CN104111463A

CN104111463A - 一种基于保偏光纤形成双腔f-p干涉仪的激光频移探测方法和设备

Info

Publication number: CN104111463A
Application number: CN201410370824.8A
Authority: CN
Inventors: 夏海云; 上官明佳; 窦贤康; 王冲; 裘家伟
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2034-07-30
Also published as: CN104111463B

Abstract

本发明公开了一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和设备，包括激光器，声光调制器AOM，光纤放大器EDFA，四分之一波片，准直器，望远镜，第一保偏光纤，第一环行器，第一窄带光纤Bragg光栅FBG，偏振控制器PC，光纤F-P干涉仪，F-P干涉仪控制器，偏振分束器PBS，第一单光子探测器SPCM，第二单光子探测器SPCM，第二保偏光纤，第二环行器，第二窄带光纤Bragg光栅FBG，第三单光子探测器SPCM和采集卡。本发明研发了激光雷达光纤集成式单发双收光路，将接收的两根光纤拼接在同一包覆内，形成所谓的双D对合型光纤，实现了能量探测与频移探测的分离，提高了频移探测的信噪比，仅利用单通道F-P干涉仪就成功实现了双边缘探测技术，对能量的利用率高，方法简单。

Description

一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和设备

技术领域

本发明属于光学探测技术领域，具体涉及一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和设备。

背景技术

20世纪80年代以来，直接探测测风激光雷达技术日渐成熟，直接探测雷达技术以其独特的优势，如高的时间分辨率和高的空间分辨率等，在测风激光雷达领域崭露头角。国内外已经开展基于F-P干涉仪的多普勒直接探测测风激光雷达基础研究，包括系统参数设计、模拟仿真等工作，国外如：法国的OHP观测站；德国、英国、挪威、联合研制的ALAMOR系统；美国的国家航天航空局NASA、Natl Ctl Atmospher Res和Michigan AerospaceCorporation开发的GLOW和Groundwinds系统；丹麦、荷兰、日本也均有报道，国内如：中国科学技术大学、西安理工大学、中国科学院空间科学与应用研究中心、中国海洋大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、北京航天航空大学和苏州大学的报道。

德国、法国、英国、挪威联合研制的ALAMOR系统，采用F-P干涉仪与碘原子滤波相结合的技术，可针对北极圈附近80km的中高层大气进行观测。

美国NASA、Natl Ctl Atmospher Res和Michigan Aerospace Corporation开发的GLOW和Groundwinds系统，采用空间光学F-P干涉仪技术，可针对30km高度的大气风场进行探测。

欧洲航天局、丹麦Tech Univ均设计了多普勒测风激光雷达，采用F-P干涉仪技术，但是尚未见有关探测数据的报道。

在国内方面，中国海洋大学研制了“非相干多普勒测风激光雷达”，并在奥运匹克帆船赛和“神七”回收气象保障服务中得到应用。该系统采用碘分子吸收滤波器，通过低层(10km以下)大气气溶胶散射与大气分子散射，检测激光回波多普勒频移。

中国科学院空间科学与应用研究中心报道设计了一台大口径望远镜的F-P干涉仪成像光谱仪的原理样机，并进行了数据模拟研究。

中国科学技术大学研制了两台直接探测激光雷达系统，并于2011年与2013年进行了野外观测试验，该系统采用三通道F-P干涉仪，通过高层(15km至60km)大气分子散射，检测激光回波多普勒频移。

本发明的目的在于：双边缘多普勒频移探测技术中，双边缘是利用多通道F-P干涉仪实现的，其制造费用高，受振动、环境温度和湿度的影响大，空间光学多通道的使用引入了多个系统校正常数。同时，双边缘探测技术中，为了修正瑞利散射雷达中气溶胶散射的影响，或者修正气溶胶雷达中瑞利散射的影响，在接收光路中需设置能量监测通道，现有系统的能量监测通常采用分光的方法实现，降低了用于鉴频的信号的信噪比。本发明提出一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和装置，其激光工作波长为单模光纤中可传播的波长，紫外355纳米到近红外2.0微米均可。根据在光纤F-P干涉仪端面建立的直角坐标系中，由于平行于x轴和平行于y轴的折射率n不同，导致了光程差的不同，进而产生了透过率中心的偏置。如果利用偏振控制器使激光以45°角入射到光纤F-P干涉仪中，再通过偏振分束器PBS将产生的两个透过率分离，就能实现用于提取频移信息的双边缘。而在接收端中，研发了激光雷达光纤集成式单发双收光路，将接收的两根光纤拼接在同一包覆内，形成所谓的双D对合型光纤。当两根光纤同时接收大气回波信号时，调节光路使得激光照射区位于两根光纤接收视场的重叠区内，从而可认为两根光纤接收了相同的信号。这两根接收的光纤一根用于能量探测，一根用于频移探测，从而实现了能量探测与频移探测的分离，提高了频移探测的信噪比。更为重要的是，单发双收光路可实现大气多参数的同时探测，如实现大气风速、温度、密度、气溶胶和分子的密度等的同时探测。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和设备，其激光工作波长为单模光纤中可传播的波长，紫外355纳米到近红外2.0微米均可。该发明研发了激光雷达中的光纤集成式单发双收光路，将接收的两根光纤拼接在同一包覆内，形成所谓的双D对合型光纤以同时接收大气回波。这两根光纤，一根用于能量探测，一根用于频移探测，从而实现了能量探测与频移探测的分离，提高了频移探测的信噪比。此方法仅利用单通道F-P干涉仪就成功实现了双边缘探测技术，对能量的利用率高，方法简单。

