1 中国科学院上海高等研究院上海 201204
2 上海科技大学上海 201210
利用高精度磁电式速度传感器可以测量超导腔在低温环境下的振动。定量描述低温环境对超导腔位移振动特性的影响，是实现超导直线加速器亚微米级束流稳定性要求并抑制机械振动导致腔频偏移的基础，这对模组机械和低温系统设计具有重要意义。上海光源机械团队以目前承建的“硬X射线自由电子激光装置（Shanghai HIgh repetitioN rate XFEL and Extreme light facility，SHINE）”1.3 GHz超导加速模组为研究对象，在超导腔常温振动测试基础上，采用频谱分析方法研究了超导腔在300.0 K、125.0 K、2.0 K三种温度下的位移功率谱密度、位移均方根和频响函数。测试结果表明：在上海光源地面本底振动下，2.0 K低温环境引起的超导腔垂向振动影响为本底的9.4%，横向振动影响为本底的4.5%。低温环境下新增振源为冷质流动，流体工质的状态对超导腔垂向和横向振动具有不同的影响。研究成果可用于指导模组测试以及结构设计优化。
超导加速模组 2.0 K低温 振动测量 频响函数 硬X自由电子激光 Superconducting cryomodule 2.0 K Vibration measurement Frequency-response function Hard X-ray free-electron laser
1 中国科学院空天创新信息研究院，北京 100094
2 中国科学院大学光电学院，北京 100049
根据外差激光多普勒测振过程的物理原理，分析了其在目标存在低频高速运动情况下测量高频低速振动的过程。在这一过程中，因杂散光而产生的测量噪声表现出啁啾特性，该研究还阐明了这种噪声的影响和表现形式、特点。针对此啁啾噪声，提出了一种微分预处理解调方法，理论分析表明这种解调方法有明显的啁啾噪声抑制效果，并进一步进行了仿真和实验验证。搭建了存在杂散光的外差激光多普勒测振系统，对目标振动进行了测量，分别通过常规解调方法和微分预处理解调方法进行解调，实验结果验证了啁啾噪声的存在和微分预处理解调方法抑制啁啾噪声的有效性，该方法可使啁啾噪声功率下降约81.8%，可有效降低杂散光对测量结果的影响。
信号处理 激光多普勒测振 啁啾噪声 杂散光 微分预处理
1 天津大学光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
2 崂山实验室, 山东 青岛 266234
3 电磁空间安全全国重点实验室, 天津 300308
海洋是丰富的资源宝库, 对海洋资源的开发和利用尤为重要。水空跨介质探测、通信、水下目标确定等技术一直是相关工作者关注的热点, 同时也是技术难题。声波作为一种机械波, 是水中良好的传播载体, 因此通过提取水下声波信息进行水空跨介质探测及通信不失为一种好方法, 但目前仍缺少完整的水下声信号传播模型及试验基础。本文提出一种基于有限元方法的水下声信号产生水面波纹振动的仿真模型, 并运用激光多普勒测振技术对水面波纹进行检测, 通过试验与仿真两种方式均能在水面以上精准得到水下声波信息。在相同水下声信号参数的条件下, 试验与仿真得到的水面波纹振幅大小一致, 验证了激光多普勒测振技术用于获取水下声波信息的可行性及所建立仿真模型的正确性, 为实现水空跨介质探测及通信的突破提供了试验基础及理论依据。
激光多普勒测振 跨介质探测 水声学原理 有限元方法 laser doppler vibration measurement cross-media detection hydroacoustic principle finite element method
1 光场调控科学技术全国重点实验室,成都 610209
2 中国科学院空间光电精密测量技术重点实验室,成都 610209
3 中国科学院光电技术研究所,成都 610209
4 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院,北京 100049
5 中国科学院大学 光电学院,北京 100049
为实现微弱振动信号的实时、高精度解调,提出一种基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的激光多普勒微弱振动检测及信号处理方法。采用全光纤结构的光学系统,振动信号处理系统则以FPGA为核心设计。改进相位解缠模块,在增大振动测量范围的同时,使其能适用于简谐振动与复杂振动。通过模拟振动实验验证了改进后相位解缠模块,且当振幅在80 μm以内时,测量精度在5‰以内。通过对压电陶瓷实际振动目标测振实验,其频率测量误差在1 Hz以内,振幅与频率的测量精度均在1%以内。实验验证了该振动信号处理方案对于扩大振动测量范围与实现高精度目标振动解调的有效性。
激光技术 激光多普勒测振 现场可编程逻辑门阵列 信号处理 相位解缠 laser technique laser doppler vibration measurement field programmable logic gate array signal processing phase unwrapping
1 北京工业大学材料与制造学部，北京 100124
2 北京工业大学理学部，北京 100124
3 中国科学院计算光学成像技术重点实验室，北京 100094
三维显微测振仪可用于测量微结构的三维振动，其两条离轴光路用于接收包含面内振动信息的信号光，系统的机械形变会直接影响光纤的耦合效率，从而影响系统的测振精度。结合衍射传播理论和光纤耦合原理，建立了离轴光路的信号光传输耦合模型，针对信号光平面与光纤平面存在倾角的问题，利用频域坐标旋转变换法将倾斜的物面信号光场投影到平行的参考平面上，再基于菲涅耳衍射传播计算得到光纤平面的光场分布，进而结合光纤的模场分布可计算得到光纤耦合效率。研究了耦合透镜、光纤等元件的机械形变对光纤耦合效率的影响，阐明了光纤耦合效率和各个机械变形量的关系，为三维激光多普勒显微测振系统的设计和装调工作提供了理论指导。
