全光纤M-Z干涉仪的高灵敏度与大动态范围多普勒激光雷达风场探测技术

多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。由于受鉴频器本身特性的影响,高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件,设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。采用小光程差(13.7 cm)、大动态范围(±100 m·s-1)鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位,大光程差(74.8 cm)、高探测灵敏度(2.62%/(m·s-1))的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测,从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。结果表明,该系统可以实现±100 m·s-1大动态范围内风速误差小于1 m·s-1的大气风场探测,为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。     

Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术

相对于传统多普勒鉴频器Fabry-Perot干涉仪, Mach-Zehnder干涉仪(MZI)具有透过率高、直线条纹易于探测、可进行视场展宽等优点. 本文设计了基于条纹成像MZI的非相干多普勒测风激光雷达系统, 构建了风速反演的数学模型, 利用MZI视场展宽技术优化了激光雷达系统的性能. 数值仿真实现了MZI鉴频系统干涉条纹图样的理想输出, 采用SineSqr函数拟合法获取了高精度的多普勒频移前后干涉条纹的移动距离, 并通过视场补偿减小了入射角对MZI光程差的影响, 从而实现视场展宽. 结果表明: 采用SineSqr函数拟合法可获得在±100 m·s^-1的径向风速范围内<0.45 m·s^-1的风速误差, 克服了条纹重心法反演风速不稳定性的缺点; 视场展宽技术在不降低鉴频性能的情况下, 能最大补偿1°的视场角. MZI条纹成像多普勒激光雷达应用技术的探讨将为中高层大气风速激光雷达测量系统的实际开发奠定良好的基础. 关键词： 激光雷达 条纹成像Mach-Zehnder干涉仪 风速反演 视场补偿     

克服光纤Mach-Zehnder干涉仪信号衰落的新方法及分析

为了克服光纤Mach-Zehnder干涉仪易受环境因素影响而引起偏置相位漂移从而导致输出信号衰落(波动)的问题,提出一种新的简单方法,即:将干涉仪输出信号分为直流和交流两个分量,通过直流分量的大小来计算交流信号的补偿因子,以达到克服交流信号衰落、稳定检测传感信号的目的在小信号测量情况下,该方法在很大范围内能有效抑制随机温度涨落等因素引起的信号衰落的问题文中对补偿方法的误差和局限性也做了分析和讨论.     

基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤气体传感器理论

提出了一种基于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的光纤气体传感器。由于Mach-Zehnder干涉仪具有抑制光源噪声和模式噪声的特点,在高精度测量中越来越受到重视。在干涉仪的传感臂上涂有对待测气体敏感的薄膜,由于气体与敏感层的作用,导致光纤纤芯折射率发生变化,两臂的相位差发生变化,并引起干涉仪输出光强的变化和干涉条纹的平移,平移量与气体浓度对应。根据杨氏双缝干涉的理论,利用MATLAB对该研究进行计算机仿真,绘制出单色光的杨氏干涉图样和光强分布曲线,及气室中通入一定浓度的待测气体使干涉图样产生平移。     

利用非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪探测频率非简并纠缠态光场

采用两对光纤构成的非平衡Mach-Zehnder干涉仪,对非简并光学参量振荡腔产生的20mW频率非简并孪生光束间的强度差与位相和的关联噪声进行测量,在分析频率为2MHz处测得关联噪声分别低于散粒噪声基准31和13dB,从实验上证实了在较低分析频率处孪生光束之间有较高量子纠缠. 关键词： 光学参量振荡腔 孪生光束 光纤Mach-Zehnder干涉仪     

一个新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统

报道了新型的分布式传感测量布里渊光时域反射(BOTDR)系统.布里渊散射频移和强度均依赖于温度和应变,因此,BOTDR利用光纤中的自发布里渊散射作为测量信号可以实现分布式温度和应变测量.在BOTDR中,光源采用窄谱半导体激光器,并由声光调制器调制成脉冲光,经掺铒光纤放大器放大后,注入测试光纤以产生自发布里渊散射.利用双通Mach-Zehnder干涉仪分离光纤背向散射中的自发布里渊散射与瑞利散射信号,实现了自发布里渊散射的直接检测.实验结果表明基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR方案是可行的.     

基于Bitaper-LPFG-Bitaper结构的全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度传感特性

提出并制作出一种基于锥体光纤-长周期光纤光栅-锥体光纤结构的全光纤Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪传感器,并对其温度传感特性进行了研究.实验结果表明,固定光纤锥体和长周期光纤光栅的结构,仅改变两个光纤锥体之间的距离,对应不同的M-Z干涉谐振峰呈现出不同的温度传感特性:随着两个光纤锥体之间的距离增加,位于短波长处的谐振峰,传感器的温度灵敏度减小,而位于长波长处的谐振峰,传感器的温度灵敏度增加.当传感器长度为16.5 cm时,在1 680 nm附近的温度灵敏度达到0.102 06 nm/℃.实验结果对于锥体光纤-长周期光纤光栅组合型温度传感器的优化设计具有重要参考价值.     

