基于激光自混合效应的微角度测量实验教学研究

为了丰富大学实验教学内容,本文提出了一种新型微角度测量方法。该方法运用激光自混合干涉技术并结合直角棱镜的光学特性,具有系统结构紧凑、分辨率高等特点。实验中采用氦氖激光器为光源,测量范围可达21.49 mrad。该实验操作性及拓展性较强,可进一步培养学生的实践能力和科研思维。

基于激光自混合干涉的磁场测量方法研究

针对光纤磁流体磁场传感器易受环境干扰及磁流体薄膜制作工艺复杂的问题,激光自混合干涉具有抗干扰能力强、稳定性好的特点,提出一种基于空间光的水平偏振激光自混合干涉的磁场测量方法,在外部磁场的作用下,水平偏振自混合干涉信号幅值发生变化,在一定范围内,磁场与信号幅值变化成正比,通过用施加磁场前后信号幅值的均值比与磁场的变化关系实现对磁场的传感检测。经过实验验证,信号的幅值在1%浓度的磁流体中衰减明显,薄膜厚度为0.5 mm,减小了薄膜的制作难度。在实验结果中对5.02 mt到19.112 mt磁场强度范围内的均值比进行线性拟合,相对误差最小为0.17%。

基于深度学习的弱反馈自混合干涉信号滤波方法

采集激光自混合干涉信号的过程中会受到环境和电路噪声的干扰,导致信号失真。为了去掉噪声,最大限度保留原信号特征,提出了基于深度学习的自混合干涉滤波方法,该方法适用于弱反馈条件。使用自编码器作为神经网络,用加入噪声的信号作为输入,未加噪声的信号作为输出来训练网络。仿真结果表明:该方法处理含噪声自混合干涉信号时不仅能提高含噪声信号的信噪比,还能很好地保留干涉条纹的波形特征,即条纹的倾斜方向。实验中,使用深度学习方法滤波,再用条纹计数法进行位移重构,结果表明该方法对弱反馈条件下的自混合干涉信号有较好的滤波效果。

正弦相位调制的固体激光自混合干涉振动测量

基于正弦相位调制的激光自混合干涉技术,实现了扬声器表面、白纸等粗糙表面微小振动的精密测量。选用532nm固体激光器作为激光光源,基于电光调制器实现激光的正弦相位调制,相应的调制频率为251kHz。通过混频器/滤波器电路,从正弦相位调制的自混合干涉光学条纹中分别提取由位移变化导致的高信噪比正弦和余弦函数激光功率振荡信号,并进一步获得由于位移变化导致的激光相位变化。因此,可以从激光的相位变化中高效率计算出外部目标的振动与位移。通过与一精度为50nm的精密位移平台进行对比测量,两种仪器的测量结果吻合良好,实验验证了本文中激光自混合干涉仪的性能。文章的新技术可以为高精度低频微振动、微位移测量提供可靠的技术支持。

基于激光自混合干涉技术实现微小振动测量的研究

提出搭建新型激光自混合干涉系统,利用激光自混合干涉效应,选用窄线宽低噪声线偏振固体激光器作为光源,增加EOM电光调制晶体,引入电光正交调制解调算法。实验和理论分析表明,激光自混合干涉能够实现弱反馈下的振动测量,且新搭建的自混合系统结构简单,操作方便,易实现小型化;电光正交调制解调算法解决了反解卷的跃变点迁移问题,提高了信号处理速度和测量的实时性。因此电光调制解调的激光自混合干涉仪,能够克服靶镜对于干涉仪应用场景的限制,实现非合作表面微小振动的纳米级高精度的实时测量。

基于激光自混合干涉的测距目标振动监测分析

为防范顶板松动、断裂等危险,需要对煤矿巷道、涵洞和隧道的顶底板距离及两帮之间的距离或接近程度进行动态监测。常规激光测距传感器容易受到外部因素的干扰,特别是由目标振动造成的信号频谱展宽,严重影响监测精度。针对上述问题,设计了基于激光自混合干涉的测距系统,能够通过监测目标的振动来实现测距误差的补偿。仿真结果表明:实际位移与设定参数之间显示相同的变化规律,幅值偏差表现出波动变化特征;对相位信号进行余弦转换,再对其频谱测试,经过补偿处理后可对信号频谱展宽起到显著的抑制作用。用扬声器模拟振动,实验结果表明:补偿后的信号形成了良好的相位线性度,有效避免了振动对信号频谱的展宽,实现了测距精度的显著提升。由于该系统无需重新匹配激光器的性能,可以满足较大范围的测试需求,同时光路组件相对简单,满足煤矿巷道等复杂环境的测试需求。

