CN113092385B - 中高层大气折射率测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种中高层大气折射率测量装置和测量方法。测量装置包括：激光器：包括增益管，增益管的两端封接固定腔镜和增透窗片；偏振分光镜：设置在增透窗片的外侧；第一独立腔镜：设置在偏振分光镜反射端；第二独立腔镜：设置在偏振分光镜透射端腔；高真空管：设置在偏振分光镜和第一独立腔镜之间；探测管腔：设置在偏振分光镜和第二独立腔镜之间；偏振片：设置在固定腔镜的外侧；频差探测器：探测两偏振激光的频差；频率计：与频差探测器连接，记录探测的频差值；数据处理系统：与频率计连接。本发明提供的测量方法，基于两正交偏振激光的频差计算中高层大气折射率。该装置和方法探测灵敏度高，可探测折射率非常小的中高层大气。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种中高层大气折射率测量装置及测量方法。
背景技术
中高层大气(一般20km～200km以上)是近地空间环境的重要组成部分，其中的物理、化学和辐射过程，是影响日地空间环境、全球空间天气和地面生态环境变化的一个关键环节。而随着空天地一体化发展，有更多探测器和飞行器进入中高层大气区域活动，因此对其物理特性和环境变化的研究非常重要。
在中高层大气的特性参数中，密度和温度都是进行空间物理研究和空间天气预报的关键参量，因此，连续测量中高层区域的密度场和温度场，对于大气气候、大气动力学和大气分子含量等基础研究非常关键，有利于理解大气上下层间的相互作用，构建更准确的空间天气预报模型。同时，中高层大气的折射率与其密度、温度等有确定的数量关系，可以通过测量折射率，根据Rüeger公式、Barrell&Sears公式等数值模型得到。
通过激光雷达、流星雷达、中频/甚高频雷达、探空火箭和气球搭载、卫星临边探测等技术可以测量中高层大气密度和温度等。如由激光器向大气中发射特定波长的光束，与待测大气的特定成分发生相互作用，产生散射和反射光信号，并通过测量其强度、多普勒频移量或展宽等信息，反演中高层大气密度、温度、风速等；由地轨卫星搭载高精度加速度计，测量运行过程中受到大气的密度阻尼、太阳辐射光压、地球反照和外向辐射等非保守力作用在卫星上产生的加速度变化，通过定标和坐标变换后就可以反演得到大气密度。这些探测方法通常系统复杂，线性响应差，中间误差因素多，各方法之间难以相互对比。因此，直接测量中高层大气温度、密度的实施方式，测量难度大、今年高度低，并不能获得理想的测量效果。
如前文所述，大气折射率可反演推算大气的密度和温度，因此，对中高层大气折射率的测量显得尤为重要。而用激光作为媒质探测中高层大气的各种方法中，包括了基于光强变化进行探测的如散射激光雷达，基于频率变化进行探测的如多普勒测风雷达和多普勒展宽测温雷达等。其中激光器只作为输出高功率和特定波长的优良光源，需要用到大口径光学望远镜、窄线宽滤光器以及高灵敏光电探测器等，才能实现对微弱回波光信号的接收。而且由于中高层大气的物质密度低，这些方法都无法直接测量中高层大气折射率这一重要光学指标，进一步得到密度和温度等信息。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种结构简单、测量精度高的，针对中高层大气折射率的测量装置和测量方法。
为了达到上述目的，本发明首先提供一种中高层大气折射率测量装置，采用的技术方案为：
中高层大气折射率测量装置，包括：
激光器：为半外腔结构，包括增益管，增益管两端封接固定腔镜和增透窗片，所述增透窗片位于增益管出射光端；
偏振分光镜：设置在增透窗片的外侧，与出射光呈角度设置，增益管出射光镜偏振分光镜反射成参考激光，透射成测量激光，参考激光和测量激光的偏振方向相互正交；
第一独立腔镜：设置在偏振分光镜反射端，与增益管构成参考谐振腔；
第二独立腔镜：设置在偏振分光镜透射端，与增益管构成测量谐振腔；
高真空管：设置在参考谐振腔中偏振分光镜和第一独立腔镜之间；
探测管腔：设置在测量谐振腔中偏振分光镜和第二独立腔镜之间，探测管腔的长度与高真空管的长度相等；探测管腔包括开口端，可接入待测中高层大气；
偏振片：设置在固定腔镜的外侧；
频差探测器：设置在激光器经过偏振后的一侧，探测两偏振激光的频差；
频率计：与频差探测器连接，记录探测的频差值；
数据处理系统：与频率计连接，基于两正交偏振激光的频差计算中高层大气折射率。
本发明一些实施例中，测量装置进一步包括：
