1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
无人机（UAV）通常利用全球导航定位系统（GNSS）提供的速度、位置等信息来保障其飞行安全，但GNSS的信号在复杂的城市环境中容易因高楼、树木遮挡等原因丢失，而机载激光多普勒测速仪（LDV）有望实现UAV的全天时独立高精度速度测量，从而保证导航信息的连续性。从目前实现机载LDV研制存在的瓶颈出发，通过理论分析和仿真计算，提出利用光学变换系统对机载LDV的工作距离进行拓展的方案；并对变换系统的参数进行了优化，集成了工作距离定标为50 m、测量景深为10 m的单波束机载LDV样机，将其搭载在UAV上进行了110 s的飞行实验。实验测得的UAV飞行速度经过俯仰角修正后，与GNSS记录的参照速度基本一致。飞行过程中样机输出的速度信号保持了较高的多普勒信号品质因子，初步验证了机载LDV的可行性和有效性，为后续机载LDV在UAV组合导航中的应用奠定了基础。
光学测量 激光多普勒测速仪 测速导航 无人机 光学学报
2023, 43(17): 1712002
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
激光多普勒测速技术以其高精度和高可靠性得到广泛应用，其为运动载体的导航定位提供了一种全新的独立测速手段，在提高定位精度方面发挥了重要作用。随着应用场景的拓展，现有的激光多普勒测速技术亟待进一步的发展和优化。文中从激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter, LDV)的测速原理、种类分类和导航应用研究现状三个方面入手，对用于运动载体导航定位的LDV技术进行综述。可以看到，利用LDV进行组合导航的航迹推算精度已经优于0.01%，达到了高精度导航定位的要求，其中单光束LDV比双光束LDV更适合车载应用，能敏感更多维度速度分量的LDV对导航精度提高的效果更明显。同时，对LDV后续的发展方向进行了展望，LDV与更低成本的SINS进行组合导航是下一步值得研究的方向。可以预见，LDV有望在未来成为覆盖高低速测量、海陆空全领域的高精度独立测速装置，在解决实际科学和工程问题中发挥更大、更重要的作用。
光学测量 激光多普勒测速仪 导航定位 运动载体 optical measurement laser Doppler velocimeter navigation and localization moving vehicles 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230143
1 国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 长沙 410073
2 中国人民解放军91404部队, 河北 秦皇岛 066000
为了增大激光多普勒测速仪的测量距离, 设计了基于马赫-曾德尔环形结构的双平衡式探测接收系统来提高灵敏度。基于平衡探测光电流的表达式, 推导了平衡探测系统信噪比的表达式并对相关因素进行仿真实验。仿真结果表明: 在相同光信号输入条件下, 当两个探测器的量子效率比值在(0.236,1)之间时, 平衡探测系统的信噪比高于普通相干探测系统的信噪比, 并且当探测器量子效率相等时, 信噪比最大。最后通过实验验证量子系数的比值对信噪比的影响。
平衡探测 数值仿真 探测器 信噪比 dual-balanced detection numerical simulation detector signal-to-noise ratio 强激光与粒子束
2016, 28(10): 101004
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
为了提高激光测速系统的探测灵敏度，设计了马赫-曾德尔环形结构的平衡探测系统。基于光学多普勒效应，阐述了激光测速系统的工作原理，系统地阐述了平衡探测的实现方法，详细推导了平衡探测系统光电流的表达式，并分析得出其相对于相干探测的优势。利用光电流推导了平衡探测系统信噪比的表达式，并分析影响信噪比的主要因素。仿真实验结果表明：在相同输入光信号的条件下，无损耗分束镜的反射率在(0.2908,0.7092)区间内，或两个探测器的光电转换系数的比值在(0.4632，1)之间时平衡探测信噪比高于相干探测的信噪比。将平衡探测应用于多普勒测速，大大增强了测速系统的灵敏度。
信号处理 差频信号 双平衡式探测 光束分束比 激光与光电子学进展
2016, 53(2): 020401
国防科学技术大学 光电科学与工程学院，湖南 长沙 410073
