專利名稱：高精度反射式光纖湍流檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度測量領(lǐng)域，具體為一種高精度反射式光纖湍流檢測裝置及方法。
背景技術(shù)：
湍流大氣是一種非均勻的隨機(jī)介質(zhì)，其折射率是空間位置和時間的函數(shù)。當(dāng)激光通過湍流大氣時，大氣湍流造成的折射率起伏將引起光束漂移、擴(kuò)展、光強(qiáng)閃爍、相位起伏等湍流效應(yīng)。這些效應(yīng)制約著激光大氣傳輸、自由空間光通訊、激光測距、光成像等光學(xué)工程的應(yīng)用。因此，準(zhǔn)確獲取光傳播路徑上的光學(xué)湍流信息至關(guān)重要，主要包括折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、折射率起伏方差、特征尺度和湍流折射率譜等。目前測量這些參數(shù)的方法主要有溫度脈動法和光學(xué)方法。溫度脈動法是一種通過測量大氣溫度起伏來獲得大氣湍流折射率起伏特性的間接測量法，其假定空氣折射率的起伏特性完全取決于溫度的起伏特性，常用的測量儀器是溫度脈動儀。溫度脈動法是目前最常用的測量湍流光學(xué)參數(shù)的方法，并為大氣光學(xué)湍流的研究做出了不少的貢獻(xiàn)。隨著研究的深入，該方法日益突出其本身固有的缺陷，金屬鉬絲容易被折斷、污染，空間和時間分辨率有限，不能檢測小尺度湍流等。光學(xué)方法是利用湍流大氣中光的傳播效應(yīng)來測量湍流光學(xué)參數(shù)，常用的方法有激光閃爍法、到達(dá)角起伏法等。激光閃爍法測量湍流強(qiáng)度的理論基礎(chǔ)是弱起伏條件下的Rytov近似，當(dāng)湍流足夠強(qiáng)時，該方法失效。此外，還有人利用激光雷達(dá)測量大氣湍流，在實(shí)際大氣中，用于推導(dǎo)雷達(dá)方程的湍流各向同性和平穩(wěn)性假設(shè)條件很難得以滿足，雷達(dá)方程本身的形式尚待進(jìn)一步完善，該方法還處于初步的探索階段。目前根據(jù)湍流效應(yīng)原理的光學(xué)方法測得的湍流光學(xué)參數(shù)都是進(jìn)行長路徑平均的結(jié)果，該方法難以獲得局域折射率起伏特性。由于受技術(shù)條件的限制，傳統(tǒng)的光學(xué)湍流測量手段要么是間接的要么是在假設(shè)前提下的測量，其結(jié)果存在不確定性，有報道稱分別用溫度脈動法和光學(xué)方法測得的湍流參數(shù)在數(shù)值上可相差四倍以上。1995年，Mermelstein提出了一種雙空氣間隙光纖 Mach-Zehnder干涉測量技術(shù)原理，用于直接獲取局域湍流大氣折射率的微小起伏，其理論精度可達(dá) Itfn量級，但之后沒有相關(guān)報道。對于光纖Mach-Zehnder干涉儀來說，通常有兩個臂，一臂作為傳感臂，另一臂作為參考臂。干涉儀通過受外界的擾動而攜帶有外界信息的傳感臂，檢測外界信息。大氣湍流是微弱、隨機(jī)的，如果用閉合臂光纖Mach-Zehnder干涉儀來檢測湍流，則不能很好的反映湍流情況。近年來，隨著光電技術(shù)與相位載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了利用兩準(zhǔn)直器對準(zhǔn)的方法來檢測湍流信息。此種方法首先利用耦合器將激光分成兩束，一束用光纖連接到準(zhǔn)直器，將激光打到空氣中，在用另一個準(zhǔn)直器接受激光作為信號光，另一束作為參考光，用另一個耦合器將這兩束激光耦合發(fā)生干涉，干涉信號攜帶了大氣影響的信息。此方法如果用單模光纖及單模器件來實(shí)現(xiàn)的話，由于單模光纖的雙折射問題及兩干涉儀臂所處的環(huán)境不一樣，使發(fā)生干涉的兩束光很難保證偏振態(tài)一致，這對檢測的結(jié)果產(chǎn)生一定誤差。