CN106443640B - 一种基于时分固定频移技术的fpi频率标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时分固定频移技术的FPI鉴频器的频率标定方法。该发明将连续激光分成具有固定频率差的第一光束和第二光束，第一光束和第二光束通过时分复用技术交替工作，从而实现FPI频率的精确标定。本发明首先通过调谐FPI的腔长以获得FPI的频率响应函数；再通过台阶式扫描FPI的腔长，当频率响应函数相等时，记录频率响应函数的值，并根据固定的频率差标定FPI的频率响应曲线。本发明提出的标定方法消除了FPI标定过程中，磁滞效应引入的系统误差，并且能准确快速地完成标定FPI的频率标定。

Description

一种基于时分固定频移技术的FPI频率标定方法
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种基于时分固定频移技术的F-P标准具的标定方法。
背景技术
20世纪80年代以来，激光雷达日渐成熟，由于其时空分辨率高、非接触式探测、精度高和方向性好等优点，已经广泛应用于大气温度、风速、污染物监测和大气气溶胶光学特性的研究。法布里-珀罗干涉仪(FPI)作为重要的鉴频器件之一，在测风激光雷达、高光谱分辨测温激光雷达和气溶胶探测激光雷达中发挥着重要作用。
美国国家航天航空局(NASA)开发的GLOW系统，采用三通道的FPI，该系统可探测从地面到30km高度的风场。德国、英国和挪威联合研制的ALAMOR系统，采用FPI与碘原子滤波相结合的技术，可针对北极圈附近30km到80km的大气风场和温度进行观测。中国科学院安徽精密机械研究所研制了米散射多普勒测风激光雷达，该系统采用F-P标准具，通过大气米散射，检测激光回波的多普勒频移，实现0到3km低层对流层的风场测量。中国科学技术大学研发的车载多普勒测风激光雷达系统，采用三通道F-P标准具，通过调节压电陶瓷管电压以调节F-P标准具腔长，从而实现频率锁定，该系统已成功用于探测15km-60km高度的风场。中国科学技术大学研发的基于扫描F-P标准具的高光谱分辨激光雷达，通过扫描FPI的腔长，获得大气分子瑞利后向散射经FPI的透过率曲线，通过瑞利后向散射谱宽度和大气温度的对应关系，成功探测18km到50km的温度。
在上述开展的工作中，FPI的频率标定是直接探测激光雷达的关键技术。为实现FPI的频率标定，可以通过扫描腔长，扫描折射率，扫描激光频率或者扫描入射角的方法获得FPI的透过率曲线。OHP的Rayleigh-Mie多普勒雷达通过改变FPI腔内压强进而改变腔内折射率的方式来获得透过率。德国宇航局研制的A2D机载激光雷达通过改变激光器出射激光的频率来扫描透过率。中国科学技术大学的直接探测多普勒测风激光雷达采用扫描FPI腔长的方式来扫描透过率曲线。
通过扫描FPI腔长以获得FPI透过率曲线的方案中，存在腔长调谐非线性效应(磁滞效应)，其将对FPI的频率标定产生误差。本方案提出一种基于时分固定频移技术的FPI频率标定方法，可避免磁滞效应。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于以上问题，本发明提出一种基于时分固定频移技术的FPI频率标定方法，用于解决现有方法中存在的腔长调谐非线性效应，从而避免FPI频率标定中存在的误差。
(二)技术方案
本发明提出一种基于时分固定频移的FPI频率标定方法，包括以下步骤：
S1、调谐FPI的腔长获得该FPI的频率响应函数；
S2、将连续激光分为第一光束和第二光束；
S3、使第一光束发生频移；
S4、使第一光束和第二光束分别经FPI得到第一光束的反射光和透射光，以及第二光束的反射光和透射光；
S5、分别探测所述第一光束和第二光束的反射光和透射光得到反射谱和透射谱；
S6、分别获得第一光束的反射谱和透射谱的频率响应值Qa，以及第二光束的反射谱和透射谱的频率响应值Qb；
S7、比较频率响应值Qa和Qb，当Qa＝Qb时，对所述频率响应曲线进行标定。
上述连续激光由光纤分束器分束产生第一光束和第二光束，第一光束经声光调制器发生频移。发生频移的第一光束和第二光束具有固定的频率差，且第一光束和第二光束通过时分复用技术接替工作。第一光束和第二光束经光纤环形器传输至FPI，使用光开关来切换第一光束和第二光束的传输，其中光开关和光纤环形器为保偏器件。第一光束和第二光束的反射光和透射光经第一探测器和第二探测器得到反射谱和透射谱，其中第一探测器和第二探测器为平衡探测器。反射谱和透射谱传输到显示系统得到频率响应值Q。
上述FPI由电压扫描装置施加台阶式电压，从而改变FPI的腔长。
上述电压扫描装置还对电压进行扫描，每扫描一步，对得到的Q值进行记录、计算，直至第一光束的Q值与第二光束的Q值相等为止，从而得到电压和频率的对应关系，对频率响应曲线进行频率标定。
