基于Fizeau干涉仪的激光雷达测温方法研究

气温是描述大气状态的基本参数之一,温度的准确测量对天气预报、气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。激光雷达作为一种遥感仪器,已经用于气象要素的探测中（风、温度、气溶胶的光学厚度等）。目前,测温激光雷达主要有拉曼激光雷达（振动和转动）、共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等,拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器;共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度;基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量,反演温度时需要建立响应函数和校准程序;基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法,时间分辨率较低,并且该方法在测量过程中需要运动部件,所以不利于星载。在大气低层,分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响,两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布,直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度,会产生误差。基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响,所以在对流层中该方法并不适用。为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量,提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量,并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制,从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小,最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。除此之外,还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计。为了验证本文提出方法的可行性,利用Matlab软件建立了一套仿真模型,通过模拟表明,在不考虑云、风和水汽含量的影响时,利用该方法测量对流层内的大气温度时,测量误差小于1 K。该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、高时间分辨率的测量, 在测量过程中不需要使用运动部件,有较高的使用价值,并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义, 为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统EI北大核心CSCD

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

高光谱分辨率激光雷达鉴频器的设计与分析

提出了利用Fabry-Perot干涉仪的反射场实现高光谱分辨率激光雷达精细探测大气光学参量的新方法和思路.设计了高光谱分辨率的分光系统,并分析了干涉仪反射场的光谱透过特征曲线.结合高光谱激光雷达探测信号特征,讨论分析了谱分离比和瑞利信号透过率随反射率和腔长的变化曲线,同时结合误差传递公式,建立了仿真分析模型,讨论了回波光束发散角和入射角变化对激光雷达探测结果的影响.结果表明,所提出的Fabry-Perot干涉仪反射场可以实现高光谱分辨率激光雷达探测系统的精细分光,同时探测结果误差随回波光束发散角变化不敏感,控制发散角在10 mrad以内,入射角在1.5 mrad以内时,可以实现气溶胶光学参数廓线的高精度探测.     

高精细度微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪

通过在镀膜单模光纤端面制作微透镜,构造了微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪.利用ABCD矩阵方法分析厂微透镜法布单-珀罗腔的模场.由于微透镜的会聚作用,法布里-珀罗腔模场可以和单模光纤模场良好的匹配,从而达到高精细度和低插入损耗.实验制作的微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪,自由光谱区范围32.28 nm,精细度为78,峰值透射比为73%;在法布里-珀罗腔的光学腔长增加到100um的情况下,峰值透射比仍然大于50%.该微透镜光纤法布里-珀罗十涉仪制作容易、对设备要求低,可以封装成光纤法布里-珀罗滤波器和传感器,具有广泛的应用前景.     

一种新型可调谐红外滤光片的设计和应用

可调谐红外滤光片是高分辨率红外成像仪谱段识别和分光的重要光学器件.本文介绍了一种新型可调红外滤光片———液晶法布里-珀罗滤光片的基本原理、设计参数、制作方法,分析了这种滤光片的透射光谱、精细度、带宽、镜面反射率和腔长之间的关系,以及外加电压和温度对透射波长的影响,给出了消除偏振效应的几种方案.并对液晶法布里-珀罗滤光片在空间遥感,特别是红外探测方面的应用前景进行了展望.     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

利用光学无源腔理论分析法布里-珀罗干涉仪的透射谱

采用光学无源腔理论得到了法布里-珀罗干涉仪的透射谱,并指出当谐振腔的损耗较小时,干涉仪的透射谱可认为是由一列相互独立的透射峰构成,每个透射峰呈洛伦兹线型.这为理解法布里-珀罗干涉仪的工作原理提供了一个新思路.     

用法布里—珀罗干涉仪观察和测量钠光谱超精细结构的实验

用法布里-珀罗标准具或迈克尔孙干涉仪改装的法布里-珀罗干涉仪测量钠黄光超精细结构光谱，其列距与文献记载相符．     

双法布里—珀罗干涉仪传感模型的理论分析

本文提出了一种用发光二极管作为光源、用自聚焦透镜构成法布里-珀罗腔的双法布里-珀罗干涉仪光纤位移传感模型.根据部分相干光的干涉理论,得到了这个传感模型输出光强与两个法布里一珀罗干涉仪腔长之差的函数曲线.     

