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     

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。     

压电陶瓷压电特性的激光调制法测量研究

介绍可测量压电陶瓷压电特性的激光干涉调制测量方法.采用相干检测原理对信号进行提取,不仅可以抑制噪声对干涉信号的影响,而且还可以大大降低光电探测器和电路的1/f噪声.与通常干涉仪测量方法相比,这种方法具有测量灵敏度高等优点.利用该方法对压电陶瓷压电特性进行了测量,讨论了激励电压信号的频率、幅度对压电陶瓷压电常数d₃₁的影响,并对其压电迟滞曲线进行了测量.     

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.     

用于面形测量的光纤投影器相移和频移特性

提出了一种光纤投影器产生相移和频移的方法,给出了光纤投影器相移和频移特性的理论与实验相一致的结果。光纤投影器利用双光束干涉产生正弦调制的结构光场,通过在一路光中引入压电陶瓷PZT,调节PZT的驱动电压来改变双光纤中光波的光程差,从而使干涉条纹产生相移,得到相移随驱动电压的变化曲线;频移是采用移动光纤投影器到接收屏距离的方法来改变干涉光场的空间频率,给出了变频条纹的傅里叶频谱,得到干涉光场的相对空间频率,将其与理论值相比较,给出二者之间的线性关系曲线,从而证明了干涉光场相对空间频率与投影器到接收屏距离成反比的关系。     

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.     

基于激光多普勒频移的钢轨缺陷监测

针对现阶段我国铁路上应用的探伤设备只能在天窗时间进行人工巡检,无法在线监测的问题,提出一种基于超声导波的激光多普勒频移法钢轨内部缺陷监测方法。首先,引入环境温度作为变量改进了半解析有限元方法,并应用该方法获得了我国无缝线路CHN60钢轨在特定温度下的频散曲线。通过分析振型并结合激励响应算法确定了适于检测缺陷的模态及其激励方式,从而激励该超声导波模态使其在钢轨中传播。然后,应用半反半透玻璃镜将激光分为参考光和测量光,测量光通过Bragg Cell进行频偏照射钢轨表面,通过反射光产生的多普勒频移与参考光干涉得到光强度变化曲线,经过信号处理及标定测得钢轨内部缺陷的回波速度信号,再经过数字化处理和计算得到缺陷的位置。最后,在北京环形铁路试验基地进行了现场实验,以钢轨接地孔模拟钢轨内部核伤,得到缺陷定位误差均小于0. 5 m,验证了该方法的可行性。使用激光多普勒频移方法检测导波信号从而定位缺陷的方法可以有效避免由于换能器接触性测量而产生的误差。该方法在不影响列车的正常运营的同时,实现了全天候无间断的在线监测,提高了检测效率。     

用于移相干涉的高精度可伸缩PZT驱动电源技术

针对现有的三压电陶瓷移相器难以驱动大口径参考镜进行移相干涉测量的问题,设计了一种用于被测镜单压电陶瓷驱动移相干涉测量系统的高精度压电陶瓷移相器驱动电源。电源采用误差放大式结构,根据输入信号与输出采样的偏差,通过比例作差与光耦隔离等环节输出控制信号,进而控制MOSFET的导通状态调整充放电电流,控制由倍压整流电路生成的直流高压源进行输出,实现对驱动电源输出电压的稳定控制。实验表明其高精度压电陶瓷驱动电源具有在-600～+600V范围内输出连续可调电压的能力,且纹波小于20mV,线性度和精确度高,稳定性好,可实现压电陶瓷的可伸缩精确移相,满足被测镜移相干涉测量系统进行大口径被测镜高精度面形测量的要求。     

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.     

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。     

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。     

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%.     

