利用电磁辐射信号进行雷电源探测和定位是当前雷电研究的重要探测手段, 其定位结果的准确性对正确认识闪电的放电机理非常重要。本文通过数学推导建立了多普勒效应在球坐标下的定位影响理论模型; 用 Matlab软件进行模拟, 分析了多普勒效应对阵列接收信号的影响及误差, 研究了多普勒效应对运动雷电源定位结果产生的影响。研究结果表明, 多普勒效应对于不同类型、不同距离、不同高度的闪电影响程度不同; 根据雷电发展的不同阶段, 雷电源的运动速度不同, 多普勒效应带来的误差也不同, 且其带来的误差是不可忽略的。该研究对实现更高时空分辨力的运动雷电源定位结果和雷电的精细化研究具有重要意义。
多普勒效应 定位 波束形成算法 运动源 雷电源辐射 Doppler effect positioning beamforming algorithm motion source lightning source radiation 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(9): 1135
1 南京信息工程大学大气物理学院中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
研制了一套使用种子源直接放大激光器和时分复用收发的新型瑞利多普勒激光雷达。激光器通过对种子源进行多级光纤和固体功率放大，获得了稳定的60 W高平均功率脉冲激光输出。脉冲激光通过时分复用发射系统向垂直、正西和正北方向交替发射进入大气，从三个方向接收到的激光大气回波信号经过光纤合束后送入同一套碘分子吸收池中进行多普勒鉴频。基于上述系统设计开展了系统探测性能仿真研究和实验验证对比分析，仿真结果表明，系统能够在时间分辨率为30 min、垂直高度分辨率为1 km条件下完成大气温度和经纬向水平风速的同步测量，其中60 km高度处温度理论测量误差为1.99 K，经纬向水平风速理论测量误差为4.78 m/s。系统的验证实验结果表明，60 km高度处大气温度的实测误差为2.4 K，经纬向水平风速的实测误差分别为8.7 m/s和 8.5 m/s，反演结果与大气模式和卫星探测结果进行对比呈现了较好的一致性。
传感器 激光雷达 中高层大气 瑞利散射 碘分子吸收池 多普勒效应 光学学报
2023, 43(24): 2428001
1 中国科学院 空间光电精密测量技术重点实验室, 成都 610209
2 中国科学院 光电技术研究所, 成都 610209
3 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院, 北京 100049
4 中国科学院大学 光电学院, 北京 100049
为了解决周期性跳变引起的相位解调问题, 提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的自动相位解缠算法。采用数据流水线结构, 通过状态机自动寻求跳变周期数, 由跳变周期数实现自动相位补偿, 并对提出的算法进行了理论分析和实验验证。结果表明,在FPGA内设置跳变周期数计数位宽为8位, 能适用256次以下跳变情况; 当增加跳变周期数计数位宽, 可适应更多跳变次数的情况; 自动相位解缠算法几乎不占用存储资源; 能解决因振动调制范围增大引起的反正切相位跳变问题; 相位解调误差在1‰以内, 满足高精度振动检测实时性需求。此自动相位解缠算法为激光多普勒振动测量时反正切相位计算结果存在周期性跳变问题提供了更为简洁的解决方案。
激光技术 相位解缠 自动相位解缠 相位跳变 振动检测 激光多普勒效应 laser technique phase unwrapping automatic phase unwinding phase jump vibration detection laser Doppler effect
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 20093
