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。     

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。     

用于滑坡监测的自动跟踪激光表面测速系统

为实现滑坡表面速度、位移的自动实时监测,研制了一套新颖的自动跟踪激光表面测速系统(TLSV)。该测速系统基于激光多普勒效应,采用反馈控制技术,能够实现目标沿光轴方向速度、位移的精密测量,以及目标的自动跟踪。系统采用的"信号搬移消除噪声法",可以将常规去噪技术难以去除的混杂在多普勒信号中的噪声和干扰有效消除,进一步提高多普勒信号的信噪比;同时,"假随机采样一致性算法"使测速系统能够快速、准确识别目标,保证了目标跟踪的成功执行。并且,反光膜的合理应用使远距离目标的测量成为了可能。实验结果表明,该测速系统可实现目标沿光轴方向亚μm级速度、位移的准确测量,测量误差小于0.5%,测量距离大于50m。系统利用自动跟踪功能也同时实现了目标面内运动的监测,一定程度上将目标监测从二维平面扩展到三维立体空间。     

多点光子多普勒测速仪及其在爆轰物理领域的应用

爆轰物理、冲击波物理、强激光等众多领域均提出了对多个目标同时进行测速的要求,从而急需研制多点测速系统。论述了光子多普勒测速的工作原理和光路结构,计算了整个光纤链路上的功率变化,分析了多点光子多普勒测速系统最大通道数量的各个影响因素及影响程度。根据分析结果,研制了一套八通道光子多普勒测速样机,可对8个测点进行同步测速,并进行了爆轰加载金属飞片和粒子的验证实验。实验结果表明,在测试条件逐渐恶化,探头接收效率逐渐降低的情况下,样机对单个或多个运动目标均达到了较好的速度测量结果,获得了信噪比较高的待测目标速度曲线。研究结果对于深入探索多点激光测速技术及其应用极具参考意义。     

高动态BDS接收机测速精度分析及改进措施

基于高动态BDS接收机高精度测速的需求,介绍了实现接收机速度测量的多普勒获取方法,分析了高动态应用下的多普勒精度,将加加速度动态下载波环路带宽和观测量更新频率对多普勒误差的影响进行了仿真,提出了通过增加环路带宽和提高观测量更新频率来改善加加速度应力下的测速偏差的方法。应用自研的高动态BDS接收机,对速度、加速度和加加速度3种动态应力下的测速精度进行了测试验证。结果表明,BDS接收机能够在10 000 m/s速度、100 g加速度动态下实现0.05 m/s的测速精度,改善后在50 g/s加加速度动态下可实现0.2 m/s的测速精度。     

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。     

双光束激光多普勒转速测量系统的实验验证

激光多普勒测速技术具有非接触、无磨损、精度高等优点,被广泛应用于工业、航海、航天等领域的高精度速度、加速度、长度测量。双光束激光多普勒测速技术作为其中的一个分支,具有结构简单、抗干扰强的特点。为提升双光束激光多普勒测速技术的测量精度,搭建一种测量圆周转动线速度的轴对称型双光束激光多普勒系统,采用高速响应的探测器观测差频信号。当目标的线速度为1 596.6 mm/s时,激光多普勒差频信号理论值是0.975 MHz,测量角度为0°,实验观测到的差频信号是1.013 MHz,与理论值相比误差约为3.8%;进而变换观测器的不同角度位置,测量得到的多普勒频移和0°的频移误差在0.8%以内。结果表明,该测量系统能够测量到运动物体的多普勒频移信号,同时更改双光束激光多普勒测速的观测器角度,不影响测量结果。该实验系统为后续进一步进行激光多普勒测速技术的研发打下了良好的基础。     

应用于测风激光雷达的多普勒校准仪

测风激光雷达作为一种测速工具,系统的多普勒校准是验证测量准确性的关键步骤之一。针对车载、机载测风激光雷达的校准要求,设计了便携式多普勒校准仪。其基本原理是:利用已知目标的运动速度,与激光雷达系统测得的目标运动速度比较,得到系统的速度校准曲线。研制的多普勒校准仪自身系统相对误差为1%,小于激光雷达测量误差;其多普勒散射信号频谱展宽小于0.7 MHz,可以等效为气溶胶的后向散射谱。径向速度的连续调节范围可达±50 m/s。实验结果显示:当探测光子数接近2000时,激光雷达测速的精度为0.6 m/s。     

