专利名称：高精度反射式光纤湍流检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及大气光学湍流强度测量领域，具体为一种高精度反射式光纤湍流检测装置及方法。
背景技术：
湍流大气是一种非均勻的随机介质，其折射率是空间位置和时间的函数。当激光通过湍流大气时，大气湍流造成的折射率起伏将引起光束漂移、扩展、光强闪烁、相位起伏等湍流效应。这些效应制约着激光大气传输、自由空间光通讯、激光测距、光成像等光学工程的应用。因此，准确获取光传播路径上的光学湍流信息至关重要，主要包括折射率结构常数、折射率起伏方差、特征尺度和湍流折射率谱等。目前测量这些参数的方法主要有温度脉动法和光学方法。温度脉动法是一种通过测量大气温度起伏来获得大气湍流折射率起伏特性的间接测量法，其假定空气折射率的起伏特性完全取决于温度的起伏特性，常用的测量仪器是温度脉动仪。温度脉动法是目前最常用的测量湍流光学参数的方法，并为大气光学湍流的研究做出了不少的贡献。随着研究的深入，该方法日益突出其本身固有的缺陷，金属钼丝容易被折断、污染，空间和时间分辨率有限，不能检测小尺度湍流等。光学方法是利用湍流大气中光的传播效应来测量湍流光学参数，常用的方法有激光闪烁法、到达角起伏法等。激光闪烁法测量湍流强度的理论基础是弱起伏条件下的Rytov近似，当湍流足够强时，该方法失效。此外，还有人利用激光雷达测量大气湍流，在实际大气中，用于推导雷达方程的湍流各向同性和平稳性假设条件很难得以满足，雷达方程本身的形式尚待进一步完善，该方法还处于初步的探索阶段。目前根据湍流效应原理的光学方法测得的湍流光学参数都是进行长路径平均的结果，该方法难以获得局域折射率起伏特性。由于受技术条件的限制，传统的光学湍流测量手段要么是间接的要么是在假设前提下的测量，其结果存在不确定性，有报道称分别用温度脉动法和光学方法测得的湍流参数在数值上可相差四倍以上。1995年，Mermelstein提出了一种双空气间隙光纤 Mach-Zehnder干涉测量技术原理，用于直接获取局域湍流大气折射率的微小起伏，其理论精度可达 Itfn量级，但之后没有相关报道。对于光纤Mach-Zehnder干涉仪来说，通常有两个臂，一臂作为传感臂，另一臂作为参考臂。干涉仪通过受外界的扰动而携带有外界信息的传感臂，检测外界信息。大气湍流是微弱、随机的，如果用闭合臂光纤Mach-Zehnder干涉仪来检测湍流，则不能很好的反映湍流情况。近年来，随着光电技术与相位载波调制解调技术的发展，已出现了利用两准直器对准的方法来检测湍流信息。此种方法首先利用耦合器将激光分成两束，一束用光纤连接到准直器，将激光打到空气中，在用另一个准直器接受激光作为信号光，另一束作为参考光，用另一个耦合器将这两束激光耦合发生干涉，干涉信号携带了大气影响的信息。此方法如果用单模光纤及单模器件来实现的话，由于单模光纤的双折射问题及两干涉仪臂所处的环境不一样，使发生干涉的两束光很难保证偏振态一致，这对检测的结果产生一定误差。保偏光纤与保偏器件在一定程度上能解决偏振态问题，但保偏器件比较昂贵，使得成本增加不少；另一方面，保偏准直器增大了对准的难度。
发明内容
本发明目的是提供一种高精度反射式光纤湍流检测装置及方法，以解决现有技术大气光学湍流检测系统测量不便具有局限性的问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为
高精度反射式光纤湍流检测装置，其特征在于包括有可调制的激光光源、反射式光纤湍流检测探头、全反镜、信号处理�？椋黾す夤庠吹某錾涔饩桓鲴詈掀骱蠓殖闪铰罚宦烦錾涔馕讲夤馑腿敕瓷涫焦庀送牧骷觳馓酵罚硪宦烦錾涔馕慰脊馑腿胄藕糯砟？椋龇瓷涫焦庀送牧骷觳馓酵钒ㄗ贾逼鳎约胺直鸾佑泄飧衾肫鞯氖淙牍庀�、 输出光纤，所述输入光纤一端接有FC/APC接头，另一端接入准直器入光口，所述输出光纤一端接有FC/APC接头，另一端接入准直器出光口，所述全反镜与准直器间隔一定距离，全反镜的反射面对准准直器，且待检测湍流通过全反镜与准直器之间间隔；所述输入光纤通过FC/APC接头引入探测光，并将探测光通过光隔离器后送入准直器中，一部分探测光在准直器中反射至输出光纤，其余部分探测光透射过准直器后入射至全反镜，被所述全反镜反射后再透射入准直器中，并入射至输出光纤与探测光被准直器直接反射的部分发生干涉产生干涉光信号，所述干涉光信号通过输出光纤的光隔离器后送入信号处理�？