双通道符合计数光子外差探测系统仿真构建与研究

本文提出将符合测量方法用于光子外差测速技术中,将光子符合计数模式应用于光子外差测速系统,能够在一定程度上减少背景噪声、暗噪声和后脉冲带来的光子误计数,提高信噪比等测速性能。基于外差原理与单光子探测的泊松响应,以及光子符合计数原理,本文仿真研究了双通道符合计数光子外差系统的性能,利用1550 nm连续波激光器探测匀速运动目标,结果表明,双通道符合计数模式下中频信号功率谱的信噪比明显高于单通道自由运行模式和一阶滤波下的功率谱信噪比。随着信号光子数增加,两种计数模式的信噪比能够相差2～3 dB。针对该方法,又进一步通过仿真研究了本振光强、背景噪声、中频频率、探测时长四个因素对双通道符合计数光子外差测速系统性能的影响。结果表明,随着本振光强与信号光强的比值逐渐增大,系统信噪比先增大后减小,在kL=3附近时达到最大;背景噪声越大,饱和信号光子数越大,饱和信噪比越低;探测时长越长,饱和信噪比提高幅度越大;而在探测带宽之内,中频频率也即运动目标的速度对结果影响较小。本文从改变前端光子计数模式的角度提高光子外差探测系统的性能,为提高光子外差测速的信噪比拓宽了思路。     

10～500 kHz水听器的激光外差干涉法原级校准

阐述了水听器在10~500 kHz频率范围的激光外差干涉法原级校准的原理和测量装置。利用激光外差干涉系统非接触测量水中反光薄膜在声波调制下引起的多普勒频移,经过零点信号解调算法得到水质点振速,准确复现水下声压量值,之后将水听器置于水中测量点完成对其自由场电压灵敏度的原级校准。对各误差因素进行了分析,详细给出了系统测量不确定度的评定方法,在所测频段的不确定度为0.6 dB (k=2)。将激光外差干涉法水听器校准结果与自由场互易法结果进行了对比,在整个测量频率范围内结果等效,且前者不确定度更小。为建立新的水声计量基准和实现水声量值的扁平化传递奠定了基础。      

井下光纤微地震监测系统设计及应用

为满足油气开发中微地震监测的需求,基于时分复用方案设计了一种新型井下3分量光纤微地震监测系统.结合室内测试,该系统本底噪声小于?101 dB,动态范围大于120 dB,级间串扰小于?67 dB,满足微地震信号探测的需求.该系统已成功应用于新疆油田水力压裂微地震现场探测.监测结果表明:该系统可清晰捕捉微地震的P波、S波信...     

变光外差为电外差的双频激光探测

演示一种双频激光位移探测系统,阐述光载波激光雷达的概念。由单块非平面环形腔固体激光器和声光调制器产生100MHz载波频率的双频激光束,作为探测光束,经过光路收发系统,探测位于电动导轨上目标的位移变化,信号处理部分采用高速光电探测器响应后信号的电子外差解调方式,位移量的获得通过高频锁相放大器解算参考光束与信号光束的相位差并计算获得。通过双频激光把光学外差探测变为了电子外差探测,系统重复误差小于3%。系统在利用无线电雷达信号处理方式的同时,保留了激光探测的优点,位移测量系统具有良好的重复性。     

信道化声光外差频谱分析仪

为准确探测射频信号中所携带的全部信息，包括信号的幅度，频率和相位等，并有效地增加探测系统的动态范围，采用信道化体皮声光外差探测方法，这里给出这种体声光外左接收机的基本原理，光路设计的基本方法以及实验样机的测试结果。     

基于远程脉冲激光外差探测的匹配滤波过程研究

以远程脉冲激光外差探测系统为模型,推导了系统的信号与噪声的表达式,给出了脉冲激光外差探测系统匹配滤波算法流程,对匹配滤波技术在中程导弹与国际空间站目标探测中的详细应用过程进行了仿真,分析了目标距离、散射截面面积、数字采样率对探测能力的影响。仿真结果表明:在100 MHz采样率的数字处理能力下,分别用蒙特卡罗法仿真了500次匹配滤波过程,对于散射截面面积为5m2、距离为100km的中程导弹,回波信号载噪比为3.29dB,匹配滤波后信号载噪比为25.13dB,信号强度增强了152倍,距离精度为27 m,速度精度为0.17m/s;对于散射截面面积为100m2、距离为500km的国际空间站,回波信号载噪比为-6.12dB,匹配滤波后信号载噪比为18.49dB,信号强度增强了289倍,距离精度为117m,速度精度为2.1m/s。目标距离越小,散射截面面积越大,数字采样率越高,匹配滤波提取增强信号的能力越强。     

