一种高效的相位调制激光多普勒频移测量方法

为了充分利用相位调制信号中的多普勒频移信息,将相位调制信号的直流和拍频分量中的鉴频参量相结合,构造出一个新的鉴频参量。在理论和实验上,通过依次比较表明新鉴频参量继承了相位调制拍频信号振幅多普勒频移测量方法的特点和优势,相比之下,测量动态范围约提高1倍,测量精度约提高6倍。为了有效利用闲置的回波信号光功率,提出了基于新鉴频参量的双边缘相位调制多普勒频移测量方法,在理论上证明其可将测量灵敏度提高1倍。     

相位调制激光多普勒频移测量方法的改进

本文对现有相位调制激光多普勒频移测量方法进行了改进,通过定义新的鉴频参量来同时利用相位调制信号直流和交流分量中的有用信息进行多普勒频移测量.由于相位调制信号直流分量中包含着调制信号光的Fabry-Perot干涉仪光强透过率,所以这一改进本质上是将基于Fabry-Perot干涉仪的边缘技术激光多普勒频移测量方法的优势引入到相位调制测量方法中,以提高其自身的性能.理论上证明改进后的相位调制激光多普勒频移测量方法无需对信号光的光强进行测量,所以可以进一步简化探测系统的结构和较少噪声混入的通道.另外,通过对改进前后鉴频和测量灵敏度曲线进行对比,还证明了其具有更高的测量灵敏度和动态范围.实验上对硬目标反射的频移可控信号光进行测量,不但证明了理论的正确性,而且证明了改进后的相位调制激光多普勒频移测量方法,测量动态范围提高约1倍,测量标准偏差降低约35%.     

一种相位调制激光多普勒频移测量方法

对相位调制拍频信号随信号光频率变化规律进行分析,发现拍频信号相位参量的频谱包含两个在值域上彼此分开的单调边缘,表明利用拍频信号的相位参量可以进行多普勒频移测量.如果利用拍频信号振幅参量对出射激光进行工作点锁定,其多普勒频移测量范围是Fabry-Perot干涉仪边缘技术的两倍.理论分析拍频信号振幅和相位参量的提取方法,表明基于此拍频信号相位参量的测量方法无需进行信号光能量检测,与Fabry-Perot边缘技术方法相比,结构更简单,且少了一条外部噪音混入的通道.为了对该多普勒频移测量方法定量分析和参量优化,利用误差合成原理以及计算机仿真,推导出其测量误差公式.根据测量原理搭建了实验系统,用频率可调光纤激光器的输出光模拟多普勒频移信号光进行测量,结果表明鉴频参量及其误差分布曲线的测量结果与理论分析相符合.     

基于相位调制器与Fabry-Perot干涉仪的激光多普勒频移测量方法

提出了一种激光多普勒频移测量方法, 此方法利用正弦相位调制使信号光在原频率成分基础上产生正负一阶边带, 再由Fabry-Perot干涉仪对调制光振幅和相位进行调整, 使其产生固定频率的拍频信号, 利用此拍频信号的振幅随频率变化而变化的性质来进行多普勒频移测量. 通过理论分析证明该方法具有很高的测量精度, 加工装调难度不大, 兼顾了普通相干与非相干探测方法的优势. 另外通过实验证明该方法的正确性与可行性, 并通过与普通非相干方式比较发现该方法在测量精度上可以提高 约1个数量级. 关键词： 多普勒频移 相位调制 Fabry-Perot干涉仪 拍频     

提高相位调制多普勒激光雷达频移测量范围的方法

相位调制多普勒激光雷达可以兼顾直接探测多普勒激光雷达和相干探测多普勒激光雷达两者的优势。但由于其存在自身频移测量动态范围不足的问题,在实际的应用中受限。为了解决这一问题,提出了一种"星迹图"方法,这种方法是将相位调制鉴频参量进行正交分解,利用他们在二维或三维坐标系中变化的性质来进行信号光频移测量,并对其测量灵敏度和误差进行理论建模。该方法既有效保持了原有方法的优势,又大幅度提高了频移测量的动态范围。理论研究证明,该方法可以将测量动态范围提高约9倍。并在实验上,通过对目标的测量证明了该方法的正确性和有效性。     

相位调制激光多普勒频移测量方法的误差研究

为了能够对相位调制激光多普勒频移测量方法进行定量分析以及优化设计,使其在实际应用中获得最佳测量结果,从该多普勒频移测量方法的工作原理出发,对其测量误差分布规律进行了理论与实验研究,建立了该方法的测量误差模型。并利用该模型对此测量方法的频移测量精度等方面受相位调制频率和相位调制深度的影响进行了理论研究,发现当相位调制频率为Fabry-Perot干涉仪透射率曲线半峰全宽的0.63倍以及相位调制深度为1.08时,该方法的测量精度可以达到最高。     

