减小正弦相位调制菲佐干涉仪多光束干涉影响的方法

在利用正弦相位调制菲佐干涉仪进行测量时,由于菲佐板及待测物体表面对入射光的多次反射而产生多光束干涉,干涉信号的强度随相位变化不是严格的余弦分布.按照双光束干涉的算法进行相位信息提取,会引入一定的误差.以正弦相位凋制菲佐干涉仪纳米精度微小位移测量为应用背景,分析多光束干涉情况下该干涉仪信号解调算法的误差,进而对干涉仪的相关参数进行优化,并通过误差补偿对测量结果进行修正,有效减小了多光束干涉产生的影响.     

利用正弦相位调制干涉仪探测声辐射激励的固体表面微振动

为了提取固体表面的微振动信息,本文提出了一种基于正弦相位调制干涉仪和实时归一化PGC-DCM算法的探测方法。采用归一化PGC-DCM算法实现载波相位调制深度和载波相位延迟的计算,然后对正交干涉信号分量进行预归一化,再经过运算消去干涉信号条纹的对比度系数,实现正交干涉信号分量的完全归一化,最后利用微分交叉相乘原理实现干涉信号相位的解调。利用数值仿真证明了解调算法的有效性,并在光学暗室环境中搭建了一套正弦相位调制干涉系统,对多种不同频谱特征的固体表面微振动进行探测实验和信息解调;实验结果表明,所提方法能够准确探测固体表面的微振动信息,在3 kHz的被测微振动频率范围内,干涉信号相位解调的平均信噪失真比为33.0956 dB,动态范围优于22.75 dB。     

消除光强调制影响的双波长正弦相位调制干涉仪

在双波长半导体激光(LD)正弦相位调制(SPM)干涉仪中,通过注入电流调制LD波长的同时,光源的输出光强也被调制,影响了测量精度。提出了一种新的双波长LD SPM干涉仪,通过对干涉信号进行处理,得到与干涉信号相位相关的线性方程组,利用该方程组精确计算相位,消除了光源光强调制的影响,使测量误差由6μm减小至1μm,并利用该干涉仪与波长扫描技术相结合实现了绝对距离的测量,当待测距离为60~280 mm时,测量结果的重复性为1μm。     

相位凝固技术中干涉信号调制解调误差分析

为了进一步减小基于相位凝固技术的激光反馈干涉系统测量运动物体微位移时的测量误差,采用MATLAB数值仿真及曲线拟合的方法,对移相间隔和外腔反射面振动幅度引起的系统误差进行了理论分析。在系统实验中依据相位凝固原理对物体运动产生的干涉信号进行采样,获取多组光功率曲线,在光功率曲线上实时判向并标记特征点。根据特征点重构被测物体的微位移曲线,对重构得到的微位移台阶曲线进行多项式拟合以提高测量精度。结果表明,在固定移相间隔为/5、激光器波长为1550nm的情况下,测量分辨率优于/20(77.5nm),实际测量的绝对误差最大值为47.98nm,峰峰值误差平均值小于1nm。相位凝固技术调制解调干涉信号为微位移的方向辨识和高精度测量提供了新的解决方案。     

幅度调制信号数字化测频技术

该文介绍了一种幅度调制信号数字化测频技术。首先介绍了几种传统的频率测量技术,重点介绍了差分相位法在频率测量领域中的应用。针对差分相位法对幅度调制信号测频误差大的问题,设计了针对幅度调制信号测频的改进方案,介绍了方案原理、系统组成架构、时钟方案以及系统详细工作流程。最后,设计了仿真测试流程,通过测试结果可以看出该方案可以实现幅度调制信号频率测量,并且测频精度高、速度快。     

基于低速面阵CCD的正弦相位调制干涉测量

正弦相位调制(SPM)干涉测量技术用于表面形貌测量时,需要帧速高于300 frame/s的图像传感器,同时要求调制信号频率与图像传感器帧速成确定的整数倍关系。提出一种基于低速CCD(30 frame/s)的帧速可调的高速图像传感技术,通过控制每帧像素总数提高CCD帧速,研制出一种高帧速图像传感器,帧速可达300~1600 frame/s,且每帧大小连续可调。将该CCD传感器用于正弦相位调制干涉泰曼-格林干涉仪,测量镀膜玻璃板表面形貌,当CCD图像传感器的帧速与调制信号频率呈16,8,4倍的关系时,得到玻璃板表面形貌的轮廓平均算术偏差Ra小于1.8 nm,重复精度优于3 nm。     

消除正弦相位调制干涉仪中光强调制影响的全光纤干涉仪

在激光二极管(LD)正弦相位调制(LD-SPM)干涉仪中,通过注入电流调制激光二极管波长的同时,光源输出的光强也被调制,成为测量误差的主要来源之一.提出一种新的消除激光二极管正弦相位调制干涉仪中光强调制影响的干涉仪,给出了具体的理论分析.该干涉仪采用全光纤结构,有效减小外界干扰对干涉测量的影响;采用容易实现的前置信号处理电路和实时相位检测器对干涉信号进行处理,消除了激光二极管光强调制产生的测量误差;同时实现了物体微小位移的高精度实时测量,测量的重复精度达到1 nm.实验结果与其他消除光强调制影响的方法测得的结果基本一致,验证了该方法的实用性.     

