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。     

基于单探头实现两种技术同步复测的新测速仪

在冲击波、爆轰、兵器、激光等众多研究领域中,均提出了使用单个探头对一个测点进行多种技术同步复测的迫切需求。为实现上述目标,分析了常规和外差式光子多普勒测速技术的工作机理、光学结构和复测难题,设计了一种基于单探头实现常规和外差式光子多普勒测速技术同步复测的方案,并根据该方案搭建了一套新型测速装置。设计了爆轰波加载铝飞片和铅粒子群的考核实验,实验结果显示,使用单个测速探头对单个或多个目标均实现了优异的测速效果,获得了2种技术在单次实验中各自独立测量到的待测目标速度曲线。该研究内容及实验结果对充分研究激光测速技术在单探头多技术复测方面的应用极具意义。     

外差探测激光多普勒雷达系统性能研究

外差探测激光多普勒雷达由于具有测速精度高和可辨别速度方向等优点而广泛应用于测风、流体测速以及着陆导航等方面。对外差激光多普勒雷达的测速原理、误差来源和系统噪声进行了分析,并给出了系统的信噪比和探测精度的仿真结果。搭建了全光纤外差探测激光多普勒系统。用研制的高精度运动目标模拟器开展了相关测速实验。实验结果表明,速度测量精度优于6.7 cm/s,而且与速度大小基本无关,这与仿真分析结果相一致。     

多路复用光子多普勒测速复用方案分析及实验研究

对光子多普勒测速(PDV)的基本原理和光学外差技术进行了阐述,对时分、波分、波分时分联合等三种多路复用光子多普勒测速(MPDV)复用方案进行了深入的分析,并指出了各种方案适宜的多点测速类型。根据理论分析结果,设计并搭建了一套2路波分加2路时分的MPDV,并设计了爆轰实验装置,同时利用该装置进行了爆轰加载铝飞片的验证实验。结果表明,较好地实现了MPDV技术,并从其复用了4个测点速度信息的1路干涉信号中,分别解读出了各个测点的多普勒频移曲线及速度曲线,最高速度达到2.5km/s,飞行时间达到16μs,同时验证了MPDV与常规PDV和外差式PDV在静态干涉信号、多普勒频移曲线、速度曲线等方面的差异性和相同点。研究结果对于研究大数量点数MPDV有重要的参考意义。     

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。     

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。     

用于瞬态高速飞片速度测量的光子多普勒测速系统

针对目前VISAR等测速仪在测量瞬态高速小飞片速度时调试复杂、测试成功率低等问题,基于光子多普勒效应和自混频原理,采用1 550 nm单模激光,成功研制了一套光子多普勒测速系统。使用该系统测量了不同激光能量密度下的复合飞片瞬时速度,结果显示:该系统测试成功率高,响应速度快,获得的速度曲线完整而清晰。与传统的VISAR和F-P干涉测速仪相比,具有操作简单、测试成功率高、便于携带等非常明显的优势。该系统适用于速度在几百米/s～几千米/s的微小飞片或者微区爆轰的速度测量,也可应用于常规爆炸流场的测试。     

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。     

姿态误差对机载激光多普勒三维速度测量精度的影响

激光多普勒测速系统可实现空中运动平台的速度测量,平台的姿态测量误差是影响其测速精度的重要因素。为实现运动平台三维速度的测量,以相干探测原理为基础,设计并搭建了全光纤三光束激光多普勒测速系统,建立了运动平台三维速度测量的数学物理模型,对系统测速相对误差进行了数值模拟研究。研究结果表明,姿态测量误差对测速精度的影响不可忽略;随着俯仰角度的不同,俯仰误差与旋转误差对测速精度的影响程度会发生变化;测速精度与旋转误差呈线性关系,而与俯仰误差存在着非线性关系。研究结果可为激光多普勒测速系统的设计以及速度修正提供理论依据。     

一种新型薄腔法-珀干涉测速系统研究

本文所关注的激光干涉测速技术主要用于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,介绍了基于光学谐振腔的选频特性利用薄腔法-珀干涉仪直接测量高速飞片所引起的多普勒频移从而获得其速度信息的设想,并根据此设想构建薄腔法-珀干涉测速系统的技术路线。最后描述了利用该项测试技术实际测量金属箔电爆炸驱动的Kapton膜飞片速度的实验并对实验结果进行了分析。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。     

