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％。     

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%。     

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。     

基于激光差动多普勒效应的微机电系统动态测试技术

提出了一种用于测量微机电系统(MEMS)器件瞬时速度、位移的测量系统。采用激光差动多普勒技术,检测谐振器在平面内的振动,测量垂直于系统测量光轴方向的振动速度。并在差动多普勒测量光路的基础上加入了CCD监测光路,实时观察被测器件调整过程和振动情况。通过处理电路从光学系统输出的高频信号中提取多普勒信号,利用Labview和Matlab软件对采集的多普勒信号进行时频分析,得到被测器件的运动参量。通过对测点的微定位,对MEMS器件进行整平面的扫描,得到器件振动的瞬时速度场,为进一步对MEMS器件的高阶谱振动分析及扭转分析提供了一定的基础和必要的支持。     

激光多普勒差动检波装置的信号研究

研究了差动多普勒技术和锁相放大器的频率跟踪技术, 设计了一种精度高、动态范围大的激光多普勒差动检波系统.此系统结构紧凑, 安装调节方便, 可以充分利用激光光能.而且, 它把两束高斯光束的束腰聚焦在被测物体上, 获得了最小光斑和平面波的叠加, 提高了分辨力、信噪比和信号强度.采用频率自动跟踪技术来解决信号丢失问题, 抑制了各种噪声和干扰.模拟实验证明, 振幅测量精度为1％, 频率为0.6％; 分辨力为50 nm, 技术指标是令人满意的.     

基于TMS320VC5402的激光多普勒测速系统

介绍了激光多普勒测量技术的原理和差动后向散射测量方式以及数字信号处理式激光多普勒测速仪的设计方案.其中包括基于TMS320VC5402的多普勒信号采集卡硬件电路和软件设计.运用该测速仪对固体表面运动速度进行测量.对采集到的多普勒信号进行高通滤波处理,以提高信噪比,运用傅里叶变换处理数据,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%.     

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。     

基于莫尔信号的精密位移测量与控制的研究

应用光衍射理论分析了一种纳米级位移分辨率的双级衍射光栅测量系统,建立了衍射莫尔信号与对应位移的数学模型,并通过计算机仿真对莫尔信号的位移特性进行了研究。在此基础上构建了一套精密位移测量与控制装置,取差动零次激光莫尔信号为控制信号,由微机控制实现高精度位移检测及全自动精密定位。实验结果表明,基于激光莫尔信号的精密检测与控制装置可获得得5nm的位移分辨率及±0.4μm的定位精度。     

时频分析在激光多普勒信号处理中的应用

建立了用来检测微机电系统谐振器面内运动的激光差动多普勒系统,测量了谐振器的振动速度。在信号处理过程中,首先使用电路系统去除高频载波成分,然后基于Matlab平台,选取时频分析中的Wigner-Ville分布对采集进入计算机的多普勒信号进行分析。提取了其中的速度信息,并与用计数法处理的结果进行了比较。结果表明具有较好的效果。     

频移分离型三维激光多普勒测速仪研究

研究一种采用频移分离方法的新型三维激光多普勒测速仪（３ＤＬＤＶ）。该仪器以单色Ｈｅ－Ｎｅ激光器和单只光电探测器并配合简单的光学发射和接收系统即实现了三维速度分量的同时测量。三个分量的速度信号由声光调制器引入的三种光学频移区分，通过电子滤波器完成信号的相互分离。在光学发射系统设计中采用独特的单轴四光束结构，通过光束组合形成三双光束差动模式的激光多普勒测速仪光。本文中还给出了该仪器的系统设计参数并分析     

Design of differential optical system of in-plane remote displacement measurement

In this paper, an optical system for in-plane remote displacement measurement is brought forward. The remarkable characteristic of this optical system is to use a big aperture lens to focus the waists of two Gauss beams on a scatter which have been expanded and collimated, so good laser Doppler signals and high measurement accuracy are achieved. The experiments prove that the measurement system consisting of this optical system, a lock-in amplifier and a digital filter can be used to measure the in-plane displacement of scatters in distance of 50 m with the relative accuracy of 1%.     

