基于Nuttall窗三谱线插值的激光多普勒信号处理方法研究

快速傅里叶变换(FFT)是主要的激光多普勒测速系统信号处理方法,由于受到频谱泄露和栅栏效应的影响,其处理精度并不理想。基于Nuttall窗三谱线插值法的激光多普勒信号处理方法就是一种好的处理方法,它可以有效地抑制频谱泄漏和栅栏效应,改善信号分析精度,提高速度测量精度。由于Nuttall四项余弦窗的能量集中在主瓣,旁瓣非常小,因此加Nuttall四项余弦窗的FFT三谱线插值算法能够极大地减小频谱泄漏的影响,谱间干扰也很小,能很好地减小频谱泄漏和栅栏效应。     

Laser Doppler velocimeter using a single longitudinal mode solid-state laser source

An experimental demonstration of using a single longitudinal mode solid-state laser source in laser Doppler velocimeter (LDV) is presented. The technology of frequency spectrum correction is used in processing Doppler signal. The results of the experiments show that: the magnitude and signal-to-noise ratio (SNR) of Doppler signal are both enhanced by the solid-state laser; the measurement accuracy of LDV is improved by the technology of frequency spectrum correction, and the variance of the measured Doppler frequency is larger than the Cramer-Rao low bound (CRLB) of Doppler frequency about one order of magnitude.     

基于Labview的激光多普勒测速仪的频谱校正

在激光多普勒测速仪中,为了减小由信号处理算法带来的测量误差,提出运用频谱校正算法对多普勒信号的频谱进行校正,详细阐述了能量重心法、比值法和相位差法3种离散频谱校正算法的基本原理,运用这3种算法对理想正弦信号进行仿真,并运用比值法对信号施加不同频率和信噪比的噪音下的正弦信号和实测的多普勒信号进行仿真及实验研究。结果表明:3种算法都可以使信号的频率更接近于真实值,其中能量重心法校正精度相对较低,比值法和相位差法精度较高,尤其是比值校正算法处理速度更快,校正的精度基本不受信噪比的影响。将比值法运用于激光多普勒测速系统,与光接收计数法测量结果进行比较,结果显示:校正后比较正前激光多普勒测速仪测量相对精度提高了2～3倍。     

Research on laser Doppler velocimeter for vehicle self-contained inertial navigation system

An idea of using laser Doppler velocimeter (LDV) to measure the velocity for the vehicle inertial navigation system was put forward. The principle of measuring its own velocity with laser Doppler technique was elaborated and reference-beam LDV was designed. Then Doppler signal was processed by tracking filter, frequency spectrum refinement and frequency spectrum correction algorithm. The result of theory and experiment showed that the reference-beam LDV solved the problem that dual-beam LDV cannot be used for measuring when the system was out of focus. Doppler signal was tracked so that signal-to-noise ratio was improved, and the accuracy of the system was enhanced by the technology of frequency spectrum refinement and correction. The measurement mean error was less than 1.5% in velocity range of 0-30 m/s.     

小波分析在激光多普勒信号处理中的应用

 提出将激光多普勒测速仪(LDV)应用于车载惯性导航系统中,阐述了激光多普勒自身速度仪的基本原理和小波变换的相关理论,并运用小波变换对多普勒信号进行检测、去噪及提取多普勒频率,仿真及实验结果表明：信号进行小波分解后,对每一级小波进行阈值处理,得到了较好的去噪效果;在小波降噪常见的阈值原则中,无偏似然估计阈值和极值阈值不容易丢失信号中的有用成分,而启发式阈值原则和固定阈值原则可以更有效地去除噪声;对于提取多普勒频率而言,小波变换与快速傅里叶变换所得的结果是一致的,而小波变换不但可以求出系统自身的运动速度,而且还可以求出对应速度发生的时刻。     

车载激光多普勒测速仪参数估计的Cramer-Rao下限

考虑到加速度和高斯型包络对激光多普勒测速仪的影响,在引入加速度分量的基础上,研究了高斯包络型多普勒信号的参数估计.根据数理统计的理论,分析了多普勒圆频率及其一阶变化率估计方差的Cramer-Rao下限(CRLB),给出了参数估计方差的CRLB计算公式,并讨论了各参数带修正的功率谱估计.理论分析及仿真结果表明:参数估计方...     

