光纤传感技术用于大气光学湍流测量

简要回顾了几种常用的光学湍流测量方法,分析了其适用条件和存在的主要问题.阐述了将光纤传感技术引入大气光学湍流测量领域的思想,并且提出了两种有望获得突破的技术方案,即光纤干涉法和光纤准直耦合法.实验研究表明,前者在2 cm的空气路径上,后者在10 cm的空气路径上即可获得明显的湍流信息.同时发现光纤系统的噪声和稳定性是制约研究进展的主要因素.     

光纤干涉系统光学湍流测量原理及其偏振噪声问题的分析

光纤干涉仪具有测量精度高、探测灵敏度大等优点,可用于直接测量大气湍流折射率起伏.首先简要介绍了光纤Mach-Zehnder干涉仪的光学湍流测量原理,描述了低双折射单模光纤中光束偏振态变化诱导的偏振信号衰落现象,并通过偏振态的邦加球分析和详细的公式推导,得出了干涉仪可见度和相移噪声的关系式.结果表明:控制输入光偏振态与干涉仪本征向量之间的夹角在零度左右,可有效地抑制偏振噪声,最后给出了偏振控制器实现偏振控制的原理,为构建稳定的光学湍流测量光纤干涉系统提供了科学依据.     

用光纤准直耦合光路测量大气光学湍流

阐述了利用光纤准直器对组成的耦合光路的附加损耗产生的机理,证明大气湍流运动可引起该光路的附加损耗发生随机变化。根据湍流大气光传播原理,推导出了耦合光功率与光路参数和湍流参数关系式。分析表明：实际湍流大气造成的随机附加损耗主要取决于湍流强度。实验验证了利用该光路可在很短的空气间隙内获得湍流强度的变化信息。     

大气光学湍流廓线探测方法研究进展

激光在大气传输过程中,由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应,因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展.通过分析大气光学湍流对多个领域的影响,指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义.要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响,就必须对光学湍流进...     

华南山区秋冬季节大气光学湍流初步测量分析

通过使用大气相干长度仪测量了华南山区部分月份的昼夜整层大气相干长度,结合使用温度脉动仪获取的近地面部分测量高度的折射率结构常数数据,分析结果表明:在10、11、12月份中,白天11月的测量结果最大,夜间测量结果较为复杂,下半夜的测量数据小于上半夜的测量数据;从频数分布来看,白天中心值为8.5 cm,主要集中在6～12 cm之间,夜间中心值为13.0 cm,主要集中在10～18 cm之间,其平均值明显大于白天的结果;从近地面层对整层大气湍流强度的贡献来看,白天比夜间受到的影响更为明显.     

近场光学方法测量大气折射率起伏

精确测量大气的折射率起伏,对于研究大气的光学性质及其在环境监测中的应用有着重要的意义.建立了用近场光学方法测量大气折射率起伏的模型:采用全内反射方法激发金属的表面等离子共振,在金属-空气-金属组成的平面波导中形成振荡的导模,选取衰减全反射曲线中变化最快的一点的角度作为入射光的角度,测量相应的反射光光强的变化,就可以得到相应空气的折射率的变化.初步数值模拟了该模型的测量精度,折射率变化的精度可以达到百万分之五.     

湍流尺度对大气成像系统分辨率的影响

运用湍流大气的Andrews折射率谱近似模型从理论上分析了大气成像系统的光学传递函数并研究了有限湍流尺度 (湍流内、外尺度 )对湍流大气中成像系统光学分辨率的影响。结果表明应该考虑湍流尺度对大气系统成像的作用。采用近似Andrews折射率谱模型所得结果与采用纯指数谱计算结果有明显差别。     

一种基于超短基线干涉仪的大气湍流参数测量算法

目前，对流层大气湍流造成的随机变化的相位误差已严重影响了高频段深空测控通信系统的工作性能.为了量化湍流强度，基于超短基线干涉仪系统接收的地球同步卫星信号，统计信号干涉相位的标准偏差，结合经典的Kolmogorov-Obukhov"2/3"扰动理论和随机场理论建立了大气湍流参数计算模型，实时获取表征湍流强度的物理量:大气折射率结构常数C_n2.分别在郑州、杭州进行了连续多天的晴天、雨天相位观测试验，利用试验数据计算C_n2，并利用气象探空数据经验模型进行了验证.试验数据计算结果显示:C_n2在郑州晴天的正午前后要明显高于早晨和傍晚，而在杭州雨天则没有明显的规律性.C_n2在10-15~10-13的数量级范围变化，与经验模型计算的结果相吻合，验证了算法的合理性和准确性.     

烟道中光学湍流测量

用微温传感器测量了发电厂烟道内的温度起伏频谱,得到烟道内折射率结构常数C2n的分布及外尺度.结果表明:烟道内的温度谱可用von Karman谱表示,外尺度基本不随离烟道壁的距离变化,C2n强度随离烟道壁的距离增加而增加.在处理平均风速值时,要考虑结构常数分布对加权函数的影响.由C2n计算出的光闪烁强度远小于实测的光闪烁强度,因此,光束通过烟道气流的闪烁主要原因不是来自温度起伏.     