使用硅橡胶涂敷的全光纤Mach-Zehnder干涉仪的压力传感研究

用硅橡胶对Mach-Zehnder干涉仪的传感臂进行涂敷,可以增加干涉仪压力传感的灵敏度.实验中分别使用宽带和窄带光源,借助光谱仪和光功率计观测干涉谱波长改变和光谱峰值功率变化,对微小压力进行了测量.当压力改变为1.03×10－4 MPa时,波长改变约0.02 nm,系统传感灵敏度为1.96×10－4 nm/Pa,是涂敷前的2.15倍.     

大孔径静态干涉光谱成像系统(LASIS)中实体Mach-Zehnder干涉仪加工误差容限分析

简要叙述了LASIS光谱成像系统的原理和仪器构成,针对LASIS光谱成像仪像方视场与干涉数据单边过零采样的要求,通过对实体Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构和光路进行分析,并对比Sagnac型横向剪切干涉仪的结构,研究了该干涉仪的附加光程差与加工误差的关系,给出了附加光程差公式和误差容限公式,对探测器阵面上光程差变化的非线性效应影响进行了分析和仿真。结果表明,相比Sagnac型横向剪切干涉仪,因实体Mach-Zehnder干涉仪的非共光路特点产生的附加光程差会导致探测器上的零光程位置的偏移,为保证过零单边采样的要求,需对干涉仪的尺寸误差进行严格约束,其中组成干涉仪的两块非对称五角棱镜非对称量的匹配误差小于0.02 mm;而探测器上光程差变化的非线性效应引起的光谱复原误差小于0.2%,基本可以忽略不计。     

新型双通道Mach-Zehnder干涉仪多普勒测风激光雷达鉴频系统研究及仿真

Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪可作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中.鉴于一般M-Z干涉仪的稳定性差,不易于调节的缺点,提出一种基于双棱镜结构的新型双通道M-Z干涉仪作为多普勒测风激光雷达鉴频器件.在进行探测原理分析的基础上,利用光学设计软件对其鉴频系统结构进行了参量优化设计和系统仿真.通过设定实验参量并进行光线追迹模拟仿真实验结果,应用反演理论获得了风速值.利用多普勒频移公式计算获得理论风速并与仿真结果进行了对比,结果表明反演仿真风速与理论风速值基本吻合,标准差为0.46m/s.此新型双通道M-Z干涉仪可以作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中,在光路的调节及提高系统稳定性上具有优势.     

基于双M-Z干涉仪的光纤周界防护系统

基于光纤双Mach-Zehnder干涉仪(MZI)结构对周界防护系统进行了设计研究。通过对两路经过不同延时的相同信号进行互相关运算,实现了对振动入侵点的定位。提出了一种分段数据处理方法,有效地提高了定位稳定性及准确性。测试结果表明,该双Mach-Zehnder干涉仪周界防护系统可以实时对振动点进行定位,在传感光纤长度为2km、采样率为2MHz时定位精度优于200m,能够长时间连续稳定工作。     

飞秒激光刻蚀非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder干涉仪特性及其流体传感研究

实验发现,飞秒激光微加工光纤微腔时,两个侧壁与纤芯轴向并不完全垂直, 刻蚀的非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder干涉仪出现光程差随波长增大而线性减小、 微腔总损耗随波长增大呈递减变化等反常现象.对此,提出非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder 干涉仪新模型并初步建立了分析理论,采用新模型及分析理论对新型微腔干涉仪特性进行了研究. 数值分析了微腔底角、深度等参数对谱峰波长位置的影响,理论研究了微腔的光波传输损耗、 吸收损耗、插入损耗、材料红外吸收损耗以及对干涉条纹对比度的影响, 理论分析与实验结果相符.实验获得水溶液干涉条纹对比度高达35 dB的非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder干涉仪, 将新型光纤微腔干涉仪用于流体传感,其蔗糖水溶液折射率传感灵敏度高达-12937.31 nm/RIU.     