自适应滤波技术在激光多普勒测速仪中的应用

激光多普勒测速仪检测系统提取的光电信号中存在较大的噪声信号。为了消除这些噪声干扰, 提高激光多普勒测速仪的测量精度,提出一种新的信号处理方法,将最小均方差自适应滤波技术应用于激光多普勒测量中,利用多普勒信号和噪声信号的统计特性,以最小均方误差估计为准则,最大程度地滤除噪声信号。阐述了最小均方差自适应滤波算法的基本原理,在MATLAB平台上将其应用于理想正弦信号进行仿真,并将其应用于实测多普勒信号的处理中。仿真和实验均表明,该技术可以有效抑制激光多普勒测量中的多频率噪声的干扰,大大提高多普勒信号的信噪比和测量精度,为设计高精度的激光多普勒测速仪创造了条件。     

频谱分析型激光多普勒测速仪信号处理技术

为了提高激光多普勒测速仪的测量精度,提出对激光多普勒信号先进行跟踪滤波,再进行频谱细化和频谱校正的信号处理方法,并利用信号处理系统对实测的多普勒信号进行了实验研究。实验结果表明:跟踪滤波器在滤除基底信号及系统的部分噪声的基础上,实时跟踪多普勒信号的频率,信噪比明显提高,所得结果与多普勒频率的真实值相一致;频谱细化技术大大提高了频谱分辨力,频谱校正技术使校正后的频率更接近真实值。     

Laser Doppler velocimeter with variable optical frequency shift

An opto-electronic system that allows a stable accurate frequency shift, variable from 10 kHz to 50 MHz, to be introduced in a laser Doppler velocimeter (LDV) has been developed. The system combines a fixed optical-frequency shift obtained using a Bragg cell with an electronic shift which results from mixing the detector signal with a variable local oscillator frequency phase locked to the Bragg cell driver. This paper discusses the advantages of the system in both a tracker and a counter based LDV.     

Voigt线形函数二阶导数研究

在强展宽条件下, 光谱信号二阶导数相互的交叠影响较小, 是一种潜在的反演光谱信息的手段. 本文研究了光谱Voigt线形函数的二阶导数, 得出了其二阶导数全域积分为0的性质, 计算了二阶导数最小值与偶数高阶导数最大值和最小值的解析结果, 并通过数值计算与曲线拟合得出了其极大值位置与零点位置的比例与洛仑兹-多普勒半宽比的关系, 为强展宽下由光谱二阶导数准确反演光谱信息提供了理论基础. 关键词： Voigt函数 二阶导数最小值 零点位置     

参考光束型激光多普勒测速仪的误差分析

阐述了参考光束型激光多普勒测速仪的基本原理,从理论上分析了原理公式近似、高斯光束干涉、激光线宽、探测器孔径、有限渡越时间、信号处理算法、空气折射率变化及角度测量等诸多因素对激光多普勒测速仪测量结果造成的误差,研究并给出了每一种影响因素所引起误差的理论公式,在每一种影响因素中具体讨论了各种光学参数对测量误差的影响并对部分参数进行实验研究。理论分析和实验表明:在实验中需要选择线宽较窄的激光器及孔径较小的光电探测器,而在选择光束光斑半径和信号光中心光线的方向与粒子运动方向的夹角时,既要考虑激光的质量和多普勒信号的强度,同时也需要考虑原理公式近似、探测器孔径的尺寸、有限渡越时间及高斯光束干涉等多种因素对测量结果的影响。     

Optimum Seeding Particles for Successful Laser Doppler Velocimeter Measurements

Seeding particles for laser Doppler velocimeter (LDV) measurement have been developed which are of uniform diameter, spherical shape, low loose weight and high melting temperature. Evaluation test results show that the use of the particles can increase the signal quality substantially and extend the measurable field of the LDV, which can hardly be accessed by conventional measurement methods.     

激光多普勒测速仪中散射光特性的研究

后向散射光特性与多普勒信号的质量密切相关。为了设计高性能的激光多普勒测速仪,运用散斑理论详细分析了激光多普勒信号的强度与散射光斑大小的关系,结合泛函理论给出了计算多普勒电流的散斑表达式,并通过实验的方法研究了回波信号的偏振特性及其强度分布。理论分析与实验结果表明,激光多普勒信号的强度与接收器件光敏面的直径成正比,与光斑的直径成反比;选用光斑较小的圆偏振激光束,并用光敏面尺寸较小的探测器在镜面反射方向上接收信号光,可以大大提高多普勒信号的信噪比,增强系统的探测能力,为提高系统的测量精度创造有利的条件。     

