利用激光多普勒效应测量流体速度

本文利用激光多普勒效应,设计了基于光纤结构流体速度测量装置,文中利用光纤激光器作为光源,采用光纤代替传统的光路,采用光纤分束器实现分光,采用制冷的雪崩光电二极管(APD)为探测器,来建成一个基本全光纤化的多普勒测速系统.     

Fabry-Perot干涉仪测量爆轰加载下的飞片自由面速度

为了获得有效的爆轰加载下的飞片自由面速度剖面的测量结果,设计了一种紧凑的Fabry-Perot干涉仪。采用固定腔结构使该干涉仪能够抗机械振动干扰并产生稳定的干涉条纹,可以做到在实验中免除干涉仪的调节,从而提高实验效率。采用光纤传光的方式使得实验具有更大的灵活性。用该干涉仪成功测量了φ40mm×20mm的T/Γ35/65炸药爆轰加载下的1.5 mm厚钢飞片的自由面速度,测得的最高速度大于2 km/s,给出了干涉条纹的狭缝扫描图像以及连续的自由面速度历史。     

时间拉伸光子多普勒测速技术研究

在瞬态高速测速场景中,目标物体在几十ns时间内能加速到几~几十km/s,因此光子多普勒测速系统中电学数模转换器件带宽要求达到GHz甚至上百GHz。时间拉伸光子多普勒测速系统利用飞秒激光时间拉伸特性,在光域中完成信号降频处理,降低了光电信号探测器件和电学数模转换器件带宽压力。提出了改进的时间拉伸光子多普勒测速系统,飞秒脉冲经过第一级色散器件充分展宽铺满整个时域,避免了速度信号的采样间断;信号解调上采用误差补偿算法对频移信号进行补偿,减小了因为位移引入的系统误差,从而增加了有效记录时间。实验使用纳秒激光驱动铝膜产生高速飞片,测试了文中测速系统在记录时间1.2 μs内的实验效果。实验使用重频50 MHz飞秒光源,第一级和第二级色散器件分别使用200 km和100 km单模光纤,构成比例因子2/3。最终实验表明系统将3.6 GHz的多普勒频移信号降低为2.4 GHz,通过与光子多普勒测速系统进行结果比对,实验动态误差小于5%。该系统将能够应用于多种动高压技术加载飞片场景下的速度进行测量,为瞬态高速测量领域提供了新的测量手段。     

光子多普勒速度测量系统的数据处理技术

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的测量。数据处理是PDV测速技术重要的组成部分,旨在从含有大量噪声的测量数据中获得靶面等运动体的速度信息。在分析PDV系统测速原理的基础上,分别采用条纹法、短时傅里叶变换法和小波变换法对激光冲击强化实验中自由靶面运动的PDV数据进行了处理。针对其中的去噪、奇异点、小波基的选择等问题,提出了一些独特的处理方法。同时,对3种处理方法的误差、实时性、有效性进行了比较。     

激光冲击强化靶背面自由表面速度的全光纤光子多普勒测速法测量

用现有的光纤通信器件,搭建了全光纤光子多普勒速度测量(Photonic Doppler Velocimetry,PDV)系统;用PDV系统测量了激光冲击强化(Laser Shocking Peening,LSP)靶背面自由表面速度。提出了一种称为微分法的新的PDV数据处理方法,并证明了与传统条纹法相比,在相同的硬件条件下,不但提高了测量精度,而且扩大了测量范围。用微分法对LSP实验中的测量数据进行了处理,实现了运动初始阶段自由表面瞬时速度的精确测量,因此微分法对冲击波与轰爆波中瞬态加速过程的数据处理特别适用。     

光子多普勒测速仪的单探头多目标测速能力研究

随着相关研究的发展,在冲击波物理、爆轰物理、强激光、兵器等众多领域中,均提出了通过单个探头对小范围内的多个目标,如多个小飞片或粒子群,同时进行高精细度速度测量的要求,为满足该要求,论述了光子多普勒测速的工作原理和光路结构,分析了单探头多目标测速应用时的信号特征和数据处理方法,指出速度分辨率和空间分辨率是决定该性能的关键因素。根据理论分析结果,采用光通信行业中的常规器件,搭建了一台光子多普勒测速仪,并设计了爆轰实验装置,同时利用该装置进行了爆轰加载金属飞片的验证实验。实验结果表明,使用单个光子多普勒测速探头,对单个大尺寸铝飞片、多个小尺寸铝飞片、铅靶喷射粒子群等单个或多个运动目标均达到了较好的速度测量结果,获得了各目标的速度曲线以及多条速度曲线构成的速度带,测量最高速度达到2.5km/s,工作距离达到20mm。研究结果对于深入探索光子多普勒测速技术在单探头多目标测速中的应用有重要的参考意义。     

