共线外差干涉系统相位特性及应用研究

针对信号调制与传输特点,设计搭建了一种由两个不同驱动频率声光调制器组成的外差干涉系统,双路光强调制避免了由声光调制引起的衍射级次混叠和频移漂移等影响,采用双路调制最后输出由两个+1级衍射光干涉形成的拍频信号,消除了级间干扰;同时系统良好的共线性和对称性,极大地减小了外界环境噪声对测量精度的影响,提高了检测精度。基于折射率改变引起的相位变化信息进行检测及处理,通过测量不同百分比浓度的溶液,并对系统的相位特性进行了研究,提出一种溶液浓度检测的新方案,并对激光漂移和调制强度对测量系统的影响进行了分析。实验结果表明,该检测系统能够较好地通过对信号相位差改变信息的处理完成对溶液浓度的检测,在0.1%～0.5%范围内,最大相对误差约为8.0%,为光外差干涉溶液浓度测量系统小型化设计和制造提供了参考。     

跨尺度亚纳米分辨的可溯源外差干涉仪

提出了一种能够实现跨尺度测量具有亚纳米分辨力的可溯源外差干涉仪,利用小型化碘稳频532 nm激光器,将激光频率溯源至国际计量委员会推荐的复现米定义谱线之一的R(56)32-O(a10)上;使用双频激光空间分离的设计方法,抑制了双频激光混叠引起的测量位移非线性误差,补偿了光纤与声光调制器引入的相位噪声;通过高精度的相位测量技术,使相位测量分辨率达到了0.017°.干涉仪的不确定度评估结果显示,100 mm的量程内,其不确定度达322 pm,实现了跨尺度亚纳米分辨力可溯源的位移测量.     

多模布里渊光时域反射系统的建模分析与计算

提出了一种基于多模法布里-珀罗激光器外调制的移频本地外差检测布里渊光时域反射系统,分析了系统提高光纤受激布里渊散射阈值和移频本地外差检测的原理;推导了系统信噪比的数学表达式,研究了布里渊叠加谱峰功率和谱宽、系统信噪比和频移测量精度与纵模数的关系,以及实现最优测量精度时纵模数与脉冲宽度的关系,得到了相应的拟合公式。结果表明,选用纵模间隔0.141nm的多模激光器和单纵模峰值功率100mW、脉冲宽度50ns的入纤脉冲时,随着纵模数的增加,25km光纤末端的系统信噪比、温度和应变测量精度均得到了明显提高,且纵模数为20时,系统信噪比相对于单纵模增加11.73dB,温度和应变测量精度分别达到最佳值3.2℃和70.8με;最佳频移测量精度随脉冲宽度的增大先快速提高,后趋近于恒定值2.9 MHz。     

用立体电子显微术测量超光滑表面粗糙度

本文介绍一种用立体电子显微术测量超光滑表面粗糙度的方法,并进行了实验。对其理论依据、误差、复制品的复制,以及整个测量过程都作了详细分析说和明。在前言中,对目前采用的各种测量超光滑表面的方法可达到的精度进行了简单的对比,指出了此方法的垂直和横向分辨力可达到10A左右。     

法-珀干涉绝对距离测量中的声光移频器双通道配置方法

为在能量天平动圈位移测量中实现大范围纳米精度法-珀干涉绝对距离测量, 提出了声光移频器双通道配置, 实现了调谐范围为200 MHz的可调谐频差. 通过分析声光移频器调制带宽与衍射效率的平衡与入射光束聚焦透镜的关系, 确定透镜的最佳焦距范围; 利用零级光斑分布特点准确定位入射光束, 保证一级衍射光束质量. 声光移频器在调制带宽内的实验单通道和双通道峰值衍射效率分别为79.54%, 61.41%; 声光移频器双通道配置输出的一级衍射光束与入射本征光束的拍频范围为440-640 MHz, 是单通道调制带宽输出220-320 MHz的两倍, 信噪比好. 理论分析表明, 声光移频器双通道配置方法实现的可调谐频差可测量腔长变化范围约为53 mm的折叠法-珀腔.     