(三)有益效果
本发明具有以下有益效果：
1、本发明每扫描一步电压，进行一次记录、计算，直至第一光束的Q值与第二光束的Q值相等为止，得到电压和频率间的对应关系，避免了磁滞效应的非线性影响；
2、本发明将连续激光分成具有固定频率差的第一光束和第二光束，第一光束和第二光束通过时分复用技术交替工作，从而实现FPI频率的精确标定。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于时分固定频移的FPI频率标定方法采用的装置图；
图2是图1中光开关的驱动信号时序图；
图3是图1装置中不同电压下不同时刻对应的Q值；
图4是图1装置的频率响应函数曲线及其频率标定示意图。
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。
本发明中所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
为了便于理解本发明，下面介绍基于时分固定频移的FPI频率标定方法原理。在频域范围内，在自由谱间距(FSR)固定的情况下，FPI的透射率函数和反射率函数呈周期性。对于脉冲光，透射率T(υ)是激光出射光谱ILaser(υ)和FPI透射率函数h(υ)的卷积，即
其中表示卷积，假定传输过程中的发散可以忽略，则传输函数可近似为洛伦兹函数，即：
h(υ，υc)＝T0/[1+(υ-υc)2/(ΔυFPI/2)2] (2)
其中T0＝50％表示最高透射率，ΔυFPI表示传输函数的半高全宽(FWHM)，υc表示函数的中心频率。另激光出射光谱ILaser(υ)可表示为
同理，可以得到反射率为：
其中r(υ)表示反射率函数：
r(υ，υc)＝1-T0/[1+(υ-υc)2/(ΔυFPI/2)2] (5)
为实现频率标定，定义频率响应函数
其中α表示校准常数，Δυ是半宽在出射激光谱的1/e的强度电平。通过最小二乘拟合过程，对关于Q的函数进行拟合，可以得到υc和Δυ。
图1为本发明实施例提供的基于时分固定频移的FPI频率标定方法采用的装置图。其主要包括：激光器1、光纤分束器2、声光调制器3、光开关4、信号发生器5、光纤环形器6、光纤法布里-珀罗干涉扫描仪FPI 7、第一探测器8、第二探测器9、显示系统10、电压扫描装置11、第一偏振控制器12、第二偏振控制器13。其中：
激光器1发射连续激光，激光器1的输出端与光纤分束器2的输入端连接。
光纤分束器2用于将激光器1发出的连续激光分为第一光束和第二光束。光纤分束器2的输出端a与声光调制器3的输入端连接，用于传输第一光束；光纤分束器2的输出端b与光开关4的第二端口b连接，用于传输第二光束。
声光调制器3用于使第一光束产生频移fz，其输出端与光开关的第一端口a连接，用于传输发生频移的第一光束。则发生频移的第一光束和第二光束具有固定的频率差，从而实现FPI频率的精确标定。
光开关4的第三端口c与信号发生器5的输出端连接，由信号发生器5控制端口a、b的开合，从而使得第一光束或第二光束传输通过。光开关4的输出端与光纤环形器6的a端连接，用于传输第一光束或第二光束。
光纤环形器6的b端口与FPI7连接，用于传输第一光束或第二光束，中间接第一偏振控制器12；光纤环形器6的c端口与第二探测器9连接，用于传输第一光束或第二光束的反射光。
FPI7用于对第一光束或第二光束进行透射和反射，FPI 7与第一探测器8连接，用于传输第一光束或第二光束的透射光，中间接第二偏振控制器13。进一步的FPI 7与电压扫描装置11连接，电压扫描装置11对FPI 7施加台阶式电压并对其电压进行实时记录，从而避免磁滞效应的非线性影响。
第一探测器8用于将第一光束或第二光束的透射光转换为透射光谱，第一探测器8与显示系统10连接，用于将透射光谱传输给显示系统10。
第二探测器9用于将第一光束或第二光束的反射光转换为反射光谱，第二探测器9与显示系统10连接，用于将反射光谱传输给显示系统10。
显示系统10将第一光束或第二光束的透射光谱和反射光谱相结合，计算得到频率响应值Q，并显示响应值Q与频率的关系。
实施例
本发明基于时分固定频移的FPI频率标定方法，包括以下步骤：
S1、调谐FPI7的腔长获得FPI 7的频率响应函数，FPI7腔长的调谐通过电压扫描装置11施加台阶式电压进行，频率响应函数通过显示装置10显示，得到如图4所示的曲线图；
S2、激光器1发射的连续激光经光纤分束器2分为第一光束和第二光束；
S3、信号发生器5控制光开关4开启光开关4的第一端口a或第二端口b；
S4、当光开关4开启第一端口a时，所述第一光束经声光调制器3发生频移fz进行传输；当光开关4开启第二端口b时，第二光束进行传输；
S5、第一光束和第二光束经光纤环形器6传输到FPI 7，得到第一光束的反射光与透射光，以及第二光束的反射光和透射光；其中FPI 7由电压扫描装置11施加台阶式电压并实时记录电压值。
