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。     

用激光多普勒效应远距离测量固体散射表面的位移

利用激光多普勒效应实现了远距离固体表面的横向位移测量。从理论上分析了双光束差动结构的多普勒频移 ,设计了声光调制、双光束差动、大口径接收的光路系统和计算机实时跟踪补偿的位移测量系统。分别对普通纸张表面和金属表面进行实际测量 ,测量距离为 10m ,测量精度为± 0 .4%。     

基于噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术实现光纤激光器到1530.58 nmNH_3亚多普勒饱和光谱的频率锁定

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)由于结合了频率调制光谱与腔增强光谱两种技术,不仅可以将激光耦合到高精细度谐振腔大幅提高腔内功率,还可以实现低气压样品气体的高灵敏测量,因此基于该技术可以实现分子吸收线的饱和,获得亚多普勒光谱,从而能作为激光频率锁定的参考.本文基于光纤激光器的NICE-OHMS技术,将光纤激光器频率锁定到NH3的亚多普勒吸收线上.首先分析了基于Pound-Drever-Hall和DeVoe-Brewer技术实现激光到腔模和调制频率到腔自由光谱区频率锁定的性能,之后在腔内气压为70 mTorr条件下,测量了半高全宽为2.05 MHz的NH3亚多普勒信号,最后将1.53μm的光纤激光器频率锁定到该亚多普勒吸收线上,相对频率偏差为16.3 kHz,阿伦方差结果显示,136 s积分时间下频率稳定度达到1.6×10~(-12).     

激光多普勒测速实验系统的信号处理

本文详细报导了运用集成锁相环路在激光多普勒测速实验教学系统中实现多普勒信号频率跟踪处理的设计原理和具体实施方案。该处理方法将集成度较高的 L M5 6 5锁相环应用于系统 ,使系统具有电路简单、可靠、可实时测量和结果直观、易操作等特点     

激光差动共焦拉曼光谱高分辨图谱成像技术进展

激光共焦拉曼光谱技术由于具有分子指纹及层析成像特性,成为探索微观分子世界的重要手段;但受原理限制,现有激光共焦拉曼光谱技术的分辨力及图谱成像能力逐渐桎梏了其发展。近年来,围绕激光共焦拉曼光谱技术性能改善方面,本研究团队基于发明的超分辨激光差动共焦技术,提出了激光差动共焦拉曼图谱成像系列新方法和新技术。系统地介绍所提激光差动共焦拉曼图谱系列测量方法及仪器化研究进展,并对未来发展方向进行了评述和展望。     

腔外多普勒频率调制激光稳频方法的研究

利用腔外气体吸收池内的SF_6分子饱和吸收线作为参考频率,并通过振动腔外反射镜使进入吸收池的激光的频率受到多普勒调制,实现了对CO_2激光10P(16)和10P(18)支线频率的闭环锁定,最大频率漂移约为7kHz.该法得到的稳频激光输出不仅无寄生频率调制和幅度调制,并且可将激光频率锁定在独立的分子吸收线中心.     

面内位移测量的激光多普勒信号研究

在利用激光多普勒效应进行远距离处固体面内位移测量时，散射光的多普勒信号强度、信噪比及信号质量是位移测量的极重要参量，它们直接影响位移测量的距离和精度。为此研究了激光多普勒差动方法、锁相放大、数字滤波等技术，设计出能获得最好结果的差动光路以及高灵敏度、高Q值的锁相放大器和能重构丢失信号的同态滤波系统等，实现了50m处固体面内位移测量，其最大相对误差可以达到1.5％。     

CO2激光偏频锁定技术的研究

本文对于CO_2激光外差接收单元技术之一的CO_2激光偏频锁定技术进行了研究,实现了两个自由振荡的CO_2激光器之间的差频的锁定,当采取一定措施尽量减小环境的影响后,得到了≤1 kHz(τ=10s)的频率跟踪精度,中心频率在2 MHz～20 MHz内连续可调.     

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.     

