一種非對稱空間外差光譜儀風速測量標定裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種非對稱空間外差光譜儀風速測量標定裝置及方法，包括有兩個不同波長的空心陰極燈光源、分束器、風速模擬器、非對稱空間外差干涉儀、成像鏡頭、探測器；一方面，在系統中引入參考光源，形成混合光束發生干涉；另一方面，分時段測量無頻移的干涉圖序列和有一定頻移的干涉圖序列；分別計算出信號光源和參考光源對應的相位序列，從而扣除系統誤差對相位信號的影響，對處理過的相位序列前后分別平均并做差，計算出信號光源的有效相位頻移，從而準確反推出風速。本發明在實驗室測量時，裝置穩定可靠，系統簡單易于實現，能夠獲得高精度的風速反演結果。
【專利說明】
一種非對稱空間外差光譜儀風速測量標定裝置及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于非對稱空間外差光譜儀的中高層大氣風速測量標定裝置及 方法，屬于光學測量領域。
【背景技術】
[0002] 風場在大氣活動中扮演重要的角色，因此，研究大氣風速成為獲取大氣行為的重 要方法。被動式風場探測技術通過三種方式實現，分別基于Fabry-Perot干涉技術， Michelson干涉技術和非對稱空間外差干涉技術。Fabry-Perot干涉儀通過細銳條紋的移動 反推風速，具有超高的測量精度和穩定性，但是對標準具的平整度要求極高，且光通量小、 體積大。Michelson干涉儀通過四個點的強度反推風速，采樣點數少，儀器漂移不能被實時 跟蹤，除此之外，動鏡的機械穩定性不能保證。非對稱空間外差干涉技術作為新興中高層大 氣風速測量技術，具有靜態探測，多譜線同時探測，實時相位跟蹤等優點，極大滿足了風場 探測的需求。基于非對稱空間外差光譜技術的干涉測量風速方法，根據光學多普勒原理，通 過干涉圖相位的頻移求解大氣風速。
[0003] 非對稱空間外差光譜儀研制成功后，如何對其測風能力及相應的精度水平進行評 價，需研制相應的風速標定裝置，模擬中高層大氣氣輝的多普勒頻移現象。在專利號為 US7773229的專利中，利用斬波器、電機、和光束反射盤等設備組合形成風速標定裝置，實時 跟蹤儀器的相位漂移并準確探測風速。但是在實驗過程中，這套裝置仍然具有以下不足：
[0004] (1)中高層大氣風速在0-150m/s的范圍內變化，現有的實驗裝置只能模擬低風速 的情況；
[0005] (2)采用反射盤和斬波器配合使用的方式同時采樣相位頻移前后的干涉圖，增加 了標定裝置的復雜度和數據處理的難度，降低可操作性；
[0006] (3)采用高幀速率的探測器對硬件提出了較高的要求。

【發明內容】

[0007] 針對上述現有標定裝置的缺點，本發明提出了一種非對稱空間外差光譜儀風速測 量標定裝置及方法。
[0008] 本發明采用的技術方案如下：
[0009] -種非對稱空間外差光譜儀風速測量標定裝置，其特征在于:包括有兩個不同波 長的空心陰極燈光源、分束器、風速模擬器、非對稱空間外差干涉儀、成像鏡頭、探測器;所 述兩個空心陰極燈光源分別作為信號光源和參考光源并分設在分束器的入射面的水平方 向和垂直方向，兩個空心陰極燈光源各通過一根光纖與一個光纖準直器連接，分束器的水 平透射光路上設有風速模擬器，分束器的垂直透射光路上設有非對稱空間外差干涉儀，分 束器與非對稱空間外差干涉儀之間還設有聚焦透鏡、準直系統，非對稱空間外差干涉儀外 依次設有成像鏡頭、探測器，探測器與計算機連接;信號光源和參考光源的光經過聚焦后， 又經過聚焦透鏡進入非對稱空間外差干涉儀，形成干涉條紋，經過成像鏡頭的縮放成像于 探測器面。