用光学相干层析进行粒子流流速全部分量测量

采用光学相干层析研究了粒子流背向散射光强的涨落特性,将粒子对背向散射光的影响分为相位调制和振幅调制两部分,建立了粒子流流速全部分量测量方法,由背向散射光强信号分别得到粒子流多普勒频移和渡越时间,进而计算出流速的纵向分量和横向分量,用聚苯乙烯粒子悬浮液对这种流速测量方法进行了实验验证。     

激光多普勒微振动信号的直接强度解调

在传统的激光多普勒测振方法中,频移信号的检测通常需要具有比较复杂的频率或相位解调系统。从激光多普勒频移和干涉理论出发,提出了一种测量振幅小于纳米量级的方法———直接强度解调法。分析了直接强度解调法的适用范围。实验中利用了迈克尔逊干涉仪结构,采用了直接强度解调的方法。对振幅约为1nm的振动信号来说,其信噪比为23dB。     

基于激光多普勒技术扭振测量的研究

提出一种基于激光多普勒技术和光学外差原理对高速回转机械进行扭振测量的新方法,分析了工作原理,推导出光路部分的数学模型,并通过实验分别验证了测量方法的可行性和准确性。高相干激光投射到转轴同一个截面上2点,反射光的多普勒频移正比于转轴转速,通过光学配置,使前后两个时刻的多普勒频移光信号在光探测器上发生光学混频,光电流拍差正比于转轴在两个时刻的速度差,控制两个时刻时间差很小,直接得到角加速度。与其他激光多普勒扭振测量方法相比,该方法直接测量转动角加速度,在保证测量精度的前提下,提高了扭转振动测量的实时性,极大地扩展了扭振测量的动态范围,对大型回转机械运行状态监测和故障诊断具有重要意义。     

基于振动抑制高精度宽带激光扫频干涉测量方法

本文研究了基于振动抑制的高精度宽带激光扫频干涉测量方法.在激光扫频干涉测量中振动引起目标位移,导致在测量信号拍频中叠加了多普勒频移,该频移量通常远大于目标实际位移产生的频率变化,直接计算目标距离将造成测距精度下降.为解决该问题,本文首先建立了振动对宽带激光扫频干涉测距系统的影响模型,分析了振动对测距的影响机理,通过对测量系统的色散失配效应进行补偿降低了色散影响,然后对测量信号进行交叠分时Chirp Z变换计算不同时刻目标距离,进一步结合卡尔曼滤波方法对目标距离信息进行状态估计,使测量的标准差由185.4μm降低到9.0μm,有效降低了环境振动对测量结果的影响,提高了测量精度.该方法在不需要改变激光扫频干涉绝对距离测量装置的条件下,为进一步提高振动环境中的测距精度提供了解决方法,降低了装置复杂度和成本.     

掺铒光纤环形激光器中饱和吸收光栅瞬态特性引发跳模的实验研究

在掺铒光纤环形激光器中插入饱和吸收光栅是获得稳定单纵模激光的常用方法,但跳模难以完全避免.通过干涉仪动态相移解调法将光频跳变实时转化为相位变化,发现了一种由饱和吸收动态光栅的瞬态响应特性导致的跳模新机理.实验测量了由腔长快调触发的规则跳模,获得了跳模规律及成因.此种跳模发生在调制曲线斜率最大值附近区域,通常在相邻模式之间出现,跳模前移频量约为纵模间隔.在同等调制振幅下,抽运功率越高,触发跳模所需的光频调制频率越大,所需的最小移频量也越大.实验结果给出了振动和调制条件下激光器稳定工作的条件,这为设计激光器的隔振封装和确定频率调制工作模式下的调制范围提供了实验依据.     

全光纤M-Z干涉仪的高灵敏度与大动态范围多普勒激光雷达风场探测技术

多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。由于受鉴频器本身特性的影响,高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件,设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。采用小光程差(13.7 cm)、大动态范围(±100 m·s-1)鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位,大光程差(74.8 cm)、高探测灵敏度(2.62%/(m·s-1))的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测,从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。结果表明,该系统可以实现±100 m·s-1大动态范围内风速误差小于1 m·s-1的大气风场探测,为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。     

基于激光拍频高准确度相位式测距方法

介绍一种基于相位式激光测距的高动态、高准确度测距系统.系统引入光频调制技术实现激光拍频产生高频调制信号并完成信号的高速变测尺调制.在对回波信号进行鉴相时,为降低鉴相偏差采用无窗全相位谱分析并实现对测量信号的相位计算.计算表明,该方法可以有效抑制频谱泄露,减小噪声对测量结果的影响,提高鉴相准确度.实验表明该测距系统可以有效地解决相位法测距中存在的抗干扰能力差、距离模糊较难抑制等问题,调制信号频率为100 MHz、信噪比为30dB时测距准确度优于0.5mm.     