激光多普勒测速仪检测系统提取的光电信号中存在较大的噪声信号。为了消除这些噪声干扰, 提高激光多普勒测速仪的测量精度，提出一种新的信号处理方法，将最小均方差自适应滤波技术应用于激光多普勒测量中，利用多普勒信号和噪声信号的统计特性，以最小均方误差估计为准则，最大程度地滤除噪声信号。阐述了最小均方差自适应滤波算法的基本原理，在MATLAB平台上将其应用于理想正弦信号进行仿真，并将其应用于实测多普勒信号的处理中。仿真和实验均表明，该技术可以有效抑制激光多普勒测量中的多频率噪声的干扰，大大提高多普勒信号的信噪比和测量精度，为设计高精度的激光多普勒测速仪创造了条件。
信号处理 激光多普勒 最小均方差自适应滤波技术 信噪比 signal processing laser Doppler LMS adaptive filter technology SNR
国防科学技术大学光电科学与工程学院， 湖南 长沙 410073
针对激光多普勒信号中存在较大噪声干扰的实际情况，为了抑制这些噪声干扰，提高激光多普勒测速仪的测量精度，提出了对激光多普勒信号进行最小均方差(LMS)自适应滤波后作快速傅里叶变换(FFT)，基于混合编程思想对所得到的频谱，先进行频谱细化，再进行频谱校正的信号处理方法，并对理想正弦信号和实测多普勒信号分别进行仿真计算和实验研究。仿真和实验结果表明：LMS自适应滤波技术可以有效抑制激光多普勒测量中的多频率噪声的干扰，此技术能够适应于很宽的信噪比范围，大大提高多普勒信号的信噪比；频谱细化技术可以提高激光多普勒信号的频谱分辨率，频谱校正技术可以准确地校正多普勒频率，使校正后的频率更加接近于真实值；信号处理精度比直接进行FFT提高2~3倍。
信号处理 激光多普勒测速仪 混合编程 最小均方差自适应滤波 频谱细化 频谱校正 中国激光
2012, 39(s1): s109003
国防科学技术大学光电科学与工程学院， 湖南 长沙 410073
小型气体激光器腔体增益孔的直径小于1 mm，深度大于10 mm，长径比大，传统的方法很难对其进行测量。为了解决这种微深孔的测量问题，介绍了一种接触测量与光学测量相结合的方法。将末端带有发光球的光纤伸入待测孔中，在待测零件孔中做x、y方向移动，当球与孔壁接触后，会引起球心做相应的运动，利用CCD捕获发光球的球心，通过图像处理，可得出接触点处测头球心的xy坐标，拟合多点测量结果，从而实现深孔的直径、圆柱度及直线度等参数的测量。还通过亚像素边缘检测技术提高了系统的测量精度，最后采用0级标准环规对系统进行了验证，其测量结果的重复不确定度优于0.4 μm。并对深度为15 mm、直径为0.6 mm的孔在三维测量显微镜上进行了测量，实验证明此测量方法为大长径比的孔的检测提供了一种可行的方法。
测量 光纤测头 微深孔 亚像素边缘检测技术
国防科学技术大学光电学院光电工程系, 湖南 长沙 410073
根据以前双纵模绝对距离测量中合成波长过大导致误差较大的缺点，设计了一种新型多波长绝对距离干涉测量系统。采用633 nm双纵模He-Ne激光器中的一个纵模和629 nm波长的He-Ne激光组成117 μm合成波长，使用双外差干涉技术对距离改变进行精密测量。静态稳定度和动态测量实验表明，由于采用了较小的合成波长，系统的测量不确定度可以达到3.8×10-6L+57 nm，在 500 mm的距离上不确定度小于2 μm。最后从合成波长不确定性的角度，对干涉系统中的误差作了分析。该系统如能与双纵模拍波测量作衔接则可实现对被测距离由粗至精的测量。
测量 激光干涉仪 绝对距离干涉 多波长 相位测量
国防科技大学 光电学院光电工程系,湖南 长沙 410073
He-Ne激光器中633 nm波长的增益远大于该波段其它5条谱线的增益,而且由于模式竞争的影响,通常情况下增益较低的相邻弱线(如629 nm波长)很难出光。提出一种在He-Ne激光器中加入法布里珀罗(F-P)标准具来选择输出谱线的方法。通过选择适当的F-P标准具长度和反射率,可以达到抑制强线增益,使弱线振荡输出的目的。还采用高斯光束传输理论对谐振腔内F-P标准具的透射特性进行了仿真计算。
He-Ne激光器 法布里珀罗标准具 谱线选择 高斯光束
国防科技大学,光电工程系,湖南,长沙,410073
根据四频差动激光陀螺对法拉第旋光片的两个通光面都必须是超光滑表面且有一定夹角的使用要求,针对传统工艺必须采用光胶上盘法所带来的不利因素,提出了一种新的工艺.通过将数百个法拉第旋光片毛坯作为一个整体粘胶上盘并进行加工的方法,不仅使法拉第旋光片两通光面之间的夹角得到了很好的保证,而且还避免了光胶上盘对通光表面可能造成的损伤,最后使旋光片的两个通光面的表面质量同时得到了保证,从而使产品合格率大大提高(一盘数百个零件,两个通光表面的表面粗糙度同时优于0.08 nm(rms值)的合格率有时可达80%以上),解决了四频激光陀螺批量化生产中的一大制约因素.
四频激光陀螺 法拉第旋光片 超光滑表面
