留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

飞秒光频梳基于鉴相信号处理实现速度测量

薛彬,  赵拓,  吴翰钟,  张凯,  王志洋,  游画

downloadPDF
文章导航 > 红外与激光工程  > 2018 >  47(2): 206002-0206002(8)
薛彬, 赵拓, 吴翰钟, 张凯, 王志洋, 游画. 飞秒光频梳基于鉴相信号处理实现速度测量[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(2): 206002-0206002(8). doi: 10.3788/IRLA201847.0206002
引用本文: 薛彬, 赵拓, 吴翰钟, 张凯, 王志洋, 游画. 飞秒光频梳基于鉴相信号处理实现速度测量[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(2): 206002-0206002(8). doi: 10.3788/IRLA201847.0206002
shu
Xue Bin, Zhao Tuo, Wu Hanzhong, Zhang Kai, Wang Zhiyang, You Hua. Speed measurement using femtosecond optical frequency comb based on phase signal processing[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(2): 206002-0206002(8). doi: 10.3788/IRLA201847.0206002
Citation: Xue Bin, Zhao Tuo, Wu Hanzhong, Zhang Kai, Wang Zhiyang, You Hua. Speed measurement using femtosecond optical frequency comb based on phase signal processing[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(2): 206002-0206002(8). doi: 10.3788/IRLA201847.0206002
shu

飞秒光频梳基于鉴相信号处理实现速度测量

doi: 10.3788/IRLA201847.0206002
  • 1.

    天津大学 海洋科学与技术学院,天津 300072

基金项目: 

国家自然科学基金（61505140）

详细信息
    作者简介:

    赵拓(1993-),男,硕士生,主要从事飞秒激光流速传感方面的研究。Email:tzhao@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TN249

Speed measurement using femtosecond optical frequency comb based on phase signal processing

  • 1.

    School of Marine Science and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China

