强激光与粒子束
2024, 36(1): 012002
1 南昌航空大学江西省光电信息科学与技术重点实验室，江西 南昌 330063
2 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
3 南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063
基于单级虚像相位阵列（VIPA）的布里渊散射光谱信号检测技术具有结构简单、光通量高的特点，在透明生物组织弹性快速检测方面具有优势。眼角膜和晶状体是典型的透明组织，但由于单级VIPA光谱仪中布里渊信号易被弹性散射淹没，限制了其信噪比和分辨率的提高，成为临床进一步应用的技术瓶颈。针对这一问题，从理论和实验两方面探究了提升单级VIPA布里渊光谱检测系统性能的方法。利用VIPA的傍轴近似色散模型，理论分析了柱面透镜前准直光束的半径、柱透镜焦距、球面透镜焦距和VIPA倾斜角度对单级VIPA光谱仪色散率的影响。研究结果表明，影响色散率的主要因素是球面透镜焦距、VIPA倾斜角度和探测器分辨率。在实际测试系统中，对一种变焦镜头与高分辨CMOS相机结合的信号接收装置进行有效的参数设计与系统匹配，实现了色速率与散射信号强度的平衡，优化了光谱仪系统各项参数，提升了该检测系统的性能。应用该单级VIPA光谱仪，实现了猪眼角膜和晶状体二维频移成像。该研究结果对于单级VIPA光谱仪在临床诊疗领域的应用具有重要意义。
布里渊散射 虚像相位阵列 色散率 频移 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0130001
1 西安理工大学 自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
2 西安理工大学陕西省智能协同网络军民共建重点实验室, 陕西 西安 710000
3 齐鲁工业大学海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266001
作为一种新型的激光探测雷达, 布里渊激光雷达可以用于海水参数的监测。针对现有的布里渊激光雷达反演模型存在反演精度和参数范围较小的缺点, 将频移和线宽作为自变量, 采用最小二乘法对温度与盐度进行了拟合, 提出了新的温度与盐度的反演模型。该模型提高了海水温度和盐度的反演精度与范围, 并从灵敏度、误差、不确定度三个方面对反演模型进行了分析。结果表明, 利用布里渊频移和线宽可以实现海洋温度和盐度的同步监测。在温度反演模型中, 布里渊线宽对温度的影响要大于频移对温度的影响, 新的模型温度反演范围从15 ℃≤T≤30 ℃扩大为10 ℃≤T≤30 ℃, 最大误差为0.17 ℃, 平均误差为0.07 ℃, 平均相对误差为0.27%, 比现有模型的精度提高了63.16%; 在盐度反演模型中, 布里渊频移对盐度的影响要大于线宽对盐度的影响, 该模型的反演范围也从30‰≤S≤35‰扩大为15‰≤S≤35‰, 最大误差为0.20‰, 平均误差为0.09‰, 平均相对误差为0.29%, 比现有模型的精度提高了77.50%。研究结果对布里渊激光雷达探测海水温度和盐度具有指导意义。
布里渊频移 布里渊线宽 温度 盐度 拟合模型 Brillouin frequency shift Brillouin linewidth temperature salinity inversion model
南京邮电大学 通信与信息工程学院, 南京 210003
为了在高动态、低信噪比的条件下实现对低轨物联网信号的快速捕获, 提出了一种用于快速捕获低轨物联网信号的部分匹配滤波-快速傅里叶变换(PMF-FFT)改进算法。首先, 利用星历信息预估多普勒频偏, 缩小频域搜索范围; 然后, 通过补零、加窗方法克服PMF-FFT算法的扇贝损失; 最后, 采用频域差分非相干累积提高低信噪比下的输出增益。仿真分析表明, 所提改进算法在信噪比为-25~-15 dB时能提高低轨物联网信号的检测概率, 搜索范围由15~35 kHz缩小为24.8~25.2 kHz。
低轨卫星物联网 多普勒频移估计 扇贝损失 部分匹配滤波-快速傅里叶变换 low-orbit satellite internet of things, Doppler fr
中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林 541004
为了减少星间激光时频传输过程中的多普勒频移并提高星间通信的可靠性，提出了一种多普勒频移补偿技术。首先，对多普勒频移进行了理论分析和仿真，得到了两卫星在24 h通信中断前传输激光光学频率所产生的多普勒频移；然后，设计了一个多普勒频移补偿系统用于星间激光多普勒频移补偿。仿真结果表明：该系统能在约15个控制周期内完成多普勒频移补偿，使得补偿后的多普勒频移小于8 kHz，比未补偿的情况改善了6个数量级。
激光时频传递 星间激光链路 光学频率 多普勒频移补偿 laser time-frequency transfer, inter-satellite las
为了克服高铁移动通信场景下传输容量和多普勒频移带来的困难，提出一种基于光纤无线电（RoF）和正交时频空间（OTFS）调制技术的新型高铁移动通信双层链路结构。在高铁移动通信场景下，有线部分使用RoF技术作为沿铁路分配高频宽带无线信号的解决方案；无线部分使用OTFS调制，通过将时频域信号转换为相对稳定的时延多普勒域信号来解决多普勒频移（DFS）破坏现行宽带正交频分复用（OFDM）信号子载波间正交性的问题。仿真结果表明：在相同传输条件下，当OFDM调制的误码率降为10-1以下时，OTFS调制的误码率已经降低到10-4量级，因此OTFS调制的传输性能更优。
