机载激光测照器发射光轴不稳定度仿真分析

针对某型无人机机载激光测照器,分析了导致激光发射光轴产生偏离的原因,然后使用CAE软件ANSYSWorkbench分别对受安装力、热和振动等因素影响下的结构形变进行仿真,通过谐振腔光路和扩束光学相关公式计算得到激光发射光轴的最大综合偏转角,从而确定出激光测照器的发射光轴不稳定度,以验证设计是否满足相应可靠性指标要求。

低温共烧陶瓷激光测厚系统设计与误差分析

基于提升低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)厚度的检测精度、测量效率和可溯源性的需求,设计一套LTCC激光测厚系统。针对测量精度难以满足需求的问题,对存在误差进行分析,采用厚度测量用调整夹具消除同轴度误差和线性度误差,优化设计结构降低倾角误差,循环传感器标定消除重复度误差,通过数据优化和滤波处理降低机械振动误差,提高了系统测量精度。与实际产品厚度数据对比,最终精度误差≤5μm,符合产品的应用要求,具有广阔的应用市场。

基于风机式激光测风雷达的风机功率特性曲线测试方法

通过风机式激光测风雷达(NML)测试风机功率特性曲线(PPM),对比分析风机式NML和测风塔的结果差异,评估两种方法在发电量计算中的不确定性。结果表明,风机式NML与测风塔的风速测量一致,相关系数可达0.994,拟合的斜率和截距分别为0.979和0.084;风机式NML的测试数据在功率特性曲线的散点分布图中更集中;发电量评估结果表明,NML比测风塔高估发电量1.73%。不同风向扇区的研究结果表明,测风塔在不同风向下处于风机的不同方位,NML随风机机舱的偏航始终测量风机正前方风速,与风向保持一致,因此散点更为集中。风机式NML对PPM测试的不确定度更低,对风机叶轮上平均风速更具有代表性,具有一定的研究意义与实际应用价值。

一种机械臂电机故障时频尺度诊断方法——基于深度学习和激光多普勒测振技术

机械臂电机振动信号的采集效果较差,影响时频特性分析过程,导致故障诊断效果与精度较差,为此提出基于深度学习和激光多普勒测振技术的机械臂电机故障时频尺度诊断方法。使用激光多普勒测振技术与小波阈值去噪算法,建立机械臂电机振动信号采集系统,获取并重构故障信号;提取电机振动信号的时域、频域等尺度特征,引入人工神经网络建立一个具备学习能力的故障诊断模型,将提取的机械臂电机故障时域、频域等尺度特征输入诊断模型中,输出分类诊断结果,即可完成机械臂电机故障时频尺度诊断。结果表明:利用该方法开展电机故障诊断时,检测结果与实际电机故障类型之间偏差较小,诊断效果好、精度高。

面向激光测振应用的改进相位生成载波解调算法

为了解决相位生成载波解调方案应用于激光测振技术时,系统中存在的非线性失真问题,提出一种改进相位生成载波解调算法。该算法采用低频、大幅值的相位调制和迭代重加权椭圆特殊拟合对两路含有非线性误差的正交信号进行校正以抑制非线性失真。其中,低频相位调制由三角波信号驱动压电换能器生成,确保小信号情况下椭圆拟合结果的准确性。迭代重加权椭圆特殊拟合可以减小离群数据的影响并避免拟合结果退化为双曲线,具有精度高、鲁棒性好和计算效率高的优点。实验结果表明改进相位生成载波解调算法可以有效抑制激光测振实验系统的非线性失真,在不同相位调制深度(0.8~3.4 rad)下解调信号的信纳比和总谐波失真稳定,对应的标准差分别为0.55 dB和0.03%。系统的响应线性度优于99.99%,动态范围可达103.9 dB@500 Hz,总谐波失真为1%且工作频宽为20~8000 Hz。与传统相位生成载波解调方案相比,该算法不仅显著抑制了非线性失真,还克服了椭圆拟合算法在小信号下无法工作的缺点。

脉冲相干激光测风FFT和fCWT融合算法的研究

在脉冲相干激光雷达测风中,广泛使用的FFT算法运算简便快速,但测风的距离分辨率难以进一步提高,而连续小波变换(CWT)等时频分析方法具有时频精细分析能力,但计算实时性差,提出了一种结合FFT和快速连续小波变换(fCWT)优势的融合算法,算法继承了CWT精细分析能力,而运算速度显著加快。通过对融合算法以及CWT、FFT算法就雷达测风仿真数据及实测数据进行对比,融合算法及CWT和FFT算法绘制的风速曲线趋势一致,但具有更丰富细节,融合算法计算时间相比CWT算法减少了45%以上。此融合算法为提高脉冲相干激光测风雷达测风性能提供了一种新思路。