相位调制对光纤受激布里渊散射阈值的影响

相位调制是光纤中提高受激布里渊散射阈值、抑制受激布里渊散射效应的有效方法。理论分析了相位调制中调制幅度及调制频率的改变对受激布里渊散射阈值的影响,实验研究了25 MHz调制频率、不同调制幅度以及调制幅度为1.5,不同调制频率下受激布里渊散射阈值的变化情况。结果表明,受激布里渊散射阈值既随相位调制幅度的增大而增大,又随相位调制频率的增大而增大。当相位调制幅度为7.7,相位调制频率为25 MHz时,受激布里渊散射阈值提高约7 dB。当相位调制幅度为1.5,相位调制频率较小为5 MHz时,相位调制对受激布里渊散射阈值的影响不够明显。     

相位调制非线性对开环光纤陀螺工作点测量与信号解调的影响

在全光纤开环光纤陀螺中，利用压电陶瓷调制器可以为光纤陀螺提供互易性正弦相位偏置，但相位调制中的寄生非线性会对陀螺测量产生影响。从理论上给出了二倍频非线性相位调制情况下开环光纤陀螺输出信号的一、二、四次谐波表达式，分析了相位调制非线性对陀螺工作点测量与信号解调的影响，实验验证了相关结果。实验结果与理论分析表明在陀螺应用中必须采取措施抑制非线性相位调制的幅度。     

基于相位和强度调制的微波测频技术研究

为了更好地对微波信号进行频率测量，采用了一种基于相位调制和强度调制相结合的瞬时测频方法。一束连续波光源通过耦合器被分成两路，未知微波信号分别同时经过相位调制器和强度调制器从而对载波进行调制，之后进入两段长距离的单模光纤中。在光纤中由于色散引起的微波功率损耗的特点，可以获得单调变化的频率-幅度的映射关系，继而通过光电探测的微波信号输出功率比得到幅度比较函数；另外还分析与实现了测频范围与测频精确度的优化。结果表明，该方案结构简易，能够快速精准地测量出未知信号的频率，测量范围可以达到0.5GHz~53GHz，测量误差小于±200MHz。该方法可以有效地测量微波信号频率，可靠性强，适用范围广。     

基于直接相位解调的双光纤法布里-珀罗位移传感器

条纹计数法解调精度受限,而常用的高精度外差调频解调法(如相位生成载波法、线性调频法),在光源调频过程中伴生有幅度调制并且调制解调系统复杂。提出了一种基于双光纤光路相位解调的法布里-珀罗(F-P)位移传感器,原理上省去了光源调频过程,在提高检测精度的同时,成本与条纹计数法相当。与已有报道的双光路结构不同的是,该传感器对两干涉光路之间相位差无严格要求,安装调节简单,降低了传感器的工艺难度。位移测量实验结果表明,该传感器在0～500μm的测量范围内,线性度为1.1%,误差限值为±3μm。     

基于DFB激光器的振动传感系统改进PGC解调算法

相位生成载波(Phase Generated Carrier, PGC)解调算法是目前光纤干涉传感领域中重要的解调算法。针对目前PGC解调算法中光强扰动和调制深度影响信号解调准确度的问题,提出了一种改进的PGC解调算法(PGC-Ameliorated),并搭建了基于分布反馈(Distributed Feedback, DFB)激光器的振动传感系统进行实验验证。实验结果表明,当被测振动信号的频率为800 Hz时,该算法信噪比为57 dB,优于微分交叉相乘(Differential and Cross Multiplying, DCM)算法和反正切(Arctan)算法近20 dB。在不同光强下,该算法解调信号幅值波动范围在±0.02 rad;在不同调制深度下,该算法总谐波失真最小为0.61%,信纳比最大为25.9 dB,相比于DCM算法和Arctan算法具有更低的总谐波失真和更高的信纳比。     

激光光栅干涉技术的微位移测量研究

为提升精密测量的精度与量程,提出了激光光栅干涉技术的微位移测量方法.通过集成双光栅微位移测量方法以2 组近似正交相位差的光栅交替选择并累积高灵敏度测量区域,扩大测量量程,且在测量过程中避免激光光束存在抖动问题,通过频率调解法实行外差干涉信号处理,转变待测物理量的信息为调相或调频信号,实现测量的高分辨率.检测结果表明,该...     