分束镜：设置在偏振片与固定腔镜之间，与固定腔镜端通光方向成45°角，偏振片位于分束镜的透射光路；
渥拉斯顿棱镜：设置在分束镜的反射光路上，分束镜反射光经所述棱镜后按两个正交偏振态分成第一偏振光和第二偏振光；
第一光电探测器：设置在第一偏振光光路上，用于采集第一偏振光光强；
第二光电探测器：设置在第二偏振光光路上，用于采集第二偏振光光强；
数据处理系统：进一步与第一光电探测器和第二光电探测器连接，记录第一偏振光光强和第二偏振光光强并根据光强的差值生成驱动信号；
温控机构：所述增益管表面设置有加热丝，所述温控机构连接数据处理系统和加热丝，接收驱动信号控制加热丝工作，以补偿环境因素导致的增益管伸缩变形；
压电陶瓷致动器：与数据处理系统和第一独立腔镜连接，接收驱动信号控制压电陶瓷致动器，驱动第一独立腔镜。
本发明一些实施例中，所述频差探测器为PIN二极管或雪崩光电二极管。
本发明一些实施例中，所述数据处理系统被配置为，根据如下方法计算高层大气折射率：
基于参考谐振腔中的参考激光和测量谐振腔中的测量激光的频率差，计算中高层大气的折射率；
本发明一些实施例中，进一步提供一种中高层大气折射率测量方法，采用商述的测量装置，包括以下步骤：
S1:将待测大气引入探测管腔；
S2:使测量激光处于下降沿时，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差，使测量激光处于上升沿时，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差；
S3:数据处理系统基于两次测得的参考光和探测光的频率差计算生成中高层大气折射率。
本发明一些实施例中，方法进一步包括以下步骤：
根据第一光电探测器和第二光电探测器的光强值，调整温控机构和加热丝，使测量激光处于下降沿并与参考激光光强相等达到第一等光强点，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差；
改变温度继续调整温控机构和加热丝，使测量激光处于上升沿并与参考激光光强相等达到第二等光强点，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差。
本发明一些实施例中，方法进一步包括：
步骤S1之前，首先将探测管腔抽成真空，记录参考激光和测量激光达到第一等光强点的频差Δ10，达到第二等光强点时的频差Δ20；
计算激光器各元件各向异性引入的初始等效折射率差Δn0：
按步骤3完成中高层大气折射率测量后，在测量结果中补偿初始等效折射率差。
本发明一些实施例中，步骤S3中，计算中高层大气折射率的方法包括：
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)将待测大气引入探测管腔，通过增益管、真空管腔、探测管腔的配合，将大气折射率转变为激光频率的变化，提高装置的探测灵敏度，可探测折射率非常小的中高层大气。
(2)偏振分光镜将激光按s光和p光分为两个独立的振荡通道，分别用于通过受大气扰动和不受扰动的气体，两通道分离设计，可灵敏响应大气折射率变化引起的探测腔长的相对变化。
(3)激光器探测系统不需要其他的频率参考基准，仅由激光器直接用作探测，光路结构简单紧凑，体积、重量及功耗均小，更适合搭载卫星或气球等高空平台。
(4)可通过温度补偿的方式对激光器增益区共用部分的腔长变化进行补偿，以降低温度等环境因素引起的腔长漂移对测量结果的影响，提高测量精度。
附图说明
图1为激光谐振频率示意图；
图2为分叉腔激光器测量大气折射率原理图；
图3为处于第一等光强点时激光器两正交偏振频率间隔示意图；
图4为处于第二等光强点时激光器两正交偏振频率间隔示意图；
图5为激光器参考谐振腔和测量谐振腔腔长示意图。
以上各图中：
1-激光增益管；2-固定腔镜；3-增透窗片；4-偏振分光镜；5-第一独立腔镜；6-第二独立腔镜；7-高真空管；8-探测管腔；9-偏振片；10-频差探测器；11-频率计；12-数据处理器；13-分束镜；14-渥拉斯顿棱镜；15-光电探测器；16-温控装置；17-加热丝。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，当元件被称为“设置在”，“连接”，“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明第一实施例首先提供一种中高层大气折射率测量装置，可被搭载在其他高空运行平台使用。
本发明的设计原理如下。