光纤无线电 高速铁路 多普勒频移 正交时频空间 双层通信架构 radio over fiber, high-speed railway, Doppler freq
1 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
2 中国海洋大学 海洋高等研究院，山东 青岛 266100
3 中国科学院上海光学精密机械研究所 中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
4 中国民用航空西北地区空中交通管理局甘肃分局，甘肃 兰州 730087
5 兰州大学 大气科学学院，甘肃 兰州 730000
6 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
基于多普勒效应的相干激光雷达广泛应用于测风等大气探测领域，实际应用于风场观测时，由于噪声杂波干扰、回波信号较弱和风场不均匀性等影响了多普勒频移估计的精度。为准确估计激光雷达弱回波信号中的多普勒频移，提升相干测风激光雷达的探测距离和探测精度，文中开展了基于激光雷达功率谱信号的多普勒频移估计算法以及探测性能提升的评估研究。在快速傅里叶变换的基础上，提出了一种结合线性预测频谱估计与导数增强方法的功率谱分析方法，通过与常用的最大似然离散谱峰值频移估计算法(ML DSP算法)进行比较，验证了文中方法在相干测风激光雷达微弱信号频移估计过程中的优势。风速数据的时间及空间相关性分析结果表明，功率谱分析方法具有更好的风速估计稳定性，有效风场探测距离相较ML DSP算法提升了73%。与超声风速计对比结果表明，文中提出的综合算法在弱信号情况下的风速测量精度高，风速结果与超声风速计的标准偏差相较ML DSP算法降低了0.23 m/s，偏离率BIAS降低了0.3 m/s，有效提高了低信噪比范围内多普勒频移估计的精度。
相干多普勒激光雷达 多普勒频移估计 弱信号识别 峰值检索 coherent Doppler lidar Doppler frequency estimation weak signal recognition peak retrieval 红外与激光工程
2023, 52(11): 20230216
为了更准确地分析空域无源光纤腔衰荡乙炔体积分数检测系统, 建立了考虑系统噪声的气体体积分数传感理论模型。采用该模型对空域无源光纤腔衰荡乙炔体积分数检测系统的性能进行了仿真和讨论。结果表明, 利用空域无源光纤腔衰荡传感技术, 通过测量衰荡距离, 可实现灵敏度高达56.226 km-1的乙炔体积分数的测量, 稳定性达0.47%, 检测极限达260.577×10-6, 且稳定性和检测极限还可通过减少光纤腔的固有腔损耗得到进一步的提高。此研究对于体积分数传感系统的优化设计应用具有理论指导意义。
传感器技术 体积分数 空域无源光纤腔衰荡传感系统 频移干涉 灵敏度 sensor technique volume fraction space-domain passive fiber cavity ring-down sensin frequency-shifted interferometry sensitivity
1 中电科芯片技术(集团)有限公司, 重庆 401332
2 重庆大学 光电工程学院, 重庆 400044
为了能够在复杂环境下实现风速风向的高精度和高稳定性测量, 在基于声学共振原理的风传感器系统的基础上, 采用闭环控制扫描技术改进了系统的性能指标。采用声学共振的方式, 同时对换能器产生的信号进行频率调制和强度调制, 实现对超声换能器的线型扫描。频率调制解决了在不同压力、温度等环境因素影响下导致的共振频移的问题, 强度调制解决了换能器性能随时间衰减问题, 极大地提高了信噪比。实验结果表明, 采用闭环控制的方法可以准确测量风速风向。风速测量范围0~50 m/s, 风速测量精度为±0.5 m/s(≤15m/s)/±5%(＞15 m/s且＜35 m/s)/±9%(＞35 m/s)。改进后的系统在复杂环境下受环境变化影响小、精度高、稳定性好、抗干扰能力强。
闭环控制 频率调制 线型扫描 共振频移 风速测量 closed-loop control frequency modulation linear scanning resonance frequency shift wind speed measurement
1 华北电力大学电子与通信工程系，河北 保定 071003
2 华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室，河北 保定 071003
针对脉冲光布里渊散射谱在用传统的洛伦兹曲线拟合时存在较大拟合误差的问题，通过理论分析推导出了脉冲光的光纤布里渊散射谱函数表达式。采用布里渊光时域反射（BOTDR）系统对一段3000 m长光纤的布里渊散射谱进行测量，对测得的不同脉冲宽度下的光纤布里渊散射谱分别采用洛伦兹函数和本文推导的函数进行拟合。结果表明：随着入射脉冲光的脉冲宽度变窄，采用推导的光纤布里渊散射谱函数能够有效提高BOTDR系统布里渊散射谱的拟合精度。
光纤光学 布里渊散射 布里渊频移 洛伦兹函数 数据拟合 中国激光
2023, 50(19): 1906002
