机构1的激光出口处(例如聚焦物镜136附近)，用于在激光发生机构1的激光出口处喷射气体，以吹走可能冲撞向基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的各光学镜片的物体(例如碎冰、飞雪、水滴等)，减少或避免基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的各光学镜片在破冰过程中受到污染或破坏。

可选地，结合图1、图2所示，供气机构5还包括供气控制器54、储气装置53、气体传输通路52，储气装置53通过气体传输通路52连通喷嘴结构51，供气控制器54用于控制储气装置53经气体传输通路52和喷嘴结构51输出气体的输出参数。在激光发生机构1向冰层7辐照激光时，供气机构5的供气控制器54以设定的输出功率控制储气装置53通过气体传输通路52向喷嘴结构51传输高压气体，以在激光发生机构1的激光出口处喷射。

可选地，结合图1、图2所示，共振频率测试机构2包括超声波发射换能结构21和声发射检测结构22，超声波发射换能结构21用于向冰层7发射超声波，声发射检测结构22用于接收冰层7反射的超声波。

本实施例中，共振频率测试机构2通过超声波探测反馈来测试冰层7的共振频率(固有频率)。具体地，共振频率测试机构2通过超声波发射换能结构21向初步破碎的冰层7发射不断增大频率的超声波，通过声发射检测结构22接受来自冰层7反射(反馈)的响应幅值，获得的反馈较大增强的频率点即为相应冰层7的共振频率。这样，使得共振频率测试机构2适用于测试(获取)不同厚度、不同内部裂纹分布的冰层7的共振频率。

结合图1-图3所示，本发明另一实施例提供一种基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰方法，采用上述的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，包括以下步骤：

步骤200、通过基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的激光发生机构1向冰层7辐照激光，以初步破碎冰层7。

具体地，通过步骤200，采用激光发生机构1向冰层7辐照一定穿透深度的激光(例如红外激光)，以在冰层7表面制孔，改变冰层7内部的应力分布并使得冰层7产生大量微细裂纹，达到破坏冰层7内部结构、降低破冰阈值的目的，完成对冰层7的初步破碎。对于一些厚度较大的冰层7(例如厚度超过40mm的冰层7)，可以通过激光发生机构1在冰层7表面预定的位置打孔形成阵列(即打多个阵列分布的孔)，实现冰层7内部裂纹的进一步扩展，降低冰层7的破坏阈值，便于后续破冰机构3进一步破碎冰层7。

步骤300、通过基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的共振频率测试机构2获取冰层7的共振频率。

通过步骤300、采用共振频率测试机构2测试初步破碎的冰层7的共振频率(固有频率)，以获得该冰层7的共振频率；具体地，将共振频率测试机构2置于初步破碎的冰层7上方，通过超声波发射换能结构21向初步破碎的冰层7发射不断增大频率的超声波；通过声发射检测结构22接受来自冰层7反射(反馈)的超声波的响应幅值，获得的反馈较大增强的频率点即为相应冰层7的共振频率。

步骤400、通过基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的破冰机构3向冰层7输出共振频率的振动，以进一步破碎冰层7。

具体地，通过步骤400、根据共振频率测试机构2得到的冰层7的共振频率，采用破冰机构3的激振器31输出与冰层7共振频率相同频率的振动；激振器31带动共振传动结构32振动并将振动冲击载荷作用在初步破碎的冰层7上，实现初步破碎的冰层7的内部裂纹扩展和最终破碎，从而实现冰层7的进一步破碎，以满足破冰船在水面的航行需求。

可选地，结合图3所示，步骤200之前，基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰方法还包括：

步骤100、将激光聚焦到冰层7的预定制孔位置。

在开始冰层7的激光制孔，以改变冰层7内部的应力分布并使得冰层7产生大量微细裂纹之前，通过移动激光发生机构1或激光发生机构1的相应部件(或镜片)，以将激光聚焦到冰层7上预定的需要制孔的位置。具体地，先将激光器11输出的光纤121(即光纤连接结构12的光纤121)插入光纤耦合器122中，并调整光纤公差微调结构123以确保光纤121与光纤耦合器122的稳定连接，保证激光光路的稳定；并打开基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的电源6、光学快门15和聚焦观测机构4。之后，调整激光调焦结构14的激光传输整形结构13、激光调焦结构14等，保证激光垂直入射聚焦物镜136中心以及保证经聚焦物镜136射出的激光垂直照射冰层7；其中，在调整激光聚焦位置时，采用激光器11输出低功率测试激光进行；同时可采用量规来调整激光光路。再后，采用聚焦观测机构4观察激光聚焦位置，同时通过激光调焦结构14调整聚焦物镜136相对冰层7的位置，将激光聚焦到冰层7的预定制孔位置；例如，先关闭光学快门15，在冰层7预定的聚焦位置(即预定制孔位置)上放置白纸，打开白光光源41，调整激光调焦结构14，在光学镜头421处观察白光在白纸上的聚焦位置，并使白纸表面的图像(白光光斑)清晰可见，之后，重新打开光学快门15，打开激光器11输出低功率测试激光，即可在白纸上可以观察到聚焦后的激光。