输出激光的特性参量中，光强受限于泵浦源、增益介质等的稳定性，测量精度难以很高，而频率和相位是关联在一起的，即满足自洽条件：
其中，νq为振荡激光频率，Δφ为激光在谐振腔内往返一周的总相位延迟，λ为激光波长，L0为谐振腔腔长，n为谐振腔内等效折射率，c为真空中光速，q为正整数。由于光的频率很高，达到1014量级，因此气体激光器中q的值非常大，通常可以达到105～106。如图1中给出了激光器的等间隔谐振频率(即激光纵模)的频谱分布，其中能够形成振荡的是匹配增益介质荧光谱线和谐振腔选频的νq、νq+1等有限个模式。
根据前述式(1)和式(2)，振荡频率决定于激光器的等效物理腔长L＝nL0。当激光谐振腔内的折射率n发生微小变化(如中高层大气扰动)，通过大数q可以引起激光频率的明显变化。而目前时间/频率是计量领域中测量最精确的基本物理量，实现了量子基准，测量准确度达到10-15量级。因此，将稀薄的中高层大气引入激光谐振腔，其密度、温度变化使得等效折射率产生微小扰动，精确测量由此引起的激光频率偏移，就可以实现对中高层大气折射率的高灵敏探测。
中高层大气折射率测量装置的第一种实施结构参考图2，包括：
激光器：为半外腔结构，包括增益管1，增益管1的两端封接固定腔镜2和增透窗片3，增透窗片3位于增益管1出射光端；
偏振分光镜4：设置在增透窗片3的外侧，与出射光呈角度设置，增益管1出射光镜偏振分光镜4反射成参考激光，透射成测量激光，参考激光和测量激光的偏振方向相互正交；具体的，激光经偏振分光镜后部分被反射形成反射光，部分透过偏振分光镜形成透射光；通过偏振分光镜，将谐振腔按s光(或标记为垂直偏振态，即反射光)和p光(标记为平行偏振态，即透射光)分成两个独立的振荡通道；
第一独立腔镜5：设置在偏振分光镜4反射端，与增益管构成参考谐振腔；
第二独立腔镜6：设置在偏振分光镜4透射端，与增益管构成测量谐振腔；
高真空管7：设置在参考谐振腔中偏振分光镜4和第一独立腔镜之间，即位于偏振分光镜4反射光路上，即设置在垂直偏振态光的光路上；高真空管7腔长为L，由于不受外界大气环境的影响，高真空管7管腔的长度不会发生改变；
探测管腔8：设置在测量谐振腔中偏振分光镜4和第二独立腔镜之间，探测管腔的长度与高真空管的长度相等；探测管腔包括开口端，可接入待测中高层大气；
偏振片9：设置在固定腔镜2的外侧；
频差探测器10：设置在激光器经过偏振后的一侧，探测两偏振激光的频差；频差探测器10可以采用PIN二极管或雪崩光电二极管；
频率计11：与频差探测器连10接，记录探测的频差值；此处所述的频率差，是指参考激光和测量激光之间的频率差；
数据处理系统12：与频率计11连接，基于两正交偏振激光的频差计算中高层大气折射率。
以上光路传输过程中，s光通过偏振分镜4后被反射到第一独立腔镜5，进一步被反射后，经过高真空管7后，与固定腔镜2构成参考光纵模νq的谐振通道；p光经过偏振分光镜4后全部透过，经外部通道导入的中高层大气物质后，入射到第二独立腔镜6，与固定腔镜2构成探测光纵模νq+1′的谐振通道。
由于参考激光νq处于真空环境，不受大气的扰动，其频率不会发生变化，而探测光νq+1′由于处于中高层大气环境，受大气密度、温度等因素的影响，由于其折射率变化使频率发生偏移，偏移量为Δν，如图3所示。
两正交偏振的光从激光器输出端出射后，经偏振片9后形成光拍，光电探测器接收其拍频信号即两纵模的频率差，并由频率计11读出s光和p光之间的频率偏移量。
本发明提供测量装置的第二种实施结构，进一步参考图2。
由于激光器的不稳定因素主要集中在增益介质和泵浦源部分，即从偏振分光镜4到固定腔镜2之间的光路中，发生变化时引起激光腔长的改变对两个振荡通道而言是相同的，会使νq模和νq+1′模在频率轴上同向平移而频差不变，属于共模噪声，据此还可以通过调节固定腔镜2使两激光模式处于“等光强点”，进一步减小测量系统的非线性误差。
具体的，为了解决空间温度变化对激光谐振腔的影响，进而对测量结果的影响，本发明一些实施例中，测量装置进一步包括：
分束镜13：设置在偏振片9与固定腔镜2之间，与固定腔镜2端通光方向成45°角，偏振片10位于分束镜9的透射光路；
渥拉斯顿棱镜14：设置在分束镜13的反射光路上，分束镜13反射光经渥拉斯顿棱镜后形成第一偏振光和第二偏振光；
光电探测器15，具体包括第一光电探测器：设置在第一偏振光光路上，用于采集第一偏振光光强；第二光电探测器：设置在第二偏振光光路上，用于采集第二偏振光光强；
