一種非對稱空間外差干涉測量風速的方法技術

本發明專利技術公開了一種非對稱空間外差干涉測量風速的方法，通過一定轉速的電機驅動反射盤使光源頻率發生一定的頻移，通過設計大光程差偏置量的干涉儀，獲得高相位靈敏度以求解風速；同時采用分時測量無頻移的干涉圖序列和有一定頻移的干涉圖序列，通過計算干涉相位，然后求差分的方法獲得相位頻移，從而反推風速值。采用本發明專利技術進行實際測量，得到了滿足實驗指標的風速值，證明了該方法的科學性；同時，非對稱空間外差干涉測量風速的裝置結構簡單操作方便，降低了數據處理復雜性，切實可行。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種非對稱空間外差干涉測量風速的方法，屬于光學測量領域。
技術介紹
中高層大氣對全球氣候與環境、大氣物理、航天和軍事研究關系密切，越來越受到人們的關注。大氣風場不僅是該區域動力學和光化學過程的關鍵因素，對能量、動量與大氣成分的傳輸起著巨大作用，還是重要的空間環境參量，對航天器的運行軌道和安全產生很大的影響。因此，研究大氣風速成為獲取大氣行為的重要方法。非對稱空間外差干涉測量風速方法依據光學多普勒原理，通過干涉圖相位的頻移求解大氣風速。實驗條件下，由于所用光源不具備大氣背景的風速特征，通過風速模擬裝置使目標光源的波長產生一定的多普勒頻移，進而計算波長頻移前后干涉圖的相位差并得到風速。實驗室測量相位頻移的方法，在干涉儀前端使用斬波器和一定轉速的反射盤，當光線入射到斬波器并反射，波長不發生頻移；當光線透過斬波器并入射風速模擬轉盤，波長發生頻移。因此通過干涉儀后的采樣序列同時包含了頻移和非頻移的干涉圖。這種方法不僅對轉動裝置的配合，探測器的采樣速度提出較高的要求，而且增加了數據處理的難度，例如專利號為US7773229的專利。另外，測量裝置的核心在于非對稱空間外差干涉儀，在該專利技術專利中，提出了兩種不同的方案，一種是基于雙臂式的實驗平臺搭建，通過改變干涉儀一臂擴視場棱鏡的厚度獲得光程差偏置量；一種是基于單臂式一體化結構，通過Koester棱鏡分光，使兩路光平行出射，根據光經過擴視場棱鏡不同位置所走的光程不同獲取光程差偏置量。第一種方案尚處于原理驗證階段，所搭建實驗平臺僅應用在實驗室探索；第二種方案一體化的干涉儀能夠進行外場實驗，但光路結構特點導致光程差偏置量偏小，相位靈敏度降低。
技術實現思路
針對上述現有測量方法的缺點和非對稱空間外差干涉儀的不足，本專利技術提出了一種非對稱空間外差干涉測量風速方法，其干涉儀結構適用于實驗室風速模擬
和外場風速探測。本專利技術采用的技術方案如下：一種非對稱空間外差干涉測量風速的方法，其特征在于該方法步驟如下：(1)光源輸出頻率為σ0的單色光由光纖導出，并經過光纖準直器形成平行光束；(2)平行光束經過分束器透射后，透射部分作為測量光束，測量光束入射到具有一定轉速n的風速模擬裝置上，光束按照原路反射回分束器面，光頻率σ0發生多普勒頻移(3)光束再次到達分束器面，經反射后進入另一個光纖準直器，形成會聚的光束，會聚的頻移光束σ＝σ0+Δσ經過準直鏡頭后作為入射光進入干涉儀；(4)光束經過干涉儀后形成干涉條紋，經成像鏡頭縮放成像于探測器面；(5)探測器連續采樣2N幅干涉圖，前N幅在光源頻率σ0不發生頻移的條件下采樣，后N幅在光源頻率發生頻移Δσ后采樣；(6)將1～N和N+1～2N幅采樣干涉圖分別求相位均值得到和得到其相位差并根據反推出一定轉速的風速模擬裝置模擬的風速。