激光技术自20世纪60年代出现后,以激光为核心的测量测试技术得到了快速发展,激光多普勒测量是一种基于激光多普勒效应和光学干涉混频原理的精密测量技术,它以其距离远、精度高、非接触、空间分辨率高等特点成为目前的研究热点。随着光纤激光在相干多普勒测风中的广泛应用,光纤激光多普勒测振技术也快速发展。远距离振动测量不仅对系统性能要求高,而且需要考虑散斑和湍流导致的系统性能下降。因此设计高性能的激光多普勒测振系统,理清散斑和湍流对远距离测振的影响成为亟待解决的问题。本文以中远程激光多普勒测振为核心,通过理论建模、仿真分析和实验验证等科学手段,开展了高性能测振仪的设计、载噪比提升方法、信号衰落影响因素及抑制方法和远距离语音侦听的研究。取得的主要研究成果如下:1.本文介绍了激光多普勒微振动检测的理论基础,分析了探测系统的载噪比,外差效应和耦合效率。在此基础上,设计并搭建了一套全光纤LDV系统,分析了器件选型依据和主要参数指标,并讨论了部分器件对探测系统性能的影响。对光纤LDV系统因器件隔离度缺陷导致的干涉竞争进行了理论推导、仿真分析与实验验证,结果表明:多波束干涉竞争会给解调信号带来纹波或尖峰调制,其调制程度受调制深度、竞争信号振幅比及其相对相位的影响。在微弱回波的情况下,寄生反射引起的残余载频甚至会导致中频解调失败。2.本文从光收发系统和信号处理两个方面讨论了提高光纤LDV系统载噪比的方法。就光收发系统的结构而言,一种是双基地架构,它使用双望远镜实现发射机和接收机之间的完全隔离,另一种是单基地架构,它用由偏振分光棱镜与λ/4波片组成的TR开关以一定的角度放置来代替了光纤环行器。实验结果表明,两种收发方案都可以消除寄生反射引起的残余载频,大大提高系统的载噪比,实现了弱回波信号的中频解调。就信号处理而言,本文介绍了一种全光纤脉冲LDV系统,该系统通过全数字距离门控信号处理方法实现了寄生反射和振动信号之间的分离。论文详细介绍了脉冲LDV系统,建立了回波信号的数学模型,设计了脉冲驱动信号,介绍了中频信号的处理流程,讨论了系统的载噪比和解调信噪比,最后对单频窄带信号和宽带语音信号进行了实验测试。结果表明,采用全数字距离门控方法,全光纤脉冲LDV系统可以达到散粒噪声限性能,显着提高了系统的载噪比。通过检测超低能量脉冲从硬目标表面后向散射的弱回波来实现远距离目标的振动检测。3.本文分析了散斑、湍流及其耦合作用对信号衰落的影响机理。根据衍射理论,建立了自由空间散斑传输模型,模拟了不同聚焦条件下的静态散斑强度及相位分布;通过讨论散斑互相关函数得出散斑平移和散斑沸腾之间的行为差异。充分考虑湍流的影响,将自由空间散斑传输模型修改为双程激光传输模型,通过模拟不同尺度的湍流相位屏,并将其放入双程激光传输模型中在目标平面上讨论湍流的相位波动、光束漂移和光束扩展,在接收平面上观察湍流驱动散斑的演化规律。研究了由本振光和散斑光的二次干涉在探测器平面上形成的散斑场的统计特征,即在强本振下,强度服从莱斯分布,而相位服从以本振光相位为中心的高斯分布。当接收孔径内存在多个散斑时,中频信号振幅会衰减,分析了这种由多散斑引起的退相干效应以及信号衰落对中频信号的影响。最后,讨论了偏振分集接收和空间分集接收两种抑制载波衰落的方法。4.本文开展了LDV系统在远距离语音侦听上的应用研究,由于目标振动特性在远距离语音侦听中至关重要,因此论文介绍了平板目标受迫振动模型,并对纸张、铝合金、布料和PVC等平板状材料进行了仿真与实验。结果表明,纸张和PVC材料的振动响应更好,更适合作为侦听目标。论文进行了自研脉冲LDV在23m距离和120m距离上的侦听语音效果对比实验,发现回波能量是影响远距离语音侦听的另一个关键因素,通过二次辅助聚焦手段能有效地提高回波能量,从而使听音效果得到极大改善。大量实验表明,在远距离语音侦听中,散粒噪声和散斑噪声普遍存在,为了提高侦听语音的质量,提出了一种时频掩模降噪方法,有效地抑制侦听语音中的噪声。