基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量,且测量过程无需合作目标,在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值.而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点.本文研究了调频连续波激光测距的原理,基于双光路调频连续波激光测距系统,提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案,该方案可以提高测距分辨率,且可以降低对激光器的性能要求;提出了可实现高速测量的简易测量方法.设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统,利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验,实验结果表明:优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率,在26 m测量范围内,测距分辨率达到了50μm,测距误差不超过100μm;快速测量方案有较高实用价值.

调频连续波激光雷达测距系统仿真

阐述调频连续波激光雷达测距原理,通过实验对比距离分辨率、栅栏效应和随机误差对调频连续波激光雷达测距误差大小的影响,探讨调频连续波激光雷达的测距系统在不同距离下的测距精度。

调频连续波激光引信回波特性仿真分析

调频连续波(FMCW)激光引信相比于脉冲激光引信具有较强的抗干扰能力,但仍会受到云雾的影响,主要表现为后向散射回波引起虚警,同时云雾粒子的散射和吸收作用导致激光能量衰减。为研究FMCW激光引信的回波特性,基于激光探测原理和Mie散射理论,建立激光引信探测的蒙特卡洛仿真模型;在激光引信和目标均处于云雾中的情况下,对激光引信的回波进行仿真,得到了不同能见度下的FMCW激光引信回波信号,分析了云雾能见度对FMCW激光引信回波信号的影响。该仿真方法可应用于FMCW激光引信抗云雾干扰方面的参数优化设计。

基于连续线性调频激光器的测距方法

提出了一种基于线性调频激光器的外差测距实验理论,设计了一个较为具体的测距方案,利用延时光纤将两束特性相同、但进行了延时的线性调频激光进行混频,测出其拍频后的频率值,进而得到其中包含的频率信息,并用Matlab-Simulink仿真对此方案进行了仿真测试和实际光纤延时验证,通过模拟线性调频信号和线性调频外差测距的实验过程,分别对300、600、900 m处的线性调频激光回波信号和本振信号进行外差拍频,得到相应的拍频值,其结果与理论计算结果基本吻合。

调频连续波激光引信云雾回波特性仿真

调频连续波(FMCW)激光引信相比于脉冲激光引信具有较强的抗干扰能力,但仍会受到云雾的干扰。为研究FMCW激光引信系统参数对云雾回波特性的影响,利用FMCW激光引信探测模型,对激光引信在不同收发间距、激光波长以及相对云雾位置条件下的云雾回波特性进行仿真。仿真结果表明:FMCW激光引信的收发间距和激光波长会对云雾回波特性产生明显影响,收发间距越大,在可见光波段和近红外波段的激光波长越短,云雾后向散射越弱。所得的仿真结果可为FMCW激光引信抗云雾干扰方面的优化设计提供参考。

单激光器复用法提高调频连续波激光测距分辨率

可调谐激光器的调制线性度和调制范围是限制调频连续波激光测距测量分辨率的主要因素.利用单个调制范围较小的可调谐激光器对单个目标进行调频连续波激光测距时,对目标进行多次测量,再将经过等光频间隔采样的信号进行信号融合可以达到提高测量分辨率的目的.该方法可以有效降低调频连续波激光测距对激光器调制范围的要求,且容易实现、系统组成简单,有利于将调频连续波激光测距引入工业大尺寸测量、空间技术、测绘等领域.

高精度双干涉光路调频连续波激光绝对测距系统

调频连续波激光测距具有无盲区、非接触测量和绝对测距等优点,但是由于可调谐激光器光频率调制非线性对其测量精度的影响,限制了调频连续波激光测距在精密测量领域中的应用。针对调频连续波激光测距中测距精度受到激光器光频率调制非线性的影响,提出了双干涉光路调频连续波激光测距方法,利用两个干涉系统得到的干涉条纹数量的比值计算得到被测目标的距离,消除了激光器光频率调制非线性对测距精度的影响,实现了65μm的测量分辨率和15μm的重复测量精度。该方法无需对激光的波长进行测量,也无需对激光器进行锁频,系统组成简单,在工业大尺寸测量、空间技术、测绘等领域有着广阔的应用前景。

激光调频连续波测距的精度评定方法研究

基于双光纤光路等光频重采样原理,提出了一种距离精度的评定方法.通过推导噪声背景下等光频重采样信号中距离参量的克拉美-罗下边界,得到了影响系统测距精度的两个重要因素:信噪比和扫描带宽,并进行了实验验证.实验表明,该评价方法并不会受到任何距离估算方法的影响,根据此方法可以选择一个最优的距离估算方法.通过对两个影响精度的因素进行仿真分析可知,在扫描带宽为2.2 nm时,若将测量光路的信噪比提升至70 dB以上,系统可获得低于10μm的测距精度.该精度评定方法可为后续改善调频连续波测距系统性能提供理论参考.

