CN103954800A - 一种Fabry-Perot测风干涉仪测风精度的定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Fabry-Perot测风干涉仪测风精度的定标方法，该方法包括：利用稳频激光器产生的稳频激光进入测风干涉仪，根据获得的第N个干涉环实际位置计算稳频激光与该干涉环的角度θ₀；利用稳频激光器产生的稳频激光经由声光移频器进入测风干涉仪，根据获得的第N个干涉环实际位置计算声光移频器发出的衍射光与该干涉环的角度θ₁；根据预设的测风精度计算稳频激光与该干涉环的理论角度θ′₀，及声光移频器发出的衍射光与该干涉环的理论角度θ′₁；通过对比实际测量角度θ₀、θ₁与理论角度θ′₀、θ′₁来实现测风干涉仪测风精度的定标。通过采用本发明公开的方法，简化了定标的过程，并且定标精度也得到了大幅度的提高。

Description

一种Fabry-Perot测风干涉仪测风精度的定标方法

技术领域

本发明涉及测风干涉仪技术领域，尤其涉及一种Fabry-Perot测风干涉仪测风精度的定标方法。

背景技术

Fabry-Perot(法布里-珀罗)测风干涉仪基于物理学中的多普勒现象，当被测目标与探测系统处于某种传输介质中，被测目标相对于测量系统具有一定的相对速度，测量系统探测到的频率将会发生改变，其关系式为其中，v₀是被测目标在测量传输介质中的传播速度，v是被测目标相对于测量系统的运动速度，f₀是被测目标本身的频率，f是测量系统所探测到的频率，当被测目标是朝着探测系统运动，公式中取“+”号，当被测目标是远离被测目标，公式中取“-”号。

采用Fabry-Perot干涉仪进行大气风场探测正是采用了这一原理，当采用Fabry-Perot干涉仪测量大气风场时，表达式中的v₀取光速值。由于光速c一般会远远大于大气相对于Fabry-Perot干涉仪的相对速度，因此由于相对速度引起的频率变化量与探测目标本身的频率f₀ 相比是一个很小的值，例如大气相对于探测系统的运动速度为500m/s，被测目标选择为氧红线630nm，则对应的波长漂移量为： $\mathrm{\Δ\λ}={\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_0=c\×(\frac{1}{f_0-\mathrm{\Δf}}-\frac{1}{f_0})=1.05\×{10}^{-3}\mathrm{nm},$ 如果测量精度需要达到5m/s，则波长漂移量为：Δλ＝1.05×10^-5nm。

一般来说，仪器的定标精度至少要高于仪器的测量精度，因此当波长漂移量为Δλ＝1.05×10^-5nm，那么定标系统便需要至少要产生这一数量级的波长漂移量。但是，现有的Fabry-Perot测风干涉仪定标受限于可调谐激光器的调整精度的限制，例如，现有的可调谐激光器其调整步长只能达到Δλ＝5×10^-4nm，无法满足定标的需求。另外，还可以通过频率稳定性极高的激光器相对于测量系统产生相对的运动来产生多普勒频移完成，原理如图1所示；但是，采用这种方式进行定标，要求系统具有一个高精度移动的导轨，且对速度控制精度要求也较高，这使得定标系统变得复杂。

另一方面，目前的中高层大气风场探测定标的方法大多采用绝对定标加相对定标的方法来完成。当Fabry-Perot测风干涉仪设计加工完成后，单一谱线在系统的探测器中的位置是固定的，例如采用一台稳定性极好的稳频激光器，如果是氦氖激光器，其工作波长为632.8nm，该波长的光通过干涉仪之后在探测器上形成的干涉环的位置是固定不变的，然后再选用另外一种稳定性激光的惰性气体灯，该惰性气体灯所发出的光包含与632.8nm较为相近的特征谱线，并通过窄带干涉滤光片将该谱线滤出使其进入干涉仪，然后便获得了该特征谱线的干涉条纹的位置，通过这两已知谱线干涉条纹的相对位置差便可以标定出该干涉仪所能达到的风场测量精度。另外一种方法是采用精度极高的可调谐激光器，例如首先使激光器的输出波长稳定在630nm，记录此时在探测器上获得的干涉条纹的位置，然后将其波长改变为630.0001nm，再记录此时在探测器上所获取的干涉条纹的位置，通过干涉条纹在探测器上的位置变化量便可以实现Fabry-Perot测风干涉仪的测量精度标定。

但是，上述采用相对运动进行定标，定标机构较为复杂，而其控制也存在一定的难度，因此，对定标的结果也会产生一定的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种Fabry-Perot测风干涉仪测风精度的定标方法，简化了定标的过程，并且定标精度也得到了大幅度的提高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种Fabry-Perot测风干涉仪测风精度的定标方法，该方法包括：