一种同时测量电流和温度的光纤光栅传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪且可以同时测量交变电流和温度的传感器,并对其进行了理论分析和实验研究.该传感器采用单频激光入射,作为反射镜的一对光纤布喇格光栅自由放置,其间的法布里-珀罗腔粘贴在磁致伸缩材料上,通电导线周围的磁场通过磁致伸缩材料作用于光纤光栅法布里-珀罗腔,引起腔长周期性变化.同时,由于热膨胀和热光效应,环境温度的变化会引起光纤长度和折射率的改变,从而改变光纤光栅法布里-珀罗腔的反射光谱特性.通过检测输出光信号的频率和峰值可实现电流和温度的同时测量.对通电线圈的电流及环境温度进行测量的实验结果与理论分析相吻合.     

双边缘技术多普勒测风激光雷达标准具的优化

 优化了基于双边缘技术的直接测风多普勒激光雷达中F-P标准具的工作参数。确定激光谱宽后，选择适当的F-P标准具自由谱间距，可正确消除瑞利背景噪声的影响。分析了标准具镜面缺陷、非严格平行和入射光束发散角对其透过率曲线的影响。将标准具透过率函数表达为唯一系统参数，即反射精细度的函数；通过计算散粒噪声极限时的相对测量误差，可确定最优反射精细度以及激光频率相对标准具透过率中心频率的最佳偏置；由最优反射精细度可得到入射到标准具光束的最大发散角和标准具的最小通光口径。     

星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(Ⅱ):基于Fabry-Perot标准具的Rayleigh通道大气风速反演研究

基于星载激光多普勒测风雷达工作原理,构建了基于连续双通道Fabry-Perot(F-P)标准具的鉴频仿真系统,仿真研究了Rayleigh通道大气风速反演算法,系统分析了Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号对Rayleigh通道反演大气视线(LOS)风速的影响,并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Rayleigh通道大气水平视线(HLOS)风速反演误差.结果表明,基于连续双通道F-P标准具的Rayleigh通道可反演中高层大气风速;Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号影响Rayleigh通道LOS风速反演精度;Rayleigh通道风速反演对温度精度要求最高,在晴空条件下可忽略Mie干扰信号的影响;不考虑Brillouin效应时,高度2 km以下Rayleigh通道无法反演HLOS风速,高度2 km以上Rayleigh通道反演的HLOS风速误差小于0.4 m·s-1,风速标准差在1—4 m·s-1之间;同Mie通道一样,气溶胶和云的分布影响Rayleigh通道HLOS风速反演误差.研究结果对发展星载激光雷达测风技术具有重要参考意义.     

Accuracy analysis on Rayleigh lidar measurements of atmospheric temperature based on spectroscopy

We make a detailed analysis on the linearity and accuracy of the relationship between the full-width at half-height （FWHH） of the atmosphere molecules Rayleigh scattering spectrum and the square root of the atmospheric temperature. A simulation of the FWHH of the atmosphere molecules Rayleigh scattering spectrum is made based on the S6 Atmosphere Model and U.S. Standard Atmosphere Model. The calcu- lated temperature is compared with the initial simulation temperature. The result shows that the FWHH of the atmosphere molecules Rayleigh scattering spectrum is nearly proportional to the atmospheric temperature. The goodness-of-fit index of the fitting curve is 0.9977 and the maximum absolute error of measured atmospheric temperature is about 2 K.     

Confocal Fabry-Perot interferometer for frequency stabilization of laser

The frequency shift of laser source of Doppler lidar is required in the range of a few megahertzs. To satisfy this demand, a confocal Fabry-Perot (F-P) interferometer was manufactured as the frequency standard for frequency stabilization. After analyzing and contrasting the center frequency shift of confocal Fabry-Perot interferometers that are made of three different types of material with the change of temperature, the zerodur material was selected to fabricate the interferometer, and the cavity mirrors were optically contacted onto the end of spacer. The confocal Fabry-Perot interferometer was situated within a double-walled chamber, and the change of temperature in the chamber was less than 0.01 K. The experimental results indicate that the free spectral range is 500 MHz, the full-width at half maximum is 3.33 MHz, and the finesse is 150.     