基于激光测振的聚合物空间电荷积累量评估方法研究

电声脉冲法受接触式压电传感器的工作温度限制,难以实现极端环境温度下聚合物介质内的空间电荷检测,因此有必要探究新的检测方法和技术。该文基于电声脉冲法的电-声转换原理,采用非接触式的激光多普勒测振法代替接触式压电检测,并开展正弦激励下基于激光测振的聚合物电荷积累量评估研究。通过对各物理量间关系的理论推导,提出基于电荷-声波-振动信号转换的理论模型。根据激光多普勒测振仪关键性能参数,搭建正弦激励下基于激光测振的空间电荷试验平台,并对激光多普勒测振仪输出端进行灵敏度实验,确定速度端口作为系统的测量端口。通过接触式压电传感器和激光测振的比对检测,分析直流场下电极表面的声波和振动特性,验证所提声波-振动理论模型的准确性。最后,以聚酰亚胺为检测对象,测量直流场下的空间电荷和电极表面振动,发现平均体电荷密度特征量和速度幅值与极化电场呈近似线性关系,去除界面极化电荷的界面平均体电荷密度特征量和去除界面极化电荷作用的速度幅值,均随极化电场变化呈现三段式分布。这表明非接触式激光测振和传统压电传感器检测具有很好的一致性,均可应用于聚合物空间电荷的评估。

基于激光测振技术的铣床电主轴振动特性研究

采用激光测振技术获取了机床不同转速下的振动信号,并分析研究了其振动特性。使用激光测振仪采集机床电主轴的振动速度信号,避免了传统传感器带来的附加质量问题,提高了测量的准确性。完成电主轴在不同位置测点和不同转速运转状态下的振动信号采集实验,对采集到的原始振动速度信号和原始振动速度信号,经积分得到的振动位移信号,并进行时域分析。结果表明:在所测转速范围内机床电主轴的振动位移平均幅值稳定在1μm范围内;在所测转速范围内,随着转速的增加,电主轴各个测点的振动烈度是先缓慢增加再减小再快速增加的趋势,在14 000 r/min振动烈度局部最小,该结果可指导实际加工过程中的加工参数选择;电主轴上测点轴向方向位置距离主轴端部越近,振动烈度越大,检测主轴振动状况是否异常时应选取靠近主轴端部的测点来代表电主轴的振动状况。

相干激光测风雷达信号提取研究

激光测风雷达信号提取方法直接影响雷达的精度和测程,为了提高激光测风雷达的精度和测程,设计了一种基于高斯拟合的信号重心提取方法,先对傅里叶变换获得的频率谱进行高斯拟合,然后对拟合之后的频率谱进行信号中心频率计算。使用信号源输出的固定频率正弦信号进行测试,基于高斯拟合的重心法的平均测量误差为0.43 MHz,最大值法的平均测量误差为1.54 MHz,重心法的平均误差为1.18 MHz。使用激光测风雷达实测回波信号进行测试,基于高斯拟合的重心法测程为2850米,重心法测程为2550米,结果表明基于高斯拟合的重心法能够提高激光测风雷达精度,并提高激光测风雷达测程12.5%。

综合观测试验中的激光测风雷达探测性能分析

基于2019年6、7月广州超大城市综合观测试验中的地面资料,激光测风雷达、风廓线雷达资料以及广州S波段双偏振雷达资料,对WindPrint S4000型激光测风雷达和风廓线雷达进行观测对比,并尝试在不同降水强度条件下对激光测风雷达的探测性能进行综合评估分析。结果表明:激光测风雷达与风廓线雷达在非降水时段和非强降水时段观测性能一致性较好,能很好地捕捉到天气系统过境期间边界层低空风场的变化特征,但相比较而言,激光测风雷达成本更低,更加便捷高效,选址选点较为容易,更加符合大城市观测加密布网的需求;激光雷达的探测高度与降水量和降水强度均相关,但与降水强度关系更加密切,即当降水强度增加时,激光雷达的探测高度总体呈下降趋势,且当发生S波段双偏振天气雷达反射率因子达到50 dbz以上强度的降水时,激光测风雷达与风廓线雷达一样无法进行常规观测。