全光纤速度干涉仪设计及应用

针对冲击波物理与爆轰物理等研究领域中对高速运动物体进行连续速度测量的需求,设计了一种全光纤速度干涉仪.该干涉仪采用单模光纤作为光传输和延迟元件,对t和t-τ两个时刻由于速度变化而引起的多普勒差拍信号进行检测.由于两个时刻的两束光信号对应的待测物体速度变化不大,因而两者几乎有相等的频移量,从而大大降低了差拍信号频率.并且,通过光纤长度的改变,灵活调节条纹常量(τ值),使差拍信号频率不超过记录系统的带宽,从原理上解决记录系统响应带宽受限问题,拓展测速的上限.单模光纤的采用,对漫反射光起到了较好的选模作用,使干涉仪实现了对漫反射靶的测量.实验设计了1.5m.s-1和150m.s-1两种条纹常量,对低速过程的霍普金森杆实验和高速过程的激光驱动实验分别进行了测试,取得较好结果,证明了该干涉测试技术的有效性.     

基于多普勒效应的水波特性实验装置的设计

设计了一种基于多普勒效应的水波特性实验装置,在频闪光源照射下,通过毛玻璃屏,可直接观察多普勒效应的现象,通过设计的光电检测装置测量出水波的频率及频率的变化情况,实现水波多普勒频移的数字化测量.当波源位置固定,波源以一定频率振动,根据多普勒效应,通过实时测量多普勒频率,测量出探头的速度,进而推算出水波波速.该装置有利于多普勒效应的水波特性研究,直观演示了多普勒频移现象.     

采用DDS的近场扫描光学显微镜探针-样品的纳米距离检测

近场扫描光学显微术中, 近场距离的检测和控制是需要解决的核心技术之一. 本文研究了基于DDS驱动的压电传感器, 在一个压电陶瓷片上, 电极被分成相同的两部分, 分别用于振动驱动和振幅检测. 近场扫描的光纤探针固定于此压电陶瓷片上. 振动驱动信号采用DDS, 在样品的远场时, 可以通过频率扫描得到误差在0.006 Hz以内的压电陶瓷片谐振频率驱动信号, 而当光纤探针处于样品的近场距离之内时, 压电陶瓷片的谐振频率偏离驱动信号频率, 振幅明显减小, 从而检测出近场距离. 高精度振动驱动源DDS和高灵敏度压电传感器的采用提高了检测灵敏度和工作稳定性.     

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。     

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.     

光纤飞秒光学频率梳的研制及绝对光学频率测量

实验利用商品光纤飞秒激光器,自行构建了一套完整的光学频率梳系统,并获得了约30 dB信噪比的系统频移(f_ceo)信号.实现了光频梳重复频率(f_rep)信号及系统频移(f_ceo)信号的高稳定度锁定,并通过实验验证了光频梳锁定的跟踪精度.基于此稳定光频梳完成了对1064 nm碘稳频Nd:YAG固体激光器的绝对频率测量.实验结果表明,f_rep的跟踪精度在100 s取样时间时优于3.7×10^-14,测量得到的1064 nm激光器绝对频率为:281630111757362 Hz.这一测量结果与国际计量委员会(CIPM)给出的国际推荐值符合到不确定度之内. 关键词： 光纤光频梳 稳频 锁相技术 光学频率计量     

全光纤速度干涉仪设计及应用

针对冲击波物理与爆轰物理等研究领域中对高速运动物体进行连续速度测量的需求,设计了一种全光纤速度干涉仪.该干涉仪采用单模光纤作为光传输和延迟元件,对t和t-τ两个时刻由于速度变化而引起的多普勒差拍信号进行检测.由于两个时刻的两束光信号对应的待测物体速度变化不大,因而两者几乎有相等的频移量,从而大大降低了差拍信号频率.并且,通过光纤长度的改变,灵活调节条纹常量（τ值）,使差拍信号频率不超过记录系统的带宽,从原理上解决记录系统响应带宽受限问题,拓展测速的上限.单模光纤的采用,对漫反射光起到了较好的选模作用,使干涉仪实现了对漫反射靶的测量.实验设计了1.5 m·s-1和150 m·s-1两种条纹常量,对低速过程的霍普金森杆实验和高速过程的激光驱动实验分别进行了测试,取得较好结果,证明了该干涉测试技术的有效性.