纳秒激光抛光钛合金Ti6Al4V作用机理的实验研究

对钛合金进行抛光可以优化表面质量、提高耐磨损性能和使用寿命。运用纳秒脉冲光纤激光器进行钛合金Ti6Al4V抛光实验,通过光学轮廓仪测量不同激光光束形状、脉冲能量密度、光斑重叠率、脉冲宽度下的钛合金Ti6Al4V工件表面粗糙度变化规律。结果表明:平顶光束能够达到的粗糙度更小,激光脉冲能量密度增大,凸起消融越多,工件表面粗糙度减小;光斑重叠率增大,粗糙度减小,重叠率过大,受热应力的影响,凝固后的表面变得不平滑,粗糙度增大;一定范围内的脉冲宽度的增加,凸起消融越多,粗糙度减小。研究结果对提高钛合金抛光效率,优化钛合金性能有促进作用。     

基于调制相移法的高准确度光纤长度测量技术

为了克服传统调制相移法测量频率范围窄、测量准确度低的缺点,提出一种基于调制相移法的单模光纤长度精确测量技术.利用一体化矢量网络分析仪的高速调制信号同步技术及高频信号相位差测量技术,设计并研制了单模光纤长度测量装置.基于矢量网络分析仪自带的VBA插件编写了自动控制及数据处理软件,给出了相位变化量自动处理方法.利用研制的装置分别测量了长度为2km、40km和150km的单模光纤在不同工作波长点的长度值,实验结果表明,2km的光纤长度测量值实验标准偏差优于0.2mm,150km的光纤长度测量值实验标准偏差接近0.01m.该装置可对1 310nm、1 490nm以及1 550nm波长的光纤距离进行精确测量,为光纤长度的高准确度测量提供了一种新的技术途径.     

基于差分探测的低相干外差干涉间隙测量技术

针对低相干外差干涉间隙测量技术应用于发动机、燃气轮机等设备内部高温、高压、强振等恶劣环境时,面临信号弱、信噪比差导致测量范围受限的问题,提出利用差分探测技术来提升拍频信号信噪比的方法。围绕所提出的方法,建立了严格的间隙测量模型,并从理论上说明了其具有提升信号信噪比、扩大测量范围的优势。为证明方法的可行性,搭建了全光纤低相干外差干涉间隙测量实验验证系统,进行单端探测与差分探测的间隙测量对比实验。实验结果表明在同等测量条件下,差分探测方式将信噪比提高了4.22倍,测量范围由10 mm增加到了20 mm。进一步,对系统的测量不确定进行了分析,理论和实验均表明,由于光纤延迟器件扫描速度的不稳定性,系统测量不确定度整体上具有随测量间隙增大而增大的趋势,但在20 mm测量范围内,测量不确定不超过15μm。     

共线外差干涉系统相位特性

以单束正交线偏振光为光源,利用索列尔-巴比涅相位补偿器使相位连续变化,采用锁相放大器进行数据采集,设计了一种由光纤耦合输出的窄频半导体激光器和双声光调制器组成的共线外差干涉系统,对其相位特性进行了研究,分析了激光束漂移及光源谱线宽度对相位测量的影响.实验表明:系统的相位分辨率为0.3611μm,相位灵敏度为27.386°/mm,测量误差为0.090rad;可以消除由声光调制器光强调制引起的相位误差,抑制激光束漂移引起的误差,以及减弱环境因素产生的噪声对测量结果的影响.     

共光路外差干涉法精密测量光学表面

报道了光学外差法测量表面起伏精度及横向分辨精度达到０．１１ｎｍ及４μｍ。本文采用的是完全共光路外差干涉系统，阐述了它的原理、构造及噪声的影响，并将测量结果与其它商品仪器测量结果作了比较。     

噪声对等光频采样调频连续波激光雷达测距精度的影响分析及实验验证

调频连续波激光雷达具有测量范围大,精度高,无需合作目标等优点,在计量学和工业现场测量中具有重要作用。简单介绍了等光频重采样调频连续波激光雷达的基本结构和测距原理,分析了系统辅助干涉信号和测量干涉信号中存在的主要噪声及其特点。当系统辅助干涉信号中存在噪声时,会造成极值点不准确并且引入测量误差。随后,使用Cramér-Rao下界定理评估测量干涉信号的噪声对测量结果的影响。为了提高测量的准确性和稳定性,基于经验模态分解的小波阈值滤波和汉宁窗带通滤波结合小波滤波的自适应滤波方法分别用来去除了辅助干涉信号和测量干涉信号中的噪声。实验中多次测量了平面镜和多种粗糙度样块,并使用精密导轨验证测量结果的准确性。实验结果表明,当被测物位于3.9 m左右时,使用自适应滤波方法去除噪声后,系统对反射镜和其他粗糙度样块的测量不确定度为20 μm和几十微米(K取值2),远小于使用小波阈值滤波的方法(120 μm和几百微米)。同时,通过对比精密导轨位移数值和系统的测量结果,证明了所提出的方法能够有效提高系统的测量准确性。     