本发明采用的技术方案为：一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测设备，包括激光器，声光调制器AOM，光纤放大器EDFA，四分之一波片，准直器，望远镜，第一保偏光纤，第一环行器，第一窄带光纤Bragg光栅FBG，偏振控制器PC，光纤F-P干涉仪，F-P干涉仪控制器，偏振分束器PBS，第一单光子探测器SPCM，第二单光子探测器SPCM，第二保偏光纤，第二环行器，第二窄带光纤Bragg光栅FBG，第三单光子探测器SPCM和采集卡，激光器出射的激光经声光调制器AOM调制后，再由光纤放大器EDFA放大；经放大的线偏振光经过四分之一波片后转化为圆偏振光；具有圆偏振态的光经过准直器后指向大气探测区域；经大气散射后的回波信号由望远镜接收，并耦合进入第一保偏光纤和第二保偏光纤；其中，进入第一保偏光纤的后向散射信号，先进入第一环行器，再由第一窄带光纤Bragg光栅FBG滤除背景噪声；之后，调节偏振控制器PC，使激光从偏振控制器PC出射后以45°角入射到光纤F-P干涉仪中进行鉴频；从光纤F-P干涉仪出射的激光经由偏振分束器PBS将偏振态分离开来；分离开来的激光分别由第一单光子探测器SPCM和第二单光子探测器SPCM探测；由第二保偏光纤接收回的另外一路散射信号进入第二环行器后，先由第二窄带光纤Bragg光栅FBG滤除背景噪声；滤除背景的激光从第二环行器出射后由第三单光子探测器SPCM探测；第一单光子探测器SPCM、第二单光子探测器SPCM和第三单光子探测器SPCM由采集卡采集。

另外，本发明提供一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法，在探测试验前，先调节偏振控制器PC(10)使激光以45°角入射到光纤F-P干涉仪中。调节结束后，保持光路稳定不动。在偏振控制器PC(10)固定的情况下对光纤F-P干涉仪的透过率进行标定，即确定频率和透过率的一一对应关系。上述的保偏光纤1(7)接收的后向散射信号用于提取频移信息，保偏光纤2(16)接收的后向散射信号用于能量探测。

进一步的，将接收的两根光纤拼接在同一包覆内，形成所谓的双D对合型光纤，当两根光纤同时接收大气回波信号时，调节光路使得激光照射区位于两根光纤接收视场的重叠区内，从而可认为两根光纤接收了相同的信号，这两根接收的光纤一根用于能量探测，一根用于频移探测，从而实现了能量探测与频移探测的分离，提高了频移探测的信噪比。

进一步的，频移探测时，先将出射激光锁定在双边缘的对称点处，当存在多普勒频移时，由于双边缘的对称结构，频移将引起其中一个透过率的增加，而另外一个透过率的减小，从而实现频移的双边缘探测。

本发明的原理在于：

光在入射到光纤F-P干涉仪上将在两个高反射膜之间产生多光束干涉。假设E₀为入射光电矢量的复振幅，它们在高反射膜内的入射角为，高反射膜间距为d，假定折射率为n，因而相邻两反射或透射光之间的光程差为＝2ndcos，相应的位相差为＝k4ndcos。通过推导可得F-P干涉仪的透射光强I_t与入射光强I₀的比值，即F-P干涉仪的透过率函数为：

h = I_{t} / I_{0} = {| Σ_{i = 1}^{\infty} E_{i} |}^{2} / E_{0}^{2} = T_{p} {[1 + \frac{4 R}{{(1 - R)}^{2}} \sin^{2} (\frac{δ}{2})]}^{- 1}