非合作转动目标相干测速实验研究

激光相干探测比直接探测具有更高的灵敏度,在远距离非合作目标探测识别中具有优势。为实现漫反射目标速度非接触式测量,采取连续激光外差探测方式,对室内转动漫反射目标速度进行测量。通过对影响测量结果的误差源进行分析,找出影响外差测速准确性的主要影响因素并进行修正。同时采用振幅调制法对转速实时测量,将其作为目标真实速度。将外差测速与振幅调制测速结果进行对比,实验表明:顺时针旋转测速相对误差在2%以内的概率为99.25%,测速绝对误差在0.05 m/s以内,随着速度增大,测量相对误差呈减小趋势,测量绝对误差呈增大趋势。受运动目标速度限制,实验测速动态范围在0.05~16 m/s之间,而该测量系统实际测速最大值可达445 m/s。     

利用微波调制激光技术测速的实验研究

为了验证微波调制激光技术进行速度测量的可靠性,构建了一套通过微波调制激光技术测速的实验系统。利用激光作为载波,微波作为模拟调制信号对激光信号进行强度调制,光电探测器对信号光强度进行直接探测。利用射频电路,获得多普勒频移数据反演发射端和接收端相对运动速度。同时通过测量运动距离和时间计算平均运动速度,作为第三方数据,用于与微波调制激光技术测速的数据进行比较。理论分析了这套系统的原理并对其进行了实验验证。实验结果表明,利用微波调制激光技术测速的数据与第三方数据平均偏差小于2.0%,符合性好。     

提高外场重频激光光斑测量距离的研究

为评定激光指示器对运动目标的指示精度,通常使用激光光斑测量系统,测量照射在靶标上波长为1.064μm的激光光斑位置。而现用激光光斑测量系统的最大探测距离仅为500 m,需要大幅提高。本文通过分析制约激光光斑测量距离的因素,研究了提高外场重频激光光斑测量距离的技术途径,在选用可精确控制快门曝光的近红外高量子效率摄像机的基础上,设计了快门最优控制策略。在保证激光光斑录取率99.9%的同时,通过控制摄像机曝光时间,将激光光斑图像信噪比提高了约2倍多。外场测量时,对重频激光光斑的测量距离达到了2 000m,满足了对运动目标测量的精度要求。     

A novel 5-D depth–velocity filter for enhancing noisy light field videos

A 5-D depth–velocity filter is proposed for enhancing moving objects in noisy light field videos (LFVs) (also known as plenoptic videos). The proposed filter consists of an ultra-low complexity 5-D IIR depth filter and a 5-D FIR velocity filter. The 5-D IIR depth filter is employed to denoise a noisy LFV. The denoised LFV is then utilized to estimate the 3-D apparent velocity of the moving object of interest. The 5-D FIR velocity filter is designed based on the estimated 3-D apparent velocity and is used to enhance the moving object of interest while attenuating other interfering moving objects. Experimental results confirm the effectiveness of the proposed 5-D depth–velocity filter compared to previously reported 5-D depth–velocity filters.     

距离选通技术在运动目标激光主动成像中应用

激光主动成像系统已被广泛应用,但是大多系统都是针对静止目标,在实际应用中对运动目标成像时受到限制。文中首先阐述了针对静止目标的激光主动系统,然后分析了运动目标成像时与静止目标的不同,分析了相对运动和固定焦距的光学系统的离焦效应,构建了3种运动目标激光主动成像体制,最后,在对静止目标成像的基础上,采用红外热像仪在大视场内跟踪目标,测距机实时测量距离信息的方式,建立了基于距离选通的运动目标激光主动成像系统。实验获得了距离500 m,运动速度为5 m/s气球运动目标的图像,突破了合作目标及多点定位的限制,为进一步跟踪快速运动目标提供了借鉴,同时也对运动目标激光三维图像的获取与处理研究提供了基础。     

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。     

3D Surface Morphology Measurement and Auto-focusing System

When interference microscop e measures the surface rough of the micromechanical device, as soon as the work distance of interference microscope and the depth of field is shortened, the in terference images become slur for the measured object if there has small interfe rence after clear focus. The auto-focusing system is introduced into the interf erence microscope, the system can obtain high definition interference image rapi dly, and can improve the measuring velocity and measuring precision. The system is characterized by auto-focusing range of ±150 μm, auto-focusing precision of ±0.3 μm, auto-focusing time of 4~8 s.     