Ultrasonic distance and velocity measurement using a pair of LPM signals for cross-correlation method: improvement of Doppler-shift compensation and examination of Doppler velocity estimation

Real-time distance measurement of a moving object with high accuracy and high resolution using an ultrasonic wave is difficult due to the influence of the Doppler effect or the limit of the calculation cost of signal processing. An over-sampling signal processing method using a pair of LPM signals has been proposed for ultrasonic distance and velocity measurement of moving objects with high accuracy and high resolution. The proposed method consists of cross correlation by single-bit signal processing, high-resolution Doppler velocity estimation with wide measurement range and low-calculation-cost Doppler-shift compensation. The over-sampling cross-correlation function is obtained from cross correlation by single-bit signal processing with low calculation cost. The Doppler velocity and distance of the object are determined from the peak interval and peak form in the cross-correlation function by the proposed method of Doppler velocity estimation and Doppler-shift compensation. In this paper, the proposed method of Doppler-shift compensation is improved. Accuracy of the determined distance was improved from approximately within ±140 μm in the previous method to approximately within ±10 μm in computer simulations. Then, the proposed method of Doppler velocity estimation is evaluated. In computer simulations, accuracy of the determined Doppler velocity and distance were demonstrated within ±8.471 mm/s and ±13.87 μm. In experiments, Doppler velocities of the motorized stage could be determined within ±27.9 mm/s.     

高空遥测激光多普勒检波系统研究

为解决远距离处人工地震波的检测问题,研究了光源的相干性,系统的稳定性．激光多普勒信号强度、信噪比,位移测量灵敏度和精度等理论及方法。采用在腔内捕人两个直径为1．8mm的可变光阑和输出光的准直结构(4倍)．增大光源的相干长度和可测距离;在两路光中分别加入声光调制器和λ/4波片．实现偏振态匹配并使系统工作更稳定,提高信噪比;采用透镜聚焦接收．增大信号强度;采用特伦逆向反射装置,消除它在位移或振动过程巾因偏摆或横移所带来的影响,使测量灵敏度和精度提高约一倍。将此系统用于2m处的振动进行原理性实验,其振幅测量相对误差为0．1％,可测频率最高为750Hz,因此可用于高空遥测人工地震波。     

A Reference Optical System of Laser Doppler Longitudinal Displacement Measurement

1　Ｆｏｒｅｗｏｒｄ　　ＤｏｐｐｌｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｈｉｆｔａｎｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｉｘｉｎｇｍｕｓｔｂｅｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｏｆａｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｌａｓｅｒＤｏｐｐｌｅｒｅｆｆｅｃｔ.Ｉｎａｔｙｐｉｃａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ ,ｔｈｅｏｂｊｅｃｔｍｕｓｔｂｅｌｏｃａｔｅｄｉｎｔｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｏｆｌｅｎｓｔｏｅｎｓｕｒ…     

A Reference Optical System of Laser Doppler Longitudinal Displacement Measurement

In this paper, a new reference optical system is put forward to achieve longitudinal displacement measurement. An optical grating is used for frequency mixing and getting high SNR signals in the measurement. Conditions and methods for getting Doppler beat signals are presented.The experiments indicate that this optical syetem can be used to measure the longitudinal displacement with high accuracy.     

光栅位移激光多普勒遥测技术的研究

研究了利用运动光栅的多普勒效应进行切向位移的遥测技术。提出了测量光路，采用声光调制器作为分光和频移器件并用于鉴向，实现了５０ｍ的远距离光栅位移遥测。达到测量分辨率０．８μｍ，光栅位移４０ｍｍ，最大累积误差优于３４μｍ。并用理论分析和实验，证明了远距离目标的焦深及其计算方法，导出了计算公式。     

1.06 μm相干激光雷达动目标多普勒信号探测

介绍了一套1.06 μm脉冲式相干激光雷达测速演示系统.采用单块非平面环形激光器作为种子,注入到单纵模运转的Q开关高重复频率Nd∶YAG激光器为发射源,实现稳定的单频输出.通过外差式相干探测的方法,利用转速0~60 Hz可调、直径为10 cm的转盘为运动目标,回波信号被带宽为3.5 GHz的高速光电探测器响应后,经采样率为2.5 GS/s的A/D采样,输送到基于LabVIEW信号处理系统中,从而测量不同转速下的多普勒频移,各测速点的多普勒频移测量结果相对误差在3%以内.针对测量中存在的误差从激光器输出线宽和测速系统准确度两方面进行了误差分析,并提出了改进措施.演示系统的良好重复性证实了这种相干激光雷达系统的可行性.     

干涉仪测光波长移动所引入的相位误差

在理论分析的基础上,对国际上目前广泛采用的干涉法测量光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）传感系统中的光波长移动所存在的相位测量原理误差进行了实验研究,提出了双相位锁相放大器加动态补偿的测量方案。结果表明,直接用锁相放大器测量布拉格波长移动所对应的相位变化时,如果布拉格波长与其相关的锯齿波光程差幅值不相等,将产生准周期性的测量原理误差。假设扫描锯齿波幅值初始偏差为２０ｎｍ,那么测量原理误差将大到全量程的５％。如