式中：T_p＝[1-A/(1-R)]²为F-P干涉仪的峰值透过率，A为F反射膜的吸收损耗；R为表面膜层反射率。

本发明提出根据在F-P干涉仪端面建立的直角坐标系中，平行于x轴与垂直于y轴的折射率的n不同(n_x≠n_y)，根据上式，导致了光程差＝2ndcos的差异，进而产生了透过率中心的偏置的原理。如果利用偏振控制器使激光以45°角入射到光纤F-P干涉仪中，再通过偏振分束器PBS将产生的两个透过率分离，就能实现用于提取频移信息的双边缘。

本发明优点和积极效果为：

本发明公开了一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法和装置。本发明根据在F-P干涉仪端面建立的直角坐标系中，由于平行于x轴与垂直于y轴的折射率的n不同(n_x≠n_y)，导致了光程差的不同(δ_x≠δ_y)，进而产生了透过率中心的偏置的原理。利用偏振控制器使激光以45°角入射到光纤F-P干涉仪中，再通过偏振分束器PBS将产生的两个透过率分离，就能实现用于提取频移信息的双边缘。此方法仅利用单通道F-P干涉仪就成功实现了双边缘探测技术，对能量的利用率高，方法简单，并且仪器设备制造技术成熟且成本低，便于批量生产。

本发明公布了实现激光雷达光纤集成式单发双收光路的方法。将接收用的两根光纤拼接在同一包覆内，形成所谓的双D对合型光纤。通过仪器的设计和优化，及其调节光路使激光照射区位于两根光纤接收视场的重叠区，保证了两光纤接收的是同样大小的后向散射信号。这两根接收的光纤一根用于能量探测，一根用于频移探测，能量探测与频移探测的分离，提高了频移探测的信噪比。更为重要的是，单发双收光路可实现大气多参数的同时探测，如实现大气风速、温度、密度、气溶胶和分子的密度等的同时探测。

附图说明

图1为光学布置图；

图2为光纤F-P干涉仪内部结构示意图；

图3为激光平行于x轴入射时，F-P干涉仪形成的透过率曲线；

图4为激光以30°角入射时，F-P干涉仪形成的透过率曲线；

图5为激光以45°角入射时，F-P干涉仪形成的透过率曲线；

图6为激光以45°角入射到F-P干涉仪后，利用偏振分束器PBS实现的双边缘；

图7为双D对接型光纤制作流程图；

图8为光纤制作及其耦合回波信号示意图；

图9为激光照射区位于两根光纤接收视场的重叠区的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图2所示的光纤F-P干涉仪内部结构示意图，光纤F-P干涉仪由首尾两个单模光纤SMF和中间的保偏光纤PMF组成，其中接近保偏光纤PMF的SMF的两个端口都涂有高反射膜。光在入射到光纤F-P干涉仪上面将在两个高反射膜之间产生多光束干涉。假设E₀为入射光电矢量的复振幅，它们在高反射膜内的入射角为，高反射膜间距为d，假定折射率为n，因而相邻两反射或透射光之间的光程差为＝2ndcos，相应的位相差为＝k4ndcos。通过推导可得F-P干涉仪的透射光强I_t与入射光强I₀的比值，即F-P干涉仪的透过率函数为：

h = I_{t} / I_{0} = {| Σ_{i = 1}^{\infty} E_{i} |}^{2} / E_{0}^{2} = T_{p} {[1 + \frac{4 R}{{(1 - R)}^{2}} \sin^{2} (\frac{δ}{2})]}^{- 1}

式中：T_p＝[1-A/(1-R)]²为F-P干涉仪的峰值透过率，A为F-P干涉仪反射膜的吸收损耗；R为表面膜层反射率。

根据上式，在F-P干涉仪端面建立的直角坐标系中(如图2所示的直角坐标系)，偏振光平行于x轴入射时的折射率n_x不同，与光平行于y轴入射时的折射率n_y不等(n_x≠n_y)，导致了位相差的不等(δ_x≠δ_y)，相位差的不等最终产生透过率中心的偏置。任意方向的偏振光都写成是x轴和y轴上的光的矢量和。当光平行于x入射时，光纤F-P干涉仪的透过率如图3所示的标准单峰；当光以30°角入射时，光纤F-P干涉仪的透过率如图4所示的不对称的双峰；当光以45°角入射时，光纤F-P干涉仪的透过率如图5所示的对称的双峰。本发明提出了，利用偏振控制器调节激光使其以45°角入射到光纤F-P干涉仪中，再通过偏振分束器PBS将产生的两个透过率分离，从而成功实现用于提取频移信息的双边缘的办法。当激光以45°角入射到光纤F-P干涉仪时，通过偏振分束器PBS分离的两个对称的双边缘如图6所示。

