[发明专利]光纤大气湍流折射率起伏测量仪

说明书

技术领域

本发明属于一种光学测量仪器，具体是一种测量光学湍流参数的标准仪器。

背景技术

在湍流大气光学研究中，需要关心的主要是湍流折射率起伏特性，包括折射率结构常数、特征尺度和湍流折射率谱等。现有的测量这些参数的方法主要有两种，即温度脉动法和光学方法。

温度脉动法是一种通过测量大气温度的起伏来获得大气湍流折射率起伏特性的间接测量法，其前提是假定空气折射率的起伏特性完全取决于温度的起伏特性。常用的温度脉动仪就是根据该原理发展起来的，该仪器使用直径只有几微米的铂丝作为传感探头，当湍流大气经过铂丝时引起铂丝电阻的变化，经放大电路将电阻的变化转化成可采集到的电压变化信号，便可获得大气温度的起伏特性，从而获得大气折射率起伏特性。

温度脉动法是人们无法直接用光学手段在近距离获得湍流信息时所采取的替代方法，尽管它是目前最常用的湍流光学参数测量方法，但是其本身存在一些固有的缺陷。首先温度脉动法使用的金属铂丝只有几微米的直径，特别容易被折断或被环境污染，若进行长时间的观测需要不断地检查仪器和经常性地更换铂丝，所以难以达到测量的实时性；其次它的空间分辨率和时间分辨率有限，因为铂丝长度方向的可分辨湍流尺度大于湍流内尺度，这给测量小尺度湍流脉动带来困难；此外，它是一种接触式测量手段，其响应速率直接决定于空气与金属丝的热交换速率(通常在几十Hz之内)，它也不可避免地对会空气造成一定的扰动。

目前的光学方法基本上都是利用湍流大气中光的传播效应来测量湍流光学参数的。如今已经出现了多种不同的光学测量法，以激光闪烁法和到达角起伏法最为常见。激光闪烁法测量湍流强度的理论基础是弱起伏条件下的Rytov近似，当湍流足够强时，对数光强起伏不但不随湍流的增强而增强，而且有时还有所减小，这就是所谓的“闪烁饱和效应”。受“闪烁饱和效应”的影响，在强起伏条件下，该方法即失效。此外，还有人利用激光雷达测量大气湍流，可是在实际大气中，用于推导雷达方程的湍流各向同性和平稳性假设条件很难得以满足，雷达方程本身的形式尚待进一步完善，因此该方法还处于初步的探索阶段。

通常大气折射率的起伏非常微小，只有当光波传播较长的路径后(通常为几百米以上)，湍流大气引起的光波相位和光强起伏方可便于检测。因此，目前根据湍流效应原理的光学方法测得的湍流光学参数都是进行路径平均的结果，该方法难以获得局域的折射率起伏特性。实际上，至今仍然没有一种光学手段能在短距离内，对湍流无扰动的前提下直接测量大气湍流折射率起伏。

此外有报道称，分别用温度脉动法和光学方法测得的湍流参数在数值上可相差四倍以上。所以若以其中任意一种测量方法为标准，则另一种方法的可靠性就值得怀疑。可见，目前还缺少一种在没有任何假设的前提下，通过直接的光学手段在短距离内获得光学湍流参数的标准仪器。

发明内容

本发明根据光纤传感技术的独特优点，设计了基于激光干涉原理的光纤大气湍流折射率起伏测量仪。系统的工作波长为1.31μm，该仪器具有测量灵敏度高、隔温隔振性能好、系统集成度高、操作方便等特点，可用作大气湍流折射率测量的定标标准。

本发明的技术方案如下：

光纤大气湍流折射率起伏测量仪，其特征在于从激光光源发出的激光输出经过光纤接入1×2光纤耦合器，分成信号光与参考光由光纤分别导入测量臂和参考臂；测量臂上安装一对间隔但相互对准的光纤准直器构成准直耦合光路，信号光从前面的光纤准直器出射到空气中，再由后面的光纤准直器接收后经过偏振控制器输出；参考臂中安装有压电陶瓷光纤延伸器；测量臂中出射的信号光与参考臂中出射的参考光接入2×2光纤耦合器合束，产生相干叠加，干涉信号分成二路分别通过尾纤输出到二个光电二极管，光电二极管产生的电流信号，经过电流/电压转换电路和放大电路转化成易于检测的电压信号，一路作为反馈控制信号输出到压电陶瓷光纤延伸器，一路送入计算机进行数据采集与处理，由计算机输出控制信号接入到压电陶瓷光纤延伸器。

所述的激光光源选用Ortel公司的1612型分布反馈式二极管激光器，尾纤输出，带有光隔离器。

所述的光纤为单模光纤。

所述的光电二极管为PIN光电二极管。