保偏光纖與保偏器件在一定程度上能解決偏振態(tài)問題，但保偏器件比較昂貴，使得成本增加不少；另一方面，保偏準(zhǔn)直器增大了對準(zhǔn)的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種高精度反射式光纖湍流檢測裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)大氣光學(xué)湍流檢測系統(tǒng)測量不便具有局限性的問題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為
高精度反射式光纖湍流檢測裝置，其特征在于包括有可調(diào)制的激光光源、反射式光纖湍流檢測探頭、全反鏡、信號處理模塊，所述激光光源的出射光經(jīng)過一個耦合器后分成兩路，一路出射光為探測光送入反射式光纖湍流檢測探頭，另一路出射光為參考光送入信號處理模塊，所述反射式光纖湍流檢測探頭包括準(zhǔn)直器，以及分別接有光隔離器的輸入光纖、 輸出光纖，所述輸入光纖一端接有FC/APC接頭，另一端接入準(zhǔn)直器入光口，所述輸出光纖一端接有FC/APC接頭，另一端接入準(zhǔn)直器出光口，所述全反鏡與準(zhǔn)直器間隔一定距離，全反鏡的反射面對準(zhǔn)準(zhǔn)直器，且待檢測湍流通過全反鏡與準(zhǔn)直器之間間隔；所述輸入光纖通過FC/APC接頭引入探測光，并將探測光通過光隔離器后送入準(zhǔn)直器中，一部分探測光在準(zhǔn)直器中反射至輸出光纖，其余部分探測光透射過準(zhǔn)直器后入射至全反鏡，被所述全反鏡反射后再透射入準(zhǔn)直器中，并入射至輸出光纖與探測光被準(zhǔn)直器直接反射的部分發(fā)生干涉產(chǎn)生干涉光信號，所述干涉光信號通過輸出光纖的光隔離器后送入信號處理模塊。所述的高精度反射式光纖湍流檢測裝置，其特征在于可調(diào)制的激光光源由半導(dǎo)體激光器、接入半導(dǎo)體激光器調(diào)制端的信號發(fā)生器構(gòu)成，所述信號發(fā)生器向半導(dǎo)體激光器發(fā)送調(diào)制電信號以調(diào)制半導(dǎo)體激光器的電流，使半導(dǎo)體激光器輸出隨所述調(diào)制電信號變化的載波激光。所述的高精度反射式光纖湍流檢測裝置，其特征在于反射式光纖湍流檢測探頭中還包括有環(huán)形器，所述輸入光纖、輸出光纖另一端分別接入環(huán)形器，通過環(huán)形器再接入準(zhǔn)直器中。所述的高精度反射式光纖湍流檢測裝置，其特征在于所述準(zhǔn)直器具有球面端頭， 準(zhǔn)直器的端面鍍有30%的增反膜。所述的高精度反射式光纖湍流檢測裝置，其特征在于所述信號處理模塊包括計(jì)算機(jī)、接入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡、接入數(shù)據(jù)采集卡中的兩路光電探測器，其中一路光電探測器接收參考光信號，另一路光電探測器接收干涉光信號。一種高精度反射式光纖湍流檢測方法，其特征在于包括以下步驟
(1)控制信號發(fā)生器向半導(dǎo)體激光器發(fā)送調(diào)制電信號，半導(dǎo)體激光器出射隨調(diào)制電信號變化的載波激光；
(2)計(jì)算機(jī)控制采集卡進(jìn)行信號采集，采集卡接入的兩個光電探測器分別采集參考光信號、干涉光信號并分別將參考光信號、干涉光信號轉(zhuǎn)化成電信號，采集卡將參考光信號對應(yīng)的電信號、干涉光信號對應(yīng)的電信號分別傳送至計(jì)算機(jī)中；
(3)在計(jì)算機(jī)中將干涉光信號對應(yīng)的電信號除以參考光信號對應(yīng)的電信號，將所得的信號進(jìn)行濾直流處理，得到需要解調(diào)的湍流信號；