基于相位拼接的调频连续波激光雷达跳模影响消除方法

为了消除激光跳模对调频连续波激光测距的影响,提出了一种基于重采样信号相位拼接的跳模影响消除方法。该方法利用重采样信号相位展开求导的结果来定位激光跳模发生的时间,并对重采样信号跳模处两端的峰值进行相位拼接来去除跳模段的重采样信号。通过对相位拼接后的重采样信号进行Chirp-Z变换可以得到不受激光跳模影响的目标距离谱。系统对光程约为21.16m的延时光纤进行多次测量,实验效果证明此方法可以消除调频激光跳模对距离测量的影响,并实现了12μm的测距标准差。

基于气体池信号拼接的高精度调频连续波激光测距

在双光路调频连续波激光测距系统中,辅助光纤的长度标定精度直接影响了系统的测距精度。提出一种基于氰化氢气体池信号拼接的辅助光纤标定方法,通过提高辅助光纤标定精度进而提高系统测距精度。深入研究了基于氰化氢气体池标定方法的原理,为减小数据采集系统负担,利用信号拼接的方法进行改进。实验表明,与传统激光干涉仪的光纤标定方法相比,基于气体池拼接的标定方法具有更高的稳定性,同时,在3.8 m测量范围内,采用该标定方法的测距系统与干涉仪标准距离值误差不超过14μm,测量标准差低于17μm。

调频连续波激光雷达技术进展

调频连续波激光雷达将调频连续波测距与激光探测技术相结合,具有测距范围大、距离分辨率高、可进行多普勒测速、有利于片上集成等优点。本文首先对调频连续波激光雷达的测量原理进行分析。随后,根据光源不同将调频连续波激光雷达分为三类,分别对其技术特点和研究现状进行阐述。最后,对目前调频连续波激光雷达的前沿应用进行了简单介绍。

基于激光调频连续波正反向调谐色散对消方法

为了减小宽带激光调频连续波测量中的色散失配效应,提出了一种外腔可调谐激光器正、反向调谐消除色散失配的方法。当外腔可调谐激光器与光纤光路结合时,系统将产生色散失配效应,表现为目标信号的谱峰展宽和峰值偏移,测距值随调谐带宽增加而变化,导致测量不稳定。为了解决这一问题,研究了外腔可调谐激光器正、反向调谐时的系统色散失配特性,结果表明,在正反向扫频时色散趋势具有对称分布的特点,建立了正反向扫频系统色散失配模型,在此基础上提出通过外腔激光器正、反向调谐实现色散对消。该方法不需要预先标定系统的色散系数,也不需要循环迭代补偿,单次测量即可完成系统色散补偿,从而为提高色散补偿效率提供了一种思路。

气溶胶环境影响下连续波激光引信回波特性

激光引信具有定距精度高、抗电磁干扰的优点,但其易受烟尘等气溶胶粒子的干扰。基于蒙特卡洛仿真方法研究连续波激光引信在气溶胶干扰环境下回波信号特性。构建气溶胶粒子各种散射作用下连续波激光回波信号模型,包含粒子后向散射信号、经粒子散射的目标信号与目标回波信号3种类型,模型中的气溶胶消光系数和散射系数根据光子的空间位置坐标、气溶胶浓度分布和粒径分布而动态变化。分析不同浓度条件下信号时频域特性、信噪比等特性与激光波长、气溶胶粒子粒径等因素间的关系。仿真及实物实验结果表明:在气溶胶低浓度条件下,回波信号谱峰集中于与目标距离相关的频率处,并未出现干扰谱峰;当浓度超过中度条件时,既存在目标谱峰也存在干扰谱峰;达到重度干扰时,干扰谱峰则可能会强于目标谱峰;随着气溶胶浓度增加,信号信噪比降低;对于400~1100 nm波长范围的激光,粒子粒径分布在20~100μm时信噪比相对较高。

基于相位补偿的调频连续波大长度测距中的色散校正

基于调频连续波测距的原理搭建并改进了双光路调频连续波测距系统,在测量光路增加光纤延迟线使测量距离拓展到了65 m.还研究了等光频重采样中色散的影响,推导出了带有色散和光纤延迟线的重采样模型,提出了在调频连续波大长度测距中通过频率幅度来调节相位补偿系数的色散校正方法.实验表明,在45~65 m的范围内增加了光纤延迟线并且有效的校正了色散,校正色散后在65. 165 m处测距值与干涉仪测量值最大误差小于500μm,标准差为246μm,频谱分辨力高达123μm,十分接近理论分辨力.文章的研究为调频连续波大尺寸测量提供了可行性的参考.