所述的非對稱空間外差干涉測量風速的方法，其特征在于：所述干涉儀采用非對稱空間外差干涉儀，包括有干涉儀分束器、第一空氣隔片、第二空氣隔片、第三空氣隔片和光柵，所述干涉儀分束器接第一空氣隔片，擴視場棱鏡的一側與第一空氣隔片連接、另一側與第二空氣隔片連接，干涉儀短臂的光柵在第二空氣隔片后以與光軸Littrow角方向固定；而干涉儀長臂的光柵在第二空氣隔片和第三空氣隔片后以與光軸Littrow角方向固定；光束經過干涉儀分束器分成兩束光，分別通過兩臂的第一空氣隔片、擴視場棱鏡和第二空氣隔片后以一定角度出射，此時短臂的光束直接到達光柵，在光柵表面發生衍射后沿著原光路返回干涉儀分束器面，長臂的光束經過第三空氣隔片后到達光柵表面，在光柵表面發生衍射后沿著原光路返回干涉儀分束器面，兩束光在分束面發生干涉，形成干涉條紋。本
專利技術通過增加擴視場棱鏡和光柵之間第三空氣隔片獲取大光程差偏置量Lopt，根據方程得到較高的相位靈敏度和風速反演精度。所述的非對稱空間外差干涉測量風速的方法，其特征在于：所述非對稱空間外差干涉儀采用一體化膠合結構，不僅能夠應用于實驗室模擬風速實驗，而且能夠應用于外場風速探測。所述的非對稱空間外差干涉測量風速的方法，其特征在于：所述風速模擬裝置采用反射盤。本專利技術具有以下特點及良好效果：(1)本專利技術實現了分時采樣頻移前后的干涉圖序列，降低了實驗裝置的復雜性，也使數據處理更方便高效。(2)本專利技術設計了一種大偏置量一體化的干涉儀結構，具有高相位靈敏度的特點，不僅能夠用于實驗室模擬信號的探測，而且能夠用于外場試驗。附圖說明圖1是干涉儀結構示意圖。圖2是干涉測量裝置示意圖。圖3是干涉相位隨采樣幀數的變化曲線。具體實施方式根據下列詳細說明并結合附圖可以對本專利技術有最佳的理解。實施例1采用附圖1所示的裝置實現非對稱空間外差干涉參考附圖1，非對稱空間外差干涉儀組件包括分束器70，空氣隔片71，擴視場棱鏡72，空氣隔片73，空氣隔片74和光柵75。非對稱空間外差干涉儀裝置的光路結構為：分束器70接空氣隔片71，擴視場棱鏡72一側與空氣隔片71連接，另一側與空氣隔片73連接，干涉儀短臂的光柵75在空氣間隔73后以與光軸Littrow角方向固定；而長臂的光柵75在空氣間隔73和74后以與光軸Littrow角方向固定。實現方法包括以下實現步驟：準直后光束經過分束器70進入空氣隔片71并入射擴視場棱鏡72，擴視場棱鏡72的出射光束經過空氣隔片73后，在干涉儀短臂以Littrow角放置的光柵75表面發生衍射并沿原路返回分束器面，在干涉
儀長臂光束則經過空氣隔片74后到達Litrrow角傾斜的光柵75表面衍射并原路返回分束器面。兩束光在分束面發生干涉形成干涉條紋，通過成像鏡頭的縮放將干涉圖成像在探測器面。這種非對稱空間外差干涉儀，可實現一體化膠合結構，不僅能夠應用于實驗室模擬風速實驗，而且能夠應用于外場風速探測。干涉儀通過增加擴視場棱鏡和光柵之間空氣隔片74厚度獲取大光程差偏置量Lopt，進而根據方程1得到較高的相位靈敏度和風速反演精度。干涉儀采用雙隔片拼接的形式避免光線偏折后被擋光，降低光學元件加工難度；干涉儀采用的成像鏡頭將干涉條紋以一定比例成像在面陣探測器。