载体振动对差动激光多普勒测速仪的影响

 为了减小载体振动对传统差动激光多普勒测速仪(LDV)测速精度的影响,提出了Janus配置的差动LDV,并对其速度测量的相对误差进行了理论分析与数值仿真。结果表明：Janus配置技术可以近似反演出载体上下振动时的俯仰角,并对速度进行补偿;载体上下振动对传统差动LDV的测量精度有较大影响,而对Janus配置的差动LDV的影响较小;在Janus配置的差动LDV中,当存在俯仰角且大小一定时,随着载体上下起伏速度与运行速度比值增大,速度测量的相对误差增大;当载体上下起伏速度与运行速度的比值为0.01,俯仰角小于10°时,Janus配置的差动LDV的速度测量的相对误差小于0.2%。     

频移分离型三维激光多普勒测速仪研究

研究一种采用频移分离方法的新型三维激光多普勒测速仪（３ＤＬＤＶ）。该仪器以单色Ｈｅ－Ｎｅ激光器和单只光电探测器并配合简单的光学发射和接收系统即实现了三维速度分量的同时测量。三个分量的速度信号由声光调制器引入的三种光学频移区分，通过电子滤波器完成信号的相互分离。在光学发射系统设计中采用独特的单轴四光束结构，通过光束组合形成三双光束差动模式的激光多普勒测速仪光。本文中还给出了该仪器的系统设计参数并分析     

一种基于谱线幅值归零的加窗插值FFT谐波检测方法

提出了一种基于谱线幅值归零的加窗插值 FFT 谐波检测方法用于分析复杂电网信号中的各次谐波。 该检测方法将每一次在离散频谱中找到的最大谱线及其左右两侧的数根谱线幅值归零,直到各次谐波分析完毕。 通过仿真实验分析了在基波频率稳定时对模拟信号的测量精度,研究了基波频率波动对谐波分析的影响。通过对EAST 实验数据的分析,验证了该谐波检测方法的可行性和高精度性。     

碘吸收激光稳频中调制信号的理论计算

激光频率标准是将激光频率锁定于原子或分子的超精细能级间的跃迁频率,从而获得高精密度的激光频率输出。在激光稳频研究工作中,通常将碘分子的吸收谱线采用导数谱、FM光谱和调制转移光谱MTS(ModulationTransferSpectroscopy)进行频率的精密控制。为更好地消除吸收谱线的本底噪声,目前最好的稳频方案是采用调制转移光谱法。它具有高灵敏度、高分辨率和无多普勒背景等特点。从物理学的原理出发,分析了激光对介质的极化机理,导出介质对激光的吸收和色散作用的数学模型,用信号处理的技术从理论上推导了MTS谱线线型,分析了光谱线型的特性,讨论了提高激光频率稳定度的各种情况。     

Laser Doppler velocimeter for vehicle application with improved signal-to-noise ratio

Laser Doppler velocimeter (LDV) with improved signal-to-noise ratio (SNR) is presented to measure the vehicle velocity. A novel optical structure named split-reuse type configuration is developed to improve the SNR of LDV. Reference measurements were provided by measuring the outer surface of a precision single-axis turntable. Under these conditions, the measurement uncertainty of the instrument is better than 0.56 % with 95 % confidence interval. The split-reuse type LDV has been tested with an automobile on the open road, and the measurement results are comparing with the results of a precision spatial filter velocimeter, which verify the feasibility of split-reuse type LDV to measure the self-velocity of vehicle.     

复调制Zoom-FFT方法的LabVIEW实现与应用

为了对信号频谱中多个频率接近的分量进行检测,提出在LabVIEW平台上使用复调制Zoom-FFT方法,通过移频、滤波、重采样、FFT和频率调整几个步骤实现对频谱的细化。仿真表明,该方法能够灵活的选择细化频带,提高频带内的频域分辨率并有较小的计算量。将其应用到异步电机故障诊断中,实现了对转子断条故障分量的有效检测。     

基于傅里叶变换光谱技术的Zoom-FFT算法研究

在分析经典的Zoom-FFT算法基础上,提出一种基于傅里叶变换光谱技术的Zoom-FFT算法,用matlab仿真常规FFT算法和Zoom-FFT算法,对不同采样步长的干涉条纹进行数据处理,通过反演出的光谱曲线图和原始光谱曲线图可以看出:采样步长小于20 m时,FFT和Zoom-FFT算法都可以反演出光谱;而当采样步长大于20 m且小于33.3 m时,FFT算法未能反演出光谱,而Zoom-FFT算法仍然可以反演出光谱。