一种基于干涉场匹配的声源距离速度估计方法

浅海环境中运动目标可以生成稳定的干涉声场,干涉声场结构中蕴含目标的距离、速度等信息。该文提出一种利用运动目标干涉声场进行被动距离速度估计的方法——匹配干涉场处理方法。首先对浅海波导环境中的干涉现象和结构特性进行理论分析,推导了匹配干涉场方法聚焦原理。然后将运动目标的时间-频率干涉场转换成与目标距离速度相关的距离-频率干涉场,与拷贝声场进行相关处理实现目标距离速度同时估计。进一步分析了算法估距性能以及海深、声速剖面、海底海面等环境对估距性能的影响,给出了算法宽容性的仿真结论。最后通过实际运动目标的海上试验数据处理验证了所提方法的有效性。     

基于图像处理的颗粒流动层模型研究

如何方便且准确地测量滚筒中颗粒的运动速率分布是研究的难点。文中将给出一种基于数字图像处理算法的实验方法来解决此难题。通过找到最合适的极短曝光时间,可捕获在此曝光时间内颗粒运动轨迹的图像,然后利用数字图像处理算法计算出感兴趣区域的颗粒运动路程,即可计算出颗粒的运动速率分布。通过精确的实验数据分析可看出,本实验方法与理论仅有＜8%的误差,有力证实了通过图像法测量颗粒速率分布可展开有效的研究工作。     

Measuring system for development of stroke-sensing cylinder forautomatic excavator

In order to develop a stroke-sensing cylinder for automatic excavators equipped with Hall sensors of GaAs type, a measuring test facility is set up and used in investigating the design parameters. The measuring system itself is a kind of XZ table with two moving axes in X and Z directions, respectively, on which sensing parts, including Hall sensors, are installed. Furthermore, to attain a high precision of movement of the measuring system, a new sliding mode control is introduced, which diminishes chattering in the control loop by setting two dead zones along the switching line. The unknown parameters for sliding mode control are estimated by a signal compression method. The output signal from a Hall sensor was analyzed by using a measuring instrument. In particular, the detected signal according to the Hall sensor's movement on the piston rod, which has a magnetic scale, was investigated and the vertical distance between the Hall sensor and the piston rod, which gives direct effects on the detected signal, was obtained. Based on these results, the stroke-sensing cylinder was designed and fabricated     

基于速度差补偿的双频连续波雷达室内人体定位方法

目前,用于室内定位的雷达技术为了达到高精度而使用高带宽的调频连续波,这样不仅对设备要求高且杂波干扰大。为降低带宽开销,该文使用双频连续波比相测距机制来实现室内人体定位。在该方法中复杂的室内环境和人体变化的移动速度会造成频谱扩展,导致有效信号信噪比降低,能量发散甚至出现峰值误判,直接降低测速和定位的精度。由此,提出应用于室内环境中的基于双频连续波比相测距的局部速度差补偿算法,以校准频域信号,获取高精度的速度与距离信息。实验结果表明在设备功率提供的测距范围内固定位置均方根误差在9~14 cm内,与已有调频连续波有同等级的测距精度,最终实现了低带宽下的高精度人体定位。同时该系统的算法复杂度较低,能更好地适用于人体轨迹的实时跟踪。     

圆柱铁氧体微裂纹的激光扫描热成像检测

针对用激光局部加热试样引起的横向热流检测裂纹,对低热导率材料表面的微小裂纹成像信噪比较低的问题,提出基于相邻热信号比较的圆柱铁氧体表面微裂纹检测算法。基于几何模型重构运动的圆周表面各点热信号,以激光扫描方向相邻点热信号的欧氏距离作为特征进行成像。仿真分析确定热信号裁剪区间、参考信号位置等算法参数。对6个具有5~35 m宽度自然裂纹的样品进行实验,结果表明,在线激光2.66 mm/s的扫描速度下,裂纹成像信噪比相比常规方法提高1~2倍,可清晰成像出裂纹的形状。