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 中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所，北京 100029
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
空气耦合（简称“空耦”）超声换能器具有非接触检测、适合复杂工况和原位检测等独特优势，已被广泛应用于超声无损检测等领域。声场重建对于开展空耦超声换能器声束宽度、扩散角等声场特性参数的表征，进而保障超声检测系统的横向分辨率及定位精度具有重要意义。笔者基于声光效应和层析成像技术对50~200 kHz空耦超声换能器的声场重建开展研究。超声声场的重建质量与空间分辨率密切相关，但高空间分辨率会导致扫描时间呈几何倍数增长。笔者从仿真和实验的角度对声场空间分辨率（即声场扫描参数）进行优化，在保证声场重建图像质量的前提下将扫描效率提高了2~4倍。同时，将优化后的声场重建结果与传声器在相同位置处的声场直接测量结果进行比较，验证了声光效应层析成像进行超声声场重建的可靠性。
测量 层析成像处理 声光效应 激光测振仪 声场表征 扫描效率
1 厦门市特种设备检验检测院，福建 厦门 361000
2 福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室，福建 福州 350108
3 福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350116
4 中国航空油料有限责任公司厦门分公司，福建 厦门 361000
5 浙江创力电子股份有限公司，浙江 温州 325025
结合频分复用技术与扫频光学相干测振仪，提出一种基于光学相干多点测振仪（swept-source optical coherence multi-point vibrometer, SSOCMV）的转轴轴心轨迹监测方法和系统，其具有非接触式、非侵入式、高精度以及多点振动同步测量的优点。首先，对SSOCMV的系统组成和测量原理进行了介绍与分析；其次，搭建实验对比系统以验证SSOCMV系统的测量准确性，在SSOCMV系统探头的对称位置安装电涡流传感器以同步监测转轴轴心轨迹，便于对比两个系统的测量结果。实验结果表明，基于光学相干多点测振仪的转轴轴心轨迹监系统比电涡流传感器具有更高的位移分辨率和更好的信噪比。因此，SSOCMV系统在旋转机械状态监测、参数识别和故障诊断等方面具有良好的应用前景。
光学相干测振仪 转轴监测 轴心轨迹 动态测量 optical coherence vibrometer rotation shaft monitoring trajectory of shaft center dynamic measurement
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
深圳大学物理与光电工程学院深圳市智能光测与感知重点实验室，广东 深圳 518060
光声/光热光谱技术已经广泛应用于痕量危险化学品和爆炸物的探测，并显示出高效的探测能力。然而，该技术通常需要在光声池中进行分析，并使用高灵敏度麦克风或压电传感器记录振动信号，因此不适用于在安全距离外的开放环境中探测泄漏的危险物质或爆炸物。为此，利用强度调制的量子级联激光器（QCL）激发微量固体（聚四氟乙烯）和气体（丙酮）的光声效应，借助自主研发的远距离激光多普勒测振仪（LDV）对QCL产生的光振动信号进行检测。通过扫描QCL的波长，测量振动信号的幅值并获取光声光谱，其结果与傅里叶变换红外光谱的结果高度一致。实验结果表明，自制的远距离LDV可以在距离达200 m的开放环境下有效地检测痕量固态和气态化学品的光声信号。
干涉测量术 光声效应 激光多普勒测振仪 振动分析 光学学报
2023, 43(13): 1312005
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
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
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室，江苏 南京 210042
3 中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049
提出并实现了一套基于瞳面干涉和小波变换的零差激光测振系统，提高了多普勒信号的质量和信号处理精度。该系统将瞳面干涉技术引入到激光多普勒测振中，克服了像面干涉测振光路中复杂振动引起的探测光斑相对探测器偏移的现象，抑制了漂移引起的多普勒信号被调制的现象。在振动信息提取环节，采用小波脊提取算法提取信号瞬时频率，进而解算得到振动速度。将标准振动台作为振动源，磁电式速度传感器作为测量参考，通过测速与测振实验对系统性能进行验证。实验表明，所设计的系统对振动物体速度的测量与磁电式速度传感器具有一致性，对不同简谐振动参数的测量相对误差均在1.5%以内。
测量 激光多普勒测振 瞳面干涉 小波变换 振动分析 光学学报
2022, 42(15): 1512005