实现本发明的仪器设备如图1所示。该系统由发射子系统和接收子系统组成。发射子系统由激光器1，声光调制器AOM 2，光纤放大器EDFA 3，四分之一波片4，准直器5组成。接收子系统由第一保偏光纤7，第一环行器8，第一窄带光纤Bragg光栅FBG9，偏振控制器PC 10，光纤F-P干涉仪11，F-P干涉仪控制器12，偏振分束器PBS 13，第一单光子探测器SPCM 14，第二单光子探测器SPCM 15，第二保偏光纤16，第二环行器17，第二窄带光纤Bragg光栅FBG 18，第三单光子探测器SPCM 19，采集卡20组成。

该系统的光源的工作波长为单模光纤中可传播的波长，紫外355纳米到近红外2.0微米均可。由激光器1出射的激光经声光调制器AOM 2调制后，再由光纤放大器EDFA 3放大；经放大的线偏振光经过四分之一波片4后转化为圆偏振光；具有圆偏振态的光经过准直器5后指向大气探测区域；经大气散射后的回波信号由望远镜6接收，之后耦合进入第一保偏光纤7和第二保偏光纤16；其中，进入第一保偏光纤7的后向散射信号，先进入第一环行器8，再由第一窄带光纤Bragg光栅FBG 9滤除背景噪声；之后，调节偏振控制器PC 10，使激光从偏振控制器PC 10出射后以45°角入射到光纤F-P干涉仪11中进行鉴频；从光纤F-P干涉仪11出射的激光由偏振分束器PBS 13将偏振态分离开来；分离开来的激光分别由第一单光子探测器SPCM 14和第二单光子探测器SPCM 15探测；由第二保偏光纤16接收回的另外一路散射信号进入第二环行器17后，先由第二窄带光纤Bragg光栅FBG 18滤除背景噪声；滤除背景的激光从第二环行器17出射后由第三单光子探测器SPCM 19探测；第一单光子探测器SPCM 14、第二单光子探测器SPCM 15和第三单光子探测器SPCM 19由采集卡20采集。

在探测试验前，先调节偏振控制器PC 10使激光以45°角入射到光纤F-P干涉仪中。调节结束后，保持光路稳定不动。在偏振控制器PC 10固定的情况下对光纤F-P干涉仪的透过率进行标定，即确定频率和透过率的一一对应关系。上述的第一保偏光纤7接收的后向散射信号用于提取频移信息，第二保偏光纤16接收的后向散射信号用于能量探测。

本发明公布了一种将两根光纤制作在同一包覆内，以实现激光雷达光纤集成式单发双收光路。其制作过程如图7所示，将同一类型的两根光纤，削去垂直于端面的一边的包覆，直至露出芯径为止，然后将两根拼在一起，形成所谓的双D对接型光纤。将拼接好的光纤接入FC/APC接头中，形成成品，如图8中(A)图所示。探测时，保证光纤端口位于望远镜的焦面上，以共同探测回波信号，如图8中(B)图所示。

这两根光纤同时接收大气回波信号，并且在探测前调节收发光路使得激光照射区位于两根光纤接收视场的重叠区内，正如图9所示，因此可认为第一保偏光纤和第二保偏光纤接收到的是同一大小的信号。频移探测时，先将出射激光锁定在双边缘的对称点处，当存在多普勒频移时，由于双边缘的对称结构，频移将引起其中一个透过率的增加，而另外一个透过率的减小，从而实现频移的双边缘探测。

系统使用的窄带光纤Bragg光栅FBG的半高全宽可达8pm，能够有效滤除背景噪声。并且该发明公布了一种单发双收光路，即利用两根保偏光纤同时接收大气回波信号的结构。其中，发射的激光经准直器压缩发散角至0.15mrad。而接收端中，利用光纤制造技术，将两根芯径为9μm的保偏光纤拼在同一包覆内，并且保证两根光纤的芯径间的距离为9μm。望远镜的口径为30mm，则望远镜的视场角为0.3mrad，即在一公里处探测到的是直径为0.3m的圆。如图9所示，如果调节光路使得激光照射区位于两个保偏光纤接收视场的重叠区中，则可认为两根保偏光纤接收到的回波信号强度相等。通过单发双收光路，实现了频移探测通道和能量探测通道的分离。更为重要的是，利用此结构可实现大气多参数的同时探测，如频移探测与能量探测的结合可用于反演大气的风场，气溶胶和分子的密度分布等；而利用能量探测能够实现大气密度和温度等的探测。

