三波长数字相位解调法解调误差及影响因素

介绍了光纤法布里-珀罗(F-P)传感器的传统解调方法,系统地推导了针对非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)传感器解调的三波长数字相位解调法的解调原理,仿真和实验分析了三波长数字相位解调法的解调误差。仿真分析结果表明,相位偏离正交关系是限制解调的最主要因素,要保证解调误差在15 nm以内,腔长变化应小于在正交腔长处2μm的范围。采用3个独立的激光光源进行实验,实验结果表明,在正交腔长附近1μm范围内变化,解调腔长误差小于12 nm,重复性误差小于10 nm,解调具有良好的稳定性。     

基于Fabry-Perot干涉仪的闭环微光机电加速度计

设计了一种闭环反馈差动式双FP腔的微光机电(MOEMS)加速度计,介绍了其工作原理及系统构成.利用惯性敏感单元将对载体加速度的测量转变为对载体位移的测量,利用光纤自聚焦透镜的端面与质量块组成的FP腔测量载体位移.为了提高系统的测量灵敏度和抑制温度等环境因素的影响,设计了一种差动式双FP腔测量机构.为提高微加速度计的输出线性度和动态测量范围,提出了采用静电力平衡技术构成闭环加速度计.建立了其数学模型,对所设计的加速度计重要参数指标——灵敏度、敏感头受载、固有频率等一一进行了详细计算和分析.在此基础上完成了设计背景要求下加速度计参数的优化设计,结果表明:该系统精度可以达到5×10-6g以上.      

补偿式光纤双法布里—珀罗微位移测量系统

提出了一种能补偿环境影响的、插入光纤传光介质的新型微位移测量系统，介绍了其灵敏度的测量结果。由于采用并行双通道的结构，系统具有高准确度、抗干扰等特点。该系统适合于微位移（纳米级）测量，可用于检定其它高准确度位移传感器、几何量定位、微细加工表面轮廓测量以及转换成微位移量或光程差的其他物理量的测量。     

基于EFPI-FBG结构的光纤复合传感器研究

研究了一种基于非本征型Fabry-Perot干涉仪(EFPI)和光纤Bragg光栅(FBG)串联结构构成的EFPI-FBG光纤复合传感器,用于实现对压力和温度信号的同步测量。传感器选用熔融石英作为压力敏感材料,利用飞秒激光焊接技术实现传感器探头结构的封装。对传感器的工作原理进行了分析,制作并封装传感器工程样机,搭建测试系统,对传感器的性能进行了灵敏度及交叉敏感性分析。结果表明,该传感器在0.8 MPa范围内的灵敏度约为-0.729μm/MPa,在50℃~200℃范围的温度灵敏度为0.009 nm/℃,传感器压力测量最大允许误差为±4.12%FS。该EFPI-FBG复合传感器有望应用于压力—温度双参数测量需求的技术领域。     

基于F-P腔的激光频率稳定传递方法

量子传感的发展需要频率高度稳定的激光器为基础,且实现大失谐激光频率稳定通常是提高其精度和灵敏度的关键。针对大失谐激光稳频问题,提出了一种利用法布里-珀罗（F-P）腔传递激光频率稳定性的方法。以饱和吸收稳频法锁定的激光器频率为参考,基于锁相原理,锁定F-P腔长度。利用F-P腔长度这个稳定的参考点,实现目标激光器的频率的精确锁定。实验将目标激光器波长锁定于767.001 nm,失谐频率为150 GHz,锁定后的频率漂移为1 MHz/h。该方法解决了激光大失谐稳频问题,对工程实践和科学研究有重要意义。      

基于相位差的转轴扭矩测量中的零位识别与处理

提出了一种基于相位差原理的转轴扭矩测量中的零位识别与处理方法。采用两路反射式模拟输出激光光强传感器和对应的反射色带，形成两路标准的正弦信号，通过同步采样和幅度归一化处理，得到两路信号的瞬时相位差，并依此实现对转轴扭矩载荷的测试，克服了以往基于脉冲信号测量中无法在静态条件下进行零位校正的困难。对该系统实现的关键技术和参数进行了分析，通过模拟信号输入和标准扭转试验台验证了本文所提出的方法的应用效果。理论和实验结果表明，该方法不需要转轴转动，就可以准确识别其零位，从而大大降低了该技术在现场使用中的调校要求。     

