一种非对称空间外差干涉测量风速的方法
【专利摘要】本发明公开了一种非对称空间外差干涉测量风速的方法，通过一定转速的电机驱动反射盘使光源频率发生一定的频移，通过设计大光程差偏置量的干涉仪，获得高相位灵敏度以求解风速；同时采用分时测量无频移的干涉图序列和有一定频移的干涉图序列，通过计算干涉相位，然后求差分的方法获得相位频移，从而反推风速值。采用本发明进行实际测量，得到了满足实验指标的风速值，证明了该方法的科学性；同时，非对称空间外差干涉测量风速的装置结构简单操作方便，降低了数据处理复杂性，切实可行。
【专利说明】
一种非对称空间外差干涉测量风速的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种非对称空间外差干涉测量风速的方法，属于光学测量领域。
【背景技术】
[0002] 中高层大气对全球气候与环境、大气物理、航天和军事研究关系密切，越来越受到 人们的关注。大气风场不仅是该区域动力学和光化学过程的关键因素，对能量、动量与大气 成分的传输起着巨大作用，还是重要的空间环境参量，对航天器的运行轨道和安全产生很 大的影响。因此，研究大气风速成为获取大气行为的重要方法。
[0003] 非对称空间外差干涉测量风速方法依据光学多普勒原理，通过干涉图相位的频移 求解大气风速。实验条件下，由于所用光源不具备大气背景的风速特征，通过风速模拟装置 使目标光源的波长产生一定的多普勒频移，进而计算波长频移前后干涉图的相位差并得到 风速。
[0004] 实验室测量相位频移的方法，在干涉仪前端使用斩波器和一定转速的反射盘，当 光线入射到斩波器并反射，波长不发生频移；当光线透过斩波器并入射风速模拟转盘，波长 发生频移。因此通过干涉仪后的采样序列同时包含了频移和非频移的干涉图。这种方法不 仅对转动装置的配合，探测器的采样速度提出较高的要求，而且增加了数据处理的难度，例 如专利号为US7773229的专利。
[0005] 另外，测量装置的核心在于非对称空间外差干涉仪，在该发明专利中，提出了两种 不同的方案，一种是基于双臂式的实验平台搭建，通过改变干涉仪一臂扩视场棱镜的厚度 获得光程差偏置量;一种是基于单臂式一体化结构，通过Koester棱镜分光，使两路光平行 出射，根据光经过扩视场棱镜不同位置所走的光程不同获取光程差偏置量。第一种方案尚 处于原理验证阶段，所搭建实验平台仅应用在实验室探索；第二种方案一体化的干涉仪能 够进行外场实验，但光路结构特点导致光程差偏置量偏小，相位灵敏度降低。
【发明内容】
[0006] 针对上述现有测量方法的缺点和非对称空间外差干涉仪的不足，本发明提出了一 种非对称空间外差干涉测量风速方法，其干涉仪结构适用于实验室风速模拟和外场风速探 测 。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] -种非对称空间外差干涉测量风速的方法，其特征在于该方法步骤如下：
[0009] (1)光源输出频率为〇Q的单色光由光纤导出，并经过光纤准直器形成平行光束；
[0010] (2)平行光束经过分束器透射后，透射部分作为测量光束，测量光束入射到具有一 定转速n的风速模拟装置上，光束按照原路反射回分束器面，光频率〇〇发生多普勒频移
[0011] (3)光束再次到达分束器面，经反射后进入另一个光纤准直器，形成会聚的光束， 会聚的频移光束〇 = 〇〇+△〇经过准直镜头后作为入射光进入干涉仪；
[0012] (4)光束经过干涉仪后形成干涉条纹，经成像镜头缩放成像于探测器面；
[0013] (5)探测器连续采样2N幅干涉图，前N幅在光源频率〇〇不发生频移的条件下采样， 后N幅在光源频率发生频移A 〇后采样；
[0014] (6)将1~N和N+1~2N幅米样干涉图分别求相位均值得到科和％.7得到其相位差 知=納-終.，并根据
反推出一定转速的风速模拟装置模拟的风速。
