CN105929197A - 一种非对称空间外差干涉测量风速的方法 - Google Patents

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    • G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave

Abstract

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。

Description

一种非对称空间外差干涉测量风速的方法
技术领域
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
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。
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。
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。
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
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。
本发明采用的技术方案如下：
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σ0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σ0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＝σ0+Δσ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2N幅干涉图，前N幅在光源频率σ0不发生频移的条件下采样，后N幅在光源频率发生频移Δσ后采样；
(6)将1～N和N+1～2N幅采样干涉图分别求相位均值得到和得到其相位差并根据反推出一定转速的风速模拟装置模拟的风速。
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。
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。
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。
本发明具有以下特点及良好效果：
(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。
(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
图1是干涉仪结构示意图。
图2是干涉测量装置示意图。
图3是干涉相位随采样帧数的变化曲线。
具体实施方式
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。
实施例1
采用附图1所示的装置实现非对称空间外差干涉
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。
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72一侧与空气隔片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。
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。
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和风速反演精度。
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。
实施例2
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：
(1)光束频移
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σ0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。
(2)干涉成像
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。
(3)干涉测量
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≠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处的平均相位为和得到其相位差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。
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100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：根据公式(1)计算出风速为v1＝34.57m/s，计算风速与模拟风速的误差为3.1m/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。

Claims (4)

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σ0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σ0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＝σ0+Δσ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2N幅干涉图，前N幅在光源频率σ0不发生频移的条件下采样，后N幅在光源频率发生频移Δσ后采样；
(6)将1～N和N+1～2N幅采样干涉图分别求相位均值得到和得到其相位差并根据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。
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