数据处理系统进一步与第一光电探测器和第二光电探测器连接，基于第一偏振光光强和第二偏振光光强的差值生成驱动信号；
温控机构16，增益管表面设置有加热丝17，温控机构连接数据处理系统12和加热丝17，接收驱动信号控制加热丝17工作，以补偿环境因素导致的增益管伸缩变形；
压电陶瓷致动器：与数据处理系统12和第一独立腔镜5连接，接收驱动信号控制压电陶瓷致动器，驱动第一独立腔镜5。
激光器从固定腔镜2一侧输出光经分光镜后分为两束，由两个光电探测器接收光强；另一束经偏振片9后形成光拍，由频差探测器10测量参考激光νq模和探测激光νq+1′模的频差，输入频率计11数器读出。当激光增益管受环境温度、振动等干扰发生伸缩变形，会使模式νq和νq+1′同向漂移，处于增益曲线上的不同位置引入非线性误差。探测系统中第一光电探测器和第二光电探测器接收两个模式光强，由采集模块比较后产生驱动信号，反馈控制增益管上的加热丝补偿增益管伸缩，使模式νq和νq+1′一直处于“等光强点”，如图3和图4所示，提高频差测量精度。
在以上第一种实施结构和第二种实施结构中，数据处理系统被配置为，基于参考谐振腔中的参考激光和测量谐振腔中的测量激光的频率差，根据如下方法计算中高层大气折射率：
基于参考谐振腔中的参考激光和测量谐振腔中的测量激光的频率差，计算中高层大气的折射率；
以上折射率的计算原理如下。
按图2所示的测量装置，参考谐振腔内为垂直偏振模νq，测量谐振腔内为水平偏振模νq+1′，二者各自满足自洽条件，在频谱图上表示两正交偏振模式，如图3所示，包络线对应激光介质的增益线宽，中心频率为v0。在中高层大气折射率测量装置中调整激光增益管的加热丝，使参考谐振腔内的垂直偏振模νq和测量谐振腔内平行偏振模νq+1′沿频率轴正向平移，达到“第一等光强点”位置。其中，νq处于增益曲线的下降沿，νq+1′处于增益曲线的上升沿。测量开始前，首先将测量谐振腔中的探测管腔抽成高真空。此时，测量装置的光路如图5所示，调整激光增益管的固定反射镜到参考谐振腔独立反射镜和到测量谐振腔独立反射镜之间的等效物理腔长相等，均为L。同时，参考谐振腔中的高真空管与测量谐振腔中的探测管腔的几何长度都为l。根据式(1)，参考激光的频率为：
当测量谐振腔内的探测管腔导入中高层大气后，由于气体折射率的变化，腔长变为：L′＝L+(n-1)l，其中振荡的激光频率变为：
则两振荡模式之间的频差为：
进一步调整加热丝，激光增益管的长度改变，使测量激光νq+1′移出增益带宽，同时下一级纵模νq-1′移入增益带宽，达到“第二等光强点”，如图4所示。按上述分析，νq和νq-1′之间的频差为：
根据前后两次在等光强点处测得的频差Δ1和Δ2，由上述式(5)和式(6)可以得到中高层大气导入后引起的νq-1′和νq+1′频率偏移量Δν及相邻级纵模间隔Δ为：
由此，结合式(2)，可以通过计算腔长L′得到中高层大气的折射率为：
本发明第二实施例提供一种中高层大气折射率测量方法，包括以下步骤：
S1:将待测大气镜探测管腔8的开口处引入探测管腔。
S2:使测量激光处于下降沿时，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差，使测量激光处于上升沿时，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差。
在本发明一些实施例中，可根据第一光电探测器和第二光电探测器的光强值，调整温控机构和加热丝17，使测量激光处于下降沿并与参考激光光强相等达到第一等光强点，由频差探测器10和频率计11检测参考激光和探测激光之间的频率差；
改变温度继续调整温控机构和加热丝17，使测量激光处于上升沿并与参考激光光强相等达到第二等光强点，由频差探测器10和频率计11检测参考激光和探测激光之间的频率差。
S3:数据处理系统基于两次测得的参考光和探测光的频率差计算生成中高层大气折射率。计算方法如下。
由于激光谐振腔内，增透窗片3、偏振分光镜4、高真空管7和探测管腔8等光学元件存在较小的各向异性，如应力双折射，使得参考谐振腔和测量谐振腔的物理腔长不再相等。
在本发明一些实施例中，在测量之前，可进行折射率的校准。
在将探测管引入待测气体之前，首先将探测管腔抽成真空，可按步骤S2的步骤调节光强。记录参考激光和测量激光达到第一等光强点和第二等光强点的频差Δ10和Δ20，后续测量过程，二者不再相等，是由腔内各向异性引起的。根据式(8)，可以将元件各向异性引入的初始腔长差等效为折射率差Δn0，计算公式为：
在导入中高层大气测量折射率后，将折射率的测量结果n中扣减初始等效折射率差Δn0，完成测量结果的修正。