實施例2采用附圖2所示的系統圖實現非對稱空間外差干涉測量風速，該方法步驟如下：(1)光束頻移光源1發出的光由光纖2導出，并經過光纖準直器3形成平行光，該光束經過分束器4透射后入射到具有一定轉速n的風速模擬裝置5，并反射回分束器4，光頻率σ0發生多普勒頻移光束再次到達分束器面，經反射后進入另一個光纖準直器3，形成會聚的光束。(2)干涉成像光束經過準直鏡頭6后進入非對稱空間外差干涉儀7發生干涉，成像鏡頭8對干涉條紋進行縮放，并成像于探測器面。(3)干涉測量探測器9連續采樣2N幅干涉圖，控制反射盤5的轉速，使初始轉速n＝0，采樣第0至N幅干涉圖；使轉速為n＝m RPM(m≠0)，采樣第N+1至2N幅干涉圖。分別計算干涉相位后，對0～N和N+1～2N幅干涉圖分別求最優光程差Lopt處的平均相位為和得到其相位差并根據反推出一定轉速的風速模擬裝置5模擬的風速的大小。通過以上系統裝置進行非對稱空間外差實驗，以驗證本專利技術的科學性。干涉儀的工作波段選擇在764.6nm到779.9nm，最優光程差為Lopt＝12.29cm，以鉀元素空心陰極燈(766.5nm和769.9nm)為光本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種非對稱空間外差干涉測量風速的方法，其特征在于該方法步驟如下：(1)光源輸出頻率為σ0的單色光由光纖導出，并經過光纖準直器形成平行光束；(2)平行光束經過分束器透射后，透射部分作為測量光束，測量光束入射到具有一定轉速n的風速模擬裝置上，光束按照原路反射回分束器面，光頻率σ0發生多普勒頻移(3)光束再次到達分束器面，經反射后進入另一個光纖準直器，形成會聚的光束，會聚的頻移光束σ＝σ0+Δσ經過準直鏡頭后作為入射光進入干涉儀；(4)光束經過干涉儀后形成干涉條紋，經成像鏡頭縮放成像于探測器面；(5)探測器連續采樣2N幅干涉圖，前N幅在光源頻率σ0不發生頻移的條件下采樣，后N幅在光源頻率發生頻移Δσ后采樣；(6)將1～N和N+1～2N幅采樣干涉圖分別求相位均值得到和得到其相位差并根據反推出一定轉速的風速模擬裝置模擬的風速。

【技術特征摘要】
1.一種非對稱空間外差干涉測量風速的方法，其特征在于該方法步驟如下：(1)光源輸出頻率為σ0的單色光由光纖導出，并經過光纖準直器形成平行光束；(2)平行光束經過分束器透射后，透射部分作為測量光束，測量光束入射到具有一定轉速n的風速模擬裝置上，光束按照原路反射回分束器面，光頻率σ0發生多普勒頻移(3)光束再次到達分束器面，經反射后進入另一個光纖準直器，形成會聚的光束，會聚的頻移光束σ＝σ0+Δσ經過準直鏡頭后作為入射光進入干涉儀；(4)光束經過干涉儀后形成干涉條紋，經成像鏡頭縮放成像于探測器面；(5)探測器連續采樣2N幅干涉圖，前N幅在光源頻率σ0不發生頻移的條件下采樣，后N幅在光源頻率發生頻移Δσ后采樣；(6)將1～N和N+1～2N幅采樣干涉圖分別求相位均值得到和得到其相位差并根據反推出一定轉速的風速模擬裝置模擬的風速。2.根據權利要求1所述的非對稱空間外差干涉測量風速的方法，其特征在于：所述干涉儀采用非對稱空間外差干涉儀...

【專利技術屬性】
技術研發人員：沈靜，施海亮，羅海燕，熊偉，
申請(專利權)人：中國科學院合肥物質科學研究院，
類型：發明
國別省市：安徽;34