  • 摘要: 以激光测速为基础，引入飞秒光频梳，通过鉴相信号处理，研究出了一种高精度的测速方法，理论测量下限低至m/s量级。文中详细分析了飞秒光频梳经运动目标反射后梳齿相位发生变化的原理，建立了较为全面的数学模型并使用MATLAB软件进行了仿真。采用快速傅里叶变换方法对仿真测量信号相位信息进行提取并处理，分别对m/s、mm/s和m/s量级速度值进行了测量，理想情况下测量误差在1 m/s以下。同时，还对做任意运动的目标进行了测量仿真实验，结果表明文中方法还可以还原目标的运动状态。最后搭建了实验装置对mm/s量级的速度进行测量，测量相对误差均在4%以内，验证了此方法的可行性。
    Abstract: Based on laser speed measurement, a method for high-accuracy speed measurement was developed by using femtosecond optical frequency comb based on the phase signal processing. The low speed measurement limit is m/s level theoretically. The principle of phase changing was analyzed in detail, and a comprehensive model was established and simulated with MATLAB. The phase information of simulated measurement signals were processed by fast Fourier transform, and the speeds of m/s, mm/s and m/s were measured respectively. Ideally, the measurement error was below 1 m/s. In addition, arbitrary movement targets can be measured through the model. The movement state of target was restored with this method. The experiment was conducted to measure the speed of mm/s, and the relative errors were all within 4%. The results show that high-accuracy speed measurement can be achieved by using this method.
  • [1] Zhang Yanyan, Gong Ke, He Shufang, et al. Progress in laser Doppler velocity measurement techniques[J]. Laser Infrared, 2010, 40(11):1157-1162. (in Chinese)张艳艳, 巩轲, 何淑芳, 等. 激光多普勒测速技术进展[J]. 激光与红外, 2010, 40(11):1157-1162.
    [2] Zhou Jian, Wei Guo, Long Xingwu. Research on direction discrimination and low-speed measurement for laser Doppler velocimeter[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(3):632-638. (in Chinese)周健, 魏国, 龙兴武. 激光多普勒测速仪方向辨别及低速测量的研究[J]. 红外与激光工程, 2012, 41(3):632-638.
    [3] Li Yan, Wang Haiwen, Guo Hui. Application of Pitot-tube method in the flow field calibrations of low speed water tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2009, 23(3):104-107. (in Chinese)李岩, 王海文, 郭辉. 皮托管测速技术在低速水洞流场校测中的应用[J]. 实验流体力学, 2009, 23(3):104-107.
    [4] Wu Lizhi, Chen Shaojie, Ye Yinghua, et al. Photonic Doppler velocimetry used for instant velocity measurement of high-speed small flyer[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(12):263-267. (in Chinese)吴立志, 陈少杰, 叶迎华, 等. 用于瞬态高速飞片速度测量的光子多普勒测速系统[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(12):263-267.
    [5] Liu You, Yang Xiaotao, Ma Xiuzhen. Technique of flow field measurement based on laser Doppler velocimetry[J]. Laser Infrared, 2012, 42(1):18-21. (in Chinese)刘友, 杨晓涛, 马修真. 基于激光多普勒测速的流场测试技术[J]. 激光与红外, 2012, 42(1):18-21.
    [6] Li Xiuming, Huang Zhanhua, Zhu Meng. Differential laser Doppler system with expanded beams for velocity measurement[J]. Optics Precision Engineering, 2013, 21(5):1102-1109. (in Chinese)李秀明, 黄战华, 朱猛. 扩展光束型激光多普勒速度测量系统[J]. 光学精密工程, 2013, 21(5):1102-1109.
    [7] Sharpe J P. A phase-stepped grating technique for frequency shifting in laser Doppler velocimetry[J]. Optics Lasers in Engineering, 2007, 45(11):1067-1070.
    [8] Fu Y, Guo M, Phua P B. Spatially encoded multibeam laser Doppler vibrometry using a single photodetector[J]. Optics Letters, 2010, 35(9):1356-1358.
    [9] Czarske J W. Laser Doppler velocimetry using powerful solid-state light sources[J]. Measurement Science and Technology, 2006, 17(7):R71.
    [10] Kuang Z, Cheng L, Liang Y, et al. Dual-polarization fiber grating laser-based laser Doppler velocimeter[J]. Chinese Optics Letters, 2016, 14(5):10-13.
    [11] Bai Y, Ren D, Zhao W, et al. Heterodyne Doppler velocity measurement of moving targets by mode-locked pulse laser[J]. Optics Express, 2012, 20(2):764-768.
    [12] Maru K, Watanabe K. Cross-sectional laser Doppler velocimetry with nonmechanical scanning of points spatially encoded by multichannel serrodyne frequency shifting[J]. Optics Letters, 2014, 39(1):135-138.
    [13] Wei Zhiyi. The 2005 Nobel prize in physics and optical frequency comb techniques[J]. Physics, 2006, 35(3):213-217. (in Chinese)魏志义. 2005年诺贝尔物理学奖与光学频率梳[J]. 物理, 2006, 35(3):213-217.
    [14] Wang Guochao, Yan Shuhua, Yang Jun, et al. Analysis of an innovative method for large-scale high-precision absolute distance measurement based on multi-heterodyne interference of dual optical frequency combs[J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(7):100-110. (in Chinese)王国超, 颜树华, 杨俊, 等. 一种双光梳多外差大尺寸高精度绝对测距新方法的理论分析[J]. 物理学报, 2013, 62(7):100-110.
    [15] Wu Xuejian, Li Yan, Wei Haoyun, et al. Femtosecond optical frequency combs for precision measurement applications[J]. Laser Optoelectronics Progress, 2012, 49(3):030001. (in Chinese)吴学健, 李岩, 尉昊赟, 等. 飞秒光学频率梳在精密测量中的应用[J]. 激光与光电子学进展, 2012, 49(3):030001.
  • [1] 张欣雨, 蒋莉莉, 宋冉, 张治军, 李冰冰, 苏娟, 吴锜.  632 nm FMCW激光雷达在水汽环境中测速与测距的应用 . 红外与激光工程, 2024, 53(3): 20240093-1-20240093-4. doi: 10.3788/IRLA20240093
    [2] 夏迪, 赵佳鑫, 吴家越, 王自富, 张斌, 李朝晖.  硫系集成光频梳（特邀） . 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20220312-1-20220312-9. doi: 10.3788/IRLA20220312
    [3] 李基隆, 段向阳, 范忱, 吕凯林, 宗柏青.  面向6G的全频段实时傅里叶变换技术研究（特邀） . 红外与激光工程, 2021, 50(7): 20211055-1-20211055-7. doi: 10.3788/IRLA20211055
    [4] 谭腾, 姚佰承.  新型功能化光纤微腔光频梳 . 红外与激光工程, 2021, 50(5): 20211025-1-20211025-2. doi: 10.3788/IRLA20211025
    [5] 陈豪敬, 肖云峰.  集成微腔光频梳在精密测量中的应用（特邀） . 红外与激光工程, 2021, 50(11): 20210560-1-20210560-5. doi: 10.3788/IRLA20210560
    [6] 张敏娟, 刘文敬, 王志斌, 徐美芳, 张瑞, 李春阳.  弹光调制器的频率漂移特性及其傅里叶变换光谱的稳定性研究 . 红外与激光工程, 2020, 49(10): 20200019-1-20200019-8. doi: 10.3788/IRLA20200019
    [7] 杨久琪, 董涛, 陈丁, 倪晋平, 开百胜.  基于主动光幕阵列静爆试验破片速度测量方法 . 红外与激光工程, 2020, 49(1): 0113003-0113003(7). doi: 10.3788/IRLA202049.0113003
    [8] 刘子骥, 赵晟晨, 赵征庭, 李聿达, 郑兴, 张磊.  非制冷红外焦平面阵列器件的热时间常数测试方法 . 红外与激光工程, 2019, 48(12): 1204003-1204003(8). doi: 10.3788/IRLA201948.1204003
    [9] 赵力杰, 周艳宗, 夏海云, 武腾飞, 韩继博.  飞秒激光频率梳测距综述 . 红外与激光工程, 2018, 47(10): 1006008-1006008(16). doi: 10.3788/IRLA201847.1006008
    [10] 杨敏珠, 邹曜璞, 张磊, 韩昌佩.  傅里叶变换光谱仪探测器非线性的影响及其校正方法 . 红外与激光工程, 2017, 46(10): 1023001-1023001(7). doi: 10.3788/IRLA201790.1023001
    [11] 郝文泽, 胡雄, 徐轻尘, 宋亮, 吴小成, 王鑫.  利用微波调制激光技术测速的实验研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(3): 306002-0306002(5). doi: 10.3788/IRLA201746.0306002
    [12] 陆安江, 张正平, 白忠臣, 陈巧, 秦水介.  电热式微机电系统微镜傅里叶变换红外光谱仪 . 红外与激光工程, 2016, 45(5): 520007-0520007(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0520007
    [13] 吴立志, 陈少杰, 叶迎华, 沈瑞琪, 刘卫.  用于瞬态高速飞片速度测量的光子多普勒测速系统 . 红外与激光工程, 2016, 45(12): 1217001-1217001(5). doi: 10.3788/IRLA201645.1217001
    [14] 刘常杰, 刘洪伟, 郭寅, 刘邈, 张宾, 叶声华.  基于扫描激光雷达的列车速度测量系统 . 红外与激光工程, 2015, 44(1): 285-290.
    [15] 殷世民, 梁永波, 朱健铭, 梁晋涛, 陈真诚.  傅里叶变换红外成像光谱仪实时光谱复原FPGA芯片系统研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(12): 3580-3586.
    [16] 李相贤, 罗桂山, 徐亮, 高闽光, 童晶晶, 魏秀丽, 刘娜.  Δ13CO2值傅里叶变换红外光谱检测标准尺度校准方法 . 红外与激光工程, 2015, 44(10): 2959-2964.
    [17] 张珂卫, 汪伟, 赵卫, 谢小平.  基于FFT和多重信号分类算法的高精度相干光相移键控信号频率偏移估计算法研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(5): 1593-1597.
    [18] 刘大畅, 付跃刚, 张运方, 李慧, 段靖远.  用于表面等离子体共振的加窗傅里叶变换法信号处理方法 . 红外与激光工程, 2014, 43(8): 2752-2756.
    [19] 张明月, 章家保, 杨洪波.  空间傅里叶变换红外光谱仪动镜速度稳定性研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(4): 1240-1246.
    [20] 宋俊玲, 洪延姬, 王广宇, 潘虎.  基于激光吸收光谱技术的超声速气流参数测量 . 红外与激光工程, 2014, 43(11): 3510-3515.
  • 加载中
WeChat 点击查看大图
计量
  • 文章访问数:  503
  • HTML全文浏览量:  70
  • PDF下载量:  68
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-08-11
  • 修回日期:  2017-10-10
  • 刊出日期:  2018-02-25