High-Accuracy Measurement of the Dispersion of Chirped Fiber Gratings

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｆｉｂｅｒｇｒａｔｉｎｇｓａｒｅｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｓｅｎｓｉｎｇ .Ｔｈｅｙａｒｅｌｉｋｅｌｙｔｏｈａｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｗｏｍａｉｎａｒｅａｓ:ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｉｎｌｏｎｇ ｈａｕｌｆｉｂｅｒｎｅｔｗｏｒｋｓ[1,2 ]ａｎｄｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｒｏｕｔｉｎｇｉｎｗ…     

基于相位凝固技术的激光反馈干涉术

针对激光反馈干涉术,提出基于相位凝固技术的调制解调方法,用以提高位移测量的分辨率,并设计了利用相位调制器进行调制的位移测量系统.利用调制器进行外腔相位调制,采集调制相位相对固定的干涉光信号,通过解调重构得到被测的位移信息.进行了信号调制、采样、重构技术的研究以及误差分析,并通过仿真验证了方法的可行性.结果表明,采用5点相位凝固采样技术,测量准确度可以达到λ/20.此方法可提高激光反馈干涉术的测量分辨率,实现信号实时采集处理,可用于位移的实时测量.     

激光三角法测量中被测物表面特性对测量精度影响的分析

激光三角法测量是现代测量技术中重要的测量方法,但其测量精度受自身系统、环境以及被测物表面特征等因素的影响。针对被测表面的特性是激光三角法产生测量中产生测量误差的主要因素,根据特定颜色所造成误差的重复特性提出了数据标定的改进方法;针对表面粗糙度,通过在光路适当位置安装偏振片有效消除了镜面反射,采用双光路设计有效改善了被测物倾斜带来的误差。最后通过实验验证了改进方法的有效性。     

Compressive imaging based on multi-scale modulation and reconstruction in spatial frequency domain

Imaging quality is a critical component of compressive imaging in real applications. In this study, we propose a compressive imaging method based on multi-scale modulation and reconstruction in the spatial frequency domain. Theoretical analysis and simulation show the relation between the measurement matrix resolution and compressive sensing(CS)imaging quality. The matrix design is improved to provide multi-scale modulations, followed by individual reconstruction of images of different spatial frequencies. Compared with traditional single-scale CS imaging, the multi-scale method provides high quality imaging in both high and low frequencies, and effectively decreases the overall reconstruction error.Experimental results confirm the feasibility of this technique, especially at low sampling rate. The method may thus be helpful in promoting the implementation of compressive imaging in real applications.     

三光路结构的调频连续波重采样测距方法

调频重采样是一种绝对测距技术。这种方法采用的光源波长随时间变化,形成一束宽光谱激光。激光在各时刻的波长通过辅助干涉装置进行测量,并对其中频率间隔相同的部分进行重采样,使调频测距系统具有较大的线性光谱带宽,较高的分辨率及精度。在实际测量过程中,测量装置本身及待测物都容易受到振动的影响,导致待测距离及辅助光纤长度发生变化,引入测距误差。针对这个问题,分析了振动对重采样测量结果产生的误差:(1)待测物的移动引入一个多普勒频移分量;(2)辅助光纤的振动使重采样频率也发生变化。为了弥补这两种误差,提出了一种三光路结构的补偿方法,在辅助光路中,使用一种光路结构简单小巧,且测量速度更快的全光纤马赫泽德干涉仪等效代替光谱仪,实时的监测信号光的瞬时频率。在测量光部分,在测量光路中引入两个部分反射镜产生两路补偿光信号,并通过FFT算法产生频谱。频谱的三个峰值分别与三路信号相对应。通过测量信号与其中一路补偿信号的峰值相减即可补偿多普勒误差,通过两路补偿信号的频率差与相对距离的比值即可得出实际的辅助光纤长度。实验证明,传统的重采样测距方法精度为23.6μm,三光路测距方法的精度可达到11μm,可见这种方法能够对系统的振动误差进行有效补偿。     