一种基于电流调制和DSP解调的激光自混合干涉测振仪

研究了半导体激光自混合干涉测振仪的调制与解调技术。设计了基于电流调制和DSP解调的半导体激光自混合干涉测量系统,实现对振动物体的非接触式测量。分析了激光自混合干涉测振仪的理论模型,并用Matlab进行了仿真和误差分析。研究了系统的调制解调技术及基于DSP的数据采集与处理系统。该系统体积小、成本低、易于准直。提出的测振仪能够测量振动频率在5kHz内的物体振动频率、振幅及振动波形,振动幅度测量精度可达0.325μm。     

An Open-Loop Test of a Resonator Fiber Optic Gyro

谐振式光纤陀螺是基于光学Sagnac效应来测量载体旋转角速度的一种新型传感器.利用调相谱检测技术,建立了谐振式陀螺的开环响应测试系统.利用自行研制的锁相放大器和反馈控制电路,得到了线性度很好的解调曲线.从解调曲线的线性工作区可进一步得到系统的动态范围高达 4.2～-4.2rad/s.通过对顺时针和逆时针光路采用不同的频率调制,成功地观察到对应两个不同旋转方向的陀螺开环响应输出信号.最后,对系统的零漂进行了测试,在5s时间内观察到系统的零漂为0.02rad/s.     

Micro-vibration parameters fast demodulation algorithm and experiment of self-mixing interference

Self-mixing interference （SMI） technique can be used for measuring vibration, displacement, velocity and absolute distance. In this paper, a simple demodulation algorithm for fast measuring frequency and amplitude of a simple harmonic vibration target is proposed based on the basic theoretical model of self-mixing interference effects. The simulative results show that the error between the vibration parameters which are demodulated by this algorithm and initial settings merely results from the sample rate. Further, the experimental system of self-mixing vibration measurement is built. The experimental results have a good agreement with simulation analyses. The maximum error of frequency demodulation is less than 1 Hz in our experiment.     

基于数字零中频纳米位移遥测技术研究

针对航空航天领域对超静平台纳米量级位移遥测的需求,研制了一套体积小、质量轻、便携式的激光多普勒纳米位移遥测系统;系统在电学部分采用基于数字零中频的解调方案,模拟器件的减少有助于提高系统的探测准确度和精度;理论分析了基于数字零中频的纳米位移振动解调算法,并进行了算法实现和试验验证,研究结果表明,该算法最小探测相位达到1,对应振动位移2.15 nm。在此基础上,利用PI-E501标准振动源,在作用距离为10 m处,对研制的激光多普勒纳米位移遥测系统进行了性能测试,实现了振动频率10 Hz和1 000 Hz下和幅度1 000、200、10 nm的遥测,测试结果表明:该遥测系统满足工作频段在几十到几百赫兹,振动位移为微米甚至更低的航空航天领域对超静平台测量的要求。     

谐振式光纤陀螺开环响应测试

谐振式光纤陀螺是基于光学Sagnac效应来测量载体旋转角速度的一种新型传感器.利用调相谱检测技术,建立了谐振式陀螺的开环响应测试系统.利用自行研制的锁相放大器和反馈控制电路,得到了线性度很好的解调曲线.从解调曲线的线性工作区可进一步得到系统的动态范围高达+4.2～-4.2rad/s.通过对顺时针和逆时针光路采用不同的频率调制,成功地观察到对应两个不同旋转方向的陀螺开环响应输出信号.最后,对系统的零漂进行了测试,在5s时间内观察到系统的零漂为0.02rad/s.     

单频长基线激光干涉仪的在线稳定性监测方法

研究了一种长基线激光干涉仪的在线稳定性监测技术,可用于纳米量级的位移和振动测量。构建了一个臂长22m的激光干涉仪用于位移和振动测量。基于相位生成载波(PGC)解调技术,通过在相位调制载波中增加已知频率、固定幅值的指示信号,利用指示信号的幅度变化,实现激光干涉仪的工作状态监测,以及测量环境的变化与波动的指示。实验结果表明,加入已知幅度频率的指示信号可以实现激光干涉仪在线运行状态的监测。该方法的优点是没有增加硬件负载,可实现激光干涉仪的在线稳定性监测,简化了干涉仪调试过程,提高了运行效率。     

调制频率对φ-OTDR 分布式光纤扰动传感系统动态性能的影响

调制器将输入连续光调制成脉冲光,是基于 -OTDR 分布式光纤扰动传感系统的重要组成部分,其调制频率直接决定了系统的监测距离并影响系统的动态特性。对调制频率对系统动态响应范围的影响进行了理论分析及仿真研究。结果表明,脉冲调制频率决定了系统所能还原的外界扰动信号的最高频率。调制频率越高,系统的频率响应范围越大,可探测到的扰动的极限频率越高,采集到的信号失真度越低;反之,调制频率较低甚至低于扰动信号频率时,采集到的信号将严重失真。