基于多波长布里渊光纤激光器的温度传感特性

为了在高腐蚀、高辐射和强电磁干扰等复杂环境下实现对温度的精确测量,设计并实验了一种基于传感多波长布里渊光纤激光器(MBFL)和参考MBFL的高灵敏度全光纤温度传感器。理论和实验上分析了布里渊散射光的频移与温度变化之间的关系,根据输出斯托克斯激光信号对拍频所得微波信号的频移变化,测量温度的变化。通过带宽为0.1 nm的可调谐光滤波器选择第10阶斯托克斯激光信号对输出,并对其进行拍频探测,实现对传感MBFL周围温度变化的精确测量。通过拍频探测第10阶斯托克斯激光信号对,得出其灵敏度为10.829 MHz/℃。当选用第10阶斯托克斯激光信号对进行温度测量时,温度变化40℃的测量误差约为0.138℃。     

基于双声光移频器的外差式激光多普勒测振计

分析了单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计中声光移频器驱动信号的频率稳定性和信号功率对待测振动信号的影响.为了降低声光移频器驱动信号频率漂移的影响,提出双声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计,并基于直接数字频率合成技术,以相位噪音低、初始相位可控的芯片AD9912为核心器件,完成了声光移频器驱动信号生成及处理模块的设计.开展了双声光移频器组成的外差式激光多普勒测振计的振动测量实验,结果表明,驱动信号生成装置可以驱动声光移频器正常工作,且测振计的本底噪音在0～10kHz频带范围内呈现平坦分布,0～1kHz频段内噪音得到明显抑制,较单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计有显著改善.     

基于双音外差的电光相位调制器半波电压自校准测量方法

电光相位调制器是光纤通信系统、微波光子系统和相干光通信系统中的关键器件之一. 作为器件本征参数, 电光相位调制器的半波电压通常利用光谱方法和电谱方法进行测量. 光谱方法受到光源线宽和光谱仪分辨率限制, 测量的分辨率较低; 电谱方法则需要光电检测之前将相位调制转换成强度调制, 电谱方法的主要困难在于需要对探测器的不平坦响应进行额外校准. 提出了利用双音外差实现电光相位调制器半波电压自校准测量新方法, 该方法利用双音电光相位调制的边带与移频光载波的外差拍频, 对外差拍频信号进行频谱分析, 获得电光相位调制器的半波电压; 通过设定双音调制信号的频率关系, 克服了探测器光电转换中的不平坦频率响应, 实现了自校准测量. 该方法可扩展探测器和频谱仪的测试频率两倍以上, 节省至少一半的带宽需求. 与光谱测量方法相比, 该方法测试分辨率大幅提高且避免了光源线宽的影响; 与传统电域测量方法相比, 该方法无须额外校准, 无驱动功率和工作波长限制, 且对测试仪器带宽需求降低一半以上. 实验证实了所提方法获得的电光相位调制器半波电压的测量结果与光谱分析法获得的结果一致, 且大幅度地提高了测量范围和分辨率. 该方法提供了非常简单的电光相位调制器微波特性化分析方法, 对其他光电子器件分析也提供了参考.     

基于双声光移频器的外差式激光多普勒测振计

分析了单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计中声光移频器驱动信号的频率稳定性和信号功率对待测振动信号的影响.为了降低声光移频器驱动信号频率漂移的影响,提出双声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计,并基于直接数字频率合成技术,以相位噪音低、初始相位可控的芯片AD9912为核心器件,完成了声光移频器驱动信号生成及处理模块的设计.开展了双声光移频器组成的外差式激光多普勒测振计的振动测量实验,结果表明,驱动信号生成装置可以驱动声光移频器正常工作,且测振计的本底噪音在0~10kHz频带范围内呈现平坦分布,0~1kHz频段内噪音得到明显抑制,较单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计有显著改善.     

相移光腔衰荡高反射率测量中的拟合方法

 分析了相移光腔衰荡技术中由锁相放大器探测光腔输出信号一次谐波的振幅和相位随调制频率的变化曲线。拟合结果发现，联合幅频和相频曲线构造同时含有振幅和相位信息的均方差拟合函数，不同频率拟合范围得到的衰荡时间平均值为0.791 μs，最大误差由分别用幅频或相频曲线拟合得到的衰荡时间误差的8%减小到1.3%，均方差仅为0.5%。通过在拟合函数中加入系统响应时间、系统初始相位等参数，避免了相移光腔衰荡中直腔实验时测量系统频率响应曲线，提高了测量精度。     

压电陶瓷压电特性的激光调制法测量研究

介绍可测量压电陶瓷压电特性的激光干涉调制测量方法.采用相干检测原理对信号进行提取,不仅可以抑制噪声对干涉信号的影响,而且还可以大大降低光电探测器和电路的1/f噪声.与通常干涉仪测量方法相比,这种方法具有测量灵敏度高等优点.利用该方法对压电陶瓷压电特性进行了测量,讨论了激励电压信号的频率、幅度对压电陶瓷压电常数d₃₁的影响,并对其压电迟滞曲线进行了测量.     

低速/微振动测量实验中的激光多普勒频移计算机测量方法

基于实验教学使用的迈克耳孙干涉仪开发出的低速/微振动测量实验系统,给出了一种激光多普勒频移的计算机自动测量方法,并通过大量的比较实验数据,验证了激光多普勒频移计算机自动测量方法的有效性.