全光纤多普勒测速系统的研究

为了验证全光纤多普勒测速系统的低速响应能力,采用窄带光纤激光器、准直透镜等器件搭建了一套迈克尔逊干涉仪结构的全光纤多普勒测速系统,分析了其测速的基本原理,并对喇叭振动进行了测试。采用快速傅里叶变换对信号进行处理,解调结果表明,该系统对低速响应灵敏,能够有效地测量出喇叭膜片振动速度,最低可测速度在1mm/s以下,速度分辨率可达0.1mm/s。     

基于LabVIEW与Matlab的实时在线光子多普勒测速系统

传统的光子多普勒测速系统中,速度信息的获得都采用离线处理,处理周期长,导致该传感系统不能实时应用。从光子多普勒速度测量系统的原理出发,结合LabVIEW的图形化语言设计和Matlab强大的数值处理能力,以数据采集卡和PC机为采集和处理平台,提出并设计了一种信号采集和处理系统,实现了测速信号的实时数据采集、在线处理和显示。     

激光多普勒测速:用光纤探头测量涡轮机叶端间隙

激光多普勒测速(LDV)是一种利用多普勒效应测量流体或气体流动方向和速度的最简单方法.该技术利用流体中的两束交叉激光束,通过分析由运动着的微粒产生的反射光的频率特性,将频率与流体的流速相比较,便可由多普勒效应获得测量结果.德国Dresden理工大学的科研人员利用含光纤端部探头和衍射光学元件的激光多普勒测速装置在世界上首次成功开发出一种基于激光多普勒方法的现场测量涡轮机单个叶片端头间隙的技术,这种方法的测量精度比现有的电容法的测量精度至少高2倍多.     

单纵模VCSEL自混合多普勒测速传感系统的设计

基于激光自混合原理研制了多普勒测速传感系统,应用单纵模垂直腔面发射激光器(VCSEL),简化了光路设计;应用差频模拟锁相环技术处理微弱自混合多普勒信号,提高了测速精度和动态范围;应用单片机进行数字采样测量多普勒频移和计算物体的运动速度,实现了传感系统的集成化和小型化.实验结果表明,该传感系统在采样时间为0.1S的条件下,测速精度优于1%,测速范围达到30～500 mm/s,具有非接触式测量、测速精度高、动态范围大、结构简单、成本低和易于集成化等优点,在生物工程测量等领域有着广泛的应用前景.

Abstract：

The Doppler velocity sensor system based on laser self-mixing effect applies single-longitudinal-mode vertical-cavity surface-emitted laser (VCSEL),simplifying the optical path.And it uses difference frequency analogy phase locked loop (APLL) to process the self-mixing Doppler signal,so both the velocity measurement accuracy and dynamic range can be improved obviously.And it uses microcontroller unit (MCU) to make digital sampling and measure the Doppler signal frequency to obtain the velocity of the target,realizing the integration and miniaturization of velocity sensor systems.The experimental results show that,with the sampling time of 0.Is,the velocity measurement accuracy is better than 1%,and the dynamic range is from 30mm/s to 500 mm/s.The Doppler velocity sensor system has advantages of non-touch measurement,high accuracy of velocity measurement,wide dynamic range,simple configuration,low cost,and convenience in integration,so it has wide applications in such fields as bioengineering measurement.     

基于激光多普勒测速的流场测试技术

激光多普勒测速技术,作为一种非接触式测速技术,具有测速精度高,测速范围广,空间分辨率高,不影响流场分布、可测远距离速度场等优点。因此多普勒测速技术已经在众多领域中得到广泛的应用。本文主要从理论上对激光多普勒测速技术进行分析,从实验角度阐述了激光多普勒测速技术的工作机理。并对激光多普勒测速技术在内燃机中流场测试应用的可行性进行分析,最后介绍了多普勒测速技术在内燃机流场测试中的应用和国内外发展情况。     

基于光子多普勒测速的长景深动态测试研究

目前光子多普勒测速的应用场景多为瞬时、短时的冲击、震动、飞片等测量,采集时间少、景深距离短,缺少长景深动态测试的应用。为此我们搭建了一套全光纤结构PDV以及基于LabWindows的上位机解调软件,以15 kHz线宽1550.12 nm激光器为光源,300 mm工作距离非球面镜作为探头,针对运动距离为1.33 m、最高速度14 m/s的无杆气缸滑块进行速度测量。通过多次实验,得出了无杆气缸滑块运动的全程速度曲线,并用积分反推出运动距离与实际滑块运动距离相符,平均相对误差为-0.5266%。实验结果表明,光子多普勒测速系统健壮性良好,在信号光耦合功率低的情况下仍可以得到16 dB以上信噪比的干涉信号,大气环境稳定时可在长景深范围内进行动态测量。     

