1 中国科学院上海光学精密机械研究所中科院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
3 崂山实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
介绍了激光多普勒测速仪（LDV）的原理，分析影响LDV测量精度的因素，研究了激光多普勒海流计（LDCP）在海流和海洋微尺度湍流测量中应用的可行性，通过理论计算得到系统参数及校正系数。LDCP系统的探测性能经过野外实验的验证，结果证明了激光多普勒测速技术在海洋微尺度湍流中应用的可行性。
海洋光学 激光多普勒测速仪 海流计 海洋微尺度湍流 光学学报
2023, 43(24): 2401011
青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东 青岛 266061
快速傅里叶变换是激光多普勒测速系统信号处理的一种常用方法，但在异步采样时存在频谱泄漏和栏栅效应，其处理精度偏低。为了提高检测精度，提出基于Nuttall窗函数和五项最大旁瓣衰减窗函数的混合卷积窗改进六谱线插值校正算法。混合卷积窗在保证良好的旁瓣特性的同时也能保证主瓣不过宽，改进六谱线插值可有效抑制栏栅效应在参数估计过程中的负面影响，提高分析精度。为了避免解高次方程，提出三次B样条插值来拟合插值系数，并推导出改进六谱线插值的频率校正公式。搭建了双光束后向散射差动式激光多普勒测速平台，利用仿真数据和实测信号验证了本文算法在低信噪比环境下有较好的频率和速度测量精度。
激光光学 快速傅里叶变换 激光多普勒测速 频谱泄漏 混合卷积窗 六谱线插值 三次B样条 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1714008
1 安徽大学 光电信息获取与控制教育部重点实验室, 安徽 合肥 230601
2 安徽大学 信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230601
3 安徽至博光电科技股份有限公司, 安徽 合肥 230088
为了消除光束倾角带来的不确定性，本文建立了一种双路偏振式激光多普勒测速系统。该系统使用双光束双探头结构来探测物体的运动信息。首先，通过转动实验精确获得双光束间的夹角大小，对于任意光束倾角，本文采用双探头装置收集运动物体表面的散射光束，结合双路偏振式光路结构，得到两路干涉信号的多普勒频移。然后，创新性采用了细化分帧算法对两路干涉信号进行实时解调，通过两路速度分量的合成得到物体真实速度。实验结果表明：速度在10 mm/min~1500 mm/min范围内，测量值与理论值之间的平均误差可以达到1%~5%。在非平稳运动过程中，通过细化分帧算法修正后的v-t图像RMSE均值为1.19 mm/min。该系统结构满足速度测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。
激光多普勒测速 双路偏振 细化分帧 双探头 Laser Doppler Velocimetry(LDV) dual polarization refine framing double probe
1 国防科技大学电子对抗学院脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037
2 国防科技大学电子对抗学院电子制约技术安徽省重点实验室，安徽 合肥 230037
3 95438部队，四川 眉山 620000
变速运动目标的中频信号特征频谱具有连续集中的多频分量，且具有一定的多普勒展宽，在背景噪声和暗计数的影响下，光子回波外差信号的信噪比较低时，使用传统的信号处理方法得到的中频信号频谱以及时频分析特性效果较差。为提高信噪比，本文提出了将稀疏度自适应压缩感知和密度聚类相结合的信号处理方法，并采用该方法对变速目标的光子回波外差信号进行处理。该信号处理方法解决了变速目标频谱稀疏度K无法提前确定的问题，而且只需要较少的观测数据就可以重构信噪比较高的中频频谱。此外，该方法结合密度聚类算法对中频频谱进行了第二重去噪，大幅度减少了噪声分量。研究结果表明，该信号处理方法能够将信噪比提高一定幅度且多普勒展宽精度误差在10%以内，可以得到较为完整的重构中频信号频谱，同时较好地解决了信号时频分辨率较差的问题以及单光子探测等间隔时间序列造成的时频图中的倍频现象，得到了更好的时频特性描述。
光谱学 光子外差 压缩感知 聚类去噪 多普勒测速 时频分析 中国激光
2023, 50(10): 1011002
1 中国航空工业集团公司 北京长城计量测试技术研究所，北京 100095
2 中国科学技术大学 地球与空间科学学院，安徽 合肥 230026
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。
超快测量 光子多普勒测速 时间拉伸 激光驱动飞片 瞬态高速 ultrafast measurement photon Doppler velocimetry time-stretched laser-driven flyer transient high-speed 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210809
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
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。
量子级联激光器 自混合干涉 太赫兹 激光多普勒测速 Quantum Cascade Laser Self-Mixing interference terahertz laser Doppler velocimetry 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(10): 985
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学 光电学院, 北京 100049
3 西安电子科技大学 机电工程学院, 陕西 西安 710071
设计了一种基于鱼眼镜头的高效率光纤阵列耦合系统, 并将其应用于多点光子多普勒测速仪, 可以在爆轰物理、冲击波物理和强激光等众多领域中开展多点测速。为满足大范围的空间光进行聚焦, 设计了一款视场角为120°的大视场高分辨率低畸变的鱼眼镜头, 再将光纤端面整体抛光8°角度进行阵列排布后与鱼眼镜头耦合, 通过采用高精度机械零件及定心装调进行准确定位, 使光纤阵列的中心与鱼眼镜头焦面重合, 实现鱼眼镜头与光纤阵列的精密机械耦合。最后对所涉及的光纤机械耦合型鱼眼镜头组件的回波损耗进行了实际测量和讨论, 经过验证该组件的37根光纤束每根的回波损耗大于55dB, 符合设计指标要求。
光子多普勒测速 光纤阵列 鱼眼镜头 机械耦合 回损测量 photonic Doppler velocimetry optical fiber array fish-eye lens mechanical coupling return loss measurement
Author Affiliations
Abstract
1 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
A 1550 nm all-fiber pulsed laser Doppler vibrometer (LDV) based on time-domain chopping techniques is developed to overcome demodulation failures caused by multipath interference. The system adopts an adjustable configuration on pulse duration and pulse repetition frequency according to the distance. An experiment is carried out at a 25 m standoff with pulse duration of 80 ns, single pulse energy of 0.4 nJ, and pulse repetition frequency of 1 MHz. A waveform and spectrogram of the demodulated voice show that the pulsed LDV system has a good performance in long-range voice listening.
120.7280 Vibration analysis 280.3340 Laser Doppler velocimetry 040.2840 Heterodyne Chinese Optics Letters
2019, 17(5): 051201
天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
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%。
激光多普勒测速 双光束双散射 滤波带的自适应选择 能量重心校正 laser Doppler velocimetry double-beam double-scattering FIR FIR adaptive selection of filter bands energy barycenter correction 红外与激光工程
2018, 47(7): 0706003