在接收端中，研发了激光雷达光纤集成式单发双收光路，将接收的两根光纤拼接在同一包覆内，形成所谓的双D对合型光纤。当两根光纤同时接收大气回波信号时，调节光路使得激光照射区位于两根光纤接收视场的重叠区内，从而可认为两根光纤接收了相同的信号。这两根接收的光纤一根用于能量探测，一根用于频移探测，从而实现了能量探测与频移探测的分离，提高了频移探测的信噪比。更为重要的是，单发双收光路可实现大气多参数的同时探测，如实现大气风速、温度、密度、气溶胶和分子的密度等的同时探测。频移探测时，先将出射激光锁定在双边缘的对称点处，当存在多普勒频移时，由于双边缘的对称结构，频移将引起其中一个透过率的增加，而另外一个透过率的减小，从而实现频移的双边缘探测。

本发明未详细公布的部分属于本领域的公知技术。

尽管上述对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体的实施方式范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各变化在所附的权利要求限定内和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明均在保护之列。

Claims

1.一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测设备，其特征在于，包括激光器(1)，声光调制器AOM(2)，光纤放大器EDFA(3)，四分之一波片(4)，准直器(5)，望远镜(6)，第一保偏光纤(7)，第一环行器(8)，第一窄带光纤Bragg光栅FBG(9)，偏振控制器PC(10)，光纤F-P干涉仪(11)，F-P干涉仪控制器(12)，偏振分束器PBS(13)，第一单光子探测器SPCM(14)，第二单光子探测器SPCM(15)，第二保偏光纤(16)，第二环行器(17)，第二窄带光纤Bragg光栅FBG(18)，第三单光子探测器SPCM(19)和采集卡(20)；激光器(1)出射的激光经声光调制器AOM(2)调制后，再由光纤放大器EDFA(3)放大；经放大的线偏振光经过四分之一波片(4)后转化为圆偏振光；具有圆偏振态的光经过准直器(5)后指向大气探测区域；经大气散射后的回波信号由望远镜(6)接收，并耦合进入第一保偏光纤(7)和第二保偏光纤(16)；其中，进入第一保偏光纤(7)的后向散射信号，先进入第一环行器(8)，再由第一窄带光纤Bragg光栅FBG(9)滤除背景噪声；之后，调节偏振控制器PC(10)，使激光从偏振控制器PC(10)出射后以45°角入射到光纤F-P干涉仪(11)中进行鉴频；从光纤F-P干涉仪(11)出射的激光经由偏振分束器PBS(13)将偏振态分离开来；分离开来的激光分别由第一单光子探测器SPCM(14)和第二单光子探测器SPCM(15)探测；由第二保偏光纤(16)接收回的另外一路散射信号进入第二环行器(17)后，先由第二窄带光纤Bragg光栅FBG(18)滤除背景噪声；滤除背景的激光从第二环行器(17)出射后由单光子探测器SPCM3(19)探测；第一单光子探测器SPCM(14)、第二单光子探测器SPCM(15)和第三单光子探测器SPCM(19)由采集卡(20)采集。

2.一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法，其特征在于，该方法使用权利要求1所述的基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测设备，在探测试验前，先调节偏振控制器PC(10)使激光以45°角入射到光纤F-P干涉仪中，调节结束后，保持光路稳定不动，在偏振控制器PC(10)固定的情况下对光纤F-P干涉仪的透过率进行标定，即确定频率和透过率的一一对应关系，上述的第一保偏光纤(7)接收的后向散射信号用于提取频移信息，第二保偏光纤(16)接收的后向散射信号用于能量探测。

3.根据权利要求2所述的一种基于保偏光纤形成双腔F-P干涉仪的激光频移探测方法，其特征在于，研发了激光雷达光纤集成式单发双收光路，将接收的两根光纤拼接在同一包覆内，形成所谓的双D对合型光纤以同时接收大气回波，当接收大气回波信号时，调节光路使得激光照射区位于两根光纤接收视场的重叠区内，从而可认为两根光纤接收了相同的信号，这两根接收的光纤一根用于能量探测，一根用于频移探测，从而实现了能量探测与频移探测的分离，提高了频移探测的信噪比。这种单发双收结构，可实现大气多参数的同时探测，如实现大气风速、温度、密度、气溶胶和分子的密度等的同时探测。