激光多普勒测速技术进展

综述了激光多普勒测速技术的最新进展。首先简单介绍了激光多普勒测速技术的基本原理;然后对差分混频单频激光多普勒测速仪等6种单频激光多普勒测速仪和正交偏振双频激光多普勒测速仪的结构、工作原理及其优缺点进行了详细讨论;最后对清华大学最新研制出的可显著扩大测速量程的HH型双频激光多普勒测速仪进行了较为全面的介绍,并探讨了未来激光多普勒测速技术的发展方向。     

基于激光驱动的飞片速度的理论计算

飞片速度是激光冲击片雷管设计中必须考虑的关键参数之一,对其准确快速地预估一直是火工品设计者追求的目标.为此,基于激光诱导爆轰波理论为基础,通过建立激光-靶耦合的力学模型,提出了一种新的飞片速度的计算方法,克服了传统方法分析参数单一的不足.采用该算法,定量分析了激光参数(功率密度、脉宽和焦斑直径)和飞片结构参数(飞片半径...     

高速运动飞片的F-P干涉测量技术研究

为了测试在冲击波或爆轰波作用下各种材料样品的自由面速度随时间变化的过程,提出了一种利用法布里-珀罗(F-P)光学共振腔的选频特性进行多普勒频移绝对量的检测来连续测量飞片运动速度的方法,建立了一套基于此方法的测量装置,并利用金属箔电爆炸驱动聚酰亚胺薄膜飞片装置对所研制的F-P干涉测速仪进行了原理性实验验证。利用所研制的F-P干涉测速仪测量了飞片速度在60ns的时间内由静止加速到大于3km/s的速度的全过程,测量数据的不确定度小于5%。与其它激光测速装置相比,该干涉仪具有体积小、结构简单紧凑和成本低的特点,在爆轰物理与冲击波物理实验研究中具有较好的应用前景。     

一种新的双频激光多普勒测速方法的实验研究

提出了一种新的双频激光多普勒测速方法,利用同偏振的双频激光器作为光源,并用两个线偏振光同时传感物体的速度,可以大大提高最高可测量速度。本文分析这种新方法的原理并进行了实验验证。结果表明,利用这种方法可以实现对高速运动物体速度的高精度测量。     

多普勒雷达测量轻武器弹丸转速方法研究

针对轻武器弹丸体积小,速度快,路径长的特点,分析了轻武器弹底刻槽技术、弹丸RCS、弹丸飞行稳定性和测试精度,提出了一种基于雷达法将采集的多普勒雷达回波数据变换到频域,利用改进的短时Fourier在频域中消除相应噪声和杂波信号后再将"纯净"数据从频域中变换到时域中来确定轻武器弹丸转动频率的新方法,解决了轻武器转速测试难题.计算机仿真和试验结果表明,该方法能得到高精度的试验数据.     

高速磁悬浮交通系统光纤定位测速研究

在高速磁浮系统中,定位测速是一个重要的部分,系统必须能快速实时并安全可靠的检测出磁浮列车所处的地理位置,并传输到上层列车控制系统对列车的行进位置进行标明,以便能可靠地对列车的行驶进行控制牵引.其性能直接影响到高速磁浮列车的启动、加速、稳速、减速、精确停靠;影响到能量消耗,运行安全等.本文提出了 一种高速磁浮交通系统光纤...     

Three-dimensional Doppler velocimetry of flow jets

A closed-form solution is derived of the Doppler equation for the magnitude and angle to the three-dimensional velocity vector. The resultant solution is more general than previous formulations and, since it is based on multiple conventional transmit-receive Doppler probes, it can be readily applied by adapting existing Doppler units. Turntable experiments demonstrated that the three-dimensional angle-independent theory correctly predicted velocity within average 32% over a 26.°-range of Doppler angles. Experiments with a flow phantom showed general agreement with the angle-independent theory in the more demanding setting of an actual flow stream. Experiments utilizing a jet stream which modeled the clinically important conditions that exist in stenotic vessels, valvular abnormalities, and septal defects within 1.4-3.8% of the actual velocity, over an 18° range of Doppler angles     

激光相干多普勒测速精度实验

激光相干多普勒测速雷达由于测量精度高、测速范围广、功耗体积小等优势广泛应用在风场测量、导航及飞行器着陆等方面。为了测试其测速精度,本文研制了速度发生器,搭建了高精度大速度范围的精度测试平台,利用搭建的测试平台对激光多普勒测速精度进行测量,在105.8266 m/s的速度下测得的精度为0.0383 m/s。对激光多普勒测速的精度进行了分析,提出了插值校正FFT频率、采用流水线的FFT处理方法、增加采样位数和提升采样频率等方法来提高测速精度。