基于激光测振技术的MRI扫描噪声精准量化评价研究

目的:通过非接触式激光测振技术,对MRI扫描噪声进行精准量化评价。方法:在静音和常规序列下,采用MRI设备对头颅、脊柱进行扫描,依据GB/T 16539—1996《声学振速法测定噪声源声功率级用于封闭机器的测量》的振速法,采用激光测振仪对MRI设备检查孔外缘表面振动噪声进行采样,利用专用MRI噪声分析软件对声功率级、声压级、基于3种不同计算方式计算的感觉噪声级指标(L_(PN1)、L_(PN2)、L_(PN3))进行分析。结果:头颅扫描的常规和静音序列峰值声压级分别为81、63 dB(A),静音序列显著降低了噪声水平;脊柱扫描的常规和静音序列峰值声压级分别为79、75 dB(A),噪声降低水平明显低于头颅扫描序列。脊柱序列降噪效果比较平稳,头颅序列各频带降噪效果差异较大。脊柱、头颅扫描下常规和静音序列的基于3种不同计算方式计算的感觉噪声级指标L_(PN1)、L_(PN2)、L_(PN3)均明显高于总声功率级和总声压级。结论:静音序列不是针对全频段的线性降噪,且MRI扫描过程中人耳感受噪声与选择的扫描序列直接相关,单纯选用某一物理指标对MRI设备噪声水平进行评价会存在一定偏差。

测风激光雷达与风廓线雷达的探测性能评估及数据融合

测风激光雷达和风廓线雷达作为L波段探空测风的有效补充,均可以提供高时空分辨率的大气风场信息,然而由于工作原理和适用条件存在明显差异,在探测性能上各有优缺点,单一设备的探测数据已不能满足精细化预报的要求。本研究使用2020年1—5月北京南郊观象台的L波段探空资料对同址观测的测风激光雷达和风廓线雷达进行了数据质量评估,结果表明测风激光雷达与探空的一致性较高,U、V分量的相关系数分别为0.97和0.98,均方根误差分别为1.1和0.95 m·s^(-1),然而在2 km以上数据获取率较低且偏差较大;风廓线雷达与探空相比,U、V分量的相关系数分别为0.94和0.93,均方根误差分别为2.94和2.91 m·s^(-1),风廓线雷达的探测距离虽然更远,但在0.5 km以下和6 km以上的测量偏差较大。考虑到两种测风雷达在不同探测高度上的性能优缺点,提出分段曲面拟合法对两者的水平风资料进行融合处理,并选取个例对融合效果进行验证,结果表明,融合后的风廓线与融合前相比,风向和风速的一致性均得到明显提升。

测风激光雷达在青岛低能见度天气下的适用性

利用2021年4月—2022年12月青岛国家基本气象站多普勒测风激光雷达和L波段探空系统低空风场观测数据,对比非降水时低能见度天气下测风激光雷达的探测高度和精度。结果表明:测风激光雷达在青岛地区具有良好的适用性,在能见度大于10000 m的非降水天气,其平均最大探测高度稳定在约1200 m,水平风速均方根误差约为1.2 m·s^(-1),水平风向均方根误差约为25°。在能见度小于10000 m的低能见度天气下,测风激光雷达在不同能见度和相对湿度范围内的探测高度和精度受干扰程度存在差异。在能见度为1000~10000 m、相对湿度小于90%的霾天,此时大气能见度降低主要是气溶胶粒子含量增加所致,测风激光雷达的探测能力与高能见度天气下相当。当相对湿度高于95%时,此时大气能见度降低是空气中水汽含量的增加所致,严重干扰了激光在大气中的传输,测风激光雷达的探测高度和精度均有所降低,尤其在能见度小于1000 m的雾天,需谨慎使用其风速和风向数据。

相干测风激光雷达功率谱估计硬件系统综述

相干测风激光雷达探测回来的回波信号需要使用FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)进行功率谱估计,在这个过程中离不开硬件系统的参与。在介绍了FFT算法对硬件需求的基础上,对应用于FFT算法的计算机和硬件电路板的研究进展和优缺点进行了分析。结果表明,随着对数据处理的精度以及软件复杂度的提高,计算机存在着无法改变的缺点;随着芯片技术的发展,以Zynq为核心的硬件电路板是最有发展前途的。最后对相干测风激光雷达FFT功率谱估计硬件系统进行了总结与展望。

