基于法布里-珀罗标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达研究

对基于法布里-珀罗(F-P)标准具四边缘技术的双频率多普勒测风激光雷达进行研究。简要分析了F-P标准具四边缘双频率风速测量原理。详细介绍了基于F-P标准具四边缘双频率多普勒激光雷达系统结构。对发射激光双频率间隔、入射光束发散角、标准具有效口径和标准具干涉平板反射率等参数进行了详细的优化设计。根据选取的系统参数,对多普勒激光雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:晴天天气条件下,在±25m/s的径向风速测量动态范围内,在满足径向风速误差小于2m/s的情况下,当发射激光仰角为60°、距离和时间分辨率分别为60m和1min时,系统在晚间和白天的探测高度分别可达到8km和6.5km。系统在晚间的整体探测性能明显要优于基于F-P标准具双边缘技术的多普勒测风激光雷达系统。同时,系统的探测性能受天空背景噪声的影响较大,系统在白天工作时应采用窄带宽的滤光片以提高系统的探测性能。     

测风激光雷达法布里-珀罗标准具参数及其性能分析

法布里-珀罗(F-P)标准具是直接探测多普勒测风激光雷达常用的鉴频器件,标准具的性能及其入射光路的设计对整个探测系统的测量误差起着决定性的作用.基于三通道标准具的检测原理,对标准具的主要设计参数如自由谱间距、带宽和边缘通道之间峰值间距等进行了分析,给出了设计方法;入射光的状态对标准具透射率曲线的影响较为明显,根据标准具...     

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。     

基于法珀标准具的激光稳频方法理论研究

介绍了使用法珀(Fabry-Perot,F-P)标准具作为频率标准的三种稳频方法,并且进行理论分析,分别得出了各种方法的鉴频曲线.通过对鉴频曲线进行比较发现边频锁定技术具有斜率大、信号强、控制范围广的优点,优于另外两种方法,是一种理想的激光稳频技术.     

基于单Fabry-Perot标准具的双频率多普勒激光雷达数据反演技术

本文导出了大气后向散射信号光入射到Fabry-Perot (F-P)标准具的有效透过率表达式. 在基于单F-P 标准具的双频率多普勒激光雷达系统中, 采用平均值法定量分析了瑞利后向散射信号对风场测量准确度的影响. 提出了同时反演风速和后向散射比的非线性迭代方法, 并通过仿真试验验证了该方法的有效性. 同时, 导出了径向风速和后向散射比测量误差的具体表达式, 并据此进行了仿真. 仿真结果表明: 若假定望远镜接收到的总后向散射光子数为50000, 径向风速测量误差随后向散射比的增大迅速减小, 在±25 m/s的风速测量动态范围内, 当R_β > 1.2时, 误差小于3 m/s; 后向散射比测量误差随后向散射比的增大而增大, 与径向风速大小几乎无关, 当R_β<10时, 相对误差小于13%. 关键词： 多普勒激光雷达 Fabry-Perot标准具 边缘技术 双频率     

双腔法布里-珀罗腔透射特性

基于单腔和双腔结构的法布里-珀罗(F-P)腔透射光强度公式,研究了单腔F-P结构的镜面反射率与腔长对透射谱线的影响;在总腔长相同时,模拟分析了单腔、对称及非对称双腔的透射光谱特性;分析了镜面反射率对非对称双腔F-P结构透射光谱的影响。结果表明:无论单腔还是双腔的F-P结构,镜面反射率增加导致输出峰的峰值半高宽(FWHM)减小;腔长度增加会导致输出谐振峰间距减小,而通过调节腔长比例系数和选择镜面反射率,总长度相同的双腔能在不减小主谐振峰透射率的同时增加谱线间距。最后,讨论了镜面反射率对输出谱线FWHM以及腔长微小形变对中心谐振峰的位置、FWHM和透射率的影响。     

双腔法布里-珀罗腔透射特性

基于单腔和双腔结构的法布里-珀罗（F-P）腔透射光强度公式,研究了单腔F-P结构的镜面反射率与腔长对透射谱线的影响;在总腔长相同时,模拟分析了单腔、对称及非对称双腔的透射光谱特性;分析了镜面反射率对非对称双腔F-P结构透射光谱的影响。结果表明：无论单腔还是双腔的F-P结构,镜面反射率增加导致输出峰的峰值半高宽（FWHM）减小;腔长度增加会导致输出谐振峰间距减小,而通过调节腔长比例系数和选择镜面反射率,总长度相同的双腔能在不减小主谐振峰透射率的同时增加谱线间距。最后,讨论了镜面反射率对输出谱线FWHM以及腔长微小形变对中心谐振峰的位置、FWHM和透射率的影响。     

