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。     

大气气溶胶等效吸收的研究

以强吸收性的煤烟气溶胶为例,分析了其等效吸收系数与反映粒子分布的荣格指数的关系,指出随荣格指数的增大,吸收系数呈现出先减小后增大的U形结构。对同一成分的气溶胶来说,小粒子的容热能力高于大粒子,随着大粒子的增多,延迟时间逐渐缩短。以光纤式迈克尔逊干涉的简易平台为基础,考察了镜面反射光经准直器端面的透射光和准直器端面反射光所形成的干涉光,在1.064m近红外平行光束垂直照射下的相位变化,利用相位变化量和等效吸收的关系,获取了晴天、雾天、纸张燃烧的薄烟雾及浓烟雾的大气气溶胶等效吸收的发展过程,测量灵敏度达到10-6m-1,分析了环境温度渐变引起的迈克尔逊干涉信号基线的飘移,为气溶胶吸收过程的详细研究和吸收系数的实际测量提供了试验基础。     

折返路径光学湍流激光成像探测技术研究

分析了折返路径光学湍流激光成像探测技术发展的背景和意义,阐述了湍流大气中的折返路径激光传输物理过程及其数学模型。利用构建的实验系统,获取了人造流场和自然湍流场中动态变化的激光散斑回波图像,分析了图像的典型特征。计算表明: 利用低通滤波算法可将激光光斑分解成低频的阴影和高频的散斑亮点图像;对相邻的两帧阴影图像进行互相关运算,可以获得二维的横向风场矢量,从而实现湍流场及其中涡旋结构的可视化,同时显示出湍流场在空间上的各向异性。提出了若干有待探究的科学问题,例如如何利用风场矢量提取光学湍流的尺度参数,以及如何利用散斑亮点结合背景纹影技术来分析湍流场结构等, 作为下一步的研究目标。     

应用于图像复原的大气调制传递函数研究综述

大气的吸收和散射以及湍流效应是造成大气中长距离成像质量下降的主要原因,分析了导致图像恶化的大气因素和大气调制传递函数(modulation transfer function,MTF)。由于准确获取大气MTF是以大气MTF的图像复原技术研究为基础,较系统地总结了大气湍流和大气气溶胶的MTF理论结果,给出了可能的应用思路。     

大气吸收性成分的光热干涉法测量

大气气溶胶粒子吸收对地球辐射收支平衡、激光在大气中的传输等具有重要影响,其吸收特性的准确测量越来越受到重视。介绍了气溶胶吸收系数的光热干涉法的测量原理、解调算法与标定原理。通过搭建的全光纤结构光热干涉实验装置,对N2、NO2和含碳气溶胶进行了定性测量,利用NO2气体在532 nm波段的吸收实现了实验装置的初步标定,获得目前装置对NO2气体的最小可探测浓度为3.976 mgm-3。分析结果表明光热干涉法在实际大气气溶胶粒子吸收特性的测量上潜力巨大。     

载波调制型大气光学湍流光纤测量系统的实验研究

介绍了利用载波调制型光纤Mach-Zehnder干涉仪测量大气光学湍流折射率起伏的原理,给出了载波调制信号的解调方法.实验研究表明,该系统测量大气折射率起伏方差的噪声水平为2.5×10-16.在真实的大气环境下,通过与传统温度脉动仪的对比测试分析表明,两者的探测结果无论在量级上还是在变化趋势上都有很好的一致性,这标志着大气湍流的光纤测量技术已初步迈入实用阶段.     

湍流大气中折返路径激光成像探测实验

采用红光激光器、3M微晶棱镜阵列反光膜和长焦高速CCD(电荷耦合器件)构建的折返路径激光成像探测系统,进行典型天气条件下湍流大气中1km传输路径上的激光光斑回波成像探测实验,并配备激光闪烁仪和大气相干长度仪实时监测湍流参数。对激光光斑图像的强度进行了统计分析,获得了不同位置、不同光斑孔径范围内的闪烁指数和光强起伏的空间相关系数,并尝试拟合得出了光斑中心点理想的点闪烁指数。将依据该闪烁指数推算出的湍流折射率结构常数与实时监测数据进行对比分析,结果表明:利用该方法所得的湍流折射率结构常数与激光闪烁仪实测值在变化趋势上具有良好的一致性,并且折返路径激光成像探测方法容易确保傍轴近似条件,理论上更符合实际。该系统不仅可用于观测受大气湍流影响的完整的远场激光光斑,通过定量化理论建模,还有望发展成为一种单端的大气光学湍流参数成像探测新技术。     

指向误差对海上无线光通信误码率性能的影响分析

为探究深度湍流条件下激光往返传输的漂移特性,基于修正的Rytov理论,推导了深度湍流条件下光束漂移角方差表达式。搭建了折返路径激光成像探测系统,实验获取了1 km和7 km传输路径上不同时段激光光斑的回波图像和大气相干长度。利用回波图像计算了漂移角均方差及其各向异性因子并与理论对比。结果表明：漂移角均方差和大气相干长度随时间变化具有明显周期性,两者变化同步,但趋势相反。1 km传输路径上,漂移角均方差在2~24 μrad之间波动。而7 km传输路径上漂移角均方差在4~26 μrad之间波动。通过对比Kolmogorov 理论、Von Karman理论、Exponential理论和修正的Rytov理论模型下漂移角均方差与实测值的相对偏差发现：基于Von Karman理论的模型与1 km传输路径上漂移角均方差的实测值更为吻合,平均相对偏差约为18.20%,基于修正Rytov折射率功率谱理论的模型与7 km传输路径上漂移角均方差的实测值更为吻合,平均相对偏差约为21.09%。在1 km和7 km传输路径上,漂移特性均随着大气相干长度的减小而趋于各向同性。相关实验结果进一步揭示了深度湍流下往返路径传输激光漂移的机理,对于长距离空间光通信维持稳定通信链路具有一定参考价值。     

基于光纤传感的智能安防报警系统设计与开发

光声光谱技术是一种高灵敏的光学检测技术,已成功应用于各种痕量气体检测场合。针对工业上CH₄气体泄漏的快速安全检测问题,研制了一套基于H形光声池和Fabry-Perot干涉式光纤麦克风的全光光声光谱装置。采用有限元分析方法对悬臂梁的振动特性进行了仿真分析,并优化了悬臂梁的结构参数,使其共振频率和光声池的共振频率相匹配,实现了对光声信号的双共振增强。同时利用平面镜使光声吸收池的投射光再次入射进入吸收池,进一步增强了光声信号。装置使用Q点稳定强度解调程序对干涉信号进行解调,解决了光纤麦克风在测试过程中的Q点随温度漂移的问题,确保了光纤麦克风长期工作时的稳定性。该光声测量装置采用相似文献