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 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
2 中国科学院重大科技任务局，北京 100864
3 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
4 中国科学院大学，北京 100049
利用激光可以在非接触、远距离的情况下实现语音信号的探测。激光远距离语音探测技术在侦听、多模监控、入侵检测、搜救、激光麦克风等领域具有广泛的应用前景。从激光远距离测振系统和探测信号的分析处理方法两个方面综述了激光远距离语音探测技术的研究进展，并展望了该技术的未来。
激光语音探测 微振动探测 激光多普勒测量 语音增强 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0500007
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 中国科学院上海光学精密机械研究所中科院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
3 崂山实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
介绍了激光多普勒测速仪（LDV）的原理，分析影响LDV测量精度的因素，研究了激光多普勒海流计（LDCP）在海流和海洋微尺度湍流测量中应用的可行性，通过理论计算得到系统参数及校正系数。LDCP系统的探测性能经过野外实验的验证，结果证明了激光多普勒测速技术在海洋微尺度湍流中应用的可行性。
海洋光学 激光多普勒测速仪 海流计 海洋微尺度湍流 光学学报
2023, 43(24): 2401011
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
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
青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东 青岛 266061
快速傅里叶变换是激光多普勒测速系统信号处理的一种常用方法，但在异步采样时存在频谱泄漏和栏栅效应，其处理精度偏低。为了提高检测精度，提出基于Nuttall窗函数和五项最大旁瓣衰减窗函数的混合卷积窗改进六谱线插值校正算法。混合卷积窗在保证良好的旁瓣特性的同时也能保证主瓣不过宽，改进六谱线插值可有效抑制栏栅效应在参数估计过程中的负面影响，提高分析精度。为了避免解高次方程，提出三次B样条插值来拟合插值系数，并推导出改进六谱线插值的频率校正公式。搭建了双光束后向散射差动式激光多普勒测速平台，利用仿真数据和实测信号验证了本文算法在低信噪比环境下有较好的频率和速度测量精度。
激光光学 快速傅里叶变换 激光多普勒测速 频谱泄漏 混合卷积窗 六谱线插值 三次B样条 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1714008
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 安徽大学 光电信息获取与控制教育部重点实验室, 安徽 合肥 230601
2 安徽大学 信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230601
3 安徽至博光电科技股份有限公司, 安徽 合肥 230088
为了消除光束倾角带来的不确定性，本文建立了一种双路偏振式激光多普勒测速系统。该系统使用双光束双探头结构来探测物体的运动信息。首先，通过转动实验精确获得双光束间的夹角大小，对于任意光束倾角，本文采用双探头装置收集运动物体表面的散射光束，结合双路偏振式光路结构，得到两路干涉信号的多普勒频移。然后，创新性采用了细化分帧算法对两路干涉信号进行实时解调，通过两路速度分量的合成得到物体真实速度。实验结果表明：速度在10 mm/min~1500 mm/min范围内，测量值与理论值之间的平均误差可以达到1%~5%。在非平稳运动过程中，通过细化分帧算法修正后的v-t图像RMSE均值为1.19 mm/min。该系统结构满足速度测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。
激光多普勒测速 双路偏振 细化分帧 双探头 Laser Doppler Velocimetry(LDV) dual polarization refine framing double probe 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230174