�。所述的高精度反射式光纤湍流检测装置，其特征在于可调制的激光光源由半导体激光器、接入半导体激光器调制端的信号发生器构成，所述信号发生器向半导体激光器发送调制电信号以调制半导体激光器的电流，使半导体激光器输出随所述调制电信号变化的载波激光。所述的高精度反射式光纤湍流检测装置，其特征在于反射式光纤湍流检测探头中还包括有环形器，所述输入光纤、输出光纤另一端分别接入环形器，通过环形器再接入准直器中。所述的高精度反射式光纤湍流检测装置，其特征在于所述准直器具有球面端头， 准直器的端面镀有30%的增反膜。所述的高精度反射式光纤湍流检测装置，其特征在于所述信号处理�？榘扑慊�、接入计算机的数据采集卡、接入数据采集卡中的两路光电探测器，其中一路光电探测器接收参考光信号，另一路光电探测器接收干涉光信号。一种高精度反射式光纤湍流检测方法，其特征在于包括以下步骤
(1)控制信号发生器向半导体激光器发送调制电信号，半导体激光器出射随调制电信号变化的载波激光；
(2)计算机控制采集卡进行信号采集，采集卡接入的两个光电探测器分别采集参考光信号、干涉光信号并分别将参考光信号、干涉光信号转化成电信号，采集卡将参考光信号对应的电信号、干涉光信号对应的电信号分别传送至计算机中；
(3)在计算机中将干涉光信号对应的电信号除以参考光信号对应的电信号，将所得的信号进行滤直流处理，得到需要解调的湍流信号；
(4)从参考信号中提取载波的波形信号cosO/)，及计算变化式_-<2巧1)；
5(5)将需要解调的湍流信号分别乘以信号、Sm(2WJ),再将乘积分别送入带通滤波器中滤波，滤波后的结果相加，最后将相加的结果通过相关解调算法进行计算，得到准直器与全反镜之间的湍流随机相位差炉》；
(6)经-与_的关系式=，将^^转化为准直器与全反镜之间的折射率
微小起伏^^，然后统计Δ 的起伏方差一,式中L为准直器与全反镜之间的距离 力激光的波长。本发明中，反射式光纤湍流检测探头只有一个臂，干涉光的光程差为光经过空气的光程，即光经过全反镜和准直器之间间隔的光程，需解调的湍流相位差利用相关解调算法获得，实现了直接检测局域大气湍流强度，测量数据能够反映真实的大气状况。本发明适用于海洋腐蚀性的环境及阴雨天气，提高了时间、空间分辨率，检测速度快，灵敏度高，体积�。准桑僮骷虻�。
图1为本发明装置原理图。图2为本发明反射式光纤湍流检测探头结构示意图。图3为本发明反射式光纤湍流检测探头光学原理图。图4为本发明方法相关解调计算流程图。图5为干涉信号曲线图。图6为相位差信号曲线图。
具体实施例方式如图1、图2、图3所示。高精度反射式光纤湍流检测装置，包括有可调制的激光光源、反射式光纤湍流检测探头2、全反镜3、信号处理�？椋傻髦频募す夤庠从砂氲继寮す馄�1、接入半导体激光器1调制端的信号发生器5构成，信号发生器5向半导体激光器1发送调制电信号以调制半导体激光器1的电流，使半导体激光器1输出随调制电信号变化的载波激光。激光光源1的出射光经过一个耦合器4后分成两路，一路出射光为探测光送入反射式光纤湍流检测探头2，另一路出射光为参考光送入信号处理�？椋瓷涫焦庀送牧骷觳馓酵�2包括准直器201，以及分别接有光隔离器202的输入光纤204、接有光隔离器203 输出光纤205，输入光纤204 —端接有FC/APC接头206，另一端接入准直器201入光口，输出光纤205 —端接有FC/APC接头207，另一端接入准直器出光口 201，全反镜3与准直器 201间隔一定距离，全反镜3的反射面对准准直器201，且待检测湍流通过全反镜3与准直器201之间间隔；输入光纤204通过FC/APC接头206引入探测光，并将探测光通过光隔离器202后送入准直器201中，一部分探测光在准直器201中反射至输出光纤205，其余部分探测光透射过准直器201后入射至全反镜3，被全反镜3反射后再透射入准直器201中，并入射至输出光纤205与探测光被准直器201直接反射的部分发生干涉产生干涉光信号，干涉光信号通过输出光纤205的光隔离器203后送入信号处理�？�。反射式光纤湍流检测探头2中还包括有环形器208，输入光纤204、输出光纤205另一端分别接入环形器208，通过环形器208再接入准直器201中。准直器201具有球面端头，准直器201的端面镀有30%的增反膜。信号处理�？榘扑慊�6、接入计算机6的数据采集卡7、接入数据采集卡7中的两路光电探测器8、9，其中一路光电探测器8接收参考光信号，另一路光电探测器9接收干涉光信号。如图4所示。一种高精度反射式光纤湍流检测方法，包括以下步骤