基于多模-细芯-多模光纤结构的Mach-Zehnder干涉仪的温度传感实验研究

介绍了一种基于纤芯失配的光纤Mach-Zehnder干涉(MZI)液体温度传感器。并对所制作的传感器进行了环境溶液温度响应特性实验研究,实验结果表明干涉谱峰值波长漂移量与溶液温度变化量之间存在良好的线性关系,当环境溶液温度变化范围在26~90℃时,传感器相应灵敏度为42.6pm/℃,线性度为0.994,且该传感器能够很好的消弱环境液体折射率变化对干涉谱峰值波长的影响,溶液折射率在1.345~1.403变化范围时,灵敏度仅为0.247 nm/RIU。     

基于双F-P干涉仪的多普勒测风激光雷达的性能分析

 自行研制了一台基于双边缘技术的多普勒激光雷达,用于测量对流层大气风场。该雷达采用具有高光谱分辨率的双Fabry-Perot干涉仪来检测气溶胶后向散射的多普勒频移量。给出了多普勒测风激光雷达的结构和参数。利用干涉仪参数讨论了雷达系统的测量精度。实验测定了双干涉仪的频谱曲线。通过计算和分析,由测量的干涉仪频谱曲线的的标准偏差引起的系统测量误差为0.5 m/s。系统的测量误差随着测量的高度和所测速度的增加在增大,在高度10 km测量50 m/s的风速时系统的测量误差小于2 m/s。     

基于双F-P干涉仪的多普勒测风激光雷达的性能分析

自行研制了一台基于双边缘技术的多普勒激光雷达,用于测量对流层大气风场。该雷达采用具有高光谱分辨率的双Fabry-Perot干涉仪来检测气溶胶后向散射的多普勒频移量。给出了多普勒测风激光雷达的结构和参数。利用干涉仪参数讨论了雷达系统的测量精度。实验测定了双干涉仪的频谱曲线。通过计算和分析,由测量的干涉仪频谱曲线的的标准偏差引起的系统测量误差为0.5 m/s。系统的测量误差随着测量的高度和所测速度的增加在增大,在高度10 km测量50 m/s的风速时系统的测量误差小于2 m/s。     

基于Mach-Zehnder干涉仪的单模光纤声波传感器的研究

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器.它与普通的传感器相比,具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、防燃等优点,因此在温度、应力、磁场等传感领域都有着广泛的应用.本文研究的光纤声波传感器,其基础为Mach-Zehnder(M-Z)全光纤干涉仪,我们主要的工作集中在传感臂探头的制作.所研制的基于M-Z干涉仪...     

基于光纤锥和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器

介绍了一种简单且灵敏度较高的Mach-Zehnder干涉湿度传感器.将单模光纤和多模光纤渐变熔接光纤锥,色散补偿光纤被熔接在两个多模渐变光纤之间,形成了单模光纤-光纤锥-多模渐变光纤-色散补偿光纤-多模渐变光纤-光纤锥-单模光纤结构的传感器.光纤锥起到了增加包层模能量的作用,两个多模渐变光纤节点作为光耦合器,从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪.外界环境湿度的变化,将使得传感器透射谱能量发生变化,通过测量干涉谱波峰峰值能量实现对湿度的测量.实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境湿度之间存在良好的线性关系.当环境湿度在35%RH—85%RH范围内变化,一段由20 mm色散补偿光纤组成的传感器,其灵敏度为-0.0668 dB/%RH,相关度为0.995.该传感器结构紧凑、尺寸小、制造工艺简单,这使其可以被广泛用于湿度测量.     

瑞利散射多普勒测风激光雷达的校准

 在进行实际风速测量之前,对于新研制的测风激光雷达系统进行校准,可以验证并提高风速测量的准确性。根据瑞利散射多普勒激光雷达的测量原理,提出了利用瑞利散射谱和米散射谱之间的关系,采用运动硬目标实现对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的方法。设计了对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的实验系统,并给出了详细的校准步骤。     

基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器

介绍了一种基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器. 将两根纤芯经过腐蚀的普通单模光纤熔接在一起, 在熔接点处形成一个气泡, 在距气泡20 mm处级联一段20 mm的细芯光纤, 再接入一段单模光纤, 形成单模光纤-气泡-单模光纤-细芯光纤-单模光纤结构的传感器. 气泡与光纤芯径失配处的两个节点起到光纤耦合器的作用, 从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪. 环境液体折射率的变化,将使得传感器透射谱能量发生变化, 通过测量干涉谱波峰峰值能量从而实现对折射率的测量. 并对所制作传感器的折射率响应特性进行了实验研究, 实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境液体折射率之间存在良好的线性关系, 当环境液体折射率变化范围在1.351–1.402时, 响应灵敏度为143.537 dB/RIU, 线性度0.996. 该传感器在生物化学领域有较好的应用前景. 关键词： 光纤气泡 纤芯失配 Mach-Zehnder干涉仪 折射率传感     

星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(I):基于Fizeau干涉仪的Mie通道大气风速反演研究

研究了星载激光多普勒测风雷达系统结构,构建了基于Fizeau干涉仪的鉴频仿真系统,仿真研究了Mie通道风速反演算法,并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Mie通道大气水平视线(HLOS)风速反演误差.仿真和统计结果表明,基于Fizeau干涉仪的Mie通道可反演低对流层大气风速;低对流层HLOS风速误差和标准差分别小于1 m·s-1和2 m·s-1;气溶胶和云的分布影响星载激光多普勒雷达测风误差,可使风速最大偏差增大一倍.