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光子学报 2019年第12期48卷 97-103页

作者：景亚冬王可宁冯嘉双张雄星王伟西安工业大学光电工程学院西安710021 陕西省组合与智能导航重点实验室西安710068

针对激光多普勒加速度测量系统信号信噪比较差的问题,提出了一种采用数字相关鉴相算法进行加速度解调的方法.使用数字相关鉴相算法计算激光多普勒加速度测量系统中两路干涉信号的相位差,再由相位差的变化率来计算目标加速度,从而实现运... 详细信息

针对激光多普勒加速度测量系统信号信噪比较差的问题,提出了一种采用数字相关鉴相算法进行加速度解调的方法.使用数字相关鉴相算法计算激光多普勒加速度测量系统中两路干涉信号的相位差,再由相位差的变化率来计算目标加速度,从而实现运动物体加速度的连续测量.仿真结果表明:该算法在信噪比为20 dB时,加速度测量的误差为0.135 m/s^2,分辨率为7.3×10^-3 m/s^2.搭建了激光多普勒加速度测量系统,对压电陶瓷振荡器的加速度进行测量,加速度的测量误差为0.13 m/s^2.测量结果表明,该算法能够有效减少随机噪声的干扰,提高加速度的测量精度.

关键词：光学相干加速度测量数字相关鉴相多普勒效应相位解调

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激光多普勒加速度测量方法研究

激光多普勒加速度测量方法研究

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作者：景亚冬西安工业大学

学位级别：硕士

光纤加速度计相比于电学加速度计,具有体积小、质量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点,可以广泛应用于各种恶劣条件下运动物体加速度的测量,拥有较高的测量精度,在近些年应用广泛。但由于常用的光纤加速度计多属于接触式测量,需要将敏感单... 详细信息

光纤加速度计相比于电学加速度计,具有体积小、质量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点,可以广泛应用于各种恶劣条件下运动物体加速度的测量,拥有较高的测量精度,在近些年应用广泛。但由于常用的光纤加速度计多属于接触式测量,需要将敏感单元固定在运动物体表面,必然干扰物体运动,尤其对于运动物体小加速度的测量极为不利,因此,本文提出了一种基于激光多普勒效应的新型非接触式光纤加速度计,该加速度计根据运动物体两个相近时刻多普勒频移的差值计算加速度。本文具体研究内容主要包括以下几个方面:1.介绍了激光多普勒效应,对利用激光多普勒效应测量运动物体速度的过程进行了理论分析与公式推导,得到了速度与多普勒频移的关系式;描述了外差式激光多普勒测量系统的工作原理,提出了利用激光多普勒效应进行运动物体加速度测量的具体方案,设计了全光纤激光多普勒加速度测量系统,推导出了运动物体加速度的计算公式。2.根据全光纤激光多普勒加速度测量系统输出信号的特征设计了对应的硬件电路,由于系统输出信号光功率小,信噪比差,无法直接解调,因此,先是采用信号调理电路中的光电二极管将光信号转换为电流信号,再对电流信号进行跨阻放大并引入偏置电压,之后将所得电压信号输入模数转换电路以数字信号输出,输出信号进入包含解调算法的FPGA控制电路进行解调,解调结果通过网口通信电路传输到上位机进行显示,最终完成加速度的测量。3.对常用的多普勒信号解调算法的原理进行分析,总结了它们的优缺点,提出利用数字相关鉴相算法进行加速度信号的解调,并进行了理论分析。将数字相关鉴相算法用于加速度信号的解调,不仅解决了多普勒信号信噪比较低的问题,还通过直接计算得到运动物体不同时刻之间的相位差,从而避免了分别计算相位可能引入的额外误差。4.对全光纤激光多普勒加速度测量系统进行仿真分析和实验验证,先是以压电陶瓷振荡器作为运动物体,利用数字相关鉴相算法对其加速度解调过程进行仿真分析,在信噪比20d B时加速度的解调误差最大,为0.135m/s,随着信噪比增大,解调误差不断减小,之后搭建了全光纤激光多普勒加速度测量系统进行实验验证,对压电陶瓷振荡器在不同加速度下进行测量,其最大测量误差为-3.7660%,测量范围可以达到0.115-6.41×10m/s。全光纤激光多普勒加速度测量系统可以用于运动物体加速度的非接触式测量,具有较高的测量精度和测量稳定性,在低信噪比运动物体加速度的高精度测量等研究领域具有一定的应用前景。

关键词：激光多普勒效应光外差探测加速度测量数字相关鉴相

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