FPGA高精度测量频率研究

广播载波频率的精确测量是检测载波频率是否稳定的重要手段。由于常规测量频率的方法存在频率测量前后沿不确定性的问题,使测量结果存在1个字的测量误差。提出了全同步测频法测频,实现了被测信号、标准信号和闸门信号三者同步,从而消除了标准信号的1个字的量化误差。用VHDL语言编写了测频程序,在FPGA(现场可编程门阵列)上实现计数和控制,将测量数据通过串行线送到ARM微处理器上计算并显示出来,实现了四路中波载波的频率精确测量。     

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.     

瞬时测频量化编码仿真

瞬时测频量化编码仿真的作用是将鉴相器送来的信号进行极性量化，然后进行编码算，将相位信息转换为频率信息。     

多速率STFT超宽带信号瞬时频率估计研究

提出多速率短时傅里叶变换(Multi Rate Short Time Fourier Transform,MR-STFT)瞬时频率估计算法,提高了超宽带信号瞬时频率估计精度。该方法将多速率信号处理算法与短时傅里叶变换(STFT)技术相结合,兼顾采样频率和被测频率,将宽频范围进行分段采样,对分段处理结果进行拟合,构成多速率STFT算法,实现超宽带信号瞬时频率的高精度测量。论文通过对仿真信号和实测信号进行处理,研究了方法的可行性和频率估计精度,结果表明MR-STFT算法较大提高了超宽带信号瞬时频率估计精度,尤其对低信噪比的超宽带信号效果显著。     

可调谐半导体激光器的瞬时光谱测量方法研究

可调谐半导体激光器在调谐过程中的瞬时光谱特性,如瞬时的波长、调谐率、功率、线型和线宽等参数影响着以激光器为光源的光学测量和光相干通信系统的精度。然而,能够同时测量这些瞬变参数的技术至今未见报道。提出了一个基于时频分析的测量半导体激光器在调谐过程中瞬时光谱参数的方法,利用一个短时延外差测量系统,利用激光器瞬时光谱参数与差拍信号瞬时参数的关系,最终获得了半导体激光器在连续电流调谐过程中的瞬时光谱。测量系统采用了10 cm光程差的Mach-Zehnder干涉仪,调谐电流是幅度为20~120 mA、频率是1 kHz的锯齿波,差拍信号可视为直流信号、载波信号与噪声的叠加,按照短时延相干光测量原理,差拍信号中的直流分量幅度的大小反映了激光器输出光信号的功率;载波信号是一种多项式相位信号,由其频率可以推算激光器输出光谱的中心频率或波长;噪声信号则与激光器输出光谱的线型和线宽相关,通过对噪声信号进行时频分析,可以获知激光器在连续电流调谐过程中每一时刻或每个电流下的瞬时线型、线宽。采用了趋势局部均值分解方法对差拍信号进行了准确分离,并对分离信号分别进行处理,同时获知了半导体激光器在调谐过程中的瞬时输出光功率、光波长、调谐率及线型、线宽。在去掉弛豫部分后截取的整周期差拍信号对应的调谐电流60~115 mA变化范围内,半导体激光器(FRL15DDR0A31-18950, Furukawa)瞬时输出光功率变化范围是5.16~10.6 mW,瞬时光波长变化范围为1 579.2~1 579.6 nm;激光器的瞬时调谐率在0.004 8~0.011 5 nm·mA-1范围内单调变化;线宽是852.55~954.95 kHz,呈非线性随机分布。基于短时延、局部均值分解和时频分析方法的瞬时光谱参数测量系统可以准确得到各瞬时光谱参数,测量结果与激光器的静特性相符,且测量系统结构简单,使我们更深入地理解激光器的工作原理,具有广阔的应用前景。     

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。     

人耳对复杂信号听测问题的研究

在相同信号形式和噪声背景条件下，通过直接对比人耳的听测性能和两种典型信号检测器的检测性能，在总的趋势上得出：人耳对频率变化规律确知的复杂声信号的听测模型接近于音调相关检测器；对频率变化规律未知的复杂声信号的听测模型接近于能量检测。此外，本文给出了在噪声背景下人耳听测三种频率变化规律的复杂声信号（单跳频、线性跳频、随机跳频）的灵敏度定量差别及人耳听测灵敏度和信号长度之间的定量关系。     