基于多光束混合外差干涉的相位增强技术研究

激光外差干涉测量技术是微振动探测的重要手段,随着微纳应用的拓展,人们对精密测量系统的相位检测灵敏度提出了更高的要求.传统提高测量灵敏度的方法有优化外差干涉系统方案、改进相位重建算法和降低关键器件噪声等.本文提出了一种多光束混合干涉的相位增强方法,经过理论推导和实验验证得到如下近似条件:校正光与信号光的初相位相差πrad情况下,两光束的功率越接近,系统对目标的弱振动振幅响应越大.实验设计的两光束功率相差1%时,观察到了最大146倍的增强效果,该方法在微振动物体高灵敏度测量上具有较大的应用价值,在现有器件指标和相位解调算法不变的基础上可大幅提高外差干涉测量系统的探测能力.     

基于外差干涉的微振动测量技术研究

针对外差干涉的微振动测量存在稳定性低、严重受环境噪声影响等缺点,提出了对光路的改进方案。根据差分原理将其改为双光路,消除环境噪声的干扰;通过偏振分光棱镜（PBS）将椭圆偏振光变为线偏光,提高干涉信号幅值;改进频移装置(AOM),抑制频率漂移;增加光阑,滤除杂散光,提高系统信噪比。通过探测5 kHz压电陶瓷振动信号,以及2.5 MHz高频激光超声信号进行实验验证,结果表明:信号稳定且无纹波,系统分辨率为2.3 nm,信噪比提高16.7倍。两路干涉信号幅值分别为552 mV和736 mV,较传统外差干涉信号幅值提高近10倍,有利于纳米量级微振动信号的检测。     

基于强度型光纤传感器的声波隔体探测关键技术研究

利用反射式强度调制型光纤传感器进行间隔固体介质的声波隔体探测,研制了光纤传感声探测装置,重点从光强调制、振动提取和拾振耦合三个方面研究了在声波隔体探测过程中的振动传递机理,对振动传递过程进行了分析研究,从理论上建立了固体介质、探测拾振装置和光纤敏感单元三者的振动传递数学模型。在此基础上设计实现了光纤声传感系统,并给出了声波隔体探测的实验方法。其结果表明,在5cm厚木板、5cm厚水泥预制板、12cm厚砖墙、10cm厚水泥预制板的测试条件下,此系统对频率为1kHz,声级(SPL)为94dB的标准声信号的探测失真度均小于8%。     

基于空间外差的三叶草拉曼特征光谱测量实验研究

空间外差光谱技术凭借超高光谱分辨率、高通量、瞬态探测、无运动部件等优势,在星际暗物质及大气微量气体成分等微弱光谱信号检测方面得到广泛应用。为了探索一种基于空间外差光谱技术实现物质拉曼光谱(RS)快速、直接检测的可行性,选择三叶草作为测量对象,使用一体化HEP-765-S空间外差光谱系统作为拉曼特征光谱探测器,配合特定波长激光器搭建系统,开展拉曼特征光谱直接测量实验。首先使用Gaussview6.0构建三叶草所含主要色素:叶绿素a、叶绿素b、α-胡萝卜素和β-胡萝卜素的分子结构,然后利用Gaussian16获取优化的仿真RS,分析四种色素最强拉曼谱峰的波段范围,确定四种成分的强信号特征波段为1 537～1 800 cm~(-1)。根据激发光源与拉曼位移的理论关系,结合探测系统759～769 nm的检测波段范围,计算出用波长680 nm的激光器作为光源激发拉曼信号,可保证四种色素强特征拉曼信号正好落在探测范围,且可避开光源瑞利散射光及荧光干扰的影响。最终购置中心波长为680.28 nm的激光器与HEP-765-S空间外差光谱系统搭配开展三叶草强峰拉曼信号的直接检测实验。实验结果表明:搭建系统能够实现三叶草RS的直接测量,但是所测拉曼信号强度偏弱,这主要是两方面原因造成:(1)由于所用激光器的输出功率峰值偏小,约为130 mW;(2)所用HEP-765-S空间外差光谱系统为一体化设计仪器,软硬件系统及参数固化后不能进行调整,仪器数据采集的最大积分时间偏小,设定值为832 ms。光源功率不够大且仪器积分时间小共同导致采集信号偏弱。通过与仿真光谱比较,实测光谱在使用空间外差系统探测波段与三叶草叶片内四种主要色素拉曼信号叠加的包络基本一致,中央主峰与两端次峰都符合较好,实测光谱与仿真光谱具有较好一致性,说明采用空间外差系统对物质拉曼信号进行快速、直接检测具有可行性。     