[0010] 所述的一種非對稱空間外差光譜儀風速測量標定裝置，其特征在于:所述風速模 擬器包括有由L型支架支撐的電機和反射盤。
[0011] -種非對稱空間外差光譜儀風速測量標定方法，其特征在于包括以下步驟：
[0012] (1)信號光源發出頻率為σο的光由第一光纖導出，并經過第一光纖準直器形成平 行光束〇〇,透過分束器入射到有一定速度VQ的風速模擬器的反射盤上，平行光束〇〇具有的速 度為V = 2VQC〇Sa，光束發生頻移的頻率為〇^=%(1+>，其中α為光束與發射盤的夾角， 0為 光速，平行光束〇〇再次到達分束器面，經反射后進入另一個聚焦透鏡，形成會聚光束〇〇;
[0013] (2)參考光源發出的頻率為〇1的光由第二光纖導出，并經過第二光纖準直器形成 平行光束。:，該光束經過分束器透射后進入光纖準直器，形成會聚光束;
[0014] (3)會聚光束〇〇和〇1形成混合光束，經過準直鏡頭后作為入射光進入非對稱空間外 差干涉儀中發生干涉，成像鏡頭對干涉條紋進行縮放，并成像于探測器面上；
[0015] (4)探測器連續采樣2Ν幅干涉圖，前Ν幅在信號光源頻率不發生頻移的條件下采 樣，后Ν幅在啟動電機使信號光源發生頻移△ 〇后采樣，參考光源在整個過程中保持不變；
[0016] (5)干涉圖包含兩個頻率成分〇〇和〇1，分別計算兩個頻率成分對應的干涉相位序列 Φ 〇和Φ 1，；為了測量多普勒頻移，相位序列Φ 〇和Φ 1分別被減去第一個相位值，得到相位變 化序列Δ φ〇和Δ φ1;
[0017] (6)參考光源的相位△ Φ:的變化主要由背景噪聲和系統漂移引起，在信號光源的 相位中扣除得到有效序列為Δ φ0= Δ φ〇-Δ φ1; Δ 是信號光源未發生頻移時，前Ν幅干 涉圖中σ〇頻率對應的相位變化序列；△巾^是信號光源發生頻移時，后Ν幅干涉圖中σ〇+Δσ 頻率對應的相位變化序列；
[0018] (5)對扣除背景后信號光源的相位序列Δ φ』和Δ 分別求平均后做差，計算出 信號光源的有效相位頻移：
[0019] δ φ =mean( Δ φ ei)-mean( Δ φ e〇)；
[0020] 根據#二i反推實驗室模擬風速，其中，L〇pt為干涉儀的最優光程差。
[0021] 本發明具有以下特點及良好效果：
[0022] (1)本發明的風速模擬器設計中，采用大直徑的反射盤和高轉速的電機，使模擬的 風速能夠在5.8到133.29m/s范圍變化;采用一個穩定的L型支架固定電機，并通過在底部增 加橡膠墊減少風速模擬裝置的振動，以實現在高轉速下能穩定測試的要求。
[0023] (2)測量過程中，通過控制風速模擬器，分時段采樣信號光源發生頻移前后的干涉 圖并求解相位頻移，避免了由于斬波導致的復雜的數據篩選過程。
[0024] (3)采用雙光源的方式，用參考光源跟蹤信號光源經過系統后產生的漂移，能夠扣 除背景噪聲和系統不穩定對相位信號的影響，準確反推出風速，提高風速測量精度。
【附圖說明】
[0025]圖1是干涉測量風速系統示意圖
【具體實施方式】