(4)從參考信號中提取載波的波形信號cosO/)，及計(jì)算變化式_-<2巧1)；
5(5)將需要解調(diào)的湍流信號分別乘以信號、Sm(2WJ),再將乘積分別送入帶通濾波器中濾波，濾波后的結(jié)果相加，最后將相加的結(jié)果通過相關(guān)解調(diào)算法進(jìn)行計(jì)算，得到準(zhǔn)直器與全反鏡之間的湍流隨機(jī)相位差爐》；
(6)經(jīng)-與_的關(guān)系式=，將^^轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)直器與全反鏡之間的折射率
微小起伏^^，然后統(tǒng)計(jì)Δ 的起伏方差一,式中L為準(zhǔn)直器與全反鏡之間的距離 力激光的波長。本發(fā)明中，反射式光纖湍流檢測探頭只有一個臂，干涉光的光程差為光經(jīng)過空氣的光程，即光經(jīng)過全反鏡和準(zhǔn)直器之間間隔的光程，需解調(diào)的湍流相位差利用相關(guān)解調(diào)算法獲得，實(shí)現(xiàn)了直接檢測局域大氣湍流強(qiáng)度，測量數(shù)據(jù)能夠反映真實(shí)的大氣狀況。本發(fā)明適用于海洋腐蝕性的環(huán)境及陰雨天氣，提高了時間、空間分辨率，檢測速度快，靈敏度高，體積小，易集成，操作簡單。


圖1為本發(fā)明裝置原理圖。圖2為本發(fā)明反射式光纖湍流檢測探頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明反射式光纖湍流檢測探頭光學(xué)原理圖。圖4為本發(fā)明方法相關(guān)解調(diào)計(jì)算流程圖。圖5為干涉信號曲線圖。圖6為相位差信號曲線圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2、圖3所示。高精度反射式光纖湍流檢測裝置，包括有可調(diào)制的激光光源、反射式光纖湍流檢測探頭2、全反鏡3、信號處理模塊，可調(diào)制的激光光源由半導(dǎo)體激光器1、接入半導(dǎo)體激光器1調(diào)制端的信號發(fā)生器5構(gòu)成，信號發(fā)生器5向半導(dǎo)體激光器1發(fā)送調(diào)制電信號以調(diào)制半導(dǎo)體激光器1的電流，使半導(dǎo)體激光器1輸出隨調(diào)制電信號變化的載波激光。激光光源1的出射光經(jīng)過一個耦合器4后分成兩路，一路出射光為探測光送入反射式光纖湍流檢測探頭2，另一路出射光為參考光送入信號處理模塊，反射式光纖湍流檢測探頭2包括準(zhǔn)直器201，以及分別接有光隔離器202的輸入光纖204、接有光隔離器203 輸出光纖205，輸入光纖204 —端接有FC/APC接頭206，另一端接入準(zhǔn)直器201入光口，輸出光纖205 —端接有FC/APC接頭207，另一端接入準(zhǔn)直器出光口 201，全反鏡3與準(zhǔn)直器 201間隔一定距離，全反鏡3的反射面對準(zhǔn)準(zhǔn)直器201，且待檢測湍流通過全反鏡3與準(zhǔn)直器201之間間隔；輸入光纖204通過FC/APC接頭206引入探測光，并將探測光通過光隔離器202后送入準(zhǔn)直器201中，一部分探測光在準(zhǔn)直器201中反射至輸出光纖205，其余部分探測光透射過準(zhǔn)直器201后入射至全反鏡3，被全反鏡3反射后再透射入準(zhǔn)直器201中，并入射至輸出光纖205與探測光被準(zhǔn)直器201直接反射的部分發(fā)生干涉產(chǎn)生干涉光信號，干涉光信號通過輸出光纖205的光隔離器203后送入信號處理模塊。反射式光纖湍流檢測探頭2中還包括有環(huán)形器208，輸入光纖204、輸出光纖205另一端分別接入環(huán)形器208，通過環(huán)形器208再接入準(zhǔn)直器201中。準(zhǔn)直器201具有球面端頭，準(zhǔn)直器201的端面鍍有30%的增反膜。信號處理模塊包括計(jì)算機(jī)6、接入計(jì)算機(jī)6的數(shù)據(jù)采集卡7、接入數(shù)據(jù)采集卡7中的兩路光電探測器8、9，其中一路光電探測器8接收參考光信號，另一路光電探測器9接收干涉光信號。如圖4所示。一種高精度反射式光纖湍流檢測方法，包括以下步驟
