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。     

激光多普勒测速仪方向辨别及低速测量的研究

为了解决激光多普勒测速仪速度方向辨别及低速测量的问题,利用双声光调制技术设计了光路系统测量转台的转速。在参考光模式的基础上,对参考光和信号光分别进行移频并设定一定的偏置频率,使得探测器输出信号的频率在偏置频率左右变化。理论分析和实验结果表明:双声光调制技术可以有效地辨别速度方向,并且可以实现低速测量;所设计的激光多普勒测速仪的测速精度优于0.35%。     

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。     

激光诱导声信号通信技术的初步研究

构建了激光声实验测量系统,利用脉冲激光聚焦击穿水介质产生声信号,由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器.分析了激光声信号的时频域数学模型,通过实验对单个激光声信号的时频域特征进行了研究,对激光声通信的信号调制方式进行了理论分析和实验验证.研究结果表明:激光声信号的脉宽约为20s,其能量主要集中在200 kHz内,这其中100~200 kHz内的能量占到的比例大约有50%,通过对激光声信号进行幅度调制和频率调制,可以有效实现激光声通信过程.     

传递函数快速相关法的激光测速技术研究

激光技术测量是实现传送带、热轧钢板等运动物体测速的主要手段，为了改善测量精度和响应速度，提出系统传递相关分析测速技术。采用计算发射端和接收端之间两路信号的系统传递函数进行相关性分析的方法，进行了理论验证和实验分析，得到了相对误差小于0.1%的实验结果。结果表明，利用系统传递函数相关分析构建激光测速系统，代替解调电路，简化信号调理电路，可降低电路部分引起的不确定度；互功率谱函数法实现快速相关分析和频域求得系统传递函数，可提高系统响应速度；合理设置发射端间距，取样积分提高测量信噪比，降低环境引起的不确定度，测量不确定度小于0.2%。该研究对传送带速率的实时测量有一定指导意义。     

双纵模He-Ne激光器的多普勒测速系统

为了进行高速及超高速测量,提出了一种基于双纵模He-Ne激光器的多普勒测速结构。阐述了双纵模激光多普勒测速的基本原理,设计了系统的光路结构,并运用数字滤波、数字自相关技术对多普勒信号进行处理。理论分析与实验结果表明:双纵模激光多普勒测速系统利用相邻两个纵模的拍频作为基频大大减小了比例因子,解决了系统进行高速及超高速测量的难题;数字滤波去除直流基底和部分噪声;自相关技术进一步抑制噪声,提高了信噪比,便于精确提取多普勒频率。测量了高速转盘上待测点切向运动的速度,测量结果的重复性精度优于0.8%。     

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。     

基于光相位锁定的载波可变光的毫米波产生技术

提出和实现了一种新型适用于光/无线混合接入的光子载微波产生方案.该方案利用直接调制分布反馈式半导体激光器可以产生宽谱信号的特点,将较低频率正弦信号直接调制半导体激光器,在半导体激光器中进行频谱展宽,然后把宽谱信号注入到多个半导体激光器中进行相位锁定从而作为相干锁定光源.用上述光源在不同波长加载不同信号进行传输,在接收端使用不同通带特性的光学滤波器对信号进行处理,可以选择接收基带信号、光子微波时钟信号、上行光源或不同载波频率的光子微波调制信号.作为验证,分别完成了2.5 Gbps基带信号、20 GHz和40 GHz光副载波调制信号的产生与接收.因为受限于试验条件,只进行了原理验证,但该系统理论上可集成波导设计,无需高频调制器件,并可生成更高载频光子微波信号,有利于未来的光/无线混合接入和超密集波分复用系统.     

跟踪和数据中继卫星系统的微波光调制技术研究

为了提高跟踪和数据中继卫星系统的传输容量,采用ITU推荐的Ka波段为星间微波链路的通信波段,跟踪和数据中继卫星之间采用激光链路.设计采用了激光链路透明传输微波信号的调制技术,包括直接微波信号调制和微波信号变频调制两种方案.通过分析和计算,得到了Ka波段微波光调制器的主要技术参数,论证了宽带LiNbO3行波调制器用于该系统的可行性,并讨论了两种方案的优缺点.     

高精度1.55μm全光纤激光相干测速实验及数据分析

介绍了一种高精度1.55 μm全光纤激光相干测速实验系统.实验系统采用光纤激光器作为激光源,利用光纤环行器与望远镜构成收发合置的光学天线,所有光学器件由单模光纤连接.数据处理采用快速傅里叶变换(FFT)频谱分析方法检测信号多普勒频移.利用该系统对转盘进行多次测速实验,速率测量的相对误差小于0.2%.同时对基于光纤激光器...     