[0015] 所述的非对称空间外差干涉测量风速的方法，其特征在于:所述干涉仪采用非对 称空间外差干涉仪，包括有干涉仪分束器、第一空气隔片、第二空气隔片、第三空气隔片和 光栅，所述干涉仪分束器接第一空气隔片，扩视场棱镜的一侧与第一空气隔片连接、另一侧 与第二空气隔片连接，干涉仪短臂的光栅在第二空气隔片后以与光轴Littrow角方向固定； 而干涉仪长臂的光栅在第二空气隔片和第三空气隔片后以与光轴Littrow角方向固定;光 束经过干涉仪分束器分成两束光，分别通过两臂的第一空气隔片、扩视场棱镜和第二空气 隔片后以一定角度出射，此时短臂的光束直接到达光栅，在光栅表面发生衍射后沿着原光 路返回干涉仪分束器面，长臂的光束经过第三空气隔片后到达光栅表面，在光栅表面发生 衍射后沿着原光路返回干涉仪分束器面，两束光在分束面发生干涉，形成干涉条纹。本发明 通过增加扩视场棱镜和光栅之间第三空气隔片获取大光程差偏置量Lopt，根据方程得到较 高的相位灵敏度#和风速反演精度。
[0016] 所述的非对称空间外差干涉测量风速的方法，其特征在于:所述非对称空间外差 干涉仪采用一体化胶合结构，不仅能够应用于实验室模拟风速实验，而且能够应用于外场 风速探测。
[0017] 所述的非对称空间外差干涉测量风速的方法，其特征在于:所述风速模拟装置采 用反射盘。
[0018] 本发明具有以下特点及良好效果：
[0019] (1)本发明实现了分时采样频移前后的干涉图序列，降低了实验装置的复杂性，也 使数据处理更方便高效。
[0020] (2)本发明设计了一种大偏置量一体化的干涉仪结构，具有高相位灵敏度的特点， 不仅能够用于实验室模拟信号的探测，而且能够用于外场试验。
【附图说明】
[0021] 图1是干涉仪结构示意图。
[0022]图2是干涉测量装置示意图。
[0023] 图3是干涉相位随采样帧数的变化曲线。
【具体实施方式】
[0024] 根据下列详细说明并结合附图可以对本发明有最佳的理解。
[0025] 实施例1
[0026]采用附图1所示的装置实现非对称空间外差干涉
[0027]参考附图1，非对称空间外差干涉仪组件包括分束器70,空气隔片71，扩视场棱镜 72,空气隔片73,空气隔片74和光栅75。
[0028]非对称空间外差干涉仪装置的光路结构为：分束器70接空气隔片71，扩视场棱镜 72-侧与空气隔片71连接，另一侧与空气隔片73连接，干涉仪短臂的光栅75在空气间隔73 后以与光轴Littrow角方向固定;而长臂的光栅75在空气间隔73和74后以与光轴Littrow角 方向固定。
[0029] 实现方法包括以下实现步骤:准直后光束经过分束器70进入空气隔片71并入射扩 视场棱镜72,扩视场棱镜72的出射光束经过空气隔片73后，在干涉仪短臂以Littrow角放置 的光栅75表面发生衍射并沿原路返回分束器面，在干涉仪长臂光束则经过空气隔片74后到 达Litrrow角倾斜的光栅75表面衍射并原路返回分束器面。两束光在分束面发生干涉形成 干涉条纹，通过成像镜头的缩放将干涉图成像在探测器面。这种非对称空间外差干涉仪，可 实现一体化胶合结构，不仅能够应用于实验室模拟风速实验，而且能够应用于外场风速探 测 。
[0030]干涉仪通过增加扩视场棱镜和光栅之间空气隔片74厚度获取大光程差偏置量 Lopt，进而根据方程1得到较高的相位灵敏度知)和风速反演精度。
[0031]干涉仪采用双隔片拼接的形式避免光线偏折后被挡光，降低光学元件加工难度； 干涉仪采用的成像镜头将干涉条纹以一定比例成像在面阵探测器。
[0032] 实施例2
[0033]采用附图2所示的系统图实现非对称空间外差干涉测量风速，该方法步骤如下： [0034] (1)光束频移
[0035] 光源1发出的光由光纤2导出，并经过光纤准直器3形成平行光，该光束经过分束器 4透射后入射到具有一定转速n的风速模拟装置5,并反射回分束器4,光频率 〇Q发生多普勒 频移
，光束再次到达分束器面，经反射后进入另一个光纤准直器3,形成会聚的光 束。
[0036] (2)干涉成像