多频率激励生物电阻抗测量方法的研究

生物电阻抗是生物组织的一个重要电参数,对生物电阻抗的测量与分析在生物医学工程上有着重要的研究和应用价值。采用四电极测量法,设计了一种多频激励的生物电阻抗测量系统,利用AFE4300产生16-128kHz激励信号源,并将此激励信号施加于待测生物组织上,通过IQ解调,得出待测电阻抗的模值和相角。当激励信号为128kHz时,系统模值测量误差最大,最大测量误差为2.07%,且随着激励频率的增加,模值和相角的测量误差呈逆向变化趋势,在不同的应用场合,选择不同的激励频率可以提高生物电阻抗的测量精度。     

基于受激布里渊散射的宽带宽和高精度的微波频率瞬时测量

提出了一种基于受激布里渊散射效应的瞬时频率测量方法.未知信号经过强度调制作为泵浦光,矢量网络分析仪产生的信号经过相位调制作为扫描信号光,当泵浦光和扫描信号光之间满足相位匹配条件时,受激布里渊散射效应发生并实现相位调制到强度调制的转换,未知信号的频率被测量.实验验证可以测量0.5 GHz-27 GHz的微波信号的频率,最大误差小于20 MHz.     

Instantaneous frequency measurement using two parallel I/Q modulators based on optical power monitoring

A scheme for instantaneous frequency measurement(IFM)using two parallel I/Q modulators based on optical power monitoring is proposed.The amplitude comparison function(ACF)can be constructed to establish the relationship between the frequency of radio frequency(RF)signal and the power ratio of two optical signals output by two I/Q modulators.The frequency of RF signal can be derived by measuring the optical power of the optical signals output by two I/Q modulators.The measurement range and measurement error can be adjusted by controlling the delay amount of the electrical delay line.The feasibility of the scheme is verified,and the corresponding measurement range and measurement error of the system under different delay amounts of the electrical delay line are given.Compared with previous IFM schemes,the structure of this scheme is simple.Polarization devices,a photodetector and an electrical power meter are not used,which reduces the impact of the environmental disturbance on the system and the cost of the system.In simulation,the measurement range can reach 0 GHz-24.5 GHz by adjusting the delay amount of the electrical delay lineτ=20 ps.The measurement error of the scheme is better at low frequency,and the measurement error of low frequency 0 GHz-9.6 GHz can reach-0.1 GHz to+0.05 GHz.     

频域反射法光纤延时精密测量

本文提出了一种应用于光纤延时系统中实现光纤延时精密测量的新方法,用以提高光纤延时测量的精度和准确性.该方法以1064 nm激光调制信号作为光源,通过测量回波信号的幅值和相位信息得到被测通道的频率响应,采用快速傅里叶逆变换得到被测目标的延时信息,实现光纤延时测量.本文通过理论分析和延时测量实验对频域反射法与传统的时域测量方法进行对比,使用频域反射法在调制频率范围10—200 MHz,采样频率间隔0.5 MHz的实验条件下,实现了3.3 ps延时测量分辨率,并证明了该方法具有比时域方法更高的测量精度,测量结果的准确性更好.     

高频共振预探测多脉冲激光测距方法

在无合作目标激光测距中,提出了一种高频共振预探测和多脉冲相关处理对远目标距离进行高精度测量的技术方案.脉冲回波光电流信号经高频共振预探测电路进行放大滤波处理并转换为包含高精度定时特征点的高信噪比的双极性衰减振荡脉冲信号;之后利用多脉冲相关处理构造出的新脉冲函数进一步改善其信噪比.理论计算结果表明:最小可探测光脉冲电流仅为17 nA,与直接探测脉冲方法相比信噪比可提高60倍;在回波光电流脉冲峰值1:10000的动态范围内,走离误差小于0.1 ps.根据此原理研制出了脉冲激光测距仪,仪器在激光发射平均功率约为1 mW时,无合作目标测程大于2000 m,在1.5—300 m范围内测距精度达到±(3 mm+2 ppm),远目标测距精度为±(10 mm+10 ppm).该测距仪系统已用于全站仪产品中.     