基于小波阈值滤波和S-G滤波相结合的激光自混合干涉微位移重构

在半导体激光器自混合干涉(SMI)微位移测量中,相位信息的准确提取对于位移的高精度重构至关重要。然而,测量噪声会对SMI信号引入相位误差,位移重构精度较低。针对信号去噪问题,小波阈值去噪算法能够滤除多数信号的噪声,但该算法在SMI信号去噪中存在局部振荡的问题,使得去噪后的自混合干涉信号中出现新的干扰峰,最终识别到的干扰峰会产生错误的位移重构。提出一种基于小波阈值滤波和SavitzkyGolay(S-G)滤波相结合的SMI信号处理算法。该算法通过引入S-G滤波算法,从全局上平滑处理相位跳变点的噪声,解决了只是采用小波去噪算法而引起SMI信号的局部振荡问题。位移重构实验结果表明,基于小波阈值结合S-G滤波算法的激光自混合干涉重构信号消除了振幅处和相位跳变点之间的高频噪声,重构位移曲线保持了振动物体的原始波形特征。

激光自混合测速实验装置精度研究

本文对所研制的半导体激光自混合测速系统在4.06~475.3mm/s的速度范围内获得了1%左右的速度精度进行了报道。同时,我们针对激光自混合测速系统的试验装置对速度测量精度进行系统研究,重点讨论了激光光谱谱宽、速度分布、散斑、电子学线路对多普勒信号展宽的影响。分析结果表明,散斑信号在待测速度较小时所造成的多普勒信号展宽是激光自混合测速系统测速精度下降的主要原因。采用提高采样时间以及改进电子学处理系统的方式,是提高激光自混合测速系统精度的一个较好途径。

自混合干涉微位移传感器

有许多测量微位移的光干涉方法 ,然而难以实现结构紧凑、价格低的测量系统 ,因为这些传统干涉方法都需要许多光学元器件。提出用激光自混合干涉术测量微位移 ,分析和讨论了自混合干涉信号的产生和处理方法 ,用快速傅立叶变换(FFT)相位探测技术分析自混合干涉信号 ,可提高相位测量精度。提出的传感器可以用于亚微米级位移的测量和控制 ,并给出了

全相位谱分析在自混合干涉位移测量中的应用

提出基于全相位谱分析的自混合干涉信号处理方法,用于减小激光自混合干涉位移测量的误差。首先,基于三镜法布里-珀罗腔模型介绍了自混合干涉系统的数学模型,分析了自混合干涉信号的产生机理和特性。然后,研究了弱反馈条件下自混合干涉位移测量方法,采用全相位谱分析算法进行相位测量,重构外部反射体位移曲线;讨论了信号处理算法原理并进行了算法仿真。最后,进行自混合干涉位移测量实验,并给出压电陶瓷位移测量实验结果。结果表明,全相位谱分析算法可将自混合干涉位移测量误差减小到4.4nm;应用全相位谱分析算法分析自混合干涉信号,可在不增加外部光学元件的前提下将位移测量误差减小到纳米量级。

基于垂直腔面发射半导体激光器的自混合测速实验

针对激光自混合速度传感应用,采用新型垂直腔面发射激光器作为自混合干涉系统光源,对采用不同散射表面类型和工作电流所获得的自混合测速实验结果进行了研究。研究结果表明,黑色相纸材质的散射表面会对自混合信号产生不利影响;选择激光器的工作电流在阈值电流1~1.4倍时能获得较大且稳定的自混合信号。考虑该测速系统实际应用中存在开机预热时间,讨论了激光自混合系统的开机重复度。结果表明,开机后17 s左右,频率计计量的多普勒频率趋于准确和稳定。此研究结果可为垂直腔面发射半导体激光器自混合测速系统的光源选择和参数优化提供指导。

光反馈自混合干涉信号预处理方法

为了提高参数估计的精确度,根据光反馈自混合干涉信号的特点,采用对原始光反馈自混合实验信号进行滤波和归一化等预处理方法,有效地滤除了噪声,使信号平坦化,而且预处理后的实验信号与理论模型仿真数据更加吻合。分别利用原始实验信号和预处理后的信号对参数进行估计,比对结果表明,使用预处理后的光反馈自混合信号进行参数估计,线宽展宽因数和光反馈水平因子C的测量精度分别提高了5.52%和4.55%。

基于激光自混合干涉法的微振动测量

激光自混合干涉法由于其测量精度高、光路简单、准直性好等优点,十分适合于微小振动的测量.然而在测量微振动时,由于被测目标振幅微小且大多情况下其表面反射系数很低,造成测量信号的幅值较小以及光反馈导致的信号波形倾斜不明显,给测量信号解调带来了很大难度.在自混合干涉光路中添加一个预反馈镜,构成带预反馈的干涉光路系统,可将测量信号增强2~4倍.同时,推导"基频-极值点判定算法"的频率幅值解调公式,建立了模型算法,实现自混合干涉信号的解调.理论分析和实验表明,频率测量的误差小于2.5%,振幅测量的误差小于5%.