(1)控制信號發(fā)生器向半導(dǎo)體激光器發(fā)送調(diào)制電信號，半導(dǎo)體激光器出射隨調(diào)制電信號變化的載波激光；
(2)計(jì)算機(jī)控制采集卡進(jìn)行信號采集，采集卡接入的兩個光電探測器分別采集參考光信號、干涉光信號并分別將參考光信號、干涉光信號轉(zhuǎn)化成電信號，采集卡將參考光信號對應(yīng)的電信號、干涉光信號對應(yīng)的電信號分別傳送至計(jì)算機(jī)中；
(3)在計(jì)算機(jī)中將干涉光信號對應(yīng)的電信號除以參考光信號對應(yīng)的電信號，將所得的信號進(jìn)行濾直流處理，得到需要解調(diào)的湍流信號；
(4)從參考信號中提取載波的波形信號cos(w力，及計(jì)算變化式Sm(2W-)；
(5)將需要解調(diào)的湍流信號分別乘以信號C0s(^i)、sm(2W/),再將乘積分別送入帶通濾波器中濾波，濾波后的結(jié)果相加，最后將相加的結(jié)果通過相關(guān)解調(diào)算法進(jìn)行計(jì)算，得到準(zhǔn)直器與全反鏡之間的湍流隨機(jī)相位差執(zhí)幻；
(6)與論、= TTT^'),彳與，轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)直器與全反鏡之間的折射率 An WJ2π￡
微小起伏么《，然后統(tǒng)計(jì)Δη的起伏方差一,式中L為準(zhǔn)直器與全反鏡之間的距離，Λ為激光的波長。本發(fā)明理論依據(jù)反射式光纖湍流檢測探頭由一個端面鍍有30%增反膜的準(zhǔn)直器、一個全反鏡、一個光環(huán)形器和兩個光隔離器組成。準(zhǔn)直器使用的是球面頭，避免準(zhǔn)直器與全反鏡之間產(chǎn)生光的震蕩。當(dāng)載波激光進(jìn)入探頭時，首先經(jīng)過一個光隔離器以避免接頭端面反射光對激光器產(chǎn)生干擾，然后進(jìn)入光環(huán)形器，再進(jìn)入準(zhǔn)直器，光在準(zhǔn)直器端面30%被返回，70%被透射，透射光經(jīng)過一段IOcm長的空氣段后，由全反鏡反射回準(zhǔn)直器中，在經(jīng)過準(zhǔn)直器端面透射后進(jìn)入光纖中與前面第一次反射的光發(fā)生干涉，此干涉信號包含了大氣湍流對光的影響信息。采集干涉信號，經(jīng)信號處理及相位解調(diào)算法后，就可以得到湍流的折射率起伏。在準(zhǔn)直器端面鍍一層30%的增反膜的原由假設(shè)入射光的光強(qiáng)為4，準(zhǔn)直器端面
的反射率為 ,則經(jīng)準(zhǔn)直器端面反射的光的光強(qiáng)為4^,透射光的光強(qiáng)為4(1-. ),透射光
經(jīng)過一段空氣后由全反射鏡返回到準(zhǔn)直器中的光的光強(qiáng)為Λ0- D。為使兩相干光束的光強(qiáng)相近，故反射率應(yīng)滿足下面關(guān)系式
4z=40-J)(O
解得2·= 38% ,由于透射光經(jīng)空氣段后反射回來會產(chǎn)生一定的損耗以及鍍膜技術(shù)要求，故準(zhǔn)直器的端面上鍍30%的增反膜。
7
干涉信號的形式及解調(diào)算法
設(shè)信號發(fā)生器產(chǎn)生& = 4 cos(wj)的調(diào)制電壓信號，4是信號的振幅，W,是信號的角