声光偏转效应载频测量的方法研究

针对现代载频测量对信号的实时捕获、频率带宽和分辨率的要求,提出了一种利用声光偏转效应的相干光信号处理方法。从理论上对声光效应的Bragg衍射机理和条件进行了描述,分析了随机载频信号捕获、带宽特性和频率分辨率与声光偏转的关系,给出了系统的构成原理和测试方法。通过实验测试和计算机仿真,证明了声光偏转技术能很好地解决并行随机载频信号和频率分辨率的问题,系统性能和信号的实时处理效果得到了明显的改善,带宽达到了300MHz,频率分辨率优于1MHz。这种方法对随机信号载频的跟踪和测量精度优势突出,可应用于雷达信号探测和光电对抗。     

激光调频连续波测距的精度评定方法研究

基于双光纤光路等光频重采样原理,提出了一种距离精度的评定方法.通过推导噪声背景下等光频重采样信号中距离参量的克拉美-罗下边界,得到了影响系统测距精度的两个重要因素:信噪比和扫描带宽,并进行了实验验证.实验表明,该评价方法并不会受到任何距离估算方法的影响,根据此方法可以选择一个最优的距离估算方法.通过对两个影响精度的因素进行仿真分析可知,在扫描带宽为2.2 nm时,若将测量光路的信噪比提升至70 dB以上,系统可获得低于10μm的测距精度.该精度评定方法可为后续改善调频连续波测距系统性能提供理论参考.     

Photonic instantaneous measurement of microwave frequency using fiber Bragg grating

A photonic approach to realizing instantaneous measurement of microwave frequency based on optical monitoring using a fiber Bragg grating (FBG) is proposed and demonstrated. In the approach, a frequency-unknown microwave signal is modulated on an optical carrier in a Mach-Zehnder modulator biased at the minimum transmission point. After detecting the transmission and reflection optical powers at the output of the FBG, the microwave frequency can be determined according to the value of transmission-to-reflection power ratio, due to the fixed relationship between the microwave frequency and the power ratio. A proof-of-concept experiment has been performed, which demonstrates that a measurement resolution of ±0.08 GHz over a 10 GHz measurement bandwidth is achieved. The measurement performance in terms of resolution is better than previously reported results.     

利用非锁定飞秒激光实现太赫兹频率的精密测量

频率是电磁波最重要的一个基本物理量,随着THz技术的发展,在光源研制、宽带通信、超精细光谱测量等领域都对THz频率的高精度侧量提出了要求.传统的Fabry-Perot干涉法与外差探测法难以实现THz频率的高精度测量,频率梳方法虽然测量精度很高,但测量系统复杂.本文提出一种利用重复频率自由漂移的飞秒激光器实现太赫兹频率精密测量的新方法.通过对非锁定的飞秒激光器的重复频率和THz拍频频率进行同时连续采集与计算,得到被测THz频率,测量精度可以达到10~(-10)量级无需对飞秒激光重复频率进行复杂的锁定控制,测量系统大大简化.     

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%.     

高分辨率调频连续波激光绝对测距研究

大空间精密测量在重大装备制造、空间科技、国防工业等方面发挥着重要作用,激光高精度绝对长度测量是大空间精密测量领域的重要研究课题.调频连续波激光测距是近年来激光绝对测距研究的热点,它克服了脉冲法测量分辨率低和相位法激光测距存在2π缠绕模糊度问题的缺点,有着测量精度高、量程大的优点.本文研究了调频连续波激光测距的原理,分析了影响其测距分辨率的主要原因,证明了利用等光频间隔采样来抑制激光调制非线性对测距结果影响的可行性.该方法可以提高测距分辨率,且系统构成简单、实用性强.搭建了光纤调频连续波激光测距系统,并加入了辅助干涉光路对测量信号进行等光频间隔采样.利用该系统进行了测距分辨率实验,实验结果表明,本系统测量分辨率可以达到50μm,测量范围达到了10m.     

An alternative optical method of determining the unknown microwave frequency by the use of electro-optic materials and semiconductor optical amplifier

There are found different established methods for measuring the frequency of an unknown microwave signal. Several resonating and electronic methods are found where the frequency of a microwave is measured with good performances, where each method has its own advantage. Here in this communication the authors propose a new concept of measuring the frequency of unknown microwave with the joint uses of reflecting semiconductor optical amplifier (RSOA) and electro-optic Pockel cell. To measure the frequency a known microwave source of variable and calibrated frequency is also required. Then with the help of a RSOA and electro-optic material one can find the unknown microwave frequency more accurately than that of any conventional mechanism. This method can extend a high degree of accuracy as optics is used to measure the unknown microwave frequency. As optical signal has million time greater frequency than that of microwave signal therefore a high degree of accuracy of frequency measurement is achieved. The electro-optic material takes the role of phase modulation for splitting an optical wave into several frequencies.