窄脉冲相干激光雷达偏频锁定系统仿真研究

鉴于偏频锁定技术在激光外差探测和激光雷达等方面的广泛作用,基于可编程逻辑器件,设计了适用于窄脉冲激光外差信号的偏频锁定控制系统。在设计中,使用超高速电压比较器进行波形变换、多脉冲鉴频和大概率均值滤波进行数字鉴频,采用小步长快速控制方法进行调频,利用数模转换器和线性放大电路输出调频信号。借助信号发生器产生40ns脉宽的模拟外差信号对系统进行了仿真,实现了设计功能。对系统进行鉴频和调频测试,在40ns脉宽时鉴频误差范围为-7.5MHz～+7.7MHz。     

Statistics of coherently detected backscatter and range performance of coherent OTDRs

We derive the statistics of a coherently detected backscatter waveform taking into account the effects of polarization. For the first time these statistics are related to measurable parameters. We show that for long-range OTDRs the effects of polarization are statistically small.In relation to the demodulation process we used our statistical model to show that for long-range operation and with heterodyne detection all types of demodulation provide similar performance. With homodyne detection half-wave demodulation results in a 7 dB lower signal-to-noise ratio than the other types of demodulation which have similar performance. There is the usual 3 dB advantage of homodyne over heterodyne detection. Our results indicate that with the same launched powers, the signal obtained from a coherent OTDR can have up to a 37 dB better signal-to-noise ratio than one obtained from an incoherent pulse OTDR. This results in a 9 dB range advantage.We verify previously tabulated results which we found apply only for short-range operation. We use our model to predict the limits of long-range performance and to predict the effect of speckle on averaging. Finally, we explain the breakpoint behaviour that can be seen in results already reported and which is characteristic of linear full- or half-wave envelope demodulation.     

干涉型光纤水听器伪工作点控制检测方法

提出了一种用于干涉型光纤水听器信号检测的伪工作点控制方法.为了验证该方法的可行性,搭建了干涉型光纤水听器声压灵敏度测量系统,编写了实时信号采集和处理程序,对某一光纤水听器进行了测量.在频带20 Hz~2.5 kHz上,该光纤水听器的声压灵敏度为－156.5 dB(0 dB=1 rad/μPa),频响波动<±0.8 dB,与采用PGC调制解调方法测量的结果基本一致.由于传感部分不含有源器件,该方法实现了无源检测.另外,它还具有解调算法简单、检测频带宽等优点.     

基于光频调节的干涉型光纤水听器相位补偿检测方法

提出了一种基于光源频率调节的干涉型光纤水听器主动相位补偿的信号检测方法。详细介绍了该方法的基本检测原理,对信号解调误差进行了理论分析与仿真。为了验证该方法的可行性,搭建了实验系统,并编写了实时的信号采集、处理程序,对某一干涉型光纤水听器的声压灵敏度进行了测试。在频带20 Hz-1.3 kHz上,平均声压灵敏度为-162.2 dB(0 dB=1 rad/μPa),波动小于±0.8 dB,与采用相位载波调制解调方法测量的结果基本吻合。实验结果证明该方法是有效的。由于传感部分不含有源器件,便于实现全光纤化,且解调算法简单、检测频带宽,该方法能被广泛应用到各种干涉型光纤传感器的信号检测当中。     

Development of a laser photothermoacoustic frequency-swept system for subsurface imaging: theory and experiment