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。     

基于THz-QCL自混合干涉的运动传感

基于自混合干涉效应的太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)相干测量系统是一种极其灵敏的传感系统。相比于传统的激光测速技术,自混合干涉具有光路自准直、无需额外光电探测器和混频器等优势,使系统的结构更加紧凑;而且,使用太赫兹波进行相干测量,有望提升测速上限。本文采用THz-QCL的自混合干涉技术,研究了系统对于两独立运动目标物的非线性动力学响应特性,给出了自混合信号的多普勒频谱,并通过频谱分析,获得了两目标物的运动速率及方向。研究结果证实了利用THz-QCL自混合干涉系统对目标物进行运动传感的可行性,为高速运动的多目标物测速提供了新的技术手段。     

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。     

Laser Doppler velocimetry: A status report

Since the first experimental work in 1964, the measurement of velocity by means of the Doppler shift in scattered laser light has developed into an important tool in fluid mechanics research which often provides data unobtainable with other instruments. This paper reviews the fundamentals of laser Doppler velocimeter system design including optical requirements and signal processing considerations. Numerous applications are described to illustrate the present state of the art.     

Tm,Ho:YAP种子注入激光多普勒测速实验

报道了一台二极管泵浦种子注入Tm,Ho:YAP激光器。在重复频率100 Hz时,获得了单脉冲能量2.8 mJ、脉冲宽度289 ns的2.13 m单频脉冲激光输出。利用该种子注入Tm,Ho:YAP激光器作为发射光源,以一个最大标称线速度20.4 m/s、直径10 cm的风扇作为模拟探测目标,通过外差式相干探测的方法进行了激光多普勒测速实验。利用本振光与信号光的激光拍频信号,得到包含模拟探测目标速度信息的多普勒频移,通过数据处理计算出了风扇不同转速条件下模拟探测目标的速度,并与模拟目标的实际速度进行了比对,测量速度误差小于1 m/s。     

激光双截面转速波动法监测转轴动态扭矩

基于激光多普勒效应和转动动力学原理,提出一种直接监测转轴动态扭矩的新方法,并建立了数学模型。通过构造光学测试系统使4束高相干激光投射到转轴轴段两截面上4点,具有多普勒频移的反射光在光电探测器上发生混频,光电流频差正比于角速度。测得相邻时刻两截面的瞬时转速,得到轴段转速波动值及两端面相对转速波动值,进而实现转轴动态扭矩的直接监测。实验验证了该方法的可行性。与传统方法相比,该方法实时性强,具有较宽的动态范围,对动态扭矩的识别值提高了5%~10%,反映了转轴扭矩波动的动态特性。     

8C2--Fluid flow measurements with a laser Doppler velocimeter

The basic principles of the laser Doppler velocimeter, a new instrument for measurement of localized flow velocities in gases and liquids, are discussed in detail. Velocity measurements are made by detecting the Doppler shift in monochromatic laser light which is scattered from small contaminant particles in the fluid. ACWgas laser serves as the light source, and the Doppler shift is detected by optical heterodyne techniques. The latest fluid flow measurements obtained with the laser Doppler velocimeter are presented.     

半导体激光自混合变速测量的离散Chirp-Fourier变换方法

当外部激光被反射回激光内腔时,反馈光与激光器腔内光混合,调制激光器的输出功率和频率,通过信号处理可以得到物体运动的多普勒频率,从而计算出物体的运动速度。基于这种特性,设计出一种激光自混合干涉仪,为了知道该技术是否适用于变速测量,对激光自混合用于变速运动物体的速度测量进行了探索。基于激光自混合三镜腔模型,建立了激光自混合用于变速测量的数学模型,提出了基于该模型的特征参量提取方法,该方法基于离散Chirp-Fourier变换理论。对激光自混合输出信号进行离散Chirp-Fourier变换,变换结果的主瓣坐标反映了物体运动的速度及加速度信息。最后,对该方法进行了仿真分析,在SNR=0 dB和SNR=7 dB的情况下,能较好地获得物体的速度和加速度信息。因此,仿真试验证明:该方法在较低信噪比的情况下仍能有效提取物体的速度及加速度信息。     

激光多普勒测速中连续波调频非线性的分析与校正

基于多普勒效应的线性调频激光测速系统的原理是:激光照射到运动目标,引起光束频率发生改变,返回的光束与本振光进行相干混频后得到多普勒频移,进而可以推算出目标的相对运动速度值,但调频的非线性严重影响了测量结果的准确性。仿真分析了调频非线性对测量的影响,调频非线性会使混频后频移产生误差,造成速度测量不准,并且影响速度极性的判断,验证了激光调频线性度对测速有很大影响的结论,并对校正调频非线性提出了可行的方法,完成了调频线性化的矫正,降低了系统测量误差。