S6、第一光束和第二光束的反射光经第一偏振控制器12传输至第二探测器9得到第一光束和第二光束的反射谱，第一光束和第二光束的透射光经第二偏振控制器13传输至第一探测器8得到第一光束和第二光束的透射谱；
S7、第一光束的反射谱和透射谱经显示系统10得到频率响应值Qa，第二光束的反射谱和透射谱经显示系统10得到频率响应值Qb；
S8、比较所述Qa和Qb，当Qa＝Qb时，记录频率响应函数的值，并根据固定的频率差对FPI的频率响应曲线进行频率标定。
其中激光器1、光纤分束器2、光开关4和光纤环形器6都为保偏器件，第一探测器8和第二探测器9为平衡探测器。激光器1发射的连续光所分成的第一光束经声光调制器3调制后，发生频移的第一光束和第二光束具有固定的频率差，从而实现FPI的精确标定。
其中电压扫描装置10还对电压进行扫描，每扫描一步，对得到的Q值进行记录、计算，直至第一光束的Q值与第二光束的Q值相等为止，从而得到电压和频率的对应关系，对频率响应曲线进行频率标定。
如图2所示，为本实施例中光开关4的驱动信号时序图，当光开关4的驱动信号处于高电平时，第一光束经由光纤分束器2，并经由声光调制器3发生频移，得到某时刻的Q值；当光开关3的驱动信号为低电平时，第二光束经由光纤分束器2，经由一段光纤，得到某时刻的Q值。
图3为在不同扫描电压下，不同时刻对应的Q值；从图中可以看出，当Q值为Q4时，经由声光调制器3发生频移fz的第一光束得到的Qa值与未频移的第二光束得到的Qb值相等，记录此Q值下对应的频率，两者的固定差值为fz。
图4为FPI的频率响应函数，在不同频率下，对应不同的Q值，其中当频率为v4和v5时，对应的Q值都为Q4，此时v5-v4＝fz。其中Q0～Q3、v0～v3为频率标定过程中产生记录的频率响应值和频率值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于时分固定频移的FPI频率标定方法，包括以下步骤：
S1、调谐FPI(7)的腔长获得该FPI(7)的频率响应函数；
S2、将连续激光分为第一光束和第二光束；
S3、使所述第一光束发生频移；
S4、使所述第一光束和第二光束分别经所述FPI(7)得到第一光束的反射光和透射光，以及第二光束的反射光和透射光；
S5、分别探测所述第一光束和第二光束的反射光和透射光得到反射谱和透射谱；
S6、分别获得所述第一光束的反射谱和透射谱的频率响应值Qa，以及第二光束的反射谱和透射谱的频率响应值Qb；
S7、比较所述频率响应值Qa和Qb，当Qa＝Qb时，对所述频率响应曲线进行标定；
其中，频率响应函数为
其中a表示校准常数，Δυ是半宽在出射激光谱的1/e的强度电平，υc表示函数的中心频率，T(υ)是透射率，R(υ)为反射率；
对于脉冲光，透射率T(υ)是激光出射光谱ILaser(υ)和FPI透射率函数h(υ)的卷积，即
其中表示卷积，假定传输过程中的发散可以忽略，则传输函数可近似为洛伦兹函数，即：
h(υ,υc)＝T0/[1+(υ-υc)2/(ΔυFPI/2)2]
其中T0＝50％表示最高透射率，ΔυFPI表示传输函数的半高全宽，另激光出射光谱ILaser(υ)可表示为
同理，可以得到反射率为：
其中r(υ)表示反射率函数：
r(υ,υc)＝1-T0/[1+(υ-υc)2/(ΔυFPI/2)2]。
2.如权利要求1所述的基于时分固定频移的FPI频率标定方法，其特征在于，所述第一光束和第二光束经光纤环形器(6)传输至FPI(7)。
3.如权利要求2所述的基于时分固定频移的FPI频率标定方法，其特征在于，所述连续激光由光纤分束器(2)分束产生所述第一光束和第二光束。
4.如权利要求2所述的基于时分固定频移的FPI频率标定方法，其特征在于，使用光开关(4)来切换所述第一光束和第二光束的传输。
5.如权利要求4所述的基于时分固定频移的FPI频率标定方法，其特征在于，所述光开关(4)和所述光纤环形器(6)为保偏器件。
6.如权利要求1所述的基于时分固定频移的FPI频率标定方法，其特征在于，所述第一光束经声光调制器(3)调制发生频移。
7.如权利要求1所述的基于时分固定频移的FPI频率标定方法，其特征在于，所述FPI(7)由电压扫描装置(11)施加台阶式电压，以改变所述FPI(7)的腔长。
8.如权利要求1所述的基于时分固定频移的FPI频率标定方法，其特征在于，所述第一光束和第二光束的反射光和透射光分别经第一探测器(8)和第二探测器(9)得到反射谱和透射谱。
9.如权利要求8所述的基于时分固定频移的FPI频率标定方法，其特征在于，所述第一探测器(8)和第二探测器(9)为平衡探测器。
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