涡旋光携带轨道角动量，具有螺旋相位，其坡印廷矢量与光轴存在夹角。涡旋光坡印廷矢量的角向分量会引起旋转多普勒效应，可对旋转速度进行直接测量。利用涡旋光的线性多普勒效应与旋转多普勒效应可以对物体的线速度以及转动速进行探测，对物体的复合运动状态进行描述。在此基础上，利用叠加了不同轨道角动量模式的涡旋光对目标进行探测，不同的轨道角动量模式会造成不同的频移，结合线性多普勒效应造成的频移可以测量复合运动具体速度成分。由此提出了一种叠加态涡旋光对于复合运动的测量模型，并分析了不同运动状态对探测结果的影响。
旋转多普勒效应 涡旋光 速度探测 rotational Doppler effect vortex beam velocity detection
南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094
针对圆形截面非均匀流场的速度分布测量问题，提出了基于激光吸收光谱技术的圆形燃烧场流场速度二维重建方法。建立了激光光谱吸收率与流场速度分布的物理模型，重建了光谱吸收系数分布并对流场速度分布进行了数值模拟。结果表明，对于圆形区域速度分布重建，在信噪比为15 dB的重建验证中平均相对误差稳定在3.73%，在信噪比大于35 dB时，重建结果的平均相对误差稳定在1.50%以下，且对于不同的输入模型下（双峰、环形）的速度分布重建该方法重建结果稳定，本文使用的重建方法能够较准确地反映流场速度的分布情况，可实现对极坐标下圆形区域及环形区域速度分布的重建。研究结果可为激光吸收光谱技术在发动机流场气体诊断中的应用提供技术支撑。
光谱学 激光吸收光谱 多普勒效应 二维重建 光学测量 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1730004
1 航天工程大学宇航科学与技术系，北京 101416
2 航天工程大学基础部，北京 101416
针对不同径向节次拉盖尔-高斯（LG）光束，首先阐述了其物理意义及强度分布规律，分析了高径向节次LG光束在横向偏移入射条件下的旋转多普勒效应（RDE）。其次，根据散射体模型，设计变量控制实验探究了不同径向节次LG光束对横移条件下RDE的影响，实验结果表明：不同径向节次LG光束虽然能够增强横向位移条件下旋转多普勒信号的光强及幅值，有助于转速信息提取，但二者并非线性关系；随着径向节次的增大，频域信号幅值呈现先增大后减小的规律，存在最佳径向节次值，使得信号幅值最大；LG光束的径向节次并不影响转速测量精度。最后，从理论上分析了LG光束的径向节次影响旋转多普勒信号强度的原因。本研究在拓展涡旋光测速应用范围，增加目标转速探测距离及提高准确度方面具有较大的应用潜力。
物理光学 径向节次 涡旋光 旋转多普勒效应 横向偏移
1 航天工程大学宇航科学与技术系，北京 101416
2 航天工程大学教务处，北京 101416
3 航天工程大学基础部，北京 101416
从旋转多普勒频谱展宽的机理出发，根据轨道角动量模式展开的原理，分析了展宽频谱的特征，提出了一种双重傅里叶分析方法，将展宽的频谱进行处理，得到具有单一峰值的频谱，从而更加方便、清晰地提取目标转速，降低光学旋转多普勒测速技术对光束质量和入射条件的要求。该研究有助于进一步推动旋转多普勒测速技术在实际工程中的应用。
物理光学 双重傅里叶分析 涡旋光 旋转多普勒效应 轨道角动量 转速探测
1 武汉工程大学光电信息与能源工程学院光学信息与模式识别湖北省重点实验室，湖北 武汉 430205
2 福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108
近年来，伴随着现代工业的高速发展，非接触式测量技术受到越来越多的关注。激光多普勒振动测量作为一种干涉测量技术，能够适用于难以通过加速度计或其他表面接触传感器获得振动测量的应用场景。激光多普勒测振仪（LDV）自1983年诞生以来，凭借其高精度、高效率、便于携带等特点，逐渐成为目前应用最广泛的非接触式振动测量设备，被广泛应用于各行各业。本文在分析激光多普勒测振技术基本原理的基础上，介绍了近年来LDV在农业、生命医学、航空航天，以及建筑工程领域的应用。
仪器，测量与计量 激光多普勒测振仪 激光多普勒频移 多普勒效应 非接触式测量 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1900006