(1)控制信号发生器向半导体激光器发送调制电信号，半导体激光器出射随调制电信号变化的载波激光；
(2)计算机控制采集卡进行信号采集，采集卡接入的两个光电探测器分别采集参考光信号、干涉光信号并分别将参考光信号、干涉光信号转化成电信号，采集卡将参考光信号对应的电信号、干涉光信号对应的电信号分别传送至计算机中；
(3)在计算机中将干涉光信号对应的电信号除以参考光信号对应的电信号，将所得的信号进行滤直流处理，得到需要解调的湍流信号；
(4)从参考信号中提取载波的波形信号cos(w力，及计算变化式Sm(2W-)；
(5)将需要解调的湍流信号分别乘以信号C0s(^i)、sm(2W/),再将乘积分别送入带通滤波器中滤波，滤波后的结果相加，最后将相加的结果通过相关解调算法进行计算，得到准直器与全反镜之间的湍流随机相位差執幻；
(6)与论、= TTT^'),彳与，转化为准直器与全反镜之间的折射率 An WJ2π￡
微小起伏么《，然后统计Δη的起伏方差一,式中L为准直器与全反镜之间的距离，Λ为激光的波长。本发明理论依据反射式光纤湍流检测探头由一个端面镀有30%增反膜的准直器、一个全反镜、一个光环形器和两个光隔离器组成。准直器使用的是球面头，避免准直器与全反镜之间产生光的震荡。当载波激光进入探头时，首先经过一个光隔离器以避免接头端面反射光对激光器产生干扰，然后进入光环形器，再进入准直器，光在准直器端面30%被返回，70%被透射，透射光经过一段IOcm长的空气段后，由全反镜反射回准直器中，在经过准直器端面透射后进入光纤中与前面第一次反射的光发生干涉，此干涉信号包含了大气湍流对光的影响信息。采集干涉信号，经信号处理及相位解调算法后，就可以得到湍流的折射率起伏。在准直器端面镀一层30%的增反膜的原由假设入射光的光强为4，准直器端面
的反射率为 ,则经准直器端面反射的光的光强为4^,透射光的光强为4(1-. ),透射光
经过一段空气后由全反射镜返回到准直器中的光的光强为Λ0- D。为使两相干光束的光强相近，故反射率应满足下面关系式
4z=40-J)(O
解得2·= 38% ,由于透射光经空气段后反射回来会产生一定的损耗以及镀膜技术要求，故准直器的端面上镀30%的增反膜。
7
干涉信号的形式及解调算法
设信号发生器产生& = 4 cos(wj)的调制电压信号，4是信号的振幅，W,是信号的角
频率。当调制信号经输出电流为&、电压电流调制率为#的激光控制器得驱动电流 ι = 0 + cosCw^i),(2)
用之驱动电流光功率调制率力电流频率调制率力；的半导体激光器，得载波激光的光功率与频率为
P = P0+^fiAm Cos(WiI),(3)
y = V0 + (5v = V0 + τ βAm Cos(WfI),⑷
其中巧和^分别为光功率和频率的直流量。当载波激光经反射式光纤湍流检测探头后，发生干涉的两束光产生的相位差为
ιμ( ) = (2πηΙηβΑ^ /c)cos(w/) + φ(￡),(5)
其中《为平均空气折射率Usl ),i为发生干涉两束光的光程差，c为真空中的光速， _)=夠+资'￠),得￠) = 2^1 /e为一个常量，伊'(ι)为大气湍流引入的随机相位变化。为了防止信号混叠，这里％ <^/2。设发生干涉两束光的功率占总功率的百分比分别为U1
^，光电探测器的功率电压转化效率为夫(Ab = G^ZPiaspiii),则干涉信号为 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 =
将载波激光用耦合器分成两路，一路直接用采集卡采集作为参考信号，另一路经探头， 则参考信号与干涉信号如下
参考信号-Jii = D+ E Cos(WiJ)(7 )
干涉信号Zj = W+ 5cos[C7Cos(WJ)+ _)])[￡■ +丑cos(w/)](8)
