基于PASCO数据采集装置的激光测速实验探究

探究了基于光多普勒效应和PASCO数据采集装置的激光测速实验,分别获取了液体流速和固体(光纤探针)运动速度的多普勒信号,利用多普勒信号可以测定它们的速度,并用“双光纤测速法”对比说明了测固体运动速度的精度.     

基于裸光纤探头的双点光子多普勒测速系统

全光纤光子多普勒速度测量(PDV)系统是一种新型的激光测速系统,可广泛用于冲击波、爆轰波以及其他短时高速运动物体的速度测量。多点测量可以获得靶面不同位置的速度,以测量靶面的形变。为提高测量的空间分辨率,提出使用裸光纤束为PDV系统的探头,并在实验上实现了空间分辨率为375μm的双点速度测量。裸光纤探头的间距较小,一个探头的测量结果可能受到另一个探头反射光的干扰。理论和实验的研究结果表明,当靶面各点速度相同时,测量结果不受干扰光的影响;当各点速度不同时,其测速误差不但与两被测点的速度差有关,还与传感光和干扰光的光强和相位有关。     

主动光幕测速系统中光信号的模拟与探测实验研究

为满足主动光幕测速系统的测试需求,在分析弹丸光信号特征的基础上设计和研制了一种弹丸光信号模拟装置。通过该模拟装置生成了在不同环境条件下的弹丸反射光信号,其中包括弹丸形状、弹丸反射系数、背景光大小、弹丸速度、电磁干扰和蚊虫侵入等。利用这些不同的光信号对主动光幕测速系统探测单元的性能进行了测试实验,获得了弹尾时刻的最佳判决方式。通过与实地靶场实验对比,进一步验证了弹丸光信号模拟装置的正确性和探测单元的有效性。     

一种新的线成像激光干涉测速系统

 设计并搭建了一种新的线成像激光干涉测速系统,用于小样品材料的冲击波诊断或飞片速度测量。系统采用梳状干涉条纹做为信号载体,利用1维光纤阵列＋光电倍增管＋数字示波器替代变像管扫描相机作为记录设备,记录伪推挽四路干涉信号,实现1 ns时间分辨和86 μm空间分辨。用它测量了脉冲激光驱动铝膜飞片的速度场,获得对比度较好的信号,数据处理结果揭示了飞片加速过程将近20 ns,飞片的平面度为14.8 mrad。实验证明,该线成像激光干涉测速系统具有一定实用性。     

光电编码器单莫尔条纹测速方法

为了提高编码器的测速精度,研究了基于希尔伯特-黄变换的光电编码器单莫尔条纹测速方法。首先,利用AD采集编码器的单路莫尔条纹光电信号,并将信号序列通过EMD变换,滤除直流分量;然后,利用希尔伯特变换求出信号的相位变化,并通过差分运算求取信号的瞬时频率;最后,结合编码器的具体参数求取编码器的转速。实验结果表明:对某21位编码器进行测速实验,测速误差均方差由0.022 4 rad/s降低到0.013 4 rad/s。此方法测速稳定性高,抗干扰能力强,可用于速度精度要求较高的测速场合。     

一种新型内弹道速度诊断技术

本文首次提出一种新型内弹道速度诊断技术──半导体激光微波多普勒测速技术。在理论分析的基础上,设计并组装了半导体激光微波多普勒测速计实验样机,对测速装置的实验研究表明,这种新颖技术完全可以用来诊断内弹道速度。     

测速光幕靶用数字信号处理算法

针对光幕靶在使用中易受到蚊虫、冲击波和光电器件随机噪声干扰因而可靠性差的技术难题,提出一种测速光幕靶用数字信号处理算法。利用数据采集仪采集光幕靶输出的弹丸过靶信号,通过莱达因准则剔除偶发性干扰数据。通过阈值比较法判断出弹丸信号的时间范围后,利用4次高斯公式对一定时间范围内的采样数据进行曲线拟合,并准确计算出半峰值触发时刻点,实现低采样率下的高精度测量。研究的信号处理算法利用计算机进行仿真验证,其原理正确,计算效率高。配合XGK-2002型光幕靶进行实弹射击试验,测试数据表明:该算法可准确计算出各类弹丸信号的过幕时刻,极大地提高了光幕靶的稳定性和适用范围,测量相对误差不大于0.1%。研究的算法同样适用于一类动态特征信号的提取与计算。     