非接触散斑干涉法测量高温物体应变的研究

描述了散斑干涉高温物体应变测试实验装置工作原理及其实验结果，对钨和石墨的测量表明，该装置可实现高温状态下材料应变测试，测试精度达１μｍ，选择波长６３２．８ｎｍ，半宽２．４ｎｍ的窄带滤光片，配之预处理电路，对６３２．８ｎｍ辐射散射能力较强的材料（诸如钨带等）可实现２３００℃高温非接触应变测量，对６３２．８ｎｍ辐射散射能力较好的材料（诸如石墨等）可实现１５００℃高温接触应变测量。     

应用电光调制干涉系统对甲烷气体浓度监测的研究

对甲烷气体浓度的监测应用领域很多,而目前绝大多数采用的是化学反应方法,存在安全性低、稳定性差等缺点,而采用光学干涉法定性定量分析稳定性高、抗干扰能力强。设计了电光调制的干涉系统进一步提高其探测精度。在干涉系统中,利用可变折射率晶体LiNbO₃的电光调制特性,对晶体折射率进行调制,增大静态光程扫描范围,提高光谱分辨率。系统对晶体两侧分别加载相位相反的调制信号,使其在不改变干涉具尺寸的条件下提高光谱分辨率。通过推导折射率调制度与光程差的函数关系,仿真计算可知比同尺寸干涉系统光谱分辨率提高了近一个数量级。实验采用SGT-3型声光调制器,1 650 nm红外激光器对不同浓度的甲烷气体进行检测,实验结果显示,此方法比传统的热释电法精度好、稳定性高,更适合在矿井等复杂环境下应用。     

弹光调制型成像光谱偏振仪中的高精度偏振信息探测研究

提出了一种基于三弹光调制器的差频偏振调制方法, 并结合声光可调谐滤波技术构成了新型弹光调制型成像光谱偏振探测仪(photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter, PEM-ISP). 介绍了PEM-ISP及三弹光差频偏振调制方法的基本工作原理, 并从PEM-ISP的探测原理出发, 通过分析和计算PEM-ISP的Mueller矩阵, 推导出了相应的偏振测量公式; 通过仿真及实验验证了三弹光差频偏振调制方法的可行性和准确性; 最后分析了探测积分步长、采样间隔的选取对偏振测量的影响, 对入射视场角、相位延迟幅值等因素所带来的测量误差进行了初步分析. 结果表明, 1%的相位延迟量误差带来的线偏振度DoLP误差 <0.6%. 本研究为新型PEM-ISP的遥感探测以及Stokes参量的反演的进一步工程化实现提供了必要的理论依据. 关键词： 偏振调制 三弹光调制器 差频 成像光谱偏振仪     

TDLAS波长调制压力测量法参数优化

使用TDLAS技术进行动态压力测量已经成为压力测量领域的研究热点。波长调制法实验装置较为复杂,需要对多个参数进行设置,选择出最优的预设参数能够取得更好的实验效果,获得更高的测量精度。目前波长调制法的实验参数设置基本凭借个人经验,使用Matlab程序仿真结合波长调制法的TDLAS测量技术,能够对实验中需要进行预设的重要参数进行了分析。通过计算4990cm-1波段和6330cm-1波段附近的多条吸收峰,发现4990.09cm-1波段处的吸收峰更适合作为波长调制法的测量波段。以4990.09cm-1处的吸收峰为研究对象,进行了波长调制法压力测量仿真建模,计算了调制度、调谐频率和调制频率对二次谐波幅值和对称性的影响并深入地分析了影响因素,总结了其变化规律。在综合考虑抗噪性能和测量精度的情况下,选择了调制度为2.5,调谐频率30Hz,调制频率5kHz为最佳实验参数。基于Matlab的仿真模型能够快速计算大量参数点,更加直观地分析出对参数的影响趋势,为实验仪器和预设参数的选择提供依据。