一种可用于离面位移测量的光路的优化设计

为了实现对复杂三维物体表面轮廓、小空间内物体的纵向位移或振动等测量，有必要研制高分辨力、非接触的光学检测系统。由于激光多普勒技术具有动态响应快、线性度好、非接触、测量精度高等特点而优先被用于复杂三维物体离面位移的测量。但是物体表面散射光的多普勒信号非常微弱，因此解决信号的强度、信噪比则是实现测量的关键。研究了激光多普勒技术及散射光相位的无规变化的统计规律，设计出一种空间分辨力很高的参考光路，将它用于固体离面位移测量效果很好，其相对误差为0．3％。     

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。     

激光多普勒技术在固体测量方面的运用

介绍了激光多普勒测量技术的原理和后散射型固体表面测量方式。通过声光调制器的偏频后 ,能够确定物体的运动方向。对多普勒信号进行光学外差处理并对多普勒信号进行测相 ,可以提高测量的精度。用差动微分多普勒技术进行测量 ,可以消除由固体表面特性和激光光强的波动引起的误差。     

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.     

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.     

差动激光多普勒测速仪在固体速度测量中的应用

采用差动型后向散射的方式进行实验,利用数据采集卡PCI DAS-4020采集信号,并在Labview软件中对信号进行滤波处理,以提高信噪比,运用傅里叶变换(FFT)处理数据,计算出运动目标的速度并与实际速度进行了比较。结果表明该系统用于固体表面速度的测量切实可行,精度可达到2.2%。     

Measurement of acoustic particle velocities in enclosed sound field: Assessment of two Laser Doppler Velocimetry measuring systems

The performances of two Laser Doppler Velocimetry (LDV) systems adapted for measuring the acoustic particle velocities are assessed in enclosed sound field. This assessment is performed by comparing the acoustic velocities measured by means of LDV to reference acoustic velocities estimated from sound pressure measurements. The two LDV systems are based on a single optical bench which delivers an optical signal called Doppler signal. The Doppler signal, which is frequency modulated, is analyzed by means of two signal processing systems, the BSA (Burst Spectrum Analyser from Dantec) on the one hand, and a system specifically developed for the estimation of the acoustic velocity on the other hand. Once the experimental setup has been optimized for minimizing the errors made on the reference velocities, the assessment is performed and shows that both systems can measure the acoustic velocity in enclosed field in two the frequency ranges [0-4 kHz] and [0-2 kHz] respectively for acoustic velocity amplitudes of 10 mm/s and 1 mm/s.     

超声波流速测量的多普勒频移提取方法研究

为了提高超声波多普勒法测量复杂流体流量的精度,针对流体的超声回波频率的复杂性,本文研究多普勒流速测量中的频偏提取方法。以傅里叶分析为理论基础,设计了硬件电路并获得代表回波平均频率的信号,然后以该信号作为输入,以数字鉴频法获得回波多普勒频移。基于该方法设计了一种超声多普勒流量测量系统,实验结果显示:油水混合流体流量的测量误差在3%以内,从而证实了此频偏提取方法的有效性。     

非对称空间外差光谱仪自适应频率跟踪处理方法

非对称空间外差光谱技术是一种新型的超高分辨率遥感探测技术,要求后期的数据处理技术也具有相应的超高准确度.从数字信号处理的角度,提出了一种自适应的频率跟踪处理方法,根据信号的空间频率来插值补偿信号的相位偏移,并且递归迭代出最接近真实值的相位信息.经仿真实验对比验证表明,在噪声干扰强度不大的条件下,相较于传统傅里叶变换方法,本文算法对信号频率和相位提取的准确度提高了约100倍以上,能够有效降低非对称空间外差光谱技术的系统误差.     

Design of new seismometer based on laser Doppler effect

In order to improve the resolution of seismic acquisition, a new seismic acquisition system based on tangential laser Doppler effect with an optimized differential optical configuration is proposed. The relative movement of the inertia object and the immobile frame is measured by laser Doppler effect, which can avoid the electromagnetic and thermometric interference, and the adoption of frequency-modulated (FM)transmission can improve the ability of anti-jamming. The frequency bandwidth is properly determined by analyzing the frequency of the Doppler signal. The velocity, displacement, acceleration, and frequency to be measured can be real-time acquired by frequency/velocity (F/V) converting the FM Doppler signal.A 100-dB dynamic range and the linear frequency range of 1.0 to 1000 Hz are realized.