基于稳频激光器进行定标实验，利用稳频激光器产生的稳频激光进入测风干涉仪，根据获得的第N个干涉环实际位置计算稳频激光与该干涉环的角度θ₀；

基于声光移频器进行定标实验，利用稳频激光器产生的稳频激光经由声光移频器进入测风干涉仪，根据获得的第N个干涉环实际位置计算声光移频器发出的衍射光与该干涉环的角度θ₁；

根据预设的测风精度计算稳频激光与该干涉环的理论角度θ′₀，及声光移频器发出的衍射光与该干涉环的理论角度θ′₁；

通过对比实际测量角度θ₀、θ₁与理论角度θ′₀、θ′₁来实现测风干涉仪测风精度的定标。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该定标方法采用声光移频器来产生频率(波长)的改变，其优点是声光移频器可以使得频率(波长)的变化量十分的小，通过声光移频器驱动器频率的改变，1级衍射光的频率变化量可以很容易的实现小于由于多普勒效应所引起的变化量；这种定标方法可以提高Fabry-Perot测风干涉仪的定标精度，也使得定标结果更为准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的现有Fabry-Perot测风干涉仪定标方法的示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种Fabry-Perot测风干涉仪测风精度的定标方法的流程图；

图3为本发明实施例一提供的一种基于稳频激光器产生的稳频激光进行定标的示意图；

图4为本发明实施例一提供的一种基于稳频激光器产生的稳频激光进行定标的示意图；

图5为本发明实施例一提供的一种声光移频技术原理的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

Fabry-Perot测风干涉仪通过测量被测目标由于存在相对运动而引起的频率变化进而反演得到被测目标的运动速度，其关系表达式为当光在真空中传播时候有v₀＝c。Fabry-Perot测风干涉仪可以测量的最小风速由其设计指标决定，而设计加工完成后如何确定仪器精度是否达到设计要求需要通过定标完成。

图2为本发明实施例一提供的一种Fabry-Perot测风干涉仪测风精度的定标方法的流程图。如图2所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤21、利用稳频激光器产生的稳频激光进入测风干涉仪，根据获得的第N个干涉环实际位置计算稳频激光与该干涉环的角度θ₀。

本步骤基于稳频激光器产生的稳频激光进行定标实验，具体的如图3所示，利用稳频激光器产生的初始波长为λ₀的稳频激光进入测风干涉仪，通过探测器获得干涉环数据，获得第2个干涉环到其中心实际位置h₀＝a×sinθ₀；其中，a为干涉仪成像系统的焦距。

由于，h₀与a均为已知参数，通过变换公式h₀＝a×sinθ₀，可以得到θ₀的计算公式为： ${\mathrm{\θ}}_0={\sin }^{-1}\left(\frac{h_0}{a}\right).$

步骤22、利用稳频激光器产生的稳频激光经由声光移频器进入测风干涉仪，根据获得的第N个干涉环实际位置计算声光移频器发出的衍射光与该干涉环的角度θ₁。

本步骤基于声光移频器产生的1级衍射光进行定标实验，具体的如图4所示，为确定仪器的测量精度，将稳频激光器产生的稳频激光经由声光移频器产生波长为λ₁的1级衍射光，进入测风干涉仪，通过探测器获得干涉环数据，获得第2个干涉环到其中心实际位置h₁＝a×sinθ₁。

同理，通过变换公式h₁＝a×sinθ₁，可以得到θ₁的计算公式为：

为了便于理解，下面结合附图5详细介绍声光移频器的工作原理。

如图5所示，声光移频技术是指当一种波长的光以布拉格角θ_b进入声光材料，且满足关系式v是声速，F_c是声光材料驱动频率，λ为入射光波长，通过声光材料后可以使得出射光的主要能量集中在1级衍射光上，1级衍射光与入射光之间存在一个偏转角2θ_b，出射光的频率也将发生改变，出射光的频率变为f′＝f+F_c，f为入射光的频率。

通过声光移频技术原理可知，1级衍射光相对于入射光的频率变化量直接由声光移频器的驱动器频率F_c来决定，如果移频器驱动频率很小，那么1级衍射光的频率也会很小，进而其波长变化量Δλ也很小。例如，如果入射光的波长选择为632.8nm，其频率为f＝4.74×10¹⁴Hz，如果声光驱动频率为10MHz，那么1级衍射光的波长变为632.799999nm，波长变化量为Δλ＝1×10^-6nm，该变化量足以满足Fabry-Perot测风干涉仪的定标要求。因而将该项技术用于Fabry-Perot测风干涉定标，其定标精度将会大大提高。

步骤23、根据预设的测风精度计算稳频激光与该干涉环的理论角度θ′₀，及声光移频器发出的衍射光与该干涉环的理论角度θ′₁。

设测风精度为ΔV，理论上则有关系式：

$\mathrm{\Δ\λ}={\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_0=c\×(\frac{1}{f_0-\frac{\mathrm{\ΔV}}{c}{f}_0}-\frac{1}{f_0});$