光纤空气隙法布里-珀罗标准具透射谱线型研究

空气隙法布里-珀罗(F-P)标准具是一种常见的光无源器件,其作为滤波器广泛应用于光通信、光电测量和光传感领域。根据经典干涉理论,F-P标准具的光谱为周期出现的洛伦兹峰。但在对F-P标准具透射谱的校准与拟合过程中,发现其透射峰存在左右不对称以及展宽现象,导致使用经典洛伦兹公式的拟合误差较大。通过分析透射峰不对称度和展宽间的关系,并考虑光纤准直器的发散角以及F-P标准具的装配误差因素,提出了一种基于传统F-P干涉理论并融合发散角与入射偏角的多峰叠加拟合公式。使F-P透射谱的拟合方差提高到0.008、重合精度为0.9998,与基于洛伦兹线型的拟合结果相比提高了近15倍。该研究提供了一种对光纤空气隙F-P标准具透射谱精确拟合的方法,并对其设计以及装配工艺有着重要的指导意义。     

基于光折变效应提升啁啾脉冲信噪比的光谱扫描滤波法

基于光谱扫描滤波原理,提出了一种利用光折变效应来提高啁啾脉冲信噪比的扫描滤波方法,并进行了理论分析。针对内置光折变晶体的Fabry-Perot (F-P)标准具光谱扫描滤波装置,定量分析了其透射谱特性,详细讨论了Fabry-Perot(F-P)标准具两平板的反射率、透射谱窗口带宽、外加场的控制参数以及信号光啁啾率变化等对啁啾脉冲信噪比的提升及其滤波透射率的影响。结果表明,F-P两平板的反射率越高,则透射谱越尖锐,透射窗口越窄,滤波效果也就越好。为了得到有效的信噪比提升,一般要求其反射率大于0.99;外加场的控制和信号光啁啾率的变化对扫描滤波的影响较大,在实际工作中,应尽量保证外加场和啁啾率的精确控制,以确保信号光和滤波函数的同步匹配。针对中心波长800 nm的啁啾信号脉冲,采用提出的光谱扫描滤波方法,对放大自发辐射(ASE)的随机噪声与预脉冲进行滤波,可得到近3个量级的信噪比提升效果。     

基于扫描F-P标准具的高光谱分辨低平流层温度探测

报道了一种基于扫描F-P标准具的高光谱分辨低平流层大气温度探测技术。通过扫描F-P标准具,获得大气分子瑞利后向散射的透过率分布。对该透过率进行非线性拟合,由拟合得到的谱宽计算大气温度分布。为了减小频率不稳定引起的系统误差,采用静态的F-P标准具实时监测激光出射频率,并在数据处理中进行补偿。由时间分辨率2000s的激光雷达原始信号的信噪比,根据最大似然估计误差分析,该方法在30km以下的探测误差小于1.9K,50km以下的探测误差小于9.8K。在对比实验中,在18~36km高光谱分辨激光雷达与探空气球探测的温度廓线最大偏差4.7K;在27~34km,高光谱分辨激光雷达与瑞利积分激光雷达探测的温度最大偏差2.7K。在15~27km,由于气溶胶的污染,瑞利积分激光雷达的温度明显偏离其他两种探测结果,最大偏差达22.8K。     

基于复合波长参考的温度稳定光纤光栅传感解调研究

为实现温度稳定的光纤光栅传感解调,提出了综合使用法布里-珀罗(F-P)标准具和乙炔气室进行实时复合波长参考的校正方法。分析了F-P标准具透射光谱和乙炔气室吸收光谱的温度漂移特性。建立实验系统,测试了F-P标准具透射光谱的温度漂移特性,实验显示F-P标准具谱线平均温度灵敏度为1.16 pm/℃,谱线温度重复性误差可达13.0 pm。进行了基于F-P标准具单独参考和基于复合波长参考的解调温度稳定性实验,实验结果表明0℃~55℃的高低温循环,基于F-P标准具单独参考的解调值变化范围为±32.7 pm,标准差为20.7 pm,基于复合波长参考的解调值变化范围为±1.2 pm,标准差为0.39 pm,解调值变化范围温度稳定性提高了27倍。     

分布式反馈激光器动态扫描光纤布拉格光栅波长解调系统

通过对该系统采集到的法布里-珀罗(F-P)标准具透射谱和光纤布拉格光栅(FBG)传感器反射谱进行寻峰算法以及拟合算法的研究,采用C语言编程和LabVIEW编程相结合的方式,实现了FBG波长信号的解调。其中,由于系统采集到的F-P透射谱和FBG反射谱线时域信号数据都由离散点构成, 且在3 dB带宽内均符合高斯曲线分布,采用高斯拟合对采集到的信号数据进行寻峰处理,提高系统精度;又由于分布式反馈(DFB)激光器的波长扫描存在着一定的非线性,采用二项式拟合对DFB激光器的波长扫描曲线进行拟合,以降低其非线性导致的误差。另外,设置一路标准FBG传感通道用于波长校准。实验研究表明该系统稳定性良好,波长测量范围为1 550.012~1 554.812 nm,分辨力为1 pm,精度为10 pm,验证了该系统可用于FBG波长信号检测的可行性。     