可选地，基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统还包括上位机和多个控制器(例如供气控制器54)，上位机通过相应控制器控制本破冰系统的相应部件(例如激光发生机构1、共振频率测试机构2、破冰机构3、供气机构5等)执行相应操作，例如：控制本破冰系统的激光发生机构1向冰层7辐照激光；控制共振频率测试机构2测试并反馈(反馈给上位机、相应控制器或破冰机构3等)冰层7的共振频率，以获取冰层7的共振频率；控制破冰机构3根据共振频率测试机构2得到的冰层7的共振频率输出相同频率的振动作用到冰层7等。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，其特征在于，包括：

激光发生机构(1)，其用于向冰层(7)辐照激光；

共振频率测试机构(2)，其用于测试所述冰层(7)的共振频率；

破冰机构(3)，其用于向所述冰层(7)输出所述共振频率的振动。

2.如权利要求1所述的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，其特征在于，所述破冰机构(3)包括激振器(31)和共振传动结构(32)，所述激振器(31)通过所述共振传动结构(32)作用到所述冰层(7)。

3.如权利要求1或2所述的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，其特征在于，所述激光发生机构(1)包括激光器(11)、激光传输整形结构(13)以及连接所述激光器(11)与所述激光传输整形结构(13)的光纤连接结构(12)，所述激光器(11)发射的激光依次经所述光纤连接结构(12)和所述激光传输整形结构(13)作用到所述冰层(7)。

4.如权利要求3所述的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，其特征在于，所述激光传输整形结构(13)包括反置物镜(131)、激光准直镜(132)、激光扩束镜(133)、反射镜组(134)和聚焦物镜(136)；所述激光器(11)输出的激光依次经所述光纤连接结构(12)、所述反置物镜(131)、所述激光准直镜(132)、所述激光扩束镜(133)、所述反射镜组(134)和所述聚焦物镜(136)后作用到所述冰层(7)。

5.如权利要求3所述的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，其特征在于，所述光纤连接结构(12)包括光纤(121)、光纤耦合器(122)和光纤公差微调结构(123)，所述光纤(121)连接所述激光器(11)与所述光纤耦合器(122)，所述光纤公差微调结构(123)设置在所述光纤耦合器(122)上。

6.如权利要求4所述的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，其特征在于，所述激光发生机构(1)还包括激光调焦结构(14)，所述激光调焦结构(14)与所述聚焦物镜(136)连接，并用于调整所述聚焦物镜(136)相对所述冰层(7)的位置。

7.如权利要求1-2和4-6中任一项所述的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，其特征在于，还包括聚焦观测机构(4)，所述聚焦观测机构(4)包括白光光源(41)和观测镜组(42)，所述白光光源(41)用于发射与激光同轴入射到所述冰层(7)的白光，所述观测镜组(42)用于接收经所述冰层(7)反射的部分所述白光。

8.如权利要求1-2和4-6中任一项所述的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，其特征在于，还包括供气机构(5)，所述供气机构(5)包括喷嘴结构(51)，所述喷嘴结构(51)设置在所述激光发生机构(1)的激光出口处。

9.如权利要求1-2和4-6中任一项所述的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，其特征在于，所述共振频率测试机构(2)包括超声波发射换能结构(21)和声发射检测结构(22)，所述超声波发射换能结构(21)用于向所述冰层(7)发射超声波，声发射检测结构(22)用于接收所述冰层(7)反射的所述超声波。

10.一种基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰方法，采用如权利要求1-9中任一项所述的基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统，其特征在于，包括：

通过所述基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的激光发生机构(1)向冰层(7)辐照激光，以初步破碎所述冰层(7)；

通过所述基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的共振频率测试机构(2)获取所述冰层(7)的共振频率；

通过所述基于激光扫描布点辅助振动载荷的破冰系统的破冰机构(3)向所述冰层(7)输出所述共振频率的振动，以进一步破碎所述冰层(7)。

Images