基于声音传感器的多普勒测速实验探究

以可闻声波为实验声源,利用自己搭建的实验装置,采用光电门和多普勒两种方式测量小车的运动速度,该装置在有较强噪声干扰的情况下,仍可获得较高测量精度。     

多普勒雷达测量电磁轨道炮内弹道速度

介绍了W波段多普勒雷达测量电磁轨道炮内弹道度速度的基本方法,并对口径30mm×25mm的串联增强型电磁轨道炮内弹道速度进行了实际测量。初步研究表明:雷达接收的信号易受到脉冲放电过程的干扰;雷达信号的信噪比取决于电枢与轨道电接触状态,在电源充电电压较低、接触面无电弧生成时测得了完整的内弹道速度,并与丝网靶和磁探针测量结果吻合;在较高充电电压条件下,由于电弧电接触产生的干扰,测速结果不够理想。     

一种膛内多普勒测速修正方法

针对复杂电磁环境下膛内测速的重复性和精度低的问题,提出了一种非接触式膛内高精度测速方法,该方法在对膛内多普勒信号进行提取并去噪的基础上,利用S变换时频分析对预处理后的信号进行处理,然后采用谱峰搜索的方法来获得信号的瞬时频率,用能量重心校正法来提高结果精确度,最后根据多普勒原理,完成速度的测量;实验部分采用模拟信号和实际信号两种方式来验证该方法的可实施性;结果表明,该方法测速精度能够达到0.043 2%,相对于极值法和STFT法具有更小的误差。     

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.     

参考光束型激光多普勒测速仪的误差分析

阐述了参考光束型激光多普勒测速仪的基本原理,从理论上分析了原理公式近似、高斯光束干涉、激光线宽、探测器孔径、有限渡越时间、信号处理算法、空气折射率变化及角度测量等诸多因素对激光多普勒测速仪测量结果造成的误差,研究并给出了每一种影响因素所引起误差的理论公式,在每一种影响因素中具体讨论了各种光学参数对测量误差的影响并对部分参数进行实验研究。理论分析和实验表明:在实验中需要选择线宽较窄的激光器及孔径较小的光电探测器,而在选择光束光斑半径和信号光中心光线的方向与粒子运动方向的夹角时,既要考虑激光的质量和多普勒信号的强度,同时也需要考虑原理公式近似、探测器孔径的尺寸、有限渡越时间及高斯光束干涉等多种因素对测量结果的影响。     

基于激光多普勒技术扭振测量的研究

提出一种基于激光多普勒技术和光学外差原理对高速回转机械进行扭振测量的新方法,分析了工作原理,推导出光路部分的数学模型,并通过实验分别验证了测量方法的可行性和准确性。高相干激光投射到转轴同一个截面上2点,反射光的多普勒频移正比于转轴转速,通过光学配置,使前后两个时刻的多普勒频移光信号在光探测器上发生光学混频,光电流拍差正比于转轴在两个时刻的速度差,控制两个时刻时间差很小,直接得到角加速度。与其他激光多普勒扭振测量方法相比,该方法直接测量转动角加速度,在保证测量精度的前提下,提高了扭转振动测量的实时性,极大地扩展了扭振测量的动态范围,对大型回转机械运行状态监测和故障诊断具有重要意义。     

扩频原理在聚合物光纤性能测量中的应用

提出了一种将扩频通信原理用于聚合物光纤性能测量的新方法,使用伪随机序列对注入测量系统的光信号进行调制,实现输入光信号的扩展频带,输出光信号经光电转换后,用伪随机序列对信号进行解扩处理,根据扩频原理,解扩后的信号的信噪比会有较大提高.对测量系统的性能进行了仿真分析并与实验结果进行了比较,结果表明该方法可以精确地测量信噪比低于-20 dB的有用信号波形.     

