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     

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.     

一种结合两类相位调制激光多普勒频移测量的方法

提出了一种新的激光多普勒频移测量方法,该方法以相位调制拍频信号振幅和相位作为自变量定义新函数,并以该函数作为多普勒频移鉴频参量,将两类相位调制激光多普勒频移测量方法结合.理论上将该方法的鉴频曲线、灵敏度曲线以及误差曲线等与两类相位调制方法的相应曲线进行比较,发现该方法不但继承了相位调制拍频信号振幅方法的工作方式,能够对小频移量进行测量,而且吸收了相位调制拍频信号相位方法的测量能力,具有更高的测量灵敏度和动态范围.通过实验对硬目标反射的频移可控信号光进行测量,证明了理论的正确性,而且通过调整平移参数,可以使该方法的测量动态范围提高约26.8%,更适合对高多普勒频移量进行测量.     

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。     

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。     

基于双弹光差频调制的中红外波片相位延迟高精度测量

提出了一种基于双弹光差频调制的中红外相位延迟精确测量方法。通过两个硒化锌型弹光调制器(PEM)的差频降低系统调制频率,产生载有被测相位延迟的低频调制信号,调制后的1倍差频幅值和2倍差频幅值相除可求得被测波片的相位延迟。该方法可有效抑制光强波动及PEM相位延迟波动对测量的影响,提高测量精度。对测量原理进行了理论推导,设计了硒化锌型PEM和实验系统。实验结果表明,相位延迟测量误差不大于0.004%,灵敏度可达5×10~(-4) rad。     

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。     

模拟大气风场及其数据处理技术的研究

热层大气风速的测量可以采用干涉法来进行,由于光源（气辉辐射谱线）的强度很弱,故干涉法对测量系统要求很高。利用半导体激光器（LD）的调制特性和法布里-帕罗干涉仪(FPI)的高光谱分辨能力设计了一种用简单设备进行大气风场模拟与测量的方法。改变LD的驱动电流使其输出激光频率改变,从而模拟气辉辐射的多普勒频移,通过分析FPI获得的干涉图可检测出该频移,进而得到等效风速。模拟风速的相对误差不超过6.5%,最小模拟风速为20.01m/s,且测量结果与LD的线性调制特性很相符。使用该方法可以有效地对多普勒风速测量原理、数据处理方法、系统性能以及测量误差进行分析和评估。     

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。     

调制偏振光在光学相位延迟测量中的频谱分析

介绍了光调制器的调制原理,在时间域和频率域对其调制特性进行了理论分析,得到了相应的光强分布曲线。基于偏振光调制理论,提出了一种新型光学相位延迟测量方法,并对该方法从时域和频域两方面进行了分析。频谱分析的结果表明,当出射光信号的奇次谐频分量为零时,满足完全补偿条件,此时可由补偿器的补偿量直接得到待测器件的光学相位延迟量。这种方法能够对光学相位延迟量进行直接量的测量,和其他间接测量方法相比有其明显的优势。在理论分析的基础上,还进行了相应的实验,并得到了高精度的实验结果。     

海面微波散射场多普勒谱特性研究

基于粗糙面电磁散射双尺度模型推导给出了海面微波散射场多普勒谱频移和谱宽的理论公式, 在该理论公式的推导过程中同时考虑了大尺度海浪的倾斜调制、遮蔽效应和曲率修正效应等因素的影响. 文中将理论公式计算结果与精确数值结果进行了比较, 并讨论了倾斜调制、遮蔽效应及曲率修正效应等因素对多普勒频移和谱宽的影响, 发现倾斜调制使水平极化散射回波多普勒频移显著增大, 从而导致水平极化回波多普勒频移比垂直极化回波多普勒频移大; 在中等入射角度区域, 遮蔽效应和曲率修正效应对多普勒谱并无显著影响, 而在掠射条件下, 遮蔽效应使得多普勒频移增大、谱宽变窄. 本研究对深入理解动态海面散射场频谱特性具有一定参考意义.     

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。     

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.     