[0037]光束经过准直镜头6后进入非对称空间外差干涉仪7发生干涉，成像镜头8对干涉 条纹进行缩放，并成像于探测器面。
[0038] (3)干涉测量
[0039]探测器9连续采样2N幅干涉图，控制反射盘5的转速，使初始转速n = 0,采样第0至N 幅干涉图；使转速为n=m RPM(m辛0)，采样第N+1至2N幅干涉图。分别计算干涉相位后，对0 ~N和N+1~2N幅干涉图分别求最优光程差Lopt处的平均相位为科和外，得到其相位差 冷?=约一约，、并根据反推出一定转速的风速模拟装置5模拟的风速的大 小。
[0040]通过以上系统装置进行非对称空间外差实验，以验证本发明的科学性。干涉仪的 工作波段选择在764.6nm到779.9nm，最优光程差为Lopt = 12.29cm，以钾元素空心阴极灯 (766.5nm和769.9nm)为光源。图3为连续采样200幅干涉图，最优光程差Lopt处的相位行均 值与采样帧数的关系。其中，前100个相位值是在钾灯入射零转速的反射盘未发生频移的条 件下计算干涉图得到；后1〇〇个相位值是在钾灯入射2000RPM转速(对应风速为v0 = 37.7m/ s)的反射盘发生频移条件下计算干涉图得到。对两组相位值分别求均值得到： 供1二2Q:3. 2〇96:r^，參2=2Q3, 32S:6rarf。根据公式（1)计算出风速为vl = 34.57m/s，计算风速与 模拟风速的误差为3. lm/s，满足实验室干涉测量的指标，证明了该种测量方法的合理性。
【主权项】
1. 一种非对称空间外差干涉测量风速的方法，其特征在于该方法步骤如下： (1) 光源输出频率为0Q的单色光由光纤导出，并经过光纤准直器形成平行光束； (2) 平行光束经过分束器透射后，透射部分作为测量光束，测量光束入射到具有一定转 速η的风速模拟装置上，光束按照原路反射回分束器面，光频率σ〇发生多普勒频移(3) 光束再次到达分束器面，经反射后进入另一个光纤准直器，形成会聚的光束，会聚 的频移光束σ = σ〇+ △ σ经过准直镜头后作为入射光进入干涉仪； (4) 光束经过干涉仪后形成干涉条纹，经成像镜头缩放成像于探测器面； (5) 探测器连续采样2Ν幅干涉图，前Ν幅在光源频率不发生频移的条件下采样，后Ν幅 在光源频率发生频移△ σ后采样； (6) 将1~Ν和Ν+1~2Ν幅采样干涉图分别求相位均值得到科和朽，得到其相位差反推出一定转速的风速模拟装置模拟的风速。2. 根据权利要求1所述的非对称空间外差干涉测量风速的方法，其特征在于:所述干涉 仪采用非对称空间外差干涉仪，包括有干涉仪分束器、第一空气隔片、第二空气隔片、第三 空气隔片和光栅，所述干涉仪分束器接第一空气隔片，扩视场棱镜的一侧与第一空气隔片 连接、另一侧与第二空气隔片连接，干涉仪短臂的光栅在第二空气隔片后以与光轴Littrow 角方向固定;而干涉仪长臂的光栅在第二空气隔片和第三空气隔片后以与光轴Littrow角 方向固定;光束经过干涉仪分束器分成两束光，分别通过两臂的第一空气隔片、扩视场棱镜 和第二空气隔片后以一定角度出射，此时短臂的光束直接到达光栅，在光栅表面发生衍射 后沿着原光路返回干涉仪分束器面，长臂的光束经过第三空气隔片后到达光栅表面，在光 栅表面发生衍射后沿着原光路返回干涉仪分束器面，两束光在分束面发生干涉，形成干涉 条纹。3. 根据权利要求2所述的非对称空间外差干涉测量风速的方法，其特征在于:所述非对 称空间外差干涉仪采用一体化胶合结构。4. 根据权利要求1所述的非对称空间外差干涉测量风速的方法，其特征在于:所述风速 模拟装置采用反射盘。
【文档编号】G01P5/26GK105929197SQ201610240728
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】沈静, 施海亮, 罗海燕, 熊伟
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院