1 中电科芯片技术(集团)有限公司, 重庆 401332
2 重庆大学 光电工程学院, 重庆 400044
为了能够在复杂环境下实现风速风向的高精度和高稳定性测量, 在基于声学共振原理的风传感器系统的基础上, 采用闭环控制扫描技术改进了系统的性能指标。采用声学共振的方式, 同时对换能器产生的信号进行频率调制和强度调制, 实现对超声换能器的线型扫描。频率调制解决了在不同压力、温度等环境因素影响下导致的共振频移的问题, 强度调制解决了换能器性能随时间衰减问题, 极大地提高了信噪比。实验结果表明, 采用闭环控制的方法可以准确测量风速风向。风速测量范围0~50 m/s, 风速测量精度为±0.5 m/s(≤15m/s)/±5%(＞15 m/s且＜35 m/s)/±9%(＞35 m/s)。改进后的系统在复杂环境下受环境变化影响小、精度高、稳定性好、抗干扰能力强。
闭环控制 频率调制 线型扫描 共振频移 风速测量 closed-loop control frequency modulation linear scanning resonance frequency shift wind speed measurement
1 上海地铁维护保障有限公司车辆分公司，上海 200000
2 辽宁鼎汉奇辉电子系统工程有限公司，辽宁 沈阳 110000
3 中车青岛四方所车辆研究所有限公司，山东 青岛 266000
4 中车长春轨道客车有限公司，吉林 长春 130000
针对目前轨道交通市场上的一些以人工智能为主的地铁车辆列检产品在车辆变速时检测精度不高的问题，提出一种基于计算机视觉的地铁测速方法。首先，通过图像透视变换获取校正后的地铁图像，在校正后的图像基础上，利用深度学习目标检测方法定位车身区域。其次，对相邻两帧图像定位到的车身区域进行特征点检测，并采用区域最强特征点匹配方法获取匹配点对。然后，根据匹配点对计算出地铁移动的平均像素距离，结合像素尺寸换算出实际移动距离，再通过已知的相邻两帧图像时间差即可获取当前地铁实时速度。最后，根据实时检测的速度信息实时调整线扫相机行频，尽可能减少地铁车辆变速或者停车时产生的图像畸变，进一步提高地铁列检产品在车辆变速时的检测精度。在上海地铁17号线朱家角站的实际测试结果表明，由该技术获取的地铁车辆线扫图像不会因车速的变化而产生明显畸变，而且测速频率高，测试误差在1.2 km/h以内。
人工智能 实时测速 目标检测 特征点匹配 透视变换 激光与光电子学进展
2023, 60(22): 2212003
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安徽省电子制约技术重点实验室，安徽 合肥 230037
3 95793部队，贵州 贵阳 550000
本文提出将符合测量方法用于光子外差测速技术中，将光子符合计数模式应用于光子外差测速系统，能够在一定程度上减少背景噪声、暗噪声和后脉冲带来的光子误计数，提高信噪比等测速性能。基于外差原理与单光子探测的泊松响应，以及光子符合计数原理，本文仿真研究了双通道符合计数光子外差系统的性能，利用1550 nm连续波激光器探测匀速运动目标，结果表明，双通道符合计数模式下中频信号功率谱的信噪比明显高于单通道自由运行模式和一阶滤波下的功率谱信噪比。随着信号光子数增加，两种计数模式的信噪比能够相差2~3 dB。针对该方法，又进一步通过仿真研究了本振光强、背景噪声、中频频率、探测时长四个因素对双通道符合计数光子外差测速系统性能的影响。结果表明，随着本振光强与信号光强的比值逐渐增大，系统信噪比先增大后减小，在kL=3附近时达到最大；背景噪声越大，饱和信号光子数越大，饱和信噪比越低；探测时长越长，饱和信噪比提高幅度越大；而在探测带宽之内，中频频率也即运动目标的速度对结果影响较小。本文从改变前端光子计数模式的角度提高光子外差探测系统的性能，为提高光子外差测速的信噪比拓宽了思路。
探测器 光子外差 单光子探测 符合计数 测速性能 影响因素 光学学报
2023, 43(14): 1404001
1 武汉理工大学 信息工程学院, 武汉430070
2 武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室, 武汉 430070
3 中国中车股份有限公司 青岛四方机车车辆股份有限公司, 青岛 266000
现有轨道交通定位和测速方法易受到外界环境干扰, 具有不稳定性。为了解决这些难题, 结合光纤光栅绝缘、抗干扰能力强、耐腐蚀等特性, 提出了一种基于弱光栅阵列的结合波分和光时域反射仪技术的高精度列车测速定位系统方案, 通过密集型复用方式实现光栅点的绝对定位需求, 并设计了根据不同光栅分区定位结果及其波长漂移规律来计算实时速度和位置的数据处理方法。为验证系统性能, 搭建了模拟运行环境, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 该方案能实现厘米级的定位精度和1 km/h的测速精度。该研究在轨道交通方面具有广泛的应用前景。
光纤光学 传感器技术 准分布式测量 列车测速定位 布喇格光栅 fiber optics sensor technique quasi-distributed measurement train speed measurement and positioning Bragg grating
强激光与粒子束
2022, 34(6): 064005
Author Affiliations
Abstract
College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
In order to improve the accuracy and universality of the rotational speed measurement, an instantaneous rotational speed measurement method based on laser Doppler technology is proposed. The composition and working principle of the new system are discussed in detail. Theoretical and experimental results show that the new rotational speed measurement system belongs to the non-contact method, which eliminates the quantization error of the contact method and greatly improves the applicability and accuracy. Compared to the commonly used method, the measurement accuracy of the new rotational speed measurement system will not be affected by the system’s installation angle deviation, and it does not need to measure the radius of the rotating body, so the influence of the radius fluctuation of the rotating body on the measurement accuracy can be avoided while outputting the rotational speed in real time. The relative error of the rotational speed measurement is less than 0.06% (1σ).