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。     

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。     

基于北斗三号卫星非差多普勒观测信号的优化测速模型

针对运动载体速度估计方法精度不足、模型复杂等问题,提出了一种精度高、模型复杂度低的基于北斗三号卫星非差多普勒观测信号的优化测速模型。该模型利用北斗三号卫星原始数据,使用复杂度低的多普勒测速模型估计载体速度。为提高测速精度和解算效率,首先对原始模型线性化处理,然后依据载体航向与其速度矢量的相关性增加松约束。用北斗三号卫星实测数据验证了该模型的测速精度,评估了该模型的适用性。实验结果表明,载体静止时,优化多普勒测速精度可达cm/s级甚至mm/s级,在与原始多普勒测速的对比中,水平方向测速精度提高60%左右,解算时间缩短24%;载体运动时,增加航向约束的多普勒测速精度与原始多普勒测速相比,北、东方向测速精度可提高14%～21%,解算效率提升大约20%。     

激光多普勒移频特性研究

为了提高激光多普勒测速系统的性能,增强系统与应用场景适配性,文中对比电光和声光两种主要移频器件的特点,从器件移频原理出发,提出了简化频率变换关系的分析方法,从理论上研究激光多普勒测速系统中两种器件产生的移频特性,搭建铌酸锂电光调制和声光移频全光纤激光测速系统链路,将测试频率特征与理论特征进行对比研究,提出一种新型声电混合调制激光多普勒测速系统。结果表明,该新型系统兼具声光移频测速系统可测量运动目标运动方向、运动速度,完成电光调制测速系统多频率校正的特点,频率测量相对误差较小,动态范围大。通过研究两种移频方式对频率特性,为设计高性能激光多普勒测速系统提供了理论和实验支撑。     

一维光子晶体偏振滤波器通道数的影响因素研究

光子晶体偏振滤波器是利用光子晶体带隙特性来控制信号光偏振状态的一种新型滤波器, 在光纤通信、光学传感测量、光学信息处理等领域均有重要应用。通道数多少是偏振滤波器设计的重要指标, 通道越多则信息容量越大, 越有利于系统的小型化微型化。利用光学传输矩阵法研究了影响一维光子晶体偏振滤波器通道数目的因素, 研究表明：(1）光子晶体缺陷层厚度是影响滤波器通道数目的关键因素, 通道数N与厚度D近似满足线性关系, 在500 ～650 nm波段函数关系为N=0.0035D+0.159; (2）缺陷层折射率nc的变化也会导致通道数改变, 折射率越大通道数越多;( 3）光子晶体单元层数和单元厚度改变不会影响滤波通道数, 但可以调节通道中心波长位置, 同时对偏振度和分离度也有影响。     

用于波分复用的光子晶体滤波器

本文从光子晶体的光子频率禁带特性出发，提出了用2个或以上的均匀周期结构光子晶体叠加在一起，形成叠层结构光子晶体，以获得窄带滤波特性的设想；利用光学传输矩阵法对这种结构进行了数值计算，结果证实了构思的正确性；设计了信道间隔为8nm的8信道波分复用（WDM）和信道间隔0.8nm的8信道密集波分复用（DWDM）光子晶体滤波器。     

电缆激光多普勒在线计米系统研究

为了满足电缆生产过程中长度在线测量的需要,设计了基于激光多普勒测速原理的电缆长度在线计米系统。阐述了激光多普勒测速基本原理,设计了一种结构紧凑的双光束双散射型光路。提出了基于有限长单位冲激响应（Finite Impulse Response,FIR）滤波器的滤波带自适应选择算法,有效地滤掉基底信号和部分噪声,减小了多普勒信号噪声的影响,改善了信噪比;利用能量重心校正技术进行频谱校正,减小了系统的测量误差。搭建了实验装置,进行了对比测量实验,实验结果表明:该系统能实时、准确的进行长度在线测量,相对误差小于0.1%。     

基于微波光子时间拉伸的雷达多普勒干扰信号产生技术研究

基于传统数字射频存储的多普勒雷达干扰信号产生技术被证实为一种有效的方案,能够通过数字域存储雷达信号,并调制产生一定的频率偏移量,达到欺骗雷达的目的。此外,基于光学射频存储的雷达干扰信号产生技术虽然能够保留雷达信号的指纹信息,但无法产生预定的多普勒调制。文章提出了一种基于微波光子时间拉伸效应的多普勒雷达干扰信号产生技术,在光学射频存储的基础上,通过微波光子时间拉伸效应,在调制到光域的雷达脉冲信号中加入一定量的多普勒频移,达到对雷达速度欺骗的效果。并且对该项技术开展了仿真工作,验证了该方案的可行性和实现效果。