基于激光调频连续波测距系统的频率估计研究

在调频连续波测距系统中,数据实时处理的快慢决定了系统的反应时间,当差拍信号的频率较高时,得到的数据量十分庞大,导致快速傅里叶变换所需的时间急剧增加,从而影响系统响应速度。提出一种基于中国余数定理的多频率抽样法,通过软件隔点抽样的方式来代替硬件多路欠采样,实现了对差拍信号频率精确的估计,很大程度上减少了计算的数据量,特别是在处理高频信号时,具有较大的优势。仿真结果证明了该方法的可行性,并展示了多频率抽样法在计算速度上的提升。

高分辨率调频连续波激光绝对测距研究

大空间精密测量在重大装备制造、空间科技、国防工业等方面发挥着重要作用,激光高精度绝对长度测量是大空间精密测量领域的重要研究课题.调频连续波激光测距是近年来激光绝对测距研究的热点,它克服了脉冲法测量分辨率低和相位法激光测距存在2π缠绕模糊度问题的缺点,有着测量精度高、量程大的优点.本文研究了调频连续波激光测距的原理,分析了影响其测距分辨率的主要原因,证明了利用等光频间隔采样来抑制激光调制非线性对测距结果影响的可行性.该方法可以提高测距分辨率,且系统构成简单、实用性强.搭建了光纤调频连续波激光测距系统,并加入了辅助干涉光路对测量信号进行等光频间隔采样.利用该系统进行了测距分辨率实验,实验结果表明,本系统测量分辨率可以达到50μm,测量范围达到了10m.

一种光纤调频连续波激光干涉液位传感器

提出一种基于调频连续波干涉测量技术的膜片式法布里-珀罗(F-P)腔液位传感器。根据调频连续波干涉技术液位测量体系理论制作液位传感器,搭建液位测量系统,并对其进行线性度、灵敏度和分辨率等测试。实验结果表明,调频连续波液位传感器液位测量的线性度为0.99998,液位测量的灵敏度为465 nm/mm,分辨率约为33.998 nm,对应的液位值为0.0731 mm,而且具有很好的稳定性、重复性和迟滞性。因此,所设计的调频连续波光纤液位传感器可以实现高精度且稳定的液位测量。

用于无创血糖检测的调频连续波激光雷达技术理论分析

连续无创血糖检测能够更好地实现对糖尿病的管理和治疗。提出一种利用调频连续波(FMCW)激光雷达技术实现无创血糖测量的方案,通过检测皮肤散射系数的改变来测量血糖浓度的变化。与传统的光学相干层析成像血糖检测法相比,结构更简单,利于实现仪器的小型化、便携化。FMCW激光雷达无创血糖测量系统采用差分干涉的方法,将时域的信号转移到频域,通过分析频域信号斜率来获得被测物体的散射系数。分析了频率调制信号为锯齿波的情况,建立了系统工作过程的数学模型,并讨论了激光器性能对系统分辨率的影响。利用蒙特卡罗方法对类人体组织液进行仿真,分析了不同葡萄糖浓度时信号斜率的变化。仿真结果表明,当葡萄糖浓度增大20 mmol/L时,系统信号斜率下降35%,与米氏散射理论计算值相符。最后介绍了以二氧化硅小球悬浊液作为检测样品的原理验证性实验。从实验的结果可以看出,系统信号斜率与样品散射系数成正比,初步验证了该方法的可行性。

调频连续波光纤压力传感器及其测量特性分析

为了满足压力测量中的高灵敏度、高分辨率、高可靠性等要求,本文提出了一种基于调频连续波激光干涉解调原理的高精度膜片式珐珀腔光纤压力传感器。首先推导了基于该原理的压力测量模型,然后搭建了一套测量装置,通过气泵向SUS631不锈钢膜片组成的密封腔连续给压,得出气压在0~600 kPa范围内变化时膜片中心(即珐珀腔腔长变化量)随气压变化的特性曲线;之后,测试25℃环境条件下不同压力测量值的稳定性,讨论引起腔长变化量漂移的原因;最后,在消除系统误差后得出了压力测量的分辨率。结果表明:该传感器的灵敏度为286.55 nm/kPa,分辨率为0.287 nm/Pa,压力传感器的测量随机误差呈正态分布。该调频连续波光纤压力传感器可以进行高灵敏度、高分辨率和高稳定性测量。

高精度调频连续波光纤压力传感器温度特性分析及补偿方法

针对高精度调频连续波光纤压力传感器对温度和压力交叉敏感的问题.从理论和实验分析该压力传感器的温度特性.并通过优化设计压力传感器的结构,以及采用最小二乘法对温度进行实时补偿。经过理论计算可知,当温度从25℃到65℃变化时.温度对Fabry-Perot(F-P)腔腔长的形变量为1000μm。通过优化设计F-P腔,可以使温度对F-P腔的影响降至50μm。通过实验测试结构优化后的F-P腔腔长的形变量与温度的关系,并采用最小二乘法对温度进行实时补偿。温度补偿后,F-P腔腔长的形变量从50μm降至4.5μm,有效降低对温度敏感。提高调频连续波光纤压力传感测量的可靠性和实用性。