飞秒光频梳基于鉴相信号处理实现速度测量

doi: 10.3788/IRLA201847.0206002
  • 1. 天津大学 海洋科学与技术学院,天津 300072
    • 作者简介:

    赵拓(1993-),男,硕士生,主要从事飞秒激光流速传感方面的研究。Email:tzhao@tju.edu.cn

  • 收稿日期: 2017-08-11
  • 修回日期: 2017-10-10
  • 刊出日期: 2018-02-25
基金项目:

国家自然科学基金（61505140）

  • 中图分类号: TN249

摘要: 以激光测速为基础，引入飞秒光频梳，通过鉴相信号处理，研究出了一种高精度的测速方法，理论测量下限低至m/s量级。文中详细分析了飞秒光频梳经运动目标反射后梳齿相位发生变化的原理，建立了较为全面的数学模型并使用MATLAB软件进行了仿真。采用快速傅里叶变换方法对仿真测量信号相位信息进行提取并处理，分别对m/s、mm/s和m/s量级速度值进行了测量，理想情况下测量误差在1 m/s以下。同时，还对做任意运动的目标进行了测量仿真实验，结果表明文中方法还可以还原目标的运动状态。最后搭建了实验装置对mm/s量级的速度进行测量，测量相对误差均在4%以内，验证了此方法的可行性。

English Abstract

    全文HTML

参考文献 (15)

目录

    /

    返回文章
    返回

    版权所有 © 2019 《红外与激光工程》编辑部｜ 地址: 天津市空港经济区中环西路58号｜ 邮政编码: 300308

    津ICP备19007885号-1

    本系统由 北京仁和汇智信息技术有限公司 开发    百度统计