基于改进经验模态分解的激光测振信号数据处理方法

针对由激光多普勒测振仪测量得到的固体火箭发动机振动信号包含高频噪声的问题,提出一种基于经验模态分解的数据处理方法。通过对传统经验模态分解方法存在的端点效应的抑制,以及对本征模态函数的判定准则的修改,得到一种适用于固体火箭发动机振动信号数据处理的改进经验模态分解方法;同时基于相关系数以及自相关函数的特点对本征模态函数进行筛选,以备后续数据处理。对比显示,基于改进经验模态分解的数据处理方法的运行速度比传统经验模态分解方法提高了5%,去噪效果比传统经验模态分解和小波分解算法分别提高了7%和17%。这说明该数据处理方法高效、稳定,具有较高的工程应用价值。

1.55μm激光雷达高原机场下击暴流探测应用研究

为了探究激光雷达在湿下击暴流天气时的风场探测效果和低空风切变识别能力,采用多元资料结合具体事件进行理论分析和数据验证的方法,利用西宁曹家堡国际机场的测风激光雷达数据,结合地面观测记录,对2021-05-18的一次湿下击暴流过程进行了分析和研究。结果表明,下击暴流具有复杂的风场结构,主体到达机场前,首先造成了超过14 m/s的外流,并与环境风耦合形成逆风切变辐合线,且最强外流区位于辐合线后侧1 km~2 km;下击暴流抵达跑道上空时,造成了地面辐散风场,辐散中心风速远小于外流边缘且垂直气流存在着剧烈变化,下击暴流共持续约10 min;测风激光雷达对雷暴云内部垂直气流分布、跑道区域下击暴流辐散风场的水平和垂直结构以及地面风场辐合线的形成和演变均有良好的识别效果,交互使用雷达不同探测模式和数据产品有利于机场低空风切变的监测和预警。该研究为激光雷达在下击暴流风切变预报和研究中的应用提供了参考。

激光测径仪的屏蔽改造及其应用

激光测径仪作为一种简便、精确的尺寸测量手段,已在工业领域得到广泛应用。由于激光测径仪中的核心部件主要为光学与电子器件,因此其耐受γ射线照射的能力较低。为完成反应堆乏燃料棒的尺寸测量工作,对激光测径仪进行了屏蔽改造,改造后的设备在保留了原有测量精度的前提下,耐辐照能力得到显著提升,可用于高放射性物品的尺寸测量工作。

基于三维激光测振的电动汽车车身模态测试方法

为分析电动汽车车身的动态特性,利用三维扫描式激光测振仪开展模态测试,识别某电动汽车白车身主要模态参数,并将测试结果与采用加速度传感器的传统模态试验结果进行对比,结果表明,三维激光测振方法获得的白车身固有频率最大误差不超过1.3%,且与传统模态试验获得的振型一致性较高,验证了该方法的可行性及准确性。

基于国产三维激光测风雷达的研究

基于脉冲激光相干探测技术的激光多普勒测风雷达,利用了大气气溶胶对激光散射回波的多普勒频移效应,间接测量大气风场结构分布的新型光电遥测设备。该设备用于探测机场上空及飞机起降通道低空风场信息,为气象预报及飞机安全起降提供高精度三维风场信息保障,也为管制人员决策提供空中风场数据支持。本文详细介绍该设备的工作原理、主要性能、设备组成、扫描模式等,为用户日常管理维护和故障排除提供经验和借鉴。

基于激光雷达低空风切变监测的逐点滑动分析

针对激光测风雷达低空风切变识别率不高的现状,文章利用陕西榆林机场激光测风雷达的数据产品,开展数据质量控制,引入风切变强度因子构建滑动分析方法,使得低空风切变被有效识别。利用沙尘天气、持续大风天气和日变化天气下的风切变过程,结合航空器风切变报告、机场自动观测站气象报文,对下滑道上顶风和侧风廓线的风速进行逐点滑动判别与风切变强度识别,验证滑动分析方法的可用性与有效性。3个不同天气背景下的举例验证结果表明:通过逐点滑动分析,可判断下滑道上风切变强度因子最大值对应的高度位置与机组报告的风切变发生高度相吻合;风切变发生时,下滑道上侧风的时空变化明显大于顶风;在同一高度上,风速在短时间内存在较强的波动是造成风切变的原因之一。