laser Doppler technology rotational speed measurement non-contact real time Chinese Optics Letters
2021, 19(1): 011201
天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
旋转激光测量系统基于光电扫描的计时方式, 利用以时间差测位置差的时空转换思想, 借助搭载有线型激光器的匀速转台作为旋转测尺进行测量, 系统测角精度与转台匀速性相关。为了研究系统的转速稳定性及它与测角精度的相关规律, 对系统测角误差、转速评价指标和瞬时转速算法展开研究。建立了角度测量模型, 分析了瞬时转速波动对测角误差的影响机理; 引入瞬时转速稳定度作为转速评价指标, 并针对低精度码盘提出了一种基于脉宽误差补偿的瞬时转速算法, 最后进行了实验验证。结果显示, 对比传统M/T法和补偿算法, 某气浮轴承发射站的瞬时转速波动测量值从±4.5 r/min降至±0.25 r/min, 瞬时转速稳定度降至±4″。补偿算法的瞬时转速测量精度优于传统算法, 测角精度与瞬时转速稳定度存在一致性规律, 可以使用瞬时转速稳定度对系统测角精度进行快速评价。
旋转激光扫描 时空转换 测角精度 瞬时转速测量 瞬时转速稳定度 rotating laser scanning space-time conversion angle measurement accuracy instantaneous rotation speed measurement instantaneous rotation speed stability 光学 精密工程
2020, 28(11): 2403
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 盐城师范学院物理与电子工程学院, 江苏省智能光电器件与测控工程研究中心, 江苏 盐城 224002
4 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
为了研制探测中高层风场的瑞利-米散射多普勒激光雷达系统,前期在实验室搭建了一套基于三通道法布里-珀罗干涉仪(FPI)的532 nm瑞利-米多普勒激光雷达验证系统,并进行实际比对实验。利用验证系统,首先开展了FPI透过率校准实验,采用非线性拟合方法获得了三个通道FPI实际透过率曲线,FPI-1、FPI-2和FPI-L的谱宽分别为1.20 GHz、1.22 GHz、1.18 GHz,峰值透过率分别为0.817、0.807、0.768,FPI-1和FPI-2及FPI-1和FPI-L的峰峰间隔分别为3.91 GHz和1.25 GHz,并进一步给出了米散射和瑞利散射信号入射时系统实际的风速探测灵敏度。其次,开展了径向风速连续观测实验和水平风场对比观测实验。实验结果表明:在单次径向风速测量中,时空分辨率为2 min和75 m的情况下,系统白天和晚间分别具备10 km和16 km左右高度的风场探测能力。在白天2.7~10 km、晚间1.5~10 km高度范围内,系统测得的水平风场数据与探空气球测得的水平风场数据吻合度较高,晚间70.8%的水平风速和风向数据偏差小于2 m/s和10°;95%的水平风速和风向数据偏差小于5 m/s和15°,充分验证了系统风场测量结果的准确性。
遥感 多普勒激光雷达 大气风速测量 法布里-珀罗干涉仪 瑞利-米散射 中国激光
2020, 47(12): 1210001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
提出了一种基于遗传算法进行频谱估计的相干多普勒测风激光雷达三维风场反演方法。该方法无需对视向风速进行计算,可以直接从多方位频谱密度中提取三维风场信息,能够提高弱信噪比情况下的数据反演精度。采用的遗传算法为针对相干激光雷达改进的遗传算法,能够准确、快速、并行地反演出风矢量解。对算法进行了仿真,结果显示,改进后的遗传算法在收敛速度以及全局寻优能力方面相对于传统遗传算法都有着明显提升,并且在低信噪比信号仿真对比中,此方法风场反演结果优于传统非线性最小二乘法反演结果。将该方法应用于实际雷达系统中,在激光雷达与探空气球实测数据对比中,两者水平风速均方根误差小于0.7 m/s,水平风向标准偏差小于6°,这些结果验证了风场反演结果的精确性。将采用所提方法得到的结果与实测数据最小二乘法风场反演结果进行对比,发现在当时的大气条件下,频谱估计法约有12.3%的探测距离的增大。仿真和实测数据对比结果充分证明了此方法反演三维风场的能力和有效性。
遥感 风场测量 相干多普勒测风激光雷达 遗传算法 频谱估计
1 哈尔滨理工大学黑龙江省量子调控重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150080
2 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
将结合外调制技术与主从式注入锁定技术的方法用于获得宽带线性调频光源,并基于该光源实现了同时测距和测速的调频连续波激光雷达系统。主从式注入锁定系统包含作为主激光器的窄线宽光纤激光器和作为从激光器的分布反馈式半导体激光器,它们的输出波长均约为1550 nm;使用频率范围为8~14 GHz的三角波线性调频微波对主激光器进行调制,调制后的光注入到从激光器,获得了6 GHz带宽、超过20 dB边模抑制比的宽带线性调频光源。基于该光源搭建了调频连续波激光雷达系统,采用该系统实现了对静态物体距离、运动物体瞬时距离与瞬时速度的测量,运动物体的距离和速度测量结果由不同的公式获得并可以相互验证,实现的距离和速度分辨率分别为2.5 cm和7.8 mm/s。
遥感 激光雷达 注入锁定 调频连续波 测距测速 光学学报
2020, 40(15): 1528001