主动光频标的研究进展

传统被动光钟激光锁频系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声，是目前光频标发展面临的主要技术瓶颈之一。主动式新型光频标利用光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级间形成多原子相干受激辐射，该受激辐射输出信号可直接作为钟跃迁信号使用，相比于被动光钟，主动光中原理上可实现更窄的量子极限线宽，并具有腔牵引抑制优势。分别介绍了国内外在主动光频标研究现状，主要介绍北京大学在该研究方向取得的理论及实验研究进展。为了实现窄线宽连续型主动光频标，提出双波长好坏腔方案减小剩余腔牵引效应对四能级主动光钟的影响，其中Nd:YAG 1 064nm好腔激光和铯原子1 470nm坏腔激光共腔输出，分别工作在好、坏腔区域，好腔激光通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术锁定主动光钟谐振腔的腔长，由于坏腔激光相比于好腔激光具有腔牵引抑制优势，因此坏腔激光线宽有望在腔长锁定之后的好腔激光的基础上进一步压窄。目前两套双波长系统的1 470nm钟激光拍频线宽受限于两个谐振腔腔长的相对抖动，为了抑制共模噪声对钟激光拍频信号的影响，并验证采用PDH稳频技术实现腔长锁定的可行性，本文利用相位锁定技术同步两套双波长好坏腔系统的谐振腔腔长，从而消除腔长共模噪声对钟激光拍频线宽的影响，进而分析除剩余腔牵引效应以外的其他因素对1 470nm主动光频标的影响。     

基于中国岢岚地区法布里-珀罗干涉仪的风场及行星波观测特征

利用中国岢岚站（38.7°N,111.6°W）法布里-珀罗干涉仪2013年7月至2014年11月的水平风场数据,对87,97,250km风场长期变化和行星波特征进行了研究.通过分析年振荡（AO）和半年振荡（SAO）振幅相位,将午夜风场与HWM07数据对比发现:87km和97km处FPI纬向风变化趋势与HWM07相近,而经向风相位落后于HWM07,从振幅上看,HWM07振幅偏大;250km处风场月变化大,FPI与HWM07差异大,HWM07模式的准确性需进一步考虑太阳活动和行星际磁场的影响.利用Lomb-Scargle功率谱以及最小二乘谐波拟合提取了三个高度的行星波振幅,其特征表明87km和97km处纬向风16日波秋季及冬春季活动强,而6.5日波最强振幅出现在春季和秋季,在中间层顶附近两种行星波活动均较弱;250km处经向行星波活动略强于纬向,经向风不同周期带的行星波最强振幅主要出现在5-9月,与电离层f₀F₂振荡特性的研究结果一致.      

基于4态马尔可夫链的光纤陀螺随机调制

在数字闭环光纤陀螺中,由调制信号引起的电串扰(即调制串扰)会导致零偏稳定性、死区和线性度等指标恶化.为了消除调制串扰信号的影响,提出了基于4态马尔可夫链的随机调制方法.将一个4状态马尔可夫链引入到随机调制中,该马尔可夫链利用正弦函数的周期性和状态转移方向的等概率性,产生出了相互统计独立的调制信号和解调信号,由于解调信号为等概率取值-1,1的零均值随机序列,所以在理想情况下调制信号及电串扰信号和解调信号相关的结果为零.仿真和实验结果表明,基于4态马尔可夫链的随机调制方法对调制串扰信号的抑制可达1×103倍,消除了调制串扰信号对陀螺零偏稳定性、死区和线性度等指标的影响.      

数字闭环光纤陀螺动态特性测试研究

光纤陀螺是一种基于萨格纳克效应的新型角速度传感器,带宽远大于机械陀螺,不能用传统机械设备测试其动态特性. 根据全数字闭环光纤陀螺采用数字阶梯波反馈实现闭环工作原理,通过在集成光学调制器上叠加信号,用阶梯波引起的相位差代替外加角速度引起的相位差,设计了动态特性的数字测试方法. 从系统传递函数的推导中得到此方法的等效性, 并实测光纤陀螺的阶跃响应和频率响应,初步得到光纤陀螺带宽超过2kHz的结论.      

伪多源采样复域FastICA冲击定位算法

使用传感器阵列对材料结构冲击损伤进行定位,有助于及时发现损伤及潜在威胁,保障结构安全性。采用盲源分离(BSS)对传感器阵列信号进行预处理,提出单通道伪多源采样方法,利用每个传感器的分时段信息构建该传感器多源观测信号作为复域FastICA算法的输入,分离出每个传感器观测到的带有相位信息的冲击信号;结合阈值时延定位方法求解平面冲击事件的坐标。理论推导和数值仿真验证了本文设计的联合冲击定位算法的有效性。冲击定位平台上的实验结果表明,联合冲击定位算法可以从冲击-振动混合信号中分离出冲击信号,提高阵列传感器冲击定位的时延分析准确性。同时对传感器数量少于源信号的欠定BSS问题提供了一种解决方案。      