分布式反馈激光器动态扫描光纤布拉格光栅波长解调系统

通过对该系统采集到的法布里-珀罗(F-P)标准具透射谱和光纤布拉格光栅(FBG)传感器反射谱进行寻峰算法以及拟合算法的研究,采用C语言编程和LabVIEW编程相结合的方式,实现了FBG波长信号的解调。其中,由于系统采集到的F-P透射谱和FBG反射谱线时域信号数据都由离散点构成,且在3dB带宽内均符合高斯曲线分布,采用高斯拟合对采集到的信号数据进行寻峰处理,提高系统精度;又由于分布式反馈(DFB)激光器的波长扫描存在着一定的非线性,采用二项式拟合对DFB激光器的波长扫描曲线进行拟合,以降低其非线性导致的误差。另外,设置一路标准FBG传感通道用于波长校准。实验研究表明该系统稳定性良好,波长测量范围为1 550.012~1 554.812nm,分辨力为1pm,精度为±10pm,验证了该系统可用于FBG波长信号检测的可行性。     

多纵模激光F-P标准具双边缘测风可行性分析

讨论采用多纵模激光器作探测光源用于双边缘多普勒激光雷达测风的可行性。给出了多纵模激光器谐振腔腔长与边缘滤波器F-P标准具腔长之间的关系。分析了多纵模双边缘测风的主要特性,计算灵敏度、信噪比和径向测速误差,并与单纵模测风性能进行对比。可用类似单纵模测风中动态频率跟踪技术解决多纵模激光器频率漂移问题。     

减敏控制光纤法布里-珀罗腔单值性用于解调振动频率

通过对光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot cavity,F-P)腔单波长功率监测,对时域信号进行快速傅里叶变换(FFT),检测振动信号频率.建立了F-P腔的瞬时响应模型.发现透射响应比反射响应有微小延时,证明了F-P腔的多次反射原理对于一般频率不超过几十千赫兹的振动信号的测量没有影响.直接作用在F-P腔上的振动较强时,超过解调单值范围,波形发生畸变.通过增大振动源与F-P腔的距离控制解调单值性,当距离增至8 cm时,获得相对准确的解调结果.     

内置法布里-珀罗标准具629nm He-Ne激光器

He-Ne激光器采用内置法布里-珀罗(F-P)标准具的方法可以获得与633 nm紧邻的629 nm谱线,这是用传统的镀膜方法无法实现的.分析了由于激光腔内的温度变化引起的629 nm谱线透射窗口的移动.为了得到稳定的629 nm波长输出,估算了F-P标准具的角度调节范围下限.提出了一种大角度范围的压电角度调节机构,应用...     

基于迈克耳孙干涉仪的微机械光纤信号调制器

基于迈克耳孙干涉仪原理,设计了利用双光束干涉效应的微机械光纤信号调制器.实验中从输入端输入的光纤信号,经分光板后分为光强相等的透射光束与反射光束;调制信号以电压形式加载于压电陶瓷,使其伸缩振荡,以调制透射光束与反射光束之间的光程差;透射光束与反射光束经透镜聚焦后在输出端面发生双光束干涉,在输出端输出被调制的光信号,再耦...     

一种内置法布里-珀罗标准具选择He-Ne激光器内谱线的方法

He-Ne激光器中633 nm波长的增益远大于该波段其它5条谱线的增益,而且由于模式竞争的影响,通常情况下增益较低的相邻弱线(如629 nm波长)很难出光.提出一种在He-Ne激光器中加入法布里-珀罗(F-P)标准具来选择输出谱线的方法.通过选择适当的F-P标准具长度和反射率,可以达到抑制强线增益,使弱线振荡输出的目的.还采用高斯光束传输理论对谐振腔内F-P标准具的透射特性进行了仿真计算.     

F-P标准具温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响

F-P标准具的特性易受温度影响,温度变化时,其透射峰会发生漂移,将其应用于光纤光栅波长解调时,温度波动会给波长解调精度带来影响。分析了F-P标准具的温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响程度,并分别采用温度稳定性为1.5 GHz和3 GHz的F-P标准具进行了稳定性和重复性实验。实验结果表明:光纤光栅传感器的中心波长不同,由F-P标准具的温度特性产生的解调误差也不同;采用2种F-P标准具测得的稳定性误差最大值分别为0.528 pm和0.676 pm,重复性误差最大值分别为1.77 pm和2.01 pm。     

小型可调谐单纵模TEA CO2激光器

对在三镜腔中插入法布里-珀罗(F-P)标准具实现单纵模激光输出的方法进行了分析,计算了激光器的输出特性。设计研制了一台单纵模可调谐TEA CO2激光器。采用在三镜腔中插入F-P标准具的方法实现了单纵模激光的调谐输出。当激光器以5 Hz重复频率运转时,得到9P(16)谱线能量大于200 mJ,脉冲宽度约为150 ns。