基于自发辐射光谱的超声速流场测速技术

等离子体状态参数测量是研究等离子体特性,开展等离子体模拟再入环境、等离子体隐身、等离子体减阻以及边界层控制等研究的重要基础。利用等离子体射流的自发辐射光谱,提出了一种基于光学多普勒频移效应的等离子体超声速射流测速的方法。首先,测量了等离子体中Ar原子产生的自发辐射光谱,选择696.54 nm的特征谱线,作为等离子体发生器测速实验的运动光源;其次,使用光谱仪、传能光纤、EMCCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗（F-P）干涉仪,设计了高温等离子体速度测量光路;最后,在氩壁稳电弧等离子体发生器上,开展了超声速射流速度测量实验。实验中,同一测点的Ar原子产生的自发辐射光谱,分别被与等离子体射流运动方向成49°和90°夹角的收集透镜收集进入光谱仪,经光谱仪分光后仅保留特征谱线696.54 nm附近自发辐射光进入传能光纤,从而消除其他波长的自发辐射光的影响;光谱仪输出的特征辐射光谱,经光纤传输及透镜整形成平行光后,精细度30、自由光谱范围6.6 GHz的F-P干涉仪,形成多光束干涉圆环,并由EMCCD相机采集,实现对特征谱线的超高精度分辨;根据多普勒原理,不同角度收集的同一测点处Ar 696.54 nm特征谱线的频移将有所不同,EMCCD采集的干涉圆环半径也将不同,通过测量同一级次不同收集方向特征谱线形成的干涉圆环半径改变量,可测得高温等离子体射流流动速度。针对同一喷管开展了两车对比试验,实验测得两车射流轴向速度分别为791和783 m·s-1,具有较好的重复性。结果表明基于多普勒效应,利用高温气体自发辐射光谱,结合高光谱分辨F-P干涉仪,能够实现高温等离子体射流速度的精确测量,该方法属于非接触测量,不干扰流场,尤其适用于传统传感器难以应用的高温流场测量。     

Mie-Rayleigh Doppler Wind Lidar with Two Double-edge Interferometers

The Mie-Rayleigh direct detection Doppler lidar (DDDL) with two double-edge etalons is presented. Fabry-Perot (F-P) etalon is used as the spectral analyzer for Doppler measurement formthe aerosol and molecule backscattered signals. The aerosol and molecular backscattering signals are separated by a polarization isolator with less signal decrement, so this system has about same accuracy as individual Rayleigh Doppler lidar or Mie Doppler lidar system. The simulation on a proposed ground-based DDDL at 532 nm shows that the velocity error is less than 2 m/s below 8 km for a 100 m vertical resolution by Mie channel and 2m/s up to 20 km by Rayleigh channel, respectively.     

波长扫描法布里-珀罗干涉仪的优化设计

分析了可用于绝对距离测量的波长扫描法布里－珀罗干涉仪腔内多光束干涉对输出信号的影响, 及由此产生的相位测量误差。研究表明, 通过选择合适的腔端面反射率和参考腔长度可以减小相位测量误差。优化选择的腔面反射率为０．１０～０．１５, 参考腔长为０．９５ ｍ ｍ , 在１ ｍ ｍ 范围内系统可达到０．０５ μｍ 的测距精度。     

基于F-P腔和FBG的强度调制型光纤液位传感器

设计了一种用于液位测量的光纤F-P(Fabry-Perot)传感器,并从传感头的设计制作出发,讨论了提高传感器输出信号对比度的方法;测量系统采用宽带光源,解调时经FBG(Fiber Bragg Grating)反射和透射得到传感信号和参考信号,对两路光强信号进行联合处理,补偿了光源功率波动和光路损耗变化引起的不良影响,消除了强度调制型传感器的固有缺点,此方法具有结构简单、成本低的优点;该系统可进行连续测量,测量范围为0到200kPa,相当于测量水深0到20m,其分辨力小于1cm(水面高度变化),特别适合对易燃易爆的环境中的油库液位进行测量。