一种基于双模干涉的光纤折射率传感器

为实现高灵敏度的折射率测量,设计了一种基于双模干涉的光纤折射率传感器,该传感器为单模-多模-单模光纤(SMS)结构,其中单模光纤和多模光纤具有相同的直径和纤芯折射率。剥去多模光纤的包层,将其置于待测环境中,多模光纤中激发出的两个模式之间会发生干涉,当待测环境折射率发生变化时,干涉谱中的波谷会发生移动,可根据光谱中波谷的移动量来实现对折射率的测量。利用FDTD Solutions软件进行仿真模拟,得到不同折射率下的干涉谱,结果表明,位于1517.32nm的干涉谷对折射率的敏感度为1848.2nm/RIU,最小分辨率误差仅为2.74×10-5RIU。该传感器较传统光纤传感器而言,结构简单,有着高灵敏度、低分辨率误差等优点,应用前景广阔。     

利用光纤马赫曾德尔干涉仪实现的光学双稳性研究

以光纤马赫曾德尔干涉仪作为光强度调制器件,通过光纤耦合器构造光电反馈回路搭建了一种新型电光混合型光学双稳装置。对光学双稳原理进行了研究分析,用图解法形象地解释了双稳工作原理,并且通过在实验中改变该器件的输入光强实现了光学双稳态,得到的光学双稳现象显著,双稳工作状态稳定。该器件有诸多重要应用,如工作在稳态区域时可用做光纤激光功率稳定器,工作在开关区域时可用作光开光、光路由器。     

马赫- 泽德光纤传感器实验研究

基于光纤传感这一现代科学技术,利用Newport光纤组合实验器件,搭建了一套最基本的马赫-泽德(M-Z)干涉传感器装置。通过本实验的练习,对于开阔理工科院校学生的视野,提高他们的学习兴趣具有重要的作用。同时,对于引导学生迅速进入工程应用的前沿领域也有良好的导向作用。     

基于光纤F-P干涉波长的溶液浓度测量系统研究

为了消除光源强度波动对测量结果的影响，根据溶液浓度与其折射率的关系和光纤法布里珀罗(F—P)干涉仪透射光谱中心波长与干涉仪腔内介质折射率之间的关系，利用其透射光谱的中心波长进行透明溶液浓度的精确测量，开发出测量实验系统。采用可调光学滤波器对传感信号进行采集。对浓度为5％～80％的酒精进行了实际测量实验，浓度最大测量偏差为0．003％。该系统具有如下特点：1)与CCD测量技术相比，采用法布里-珀罗干涉系统透射光谱的波长信号进行溶液浓度测量，可实现连续大范围、高精度测量；2)消除了光源波动对测量结果的影响，可实现连续高精度测量，且测量范围宽；3)直接利用光电探测器PIN进行传感信号的检测，使系统计算简单；4)便于实现分布式遥测系统；5)直接拟合出F—P干涉波长与溶液浓度之间的关系，使其更适合于工程实际的应用。     

大气湍流对激光通信系统的影响分析

大气湍流是影响大气激光通信系统性能的主要因素之一。在忽略光通信系统中的其它噪声且仅考虑由大气湍流引起的系统误码率的情况下,对激光信号在大气湍流中斜程传输时的通信系统误码率(BER)、信噪比(SNR)与对数振幅起伏之间的关系进行了研究;依据ITU--R公布的随高度变化的大气结构常数模型,用FORTRAN对信噪比和误码率在不同波长与不同天顶角的条件下随高度的变化情况进行了数值模拟。结果表明,当传输高度相同时,用长波激光和较小的天顶角进行斜程传输,可以有效地减小系统的误码率和增加系统的信噪比,从而提高激光的通信质量。     

Mach-Zender干涉仪温度测量实验研究

文章基于Mach-Zender干涉仪结构原理,设计了一个温度测量实验。结果表明:当物体温度升高时,干涉仪条纹出现向左侧移动现象;当物体温度下降时,干涉仪条纹向右侧移动。温度的变化与条纹移动数目成线性相关性,线性拟合度为0.9996,对比实验进一步说明,Mach-Zender干涉仪测量温度具有很高的精度。     

大气湍流对近地无线光通信链路影响的研究

大气湍流是影响大气无线光通信系统性能的主要因素之一,其影响主要表现为光通信系统中接收端接收的光强存在闪烁效应。本文将这种闪烁效应看作是光通信系统传输的乘性噪声,对光通信系统的传输性能进行了仿真和分析并与采用Turbo码编码的系统进行了比较。仿真结果表明,Turbo码是用来抑制大气湍流影响的一种有效的编码方式。