基于激光自混合效应的多物理参数同步测量方法研究

摘要

激光自混合干涉技术具有结构简单、造价低廉及非接触测量等显著优点。随着激光自混合效应研究的深入和先进制造技术的提升，多物理参数的同步高分辨率测量，已经成为激光自混合技术和先进光学检测领域发展的重要需求之一。本文在研究多重光反馈、三角波激光调制的基础上，搭建了基于激光自混合效应的高精度光纤式的振动和角度同步测量系统、速度和位移的同步测量系统以及运动速度的二维信息同步获取系统，并进行了相关实验，主要研究工作如下
　　1.基于激光自混合效应的三镜腔理论模型，系统地分析了弱反馈条件下，激光器参数对激光自混合信号的影响，结果表明，在激光器谐振腔1-20mm长度和1.526-1.933折射率范围内，减小谐振腔的长度和有效折射率，有助于增强激光自混合效应。
　　2.提出了一种基于激光自混合效应的颗粒物粒径反演的理论方法，结合随机信号理论和计算机仿真，模拟了颗粒物后向散射光引起的激光自混合信号变化特征，系统地分析了颗粒物粒径对激光自混合信号的影响，对仿真信号的功率谱密度进行洛伦兹拟合，得到粒径在0.5-3μm范围内气溶胶粒子的反演粒径，误差小于11％。
　　3.阐述了激光自混合效应中的双重光反馈效应，通过模拟仿真和实验验证分析了双重光反馈效应的来源以及影响因素。理论和实验结果表明，激光自混合技术中的双重光反馈效应是由激光器的出射激光在外腔中两次反射引起的，两次反射光的有效强度比值和有效相位差值是双重光反馈效应程度的重要影响因素。
　　4.搭建了基于激光自混合效应的角度和振幅同步测量的单通道光纤系统，在0.990°-1.029°的角度范围和0-3000mVpp的振动范围，角度和振动测量误差分别优于12.1％和1％，测量精度可达387.5nm。
　　5.采用三角波调制方案，搭建了基于激光自混合效应的速度和位移同步测量的单通道光纤系统，分析了三角波的幅度、频率和不对称度对实验信号的影响，选择合适的调制信号。在0.016-0.47m/s的速度范围和1-23mm的位移范围，速度和位移误差分别优于5.3和9.8％。
　　6.搭建了基于激光自混合技术的双通道光纤测速系统，实现了两个通道速度的同步测量，入射角为45°时，两个通道的测速误差分别是7.3％和8.6％。通过入射光对称和垂直的测速方法，能够将测量误差分别减小为5.2％和6.8％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 激光自混合效应的研究进展

1．2．1 速度测量研究进展

1．2．2 位移测量研究进展

1．2．3 振动测量研究进展

1．2．4 角度测量研究进展

1．3 基于激光自混合技术的同步测量研究背景及主要研究内容

1．3．1 研究背景

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 主要创新点

第二章 基本理论与模拟仿真

2．1 激光自混合基本理论

2．2 激光自混合效应的影响因素

2．2．1 内腔长度

2．2．2 内腔折射率

2．2．3 激光波长

2．3 气溶胶的激光自混合理论模型

2．3．1 理论基础

2．3．2 仿真结果

2．3．2 谱密度分析

2．4 本章小结

第三章 振幅与角度同步测量

3．1 激光自混合自混合实验系统

3．1．1 系统设计

3．1．2 实验装置

3．2 振动与小角度同步测量实验系统

3．3 双重光反馈效应

3．3．1 基本原理

3．3．2 实验现象

3．3．3 理论分析

3．3．4 模拟仿真

3．4 结果与分析

3．4．1 角度测量

3．4．2 振幅测量

3．5 测量精度

3．6 本章小结

第四章 速度与位移的同步测量

4．1 激光自混合速度与位移的同步测量系统

4．1．1 实验系统

4．1．2 DFB激光器的工作特性

4．2 激光调制与测量原理

4．3 调制信号对实验现象的影响

4．3．1 幅度

4．3．2 频率

4．3．3 不对称度

4．4 结果与分析

4．4．1 速度测量

4．4．2 位移测量

4．5 本章小结

第五章 双通道激光自混合系统的速度测量

5．1 双通道速度测量系统

5．2 入射光对称双通道系统

5．3 入射光垂直双通道系统

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 未来展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果