测量 干涉测量 三维显微测振 机械形变 光纤耦合 衍射传播理论 光学学报
2023, 43(10): 1012002
北京交通大学发光与光信息技术教育部重点实验室，北京 100044
为了实时测量高频、微小面内振动，利用硅酸铋（BSO）晶体的光折变特性搭建了基于动态全息的面内微振动测量系统。通过粗糙表面的散射信号光携带面内振动信息，与参考光在晶体内干涉形成动态全息并实时衍射，参考光的衍射光和信号光的透射光之间形成新的干涉，通过光电探测器对干涉信号进行解时域或频域的探测，即可得到振动信息。以剪切式压电陶瓷驱动的散射片为被测物，实验测量了0.5~240 kHz的亚微米量级的面内振动。
测量 动态全息 面内振动 硅酸铋（BSO）晶体 振动测量
Author Affiliations
Abstract
1 College of Electronic and Optical Engineering & College of Flexible Electronics (Future Technology), Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China
2 State Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics and Department of Physics, Collaborative Innovation Center of Quantum Matter, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Single-pixel imaging can reconstruct the image of the object when the light traveling from the object to the detector is scattered or distorted. Most single-pixel imaging methods only obtain distribution of transmittance or reflectivity of the object. Some methods can obtain extra information, such as color and polarization information. However, there is no method that can get the vibration information when the object is vibrating during the measurement. Vibration information is very important, because unexpected vibration often means the occurrence of abnormal conditions. In this Letter, we introduce a method to obtain vibration information with the frequency modulation single-pixel imaging method. This method uses a light source with a special pattern to illuminate the object and analyzes the frequency of the total light intensity signal transmitted or reflected by the object. Compared to other single-pixel imaging methods, frequency modulation single-pixel imaging can obtain vibration information and maintain high signal-to-noise ratio and has potential on finding out hidden facilities under construction or instruments in work.
single-pixel imaging frequency modulation vibration measurement Chinese Optics Letters
2023, 21(1): 011102
武汉理工大学 光纤传感技术与网络国家工程研究中心, 武汉 430070
针对振动测量中三维振动信号测量需要, 基于柔性铰链设计了一种光纤光栅(FBG)三维加速度传感器。构建了传感器拾振机构的振动模型, 介绍了传感器的结构模型和测量原理, 推导了传感器谐振频率和灵敏度理论公式, 建立了拾振机构的数学模型, 并用MATLAB对传感器拾振机构关键尺寸参数进行优化设计。根据优化后尺寸制作了传感器, 通过振动实验对其进行性能测试。实验结果表明: 该传感器在X轴、Y轴和Z轴方向的谐振频率分别为673, 667和1376Hz, 工作频率区间分别为0~220Hz, 0~220Hz和0~450Hz, 灵敏度分别为72.3, 70.2和83.1pm/g。所设计的传感器具有较好的横向抗干扰能力, 能够满足三维振动信号测量的要求。
光纤光栅 三维加速度传感器 柔性铰链 振动测量 fiber Bragg grating three dimensional acceleration sensor flexible hinge vibration measurement