其中，Δλ表示波长漂移量；频率c表示光速。

上式中，测风精度ΔV与初始波长λ₀是已知的，从而可以计算出波长λ₁。

从而，可以结合下式计算理论角度θ′₀与θ′₁；其计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_0={\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{M\λ}}_0}{2L}\right);$

${\mathrm{\θ}}_1={\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{M\λ}}_1}{2L}\right);$

其中，L为Fabry-Perot测风干涉仪标准具的间距；表示第二干涉环的干涉级次。

需要强调的是，上述步骤21-步骤23可以不区分先后顺序。

步骤24、通过对比实际测量角度θ₀、θ₁与理论角度θ′₀、θ′₁来实现测风干涉仪测风精度的定标。

测风精度的定标是为了验证所设计的测风干涉仪系统在实际使用过程中是否真正达到了设计所预期的测量精度，例如设计测风精度为5m/s，由于仪器在加工、装调或使用过程中环境的改变而使得仪器的性能无法满足设计的初始要求，从而导致实际的测量精最终只能达到10m/s，实际精度的确定过程便是测风精度的定标过程。

如果理论角度与对应的实际角度一致，那么说明仪器达到了设计指标的要求。具体定标实施步骤为：当θ₀＝θ′₀,θ₁＝θ₁′那么说明仪器达到了十分理想的设计结果；而当θ₀-θ₁＝θ′₀-θ₁′，说明仪器基本达到了设计指标要求，但是干涉环的整体位置相对于设计值有所偏移，仪器应该以定标后的θ₀、θ₁来取代理论角度θ′₀、θ′₁来进行数据反演处理。

本发明实施例采用声光移频器来产生频率(波长)的改变，其优点是声光移频器可以使得频率(波长)的变化量十分的小，通过声光移频器驱动器频率的改变，1级衍射光的频率变化量可以很容易的实现小于由于多普勒效应所引起的变化量；这种定标方法可以提高Fabry-Perot测风干涉仪的定标精度，也使得定标结果更为准确。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种Fabry-Perot测风干涉仪测风精度的定标方法，其特征在于，该方法包括：

基于稳频激光器进行定标实验，利用稳频激光器产生的稳频激光进入测风干涉仪，根据获得的第N个干涉环实际位置计算稳频激光与该干涉环的角度θ₀；

基于声光移频器进行定标实验，利用稳频激光器产生的稳频激光经由声光移频器进入测风干涉仪，根据获得的第N个干涉环实际位置计算声光移频器发出的衍射光与该干涉环的角度θ₁；

根据预设的测风精度计算稳频激光与该干涉环的理论角度θ′₀，及声光移频器发出的衍射光与该干涉环的理论角度θ′₁；

通过对比实际测量角度θ₀、θ₁与理论角度θ′₀、θ′₁来实现测风干涉仪测风精度的定标。

2.根据权利要求1所述的定标方法，其特征在于，所述利用稳频激光器产生的稳频激光进入测风干涉仪，根据获得的第N个干涉环实际位置计算稳频激光与该干涉环的角度θ₀包括：

利用稳频激光器产生的初始波长为λ₀的稳频激光进入测风干涉仪，通过探测器获得干涉环数据，获得第2个干涉环到其中心实际位置h₀＝a×sinθ₀；其中，a为干涉仪成像系统的焦距；

从而计算角度θ₀：

3.根据权利要求1所述的定标方法，其特征在于，所述利用稳频激光器产生的稳频激光经由声光移频器进入测风干涉仪，根据获得的第N个干涉环实际位置计算声光移频器发出的衍射光与该干涉环的角度θ₁包括：

稳频激光器产生的稳频激光经由声光移频器产生波长为λ₁的1级衍射光，进入测风干涉仪，通过探测器获得干涉环数据，获得第2个干涉环到其中心实际位置h₁＝a×sinθ₁；

从而计算角度θ₁：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设的测风精度计算稳频激光与该干涉环的理论角度θ′₀，及声光移频器发出的衍射光与该干涉环的理论角度θ′₁包括：

设测风精度为ΔV，则有关系式：

$\mathrm{\Δ\λ}={\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_0=c\×(\frac{1}{f_0-\frac{\mathrm{\ΔV}}{c}{f}_0}-\frac{1}{f_0});$

其中，Δλ表示波长漂移量；频率c表示光速；

根据所述测风精度为ΔV与初始波长λ₀计算波长λ₁，从而计算理论角度θ′₀与θ′₁；其计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_0={\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{M\λ}}_0}{2L}\right);$

${\mathrm{\θ}}_1={\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{M\λ}}_1}{2L}\right);$

其中，L为Fabry-Perot测风干涉仪标准具的间距；表示第二干涉环的干涉级次。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

当θ₀＝θ′₀,θ₁＝θ₁′或θ₀-θ₁＝θ′₀-θ₁′时，使用定标后的角度实际测量角度θ₀与θ₁来取代理论角度θ′₀与θ′₁来进行数据反演处理。