基于地面周期靶标的光学遥感相机在轨调制传递函数测量方法

为了克服传统的基于周期靶标的在轨调制传递函数测量方法中测量精度过分依赖靶标组数的问题,通过对传统方法的原理进行深入剖析,提出了一种新的测量方法。在获得多组具有一定相位差异的地面周期靶标图像数据后,充分利用所有采样数据及相应相位关系,进行参数拟合,得到地面靶标经成像系统后的调制度,对比输入调制度计算调制传递函数。仿真及实际光学遥感相机的实验结果表明:仅利用两组靶标,理论上所提方法的测量精度可优于0.5%;测试图像噪声、靶标周期匹配偏差、测量角度匹配偏差等因素对测量误差的影响均在4%以内,该测量方法的适应性较高。所提方法的计算结果与倾斜刃边法具有良好的一致性,可以应用于高分辨率光学遥感相机的在轨调制传递函数测量。     

激光外差干涉快速超精密测量模型研究

为了精确地描述激光外差干涉在快速超精密测量中的位移测量．建立了激光外差干涉快速超精密测量模型。传统外差干涉测量模型采用舍去高阶误差的方法,便于分析与快速计算,但存快速纳米精度测量中,高阶误差已经影响到测量精度．根据多普勒频移公式,通过分析激光外差干涉的测量原理．在已有的激光干涉测量模型上增加了u^2/c的积分项．相当于将传统测量模型进行了高阶误差补偿。通过理论分析可知,当最高测量速度为1m/s,运行位移为3m时,该测量模型能够减小约18nm的测量误差,解决了传统测量模型存存的残余误差累计问题,从而为激光外差干涉在快速超精密测量领域的应用提供了一种理论依据。     

二维粗糙海面散射回波多普勒谱频移及展宽特征

基于二维线性海面模型及粗糙面电磁散射的一阶小斜率近似公式,研究了海面回波各阶多普勒谱的频移特性,得到了多普勒谱频移所对应的理论公式,与经典多普勒频移公式相比考虑到了风速、大尺度波浪轨道运动等因素对多普勒谱频移的影响;同时根据粗糙面的双尺度模型,基于多普勒谱频移的物理机理,给出了求解散射场多普勒谱展宽的理论公式.最后将理论公式计算所得结果与模拟结果及实测数据进行了比较,讨论了风速、入射波频率及入射角等因素对多普勒频移及多普勒谱展宽的影响.通过比较可以发现,给出的理论公式可以对多普勒谱频移和展宽进行一定程度的预测. 关键词： 粗糙海面 电磁散射 多普勒谱     

基于光弹调制技术的波片相位延迟量测量方法

提出了一种基于光弹调制技术的波片相位延迟量测量方法,利用米勒矩阵对其进行了理论推导和误差分析。测量光路包括激光器、起偏器、光弹调制器、被测波片、检偏器和光电探测器,利用探测信号的归一化基频分量和二次谐波分量精确计算出被测波片的相位延迟量。该方法能测量紫外到红外光谱范围内任意相位延迟量的波片,误差分析表明其误差小于0.05°。实验验证了该测量方法的有效性,波片相位延迟量的重复测量精度为0.0048°。     

相关时延及频谱不对称对声学多普勒测速偏差影响

研究了复协方差频移估计测速下相关时延及接收信号频谱幅值不对称对声学多普勒测速偏差的影响。不考虑测速公式简化误差,复协方差频移估计测速偏差可以简化为多普勒频移测量偏差。经推导,不考虑发射信号波束开角的窄带测频无偏、宽带测频有偏;考虑波束开角的窄带测频和宽带测频均有偏。相关时延不准确且频谱不对称是该偏差的重要来源。仿真分析表明,点回波模型下,消除时延不准确或频谱不对称影响,测频偏差可趋于0。基于上述发现,建立底跟踪多普勒测速声呐的相位、幅度双重加权的椭圆网格测频模型;给出相同脉冲长度下窄带与宽带测频偏差存在差异的理论解释。利用所建宽带测频模型仿真出真实频移与估计频偏的拟合曲线,进而对实际数据进行修正,水槽实验场景速度测量相对偏差从1.14%降至0.78%,最大绝对值从2.83%降至1.83%;海试场景速度测量相对偏差从4.79%降至3.82%。      

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.