[0026] 根據下列詳細說明并結合附圖可以對本發明有最佳的理解。包括有兩個不同波長 的空心陰極燈光源，分束器7,風速模擬器8,準直系統10,干涉儀11，成像鏡頭12,探測器13。
[0027] -種非對稱空間外差光譜儀風速測量標定裝置，包括有兩個不同波長的空心陰極 燈光源、分束器7、風速模擬器8、非對稱空間外差干涉儀11、成像鏡頭12、探測器13;兩個空 心陰極燈光源分別作為信號光源1和參考光源2并分設在分束器7的入射面的水平方向和垂 直方向，兩個空心陰極燈光源各通過一根光纖3、4與一個光纖準直器5、6連接，分束器7的水 平透射光路上設有風速模擬器8,分束器7的垂直透射光路上設有非對稱空間外差干涉儀 11，分束器7與非對稱空間外差干涉儀11之間還設有聚焦透鏡9、準直系統10,非對稱空間外 差干涉儀11外依次設有成像鏡頭12、探測器13,探測器13與計算機14連接;信號光源1和參 考光源2的光經過聚焦后，又經過聚焦透鏡9進入非對稱空間外差干涉儀11，形成干涉條紋， 經過成像鏡頭12的縮放成像于探測器13面。
[0028] 風速模擬器8包括有由L型支架支撐的電機和反射盤。
[0029] -種非對稱空間外差光譜儀風速測量標定方法，包括以下步驟：
[0030] 一、采用圖1中虛線框所示的部分實現信號光束的頻移：
[0031 ]信號光源1發出頻率為〇〇的光由光纖3導出，并經過光纖準直器5形成平行光束〇〇， 透過分束器7入射到有一定速度νο的反射盤8上，平行光束〇〇具有的速度為v = 2vo cosa，光 束發生頻移的頻率為< = σ?(1 +其中a為光束與發射盤的夾角，c為光速;平行光束σ〇再 次到達分束器面，經反射后進入另一個聚焦透鏡9，形成會聚光束〇0。
[0032] 二、采用圖1所示的系統實現實驗室風速測量標定，包括以下步驟：
[0033] (1)參考光源2發出的光由光纖4導出，并經過光纖準直器6形成平行光束〇1，該光 束經過分束器透射后進入光纖準直器9，形成會聚光束 σι;會聚光束勿和~形成混合光束，經 過準直鏡頭10后作為入射光進入非對稱空間外差干涉儀11發生干涉，成像鏡頭12對干涉條 紋進行縮放，并成像于探測器面13;
[0034] (2)探測器13連續采樣2Ν幅干涉圖，前Ν幅在信號光源頻率不發生頻移的條件下 采樣，后Ν幅在啟動電機使信號光源1發生頻移△〇后采樣，參考光源2在整個過程中保持不 變；
[0035] (3)干涉圖包含兩個頻率成分〇〇和〇1，分別計算兩個頻率成分對應的干涉相位序列 Φ 〇和Φ i;為了測量多普勒頻移，相位序列Φ 〇和Φ !分別被減去第一個相位值，得到相位變 化序列Δ φ〇和Δ φ1;
[0036] (4)參考光源2的相位△ 的變化主要由背景噪聲和系統漂移引起，在信號光源1 的相位中扣除得到有效序列為Α φθ= Δ φ〇-Δ φ1; Δ Φμ是信號光源1未發生頻移時，前Ν 幅干涉圖中〇〇頻率對應的相位變化序列；△ Φβ?是信號光源1發生頻移時，后Ν幅干涉圖中〇〇 + Δ σ頻率對應的相位變化序列；
[0037] (5)對扣除背景后信號光源1的相位序列Δ Φμ和Δ 分別求平均后做差，計算 出信號光源1的有效相位頻移：
[0038] δ φ =mean( Δ φ ei)-mean( Δ φ e〇);
[0039] 根據(￥=2；2>￡〇^、巧1反推實驗室模擬風速，其中兒〇?丨為干涉儀的最優光程差。 c
