基于扫频采样的飞秒激光大尺寸测距方法研究

作为一种高精度测量工具,飞秒激光具有优于传统激光技术的特性,已被广泛应用于工业生产、航空航天、科学研究等领域。扫频采样法在很大程度上改善了机械振动、扫描速度过慢等问题,对飞秒激光的绝对测距性能提升有着重要的意义。基于扫频采样原理,提出了一种利用飞秒激光的大尺寸距离测量方法,并对该技术的测量原理、干涉光谱和解调算法等方面进行了研究。首先,根据飞秒激光的锁模生成原理和压电陶瓷的压电效应,介绍了飞秒激光器连续扫描重复频率的方法。在此基础上,结合传统的光学采样法原理,解释了扫频采样法的测距原理,推导并讨论了光纤延迟线的长度对扫描距离的影响。然后,搭建了基于扫频采样的飞秒激光测距系统,在线性导轨上进行了远距离的测量实验,同时设计了基于迈克尔逊干涉原理的He-Ne激光参考光路。根据实验环境修正了空气群折射率,分析了测量距离对光谱条纹峰值和宽度的影响,测量了不同目标位置处的激光扫描距离。在50.4 m的测量范围内,扫描距离从0.56 mm增加到1.12 mm,充分验证了光纤延迟线对提升大尺寸测距能力的重要性。周期性的频率扫描可产生互相关条纹,通过对测量光谱条纹进行希尔伯特变换处理,解算出实时的频率变化量和采样倍乘系数,从而获取被测的距离信息。此外,为了减小系统的时间延迟误差,提高测量的准确性,采用差分原理对算法进行了改进。在希尔伯特算法基础上,分别对频率和距离进行差分处理,解算距离信息。实验结果表明,经过对比,采用基于距离差分的改进算法处理数据,性能结果较好。算法改进后,系统在50 m范围内的测量精度从11 μm提高到4 μm,相对精度从2.2×10-9提高到8×10-8,测距准确性明显提高。通过分析重复性测量数据,并与增量式激光干涉仪结果比对,测量误差的标准差从10 μm提高到2 μm,最大相对稳定性从2×10-9提高到4×10-8,测距稳定性明显提高。因此,该方法有较为优秀的大尺寸测距能力,具有同时实现高精度、大尺寸、快速绝对测距的潜力,在未来的精密光谱测量领域有着很大的前景。     

基于自适应随机共振理论的太赫兹雷达信号检测方法

太赫兹雷达系统在差频信号频谱分析过程中,干扰噪声影响其测距能力.针对上述问题,提出基于自适应随机共振理论的太赫兹雷达信号检测方法,通过对含噪差频信号进行二次采样,利用自适应随机共振系统提取信号,进行尺度恢复完成测距计算.实验数据显示,不同测量距离时,相较于快速傅里叶变换法,输出信噪比的平均增益为9.684 d B,其中测量距离为1000 mm处,差频信号初始频谱值提高了64.1倍,系统信噪比增益为11.761 d B;相较于滤波法,在测量距离为1000 mm处信噪比增益最大,提高了70.56%;输入噪声强度为1—5 V之间时,输出信噪比曲线的曲率相对于滤波法降低了86.5%,其中噪声强度为5 V时信噪比增益最大,为14.018 d B.实验表明太赫兹雷达系统的测距能力大幅提高.     

飞秒脉冲非对称互相关绝对测距

光学频率梳是一种重复频率与偏置频率锁定的新型光源,在频域上为频率间隔稳定的频率梳齿,在时域上为相对距离稳定的飞秒脉冲激光.光学频率梳在测距中的应用广泛,能够实现远距离高精度的测量.本实验使用飞秒激光脉冲作为光源,基于谐振腔扫描光学采样测距原理得到非对称的互相关干涉条纹,实现了远距离高精度的绝对测距.非对称互相关条纹可通过色散补偿与调节光学频率梳的重复频率得到,并通过得到的非对称的互相关干涉条纹对测距结果进行补偿.实验结果表明测距系统能够实现在50 m范围内误差为2 μm的绝对测距,测量相对误差为1.9×10^-7.     

波导不变量误差对频域β-warping变换及浅海被动测距的影响*

频域β-warping变换可将接收信号自相关函数中简正波互相关部分,变为时域上时延随声源距离线性增大的脉冲序列。对信号自相关函数进行β-warping变换需要已知波导不变量值。但是,在实际应用中,很难获得波导不变量的准确值。研究表明,在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,如果估计得到的波导不变量为其真实值的q倍,那么频域β-warping变换后得到的脉冲时延也会变为波导不变量取真实值时的q倍。进一步研究表明,在水平不变浅海波导中采用频域β-warping变换进行被动测距时,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果仍与真实距离符合得较好。     

高耦合系数条件下径向速度测量的新方法

本文在分析了线性调频信号距离-多普勒耦合和脉冲压缩原理的基础上,提出了一种单个脉冲混合信号条件下径向速度测量的新方法.该方法将频域上互不重叠的调制脉冲进行时域叠加,通过脉冲压缩的频率选通特性,得到不同距离-多普勒耦合系数下的距离信息,再根据距离-多普勒耦合偏差的计算公式建立方程组,求解获得了目标的径向速度,解决了高耦合系数条件下多普勒耦合测距误差修正、航迹关联以及航迹起始的问题.对导弹防御雷达的仿真验证了该方法的有效性.     

汽车倒车系统中超声波测距模块的设计

介绍了以Cygnal 8051 F330单片机为控制器,用于汽车倒车的超声波测距模块的硬件电路和软件设计方案,在抗干扰设计等方面该模块采用了软硬件综合处理措施,实现了较高的测距精度和较宽的测距范围。在满足倒车系统要求的基础上,体现了简单、经济、实效、实用的特点,文章给出了该模块的实际调试效果和误差分析结果。     

高精度超声波测距系统设计

提出了一种基于AT89S51单片机的超声波测距系统的设计方案。详细分析了影响测距系统精度的主要因素,设计出了各单元电路和整体电路,重点介绍了提高测量精度的方案和具体实现电路,采用单片机技术进行控制,并给出了控制流程图。设计出的超声波测距系统精度可达毫米数量级,电路具有结构简单、操作方便、精度高、应用广泛的特点。     

基于误差校正的双频连续波测距性能分析

针对正交解调接收机通道不平衡的校正问题,利用双频连续波雷达基于快速傅里叶变换比相测距的特点,提出了一种正交解调误差的频域校正方法。首先基于频域分析求出所需要的校正系数,然后实现正交解调误差的校正,达到提高连续波雷达测距性能的目的。通过仿真验证了校正方法的有效性,校正系数的估计方差与克拉美-罗界渐进一致。通过校正后,由通道不平衡引起的测距系统误差被有效地解决,从而改善了双频连续波雷达的测距性能。     

基于单片机和SMC1602的超声波测距系统设计

给出了一种基于时差测距原理的超声波测距系统的整体结构设计方案,介绍了该超声波测距系统中所选用的AT89C51单片机、LM567音频译码芯片以YLSMC1602液晶显示驱动器的主要特点,最后给出了该超声波测距系统的软件主程序和中断程序流程图。     

超声波传感器在摊铺机自动调平控制系统中的应用

针对摊铺机自动调平控制系统对测距精度的较高要求,设计了一种具有较高精度的基于超声波传感器的测距系统。实验结果表明,在常用的测距范围内,静态测距精度可达1mm。介绍了测距系统的原理以及系统的软、硬件实现方法。