将干涉信号除以参考信号，在对其进行滤直流处理后得到需要解调的信号 / = 5cc S[C+识⑴]包含了湍流随机相位。对信号进行Bessel级数展开，
权利要求
1.高精度反射式光纤湍流检测装置，其特征在于包括有可调制的激光光源、反射式光纤湍流检测探头、全反镜、信号处理�？椋黾す夤庠吹某錾涔饩桓鲴詈掀骱蠓殖闪铰罚宦烦錾涔馕讲夤馑腿敕瓷涫焦庀送牧骷觳馓酵罚硪宦烦錾涔馕慰脊馑腿胄藕糯砟？椋龇瓷涫焦庀送牧骷觳馓酵钒ㄗ贾逼鳎约胺直鸾佑泄飧衾肫鞯氖淙牍庀�、输出光纤，所述输入光纤一端接有FC/APC接头，另一端接入准直器入光口，所述输出光纤一端接有FC/APC接头，另一端接入准直器出光口，所述全反镜与准直器间隔一定距离， 全反镜的反射面对准准直器，且待检测湍流通过全反镜与准直器之间间隔；所述输入光纤通过FC/APC接头引入探测光，并将探测光通过光隔离器后送入准直器中，一部分探测光在准直器中反射至输出光纤，其余部分探测光透射过准直器后入射至全反镜，被所述全反镜反射后再透射入准直器中，并入射至输出光纤与探测光被准直器直接反射的部分发生干涉产生干涉光信号，所述干涉光信号通过输出光纤的光隔离器后送入信号处理�？�。
2.根据权利要求1所述的高精度反射式光纤湍流检测装置，其特征在于可调制的激光光源由半导体激光器、接入半导体激光器调制端的信号发生器构成，所述信号发生器向半导体激光器发送调制电信号以调制半导体激光器的电流，使半导体激光器输出随所述调制电信号变化的载波激光。
3.根据权利要求1所述的高精度反射式光纤湍流检测装置，其特征在于反射式光纤湍流检测探头中还包括有环形器，所述输入光纤、输出光纤另一端分别接入环形器，通过环形器再接入准直器中。
4.根据权利要求1所述的高精度反射式光纤湍流检测装置，其特征在于所述准直器具有球面端头，准直器的端面镀有30%的增反膜。
5.根据权利要求1所述的高精度反射式光纤湍流检测装置，其特征在于所述信号处理�？榘扑慊�、接入计算机的数据采集卡、接入数据采集卡中的两路光电探测器，其中一路光电探测器接收参考光信号，另一路光电探测器接收干涉光信号。
6.基于权利要求1的一种高精度反射式光纤湍流检测方法，其特征在于包括以下步骤(1)控制信号发生器向半导体激光器发送调制电信号，半导体激光器出射随调制电信号变化的载波激光；(2)计算机控制采集卡进行信号采集，采集卡接入的两个光电探测器分别采集参考光信号、干涉光信号并分别将参考光信号、干涉光信号转化成电信号，采集卡将参考光信号对应的电信号、干涉光信号对应的电信号分别传送至计算机中；(3)在计算机中将干涉光信号对应的电信号除以参考光信号对应的电信号，将所得的信号进行滤直流处理，得到需要解调的湍流信号；(4 ) 从参考信号中提取载波的波形信号 C0s(WiI),及计算变化式Sm(2巧i)；(5)将需要解调的湍流信号分别乘以信号⑶力、,再将乘积分别送入带通滤波器中滤波，滤波后的结果相加，最后将相加的结果通过相关解调算法进行计算，得到准直器与全反镜之间的湍流随机相位差；(6)的关系式=,将转化为准直器与全反镜之间的折射率微小起伏么《 ,然后统计的起伏方差一(Δ ),式中L为准直器与全反镜之间的距离q力激光的波长。
全文摘要
本发明公开了一种高精度反射式光纤湍流检测装置及方法，本发明装置包括可调制的激光光源、反射式光纤湍流检测探头、信号处理�？椋渲蟹瓷涫焦庀送牧骷觳馓酵肥怯勺贾逼鳌⒐饣沸纹�、光隔离器、光纤构成，反射式光纤湍流检测探头只有一个臂，发生干涉两束光的光程差为光经过空气的光程。本发明方法通过本发明装置直接检测局域湍流大气折射率的微小起伏，适用于多种地理环境与多种天气情况，具有耐腐蚀，检测速度快，灵敏度高，体积�。准桑僮骷虻サ忍氐�。
文档编号G01N21/45GK102419247SQ20111023832
公开日2012年4月18日 申请日期2011年8月19日 优先权日2011年8月19日
发明者梅海平, 武鹏飞, 肖树妹, 邵世勇, 饶瑞中, 黄启凯 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所
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