【主權項】
1. 一種非對稱空間外差光譜儀風速測量標定裝置，其特征在于:包括有兩個不同波長 的空屯、陰極燈光源、分束器、風速模擬器、非對稱空間外差干設儀、成像鏡頭、探測器;所述 兩個空屯、陰極燈光源分別作為信號光源和參考光源并分設在分束器的入射面的水平方向 和垂直方向，兩個空屯、陰極燈光源各通過一根光纖與一個光纖準直器連接，分束器的水平 透射光路上設有風速模擬器，分束器的垂直透射光路上設有非對稱空間外差干設儀，分束 器與非對稱空間外差干設儀之間還設有聚焦透鏡、準直系統，非對稱空間外差干設儀外依 次設有成像鏡頭、探測器，探測器與計算機連接;信號光源和參考光源的光經過聚焦后，又 經過聚焦透鏡進入非對稱空間外差干設儀，形成干設條紋，經過成像鏡頭的縮放成像于探 測器面。2. 根據權利要求1所述的一種非對稱空間外差光譜儀風速測量標定裝置，其特征在于： 所述風速模擬器包括有由L型支架支撐的電機和反射盤。3. -種基于權利要求1或2所述非對稱空間外差光譜儀風速測量標定裝置的標定方法， 其特征在于包括W下步驟： (1) 信號光源發出頻率為〇〇的光由第一光纖導出，并經過第一光纖準直器形成平行光束 〇〇,透過分束器入射到有一定速度V0的風速模擬器的反射盤上，平行光束σ〇具有的速度為V = 2v〇cosa，光束發生頻移的頻率為巧；=巧，(1 + ^)，其中α為光束與發射盤的夾角，C為光速， 平行光束〇日再次到達分束器面，經反射后進入另一個聚焦透鏡，形成會聚光束〇〇; (2) 參考光源發出的頻率為01的光由第二光纖導出，并經過第二光纖準直器形成平行光 束〇1，該光束經過分束器透射后進入光纖準直器，形成會聚光束〇1; (3) 會聚光束σ〇和〇1形成混合光束，經過準直鏡頭后作為入射光進入非對稱空間外差干 設儀中發生干設，成像鏡頭對干設條紋進行縮放，并成像于探測器面上； (4) 探測器連續采樣2Ν幅干設圖，前Ν幅在信號光源頻率〇〇不發生頻移的條件下采樣，后 Ν幅在啟動電機使信號光源發生頻移Δσ后采樣，參考光源在整個過程中保持不變； (5) 干設圖包含兩個頻率成分〇〇和01，分別計算兩個頻率成分對應的干設相位序列Φο 和Φ 1，；為了測量多普勒頻移，相位序列Φ 0和Φ 1分別被減去第一個相位值，得到相位變化 序列Δ Φ Q和Δ Φ 1; (6) 參考光源的相位Δ φι的變化主要由背景噪聲和系統漂移引起，在信號光源的相位 中扣除得到有效序列為Δ Φ e= Δ Φ 〇-Δ Φ 1 ; Δ Φ eO是f目號光源未發生頻移時，前Ν幅干設圖 中〇〇頻率對應的相位變化序列；Δ d)ei是信號光源發生頻移時，后N幅干設圖中σ〇+Δσ頻率 對應的相位變化序列； (7) 對扣除背景后信號光源的相位序列Δ ΦβΟ和Δ ΦβΙ分別求平均后做差，計算出信號 光源的有效相位頻移： δ Φ =mean( Δ Φ ei)-mean( Δ Φ eo); 根據嫁=' Lo/w '巧| ^反推實驗室模擬風速，其中，Lopt為干設儀的最優光程差。
【文檔編號】G01P21/02GK105974158SQ201610436765
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月16日
【發明人】沈靜, 施海亮, 羅海燕, 熊偉, 李志偉, 胡廣驍, 方雪靜, 徐標
【申請人】中國科學院合肥物質科學研究院