GNSS-R open-loop difference phase altimetry: Results from a bridge experiment

The paper explores a method to obtain accurate lake surface heights using measurements of the Global Navigation Satellite System (GNSS) carrier phase reflected from the lake surface. The method is referred to as Global Navigation Satellite System-Reflection (GNSS-R) open-loop difference phase altimetry method. It consists of two key technologies: one is the open-loop tracking method to track the GNSS-R signals, where the direct GNSS signal’s frequency is used as a reference frequency to obtain the carrier phases of the GNSS-R signals; the other key technology is time difference phase altimetry method to invert the lake surface heights using two or more carrier phases of GNSS-R signals received simultaneously. A validation experiment is carried out on the SANYING bridge over GUANTING lake using a GNSS-R receiver developed by the Center for Space Science and Applied Research (CSSAR), processing the data with GNSS-R open-loop difference phase altimetry method. The lake surface height results are consistent with the height results of GPS dual-frequency differential positioning altimetry. The results show that we can achieve centimeter level height in one minute average, by using 11 minutes carrier phase data of three GNSS-R signals received simultaneously.     

气液两相流中气泡速度的电磁互相关测量

气液两相流作为一种工业领域中普遍存在的流态,在测量时需考虑气相和液相间的速度差。相较于流动规律平稳的气相而言,研究不稳定的气泡流动状态具有更高的技术难度。本文针对空气-水为工质的两相流中一项重要参数——气泡速度进行测量,引入基于互相关运算的电磁检测方法,通过提高系统激励频率得到较大的检测信号。实验设计了高频(1 MHz)电磁检测系统,选用垂直上升管道,并在管道的2个平行截面分别安装电磁传感器,每组传感器均包含一个激励线圈及一个接收线圈,对2组接收线圈上的相位信号进行互相关运算,从而求得气泡的速度。实验中,对3种不同速度气泡采集到的信号进行了对比分析,相对误差控制在10%以内,提供了一种完全非接触非侵入的测量气泡速度的方法。此方法可以进行后续补充完善,用于其他工业场合,如金属液中气泡参数的测量等。     

基于区间电流的SRM功率变换器短路故障诊断

功率变换器是开关磁阻电机（SRM）调速系统的核心部件之一,也是系统可靠性最弱的环节。针对传统功率变换器短路故障诊断需增加额外硬件、控制器负担大、诊断范围有限等问题,以非对称半桥式功率变换器为研究对象,在深入分析短路故障模式的基础上,为提取明显的故障特征,对电流传感器进行了重新排布,提出了基于特定转子位置区间内电流的功率变换器故障诊断方法。在某相单独励磁区间内,通过另外两相电流传感器输出值之差与前一相输出值的比值,即可快速定位故障器件。所提方法不受电机相数和控制方式限制,控制器负担小,且无需增加额外硬件。仿真和实验验证了方法的有效性。      

五轴电液仿真转台的双马达同步控制

对五轴电液仿真转台的双马达同步驱动问题提出一种低成本方案.设计的控制器包括主免疫控制器与同步补偿器.其中,以主马达动静态性能最佳为设计目标,利用免疫算法的模糊自适应性与鲁棒性,进行了位移、速度与压力三状态主免疫控制器设计,并使其同时输出给主、从马达伺服放大器.在此基础上,以两个马达负载压力状态差值最小为控制目标,仅提取两个马达负载压差传感器的差值,运用同步补偿器对从马达控制回路进行前馈补偿实现双马达同步驱动.与采用两个编码器或两个测速电机检测双马达同步误差的方法相比,该方法成本低且易于工程实现.仿真结果表明,即使转台系统参数发生较大变化,仍可以使两个液压马达保持较小的同步误差.      

Virtual baseline method for Beidou attitude determination – An improved long-short baseline ambiguity resolution method

Ambiguity resolution (AR) is a critical step for successful attitude determination using carrier phase measurements of a satellite navigation system such as Beidou. This paper proposes an improved method for AR in support of Beidou attitude determination based on the concept of a “virtual baseline”. In the traditional long-short baseline method, the short baseline is limited to a length less than half of the carrier wave length of the Beidou signals. In the proposed method, a virtual short baseline is formed by differencing two collinear baselines. The AR equations for virtual short and long baselines are derived and the factors impacting the AR accuracy are analysed. Numerical simulation studies were carried out to evaluate the performance of the proposed AR method. The simulation results confirmed that the proposed method is an improvement over the traditional approach -- not only is it easier to deploy collinear antennas but also it keeps the capability of epoch-by-epoch AR, which makes it immune to cycle slips and there is no need for initialisation of ambiguity searching.