In conventional biomedical photoacoustic imaging systems, a pulsed laser is used to generate time-of-flight acoustic information of the subsurface features. This paper reports the theoretical and experimental development of a new frequency-domain (FD) photo-thermo-acoustic (PTA) principle featuring frequency sweep (chirp) and heterodyne modulation and lock-in detection of a continuous-wave laser source at 1064 nm wavelength. PTA imaging is a promising new technique which is being developed to detect tumor masses in turbid biological tissue. Owing to the linear relationship between the depth of acoustic signal generation and the delay time of signal arrival to the transducer, information specific to a particular depth can be associated with a particular frequency in the chirp signal. Scanning laser modulation with a linear frequency sweep method preserves the depth-to-delay time linearity and recovers FD-PTA signals from a range of depths. Preliminary results performed on rubber samples and solid tissue phantoms indicate that the FD-PTA technique has the potential to be a reliable tool for biomedical depth-profilometric imaging.     

一种具有声低通滤波特性的无源零差光纤水听器

报道了一种新颖的具有抗混叠功能的无源零差迈克耳孙型光纤水听器.它由一个普通的芯轴型光纤水听器和一个圆柱型亥姆霍兹共振器构成.在驻波罐中对其声压相位灵敏度频响进行了测量,结果表明该光纤水听器具有较好的声低通滤波特性,能有效地抑制声信号中的高频成分,从而实现抗混叠滤波.该光纤水听器的低频声压相位灵敏度主要由传感光纤长度和弹性增敏层的物理特性决定,约为-159 dB(0 dB=1 rad/μPa).在1150 Hz附近出现了一个共振峰,这主要由圆柱型亥姆霍兹共振器的声学特性决定.1150～2280 Hz频段内的灵敏度衰减率约为50 dB/倍频程,1500 Hz以后的灵敏度衰减量大于10 dB.这对于提高我国未来声纳系统的抗干扰能力具有十分重要的意义.     

脉冲相干激光雷达测距信号研究

对脉冲激光雷达外差测距信号进行了研究，理论上，采用调Q激光脉冲的数值计算波形，研究了脉冲激光经远处目标漫反向后进行外差接收的波形及其傅里叶变换频谱成分。实验上，研究了可调谐电光调Q射频激励波导CO2激光器脉冲激光经目标反射后的外差波形及其傅里叶变换频谱成分，并计算了目标的距离，理论分析与实验结果一致。     

Theoretical detection ranges for acoustic based manatee avoidance technology

The West Indian manatee (Trichechus manatus latirostris) has become endangered partly because of watercraft collisions in Florida's coastal waterways. To reduce the number of collisions, warning systems based upon detecting manatee vocalizations have been proposed. One aspect of the feasibility of an acoustically based warning system relies upon the distance at which a manatee vocalization is detectable. Assuming a mixed spreading model, this paper presents a theoretical analysis of the system detection capabilities operating within various background and watercraft noise conditions. This study combines measured source levels of manatee vocalizations with the modeled acoustic properties of manatee habitats to develop a method for determining the detection range and hydrophone spacing requirements for acoustic based manatee avoidance technologies. In quiet environments (background noise approximately 70 dB) it was estimated that manatee vocalizations are detectable at approximately 250 m, with a 6 dB detection threshold, In louder environments (background noise approximately 100dB) the detection range drops to 2.5 m. In a habitat with 90 dB of background noise, a passing boat with a maximum noise floor of 120 dB would be the limiting factor when it is within approximately 100 m of a hydrophone. The detection range was also found to be strongly dependent on the manatee vocalization source level.     

声波远探测测井与地震缝洞精细评价技术研究*

地震勘探探测范围广、空间尺度大,数据采集、处理、解释体系完善,资料运用率高,但纵向分辨率低。声波远探测可实现井周数十米范围内的异常体探测,克服了常规测井方法探测深度浅的局限,具有很高的纵向、周向、径向分辨率,但偶极横波远探测具有180°方位不确定性,径向探测范围不及地震勘探。本研究将两者优势结合,通过对缝洞型地质异常体远探测和地震响应特征进行综合分析,约束远探测方位解释结果,精细刻画地质异常体形态及发育情况,完善远探测测井的横向延伸信息,有效提高远探测解释的精准度,最终形成声波远探测测井与地震一体化缝洞综合评价技术,提升缝洞油气藏钻遇率和开发效率。在塔河等缝洞发育地区进行应用,实现多尺度、全方位和高精度的地质异常体描述与解释,为解决油气勘探过程中由于地震分辨率不足造成的脱靶等现象提供了新的思路。