本发明提供的中高层大气折射率的测量装置和测量方法，激光器探测系统不需要其他的频率参考基准，仅由激光器直接用作探测，测量结果准确性高，光路结构简单紧凑，体积、重量及功耗均小，更适合搭载卫星或气球等高空平台。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.中高层大气折射率测量装置，其特征在于，包括：
激光器：为半外腔结构，包括增益管，增益管两端封接固定腔镜和增透窗片，所述增透窗片位于增益管出射光端；
偏振分光镜：设置在增透窗片的外侧，与出射光呈角度设置，增益管出射光经偏振分光镜反射成参考激光，透射成测量激光，参考激光和测量激光的偏振方向相互正交；
第一独立腔镜：设置在偏振分光镜反射端，与增益管构成参考谐振腔；
第二独立腔镜：设置在偏振分光镜透射端，与增益管构成测量谐振腔；
高真空管：设置在参考谐振腔中偏振分光镜和第一独立腔镜之间；
探测管腔：设置在测量谐振腔中偏振分光镜和第二独立腔镜之间，探测管腔的长度与高真空管的长度相等；探测管腔包括开口端，接入待测中高层大气；
偏振片：设置在固定腔镜的外侧；
频差探测器：设置在激光器经过偏振后的一侧，探测两偏振激光的频差；
频率计：与频差探测器连接，记录探测的频差值；
数据处理系统：与频率计连接，基于两正交偏振激光的频差计算中高层大气折射率；
分束镜：设置在偏振片与固定腔镜之间，与固定腔镜端通光方向成45°角，偏振片位于分束镜的透射光路；
渥拉斯顿棱镜：设置在分束镜的反射光路上，分束镜反射光经所述棱镜后按两个正交偏振态分成第一偏振光和第二偏振光；
第一光电探测器：设置在第一偏振光光路上，用于采集第一偏振光光强；
第二光电探测器：设置在第二偏振光光路上，用于采集第二偏振光光强；
数据处理系统：进一步与第一光电探测器和第二光电探测器连接，记录第一偏振光光强和第二偏振光光强并根据光强的差值生成驱动信号；
温控机构：所述增益管表面设置有加热丝，所述温控机构连接数据处理系统和加热丝，接收驱动信号控制加热丝工作，以补偿环境因素导致的增益管伸缩变形；
压电陶瓷致动器：与数据处理系统和第一独立腔镜连接，接收驱动信号控制压电陶瓷致动器，驱动第一独立腔镜。
2.如权利要求1所述的中高层大气折射率测量装置，其特征在于，所述频差探测器为PIN二极管或雪崩光电二极管。
3.如权利要求1所述的中高层大气折射率测量装置，其特征在于，所述数据处理系统被配置为，根据如下方法计算高层大气折射率：
基于参考谐振腔中的参考激光和测量谐振腔中的测量激光的频率差，计算中高层大气的折射率；
4.一种中高层大气折射率测量方法，采用权利要求1至3中任意一项所述的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将待测大气引入探测管腔；
S2：使测量激光处于下降沿时，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差，使测量激光处于上升沿时，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差；
S3：数据处理系统基于两次测得的参考光和探测光的频率差计算生成中高层大气折射率。
5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤S2中，进一步包括以下步骤：
根据第一光电探测器和第二光电探测器的光强值，调整温控机构和加热丝，使测量激光处于下降沿并与参考激光光强相等达到第一等光强点，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差；
改变温度继续调整温控机构和加热丝，使测量激光处于上升沿并与参考激光光强相等达到第二等光强点，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差。
6.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，进一步包括：
步骤S1之前，首先将探测管腔抽成真空，记录参考激光和测量激光达到第一等光强点的频差Δ10，达到第二等光强点时的频差Δ20；
计算激光器各元件各向异性引入的初始等效折射率差Δn0：
按步骤S3完成中高层大气折射率测量后，在测量结果中补偿初始等效折射率差。
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