激光自混合干涉角度测量参数优化及旋转方向判别

对反射旋转体引起聚焦激光自混合干涉信号位相与旋转角度的非线性关系进行了研究,提出了一个实验参数的优化方法来降低该非线性效应引起的非线性角度测量误差。重新评估了自混合干涉角度测量在测量范围扩大后的物理近似条件,从理论上分析了实验参数给角度测量带来的误差影响并进行了模拟仿真,提出了利用该非线性关系判别反射体旋转方向的方法。最后,进行了激光自混合干涉角度测量实验并给出若干个实验参数条件下分别得到的角度测量结果。实验结果表明,实验参数优化后,角度测量误差大幅减少;在最优情况下,比未优化方法的测量精度提升了一个数量级,可达10-5 rad,证明了提出的实验参数优化方法和反射体旋转方向判别方法的有效性。实验结果还显示,使用提出的方法在提高测量范围的同时仍能进行高精度的角度测量,从而进一步拓宽了基于反射体旋转引起的激光自混合干涉效应的应用范围。

垂直偏振态He-Ne激光自混合干涉的实验研究

从实验上研究了频率分裂激光器中偏振态相互垂直的o光和e光的自混合干涉现象 ,因为o光和e光之间的模竞争效应 ,所以在o光和e光的反馈曲线中 ,最大值和最小值相互对应 ,在一个周期中 ,最大值出现的次数是一般反馈曲线的 2倍 ,幅值的变化也是一般反馈曲线的

高精度宽测速范围精确方向判别单模VCSEL自混合LDV

单模VCSEL(Vertical cavity surface emitting laser)激光器自混合LDV(Laser Doppler veloci- tymeter)系统的温度特性和外腔长度L_(ext)(激光器前腔镜到目标散射面之间的光程)可变范围优于多模激光器LDV系统。应用差频模拟锁相环信号处理技术,明显提高了单模VCSEL自混合LDV测速精度和测速动态范围.用多普勒频移f_d的分频跟踪三角波电流调制技术,提高了运动方向判别的精度和动态范围.实验结果表明,在外腔长度为30mm±3mm、温度为0℃～55℃、采样时间0.1s、激光器无温控的条件下,分辨率优于0.2%;在测速范围为30～480mm/s的条件下,测速精度优于1%;在速度范围为5～480mm/s的条件下,测速精度优于2%.在电源电压为5V时,正向运动方向指示电平大于4.9V,反向运动方向指示电平小于0.1V.

单模VCSEL激光自混合测距精度的提高

单模VCSEL激光自混合测距具有测距精度高、功耗低和结构简单等优点。对单模VCSEI。进行了大频偏的三角波电流调制，应用差频模拟锁相环处理自混合拍频信号，明显减小了拍频信号在三角波拐点处固相位突变、波形周期不等以及波形的调幅干扰和失真等因素造成的影响。实验结果表明，提高了测距精度和动态范围。室温下，在单模VCSEL输出功率0．7mW，波长850nm，调制三角坡的频率1．3kHz，幅度0．4Vrms，采样时间0．1S，散射面为粗糙金属片的条件下，测距范围达到50～500mm，测距精度达到2mm，分辨率优于2mm。

一种半导体激光自混合效应模型参数的测量方法

从半导体激光自混合干涉系统的一般模型公式出发,建立了一个非线性函数模型,利用非线性最小二乘法的曲线拟合,来估计半导体激光自混合效应的模型参数———线宽展宽因数和光反馈因数。经计算仿真分析表明,该算法有较好的收敛性,迭代次数少且参数估计精度高,是半导体激光自混合效应参数测量的一种有效方法。

利用自混合干涉效应的条纹计数法对扬声器振动特性的实验研究(英文)

基于半导体激光器的自混合干涉效应,通过实验研究了扬声器的振动特性。实验中,用粘在扬声器振膜上的反射镜作为目标物体(该反射镜的反射率为95%,扬声器用50 Hz的正弦波驱动),然后通过条纹计数法获得扬声器的振幅。实验结果表明,在一定范围内,扬声器的振幅与驱动电压呈线性关系。该实验装置极其简单紧凑,自混合干涉信号也十分清晰,实验方法迅速,价格低廉,易实现,而且不需要专用电源,也不需要其他的光学仪器,这一系列优点充分表明自混合干涉技术在振动测量领域具有广阔的发展前景。

半导体激光器自混合干涉绝对测距理论研究

本文采用半导体激光器的双镜腔等效模型，对基于自混合干涉效应的半导体激光绝对测距理论进行了研究，推导出完整的数学模型，与已取得的实验结果相吻合。在此基础上，提出了一种新的采用参考技术的绝对测距方法，理论分析表明，该方法可以提高系统的测距精度和抗干扰能力。对促进系统实用化具有重要意义。