Measurement of the velocity inside an all-fiber DBR laser by self-mixing technique

The self-mixing interference for optical velocity sensing is experimentally investigated in an all-fiber configuration distributed Bragg reflector laser. Simultaneously, theory model of self-mixing interference laser Doppler velocimeter based on quasi-analytical method. The experimental results show Doppler shift frequency is linearly proportional to the value of the velocity which agrees well with theory analysis. The results preserve an enough signal-to-noise ratio around 40 dB in the range from 39.3–317.0 mm/s (measurement range depending on bandwidth of circuit) for velocity measurement. Additionally, the cutoff circuit is used in our system to get a stable Doppler signal and reduces the error rate to 0.136 % in practical measurement.     

光子型远程分布式微波信号接收码元速率估计

基于光子学技术,设计了一种针对远程分布式微波信号接收的码元速率估计方案。首先,远程终端将接收的微波信号经电光调制器对连续激光源进行载波抑制双边带调制,生成携带微波信号的两个光边带信号;此光信号经光纤链路传输至中心站在光域滤除其中一个边带;其次,进行光电探测,通过分析电频谱的谐波实现微波信号码元速率估计。针对此方案,搭建仿真及实验系统装置:仿真成功地从60 GHz微波信号中提取出0.8 GBaud和6 GBaud的二进制伪随机码(PRBS)信号码元速率、从25 GHz微波信号中提取出3GBaud的PRBS码元速率;实验成功地从25 GHz的微波信号中提取出3 GBaud和5 GBaud的PRBS码元速率。     

典型音频放大电路的电源电磁干扰效应研究

选取一种典型的音频功率放大电路,采用直接功率注入法研究了音频功放电源的电磁干扰效应。分析了电路的电磁干扰耦合机理,设计了基于直接功率注入法的电源电磁干扰测试平台,测试得到0.1~1 GHz电磁干扰对音频放大电路直流电源的干扰效果数据,得出临界失真、典型失真和完全失真三种状态下的功率阈值与干扰频率规律曲线。结果表明:测试频段内,三种失真状态下的失真功率阈值随频率的变化关系一致,失真功率阈值相差约2 dBm。当注入干扰的频率较低时(100~300 MHz),失真功率阈值较高,且随频率增大近似以幂函数趋势下降;当注入干扰频率高于300 MHz时,失真功率阈值随频率增大呈减幅振荡趋势。     

基于线阵CCD的光学测角嵌入式系统设计

CCD作为一种光电转换器件,具有成本低、结构简单、扫描速度快、频率响应高等优点,越来越广泛地运用到测量领域。提出采用单色线阵CCD,以非接触的光学方式对角度信息进行编码调试,通过采集该信号利用数据处理模块,完成对图像信号的解调,实现角度值的测量。系统选用TSL1401和LPC2138为核心构成嵌入式测量系统,利用TSL1401采集信号,通过A/D传输到LPC2138中进行数据处理,最终得到角度值。系统通过光学的方式对角度进行测量,实现了非接触式测量。     

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.     

Laser Doppler vibrometry based on self-mixing effect

In this paper, a simple, compact and low cost laser Doppler vibrometer is presented. It is simply composed of a laser diode (9 mm in diameter, 2 g of weight, emitting at 825 nm) and by a two-lens optical system designed to focus the laser radiation on the vibrating target. This sensor can measure target velocity. The working principle is based on the self-mixing effect that occurs in a semiconductor laser diode when the emitted radiation is back reflected toward the cavity and then re-introduced inside. The target velocity is calculated measuring the frequency of the peak of the spectrum of the signal generated by a photodiode mounted on the back facet of the laser diode. In this article, the design and the realisation of the vibrometer is reported. The self-mixing vibrometer has been calibrated in the range 0–300 mm/s, using a rotating disk covered with white paper. The effect of the angle of measurement and target distance are reported. Finally, the sensor has been compared with a commercial laser Doppler vibrometer using a vibrating surface as a target.