頻率。當(dāng)調(diào)制信號經(jīng)輸出電流為&、電壓電流調(diào)制率為#的激光控制器得驅(qū)動電流 ι = 0 + cosCw^i),(2)
用之驅(qū)動電流光功率調(diào)制率力電流頻率調(diào)制率力；的半導(dǎo)體激光器，得載波激光的光功率與頻率為
P = P0+^fiAm Cos(WiI),(3)
y = V0 + (5v = V0 + τ βAm Cos(WfI),⑷
其中巧和^分別為光功率和頻率的直流量。當(dāng)載波激光經(jīng)反射式光纖湍流檢測探頭后，發(fā)生干涉的兩束光產(chǎn)生的相位差為
ιμ( ) = (2πηΙηβΑ^ /c)cos(w/) + φ(￡),(5)
其中《為平均空氣折射率Usl ),i為發(fā)生干涉兩束光的光程差，c為真空中的光速， _)=夠+資'￠),得￠) = 2^1 /e為一個常量，伊'(ι)為大氣湍流引入的隨機(jī)相位變化。為了防止信號混疊，這里％ <^/2。設(shè)發(fā)生干涉兩束光的功率占總功率的百分比分別為U1
^，光電探測器的功率電壓轉(zhuǎn)化效率為夫(Ab = G^ZPiaspiii),則干涉信號為 ν -J- ρ .
”啤a ~ ^'FDi #Ujffli
^4 cos(w/j) {( + + IJaiO2 CosiilmiifiAx c) cos(w/) + _)]) = {』+ 5cos[C'COS(M^) + ^^)]}[￡)+Scos(Myi)]
(6)
其中』=^ + ,5 =C = ImvBAm Sc,D = kFDPQ,E =
將載波激光用耦合器分成兩路，一路直接用采集卡采集作為參考信號，另一路經(jīng)探頭， 則參考信號與干涉信號如下
參考信號-Jii = D+ E Cos(WiJ)(7 )
干涉信號Zj = W+ 5cos[C7Cos(WJ)+ _)])[￡■ +丑cos(w/)](8)
將干涉信號除以參考信號，在對其進(jìn)行濾直流處理后得到需要解調(diào)的信號 / = 5cc S[C+識⑴]包含了湍流隨機(jī)相位。對信號進(jìn)行Bessel級數(shù)展開，
權(quán)利要求
1.高精度反射式光纖湍流檢測裝置，其特征在于包括有可調(diào)制的激光光源、反射式光纖湍流檢測探頭、全反鏡、信號處理模塊，所述激光光源的出射光經(jīng)過一個耦合器后分成兩路，一路出射光為探測光送入反射式光纖湍流檢測探頭，另一路出射光為參考光送入信號處理模塊，所述反射式光纖湍流檢測探頭包括準(zhǔn)直器，以及分別接有光隔離器的輸入光纖、輸出光纖，所述輸入光纖一端接有FC/APC接頭，另一端接入準(zhǔn)直器入光口，所述輸出光纖一端接有FC/APC接頭，另一端接入準(zhǔn)直器出光口，所述全反鏡與準(zhǔn)直器間隔一定距離， 全反鏡的反射面對準(zhǔn)準(zhǔn)直器，且待檢測湍流通過全反鏡與準(zhǔn)直器之間間隔；所述輸入光纖通過FC/APC接頭引入探測光，并將探測光通過光隔離器后送入準(zhǔn)直器中，一部分探測光在準(zhǔn)直器中反射至輸出光纖，其余部分探測光透射過準(zhǔn)直器后入射至全反鏡，被所述全反鏡反射后再透射入準(zhǔn)直器中，并入射至輸出光纖與探測光被準(zhǔn)直器直接反射的部分發(fā)生干涉產(chǎn)生干涉光信號，所述干涉光信號通過輸出光纖的光隔離器后送入信號處理模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度反射式光纖湍流檢測裝置，其特征在于可調(diào)制的激光光源由半導(dǎo)體激光器、接入半導(dǎo)體激光器調(diào)制端的信號發(fā)生器構(gòu)成，所述信號發(fā)生器向半導(dǎo)體激光器發(fā)送調(diào)制電信號以調(diào)制半導(dǎo)體激光器的電流，使半導(dǎo)體激光器輸出隨所述調(diào)制電信號變化的載波激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度反射式光纖湍流檢測裝置，其特征在于反射式光纖湍流檢測探頭中還包括有環(huán)形器，所述輸入光纖、輸出光纖另一端分別接入環(huán)形器，通過環(huán)形器再接入準(zhǔn)直器中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度反射式光纖湍流檢測裝置，其特征在于所述準(zhǔn)直器具有球面端頭，準(zhǔn)直器的端面鍍有30%的增反膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度反射式光纖湍流檢測裝置，其特征在于所述信號處理模塊包括計(jì)算機(jī)、接入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡、接入數(shù)據(jù)采集卡中的兩路光電探測器，其中一路光電探測器接收參考光信號，另一路光電探測器接收干涉光信號。
6.基于權(quán)利要求1的一種高精度反射式光纖湍流檢測方法，其特征在于包括以下步驟(1)控制信號發(fā)生器向半導(dǎo)體激光器發(fā)送調(diào)制電信號，半導(dǎo)體激光器出射隨調(diào)制電信號變化的載波激光；(2)計(jì)算機(jī)控制采集卡進(jìn)行信號采集，采集卡接入的兩個光電探測器分別采集參考光信號、干涉光信號并分別將參考光信號、干涉光信號轉(zhuǎn)化成電信號，采集卡將參考光信號對應(yīng)的電信號、干涉光信號對應(yīng)的電信號分別傳送至計(jì)算機(jī)中；(3)在計(jì)算機(jī)中將干涉光信號對應(yīng)的電信號除以參考光信號對應(yīng)的電信號，將所得的信號進(jìn)行濾直流處理，得到需要解調(diào)的湍流信號；(4 ) 從參考信號中提取載波的波形信號 C0s(WiI),及計(jì)算變化式Sm(2巧i)；(5)將需要解調(diào)的湍流信號分別乘以信號⑶力、,再將乘積分別送入帶通濾波器中濾波，濾波后的結(jié)果相加，最后將相加的結(jié)果通過相關(guān)解調(diào)算法進(jìn)行計(jì)算，得到準(zhǔn)直器與全反鏡之間的湍流隨機(jī)相位差；(6)的關(guān)系式=,將轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)直器與全反鏡之間的折射率微小起伏么《 ,然后統(tǒng)計(jì)的起伏方差一(Δ ),式中L為準(zhǔn)直器與全反鏡之間的距離q力激光的波長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精度反射式光纖湍流檢測裝置及方法，本發(fā)明裝置包括可調(diào)制的激光光源、反射式光纖湍流檢測探頭、信號處理模塊，其中反射式光纖湍流檢測探頭是由準(zhǔn)直器、光環(huán)形器、光隔離器、光纖構(gòu)成，反射式光纖湍流檢測探頭只有一個臂，發(fā)生干涉兩束光的光程差為光經(jīng)過空氣的光程。本發(fā)明方法通過本發(fā)明裝置直接檢測局域湍流大氣折射率的微小起伏，適用于多種地理環(huán)境與多種天氣情況，具有耐腐蝕，檢測速度快，靈敏度高，體積小，易集成，操作簡單等特點(diǎn)。
文檔編號G01N21/45GK102419247SQ20111023832
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者梅海平, 武鵬飛, 肖樹妹, 邵世勇, 饒瑞中, 黃啟凱 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所